超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料及其製備方法
2023-05-16 19:08:46 2
專利名稱：超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種高性能混凝土複合摻合料及其製備方法。
背景技術：
混凝土是近現代最廣泛使用的建築材料，它以水泥為主，摻用礦物粉料，加水和外加劑配製成膠結材漿體，再與砂、石拌合均勻，澆築在梁、柱、牆、板等各種模型中，凝結硬化形成一個整體的工程材料。混凝土是由多種原材料與水混合併硬化後，形成的一種含固、液、氣三相的多元多相水泥基複合材料。由於在混凝土內部存在有大量的微型孔隙，正是這些微型孔隙的存在，影響了混凝土的密實度、力學性能和抗滲性能。混凝土的水膠比為混凝土中水與膠結材重量之比，水膠比的大小決定混凝土硬化後的強度，並影響硬化混凝土的耐久性。水膠比越小，混凝土強度越高。混凝土用水量主要取決於混凝土施工所需的工作性能，混凝土工作性能通常用坍落度表示，以往配製高工作性能的混凝土時即便摻用高效減水劑，混凝土仍需較多的拌合用水，在用水量一定的情況下為配製高強度的混凝土，就需要提高膠結材的用量以獲得更低的水膠比，隨著混凝土配製強度的提高，水泥用量也隨之提高，這樣便帶來一系列副作用，如使混凝土溫升提高、混凝土體積穩定性變差，收縮加大且易於開裂，耐久性能下降等。為了配製高性能混凝土，現代混凝土的研究方向是低水膠比、摻用高效減水劑和各種礦物粉料。這些礦物粉料雖然具有膠凝性和(或)火山灰效應，加入礦物粉料可以替換部分水泥，對混凝土耐久性有一定改進作用。通常採用的礦物粉料是粉煤灰、磨細礦渣、矽灰、偏高嶺土、鋼渣粉、磷渣粉、沸石粉等以矽、鋁、鈣等一種或多種氧化物為主要成份的粉體材料。這些礦物粉料中有些具有膠凝性，遇水後能產生水化反應生成膠凝物質；有些具有火山灰性，能與水泥水化生成的Ca(OH)2在常溫下發生化學反應，生成具有膠凝性的組分，或者有些同時具有膠凝性和火山灰性。在配製高性能混凝土時，這些礦物粉料因特質的不同，各有其優點和不足。如偏高嶺土、矽灰增強效果最好，但價格高，不經濟，偏高嶺土需要經過煅燒和磨細，能耗大，矽灰會增大混凝土收縮；摻磨細礦渣的混凝土，磨細礦渣摻量不足70％時混凝土水化溫升較高，但過高摻量會增加混凝土泌水；摻粉煤灰的混凝土能降低溫升，但早期強度低；鋼渣粉粉磨能耗高，活性低；沸石粉內部多孔，會增大混凝土用水量。
水泥是混凝土中的主要材料，水泥行業大量消耗資源和能源，是重要的環境汙染源之一。水泥生產工藝通常是通過「兩磨一燒」，即生料配製與粉磨、熟料煅燒和水泥粉磨三個過程。水泥工業是SO2、NOx等多種有害氣體的排放大戶，這些氣體對人體有害，還能形成酸雨和酸霧損害農作物、森林和植被、危害生態環境、侵蝕建築物。同時，在水泥熟料的燒成過程中CaCO3的分解和煤的燃燒過程中大量產生CO2，每生產1噸水泥大約排放1噸CO2氣體，CO2是促使全球氣候變暖的主要的溫室氣體之一。此外，水泥生產要大量消耗優質的石灰巖礦石、粘土和煤炭，這些都是人類賴以生存的礦產資源和土地資源。而且優質石灰巖礦石開採過程中產生大量尾礦，這些尾礦作為廢物經長年積累，嚴重破壞生態環境。因此進一步減少混凝土中的水泥用量、進一步提高混凝土的各項性能，是本領域技術人員長期面臨的一個技術難次題。
發明內容
本發明的目的是提供一種超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料及其製備方法，解決進一步提高混凝土力學性能和耐久性能的問題，同時解決進一步減少混凝土中的水泥用量和用水量、提高混凝土的性價比，節約資源和能源、保護環境的問題。
本發明的技術方案這種超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料，其特徵在於由超細碳酸鹽巖粉和礦物粉料組合而成，該摻合料以重量計算的配合比為超細碳酸鹽巖粉20％90％；礦物粉料 10％80％。
上述超細碳酸鹽巖粉是由碳酸鹽巖經破碎、磨細而成，所用碳酸鹽巖是以方解石、白雲石或上述兩種礦石為主要礦物成分的巖石。
上述超細碳酸鹽巖粉具有特定細度，採用雷射衍射法粒度分布儀測試，其粒度分布參數應滿足以下要求超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)應≤4.5微米、D(90)應≤25微米。
較好的超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)≤3.5微米、D(90)≤12微米。
最好的超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)≤2.5微米、D(90)≤7微米。
上述礦物粉料主要為磨細礦渣、粉煤灰、鋼渣粉、磷渣粉、矽灰、偏高嶺土之中的一種或兩種以上的混合物。
上述礦物粉料中，磨細礦渣、鋼渣粉的細度比表面積為350m2/kg-850m2/kg。
上述礦物粉料中，偏高嶺土是由高嶺土經600℃850℃煅燒，磨細至比表面積350m2/kg-850m2/kg而製成。
上述的超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料的製備方法，其特徵在於製備工藝步驟是先將碳酸鹽巖破碎、粉磨成超細碳酸鹽巖粉，再按配方的比例將超細碳酸鹽巖粉與礦物粉料混合，用攪拌機對其進行充分攪拌，直至兩者被均勻混合成複合摻合料。
本發明的工作機理將超細碳酸鹽巖粉與礦物粉料配伍，將特性互補的不同種類材料複合而成摻合料體系。以往混凝土中水泥、礦物粉料混合後的粉體堆積結構中存在有大量5μm以下空隙，屬不密實堆積結構，混凝土加水攪拌後，膠凝材料漿體中的一部分水被吸附在粉體顆粒表面，另一部分填充在粉體顆粒之間的空隙中，為填充水。混凝土內摻入含超細碳酸鹽巖粉的複合摻合料後，粉體粒度分布得以優化，可提高粉體的堆積密度。當混凝土摻用高效減水劑後，攪拌過程中水泥、複合摻合料顆粒被充分分散，所含超細碳酸鹽巖粉顆粒填充到水泥和礦物粉料顆粒間的孔隙中，使粉體顆粒之間發生緊密堆積效應，混合體系的堆積密實度增大，可填充空隙減少，需水量降低。因此在保持混凝土流變性能一致的情況下，可以顯著降低混凝土的用水量，使得混凝土內部結構更加密實；同時該複合摻合料中含有礦物粉料具有膠凝性和(或)火山灰效應，從而能改善硬化後的混凝土孔結構，增進混凝土後期強度，提高混凝土的耐腐蝕性。
本發明與現有傳統技術相比具有的有益效果本發明在混凝土中摻加適當比例的含超細碳酸鹽巖粉的混凝土複合摻合料，可配製出高性能、低成本的混凝土，用該複合摻合料能大量替代水泥，進一步減少用水量，顯著提高了混凝土的強度、起到降低混凝土水化溫升，減小收縮，提高混凝土密實度和抗滲性能，製備出高性能的混凝土。摻加該複合摻合料的混凝土與單摻礦物粉料的混凝土相比，更大幅度地降低了水泥用量，降低了混凝土的成本。由於超細碳酸鹽巖粉具有易磨性，加工成超細碳酸鹽巖粉能耗較低，並能利用石灰巖和白雲巖的尾礦加工超細碳酸鹽巖粉，因此在節約資源和能源、保護環境方面具有更深遠的作用和意義。
本發明超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料能改善混凝土中粉體的粒度分布，使粉體產生密集堆積效應，帶來顯著的減水效果，在保持混凝土工作性相同條件下所需的拌合用水量顯著降低，當維持相同水膠比時，膠結材用量隨之大幅下降。該複合摻合料還具有膠凝性和(或)火山灰效應，可替代％-％水泥，增進混凝土後期強度，提高耐久性。用該複合摻合料配製的混凝土的優勢在於，保持工作性能和強度等級相同情況下，水泥用量大幅減少，混凝土水化溫升降低、收縮減小，成本低，而且節能環保。
以往配製複合摻合料也有應用磨細石灰石粉的實例，用以降低混凝土的水化溫升，但所採用的磨細石灰石粉並不是超細粉，而是與水泥細度接近，不具有顯著的減水作用。本發明發現將這類碳酸鹽巖磨至超細，按一定摻量摻入混凝土後，能改善混凝土中粉體粒度分布，產生顯著的減水的效果。通過以下試驗(見表1)說明了本發明所發現的超細碳酸鹽巖粉的所具有的顯著減水特徵。將水泥、石粉、水和聚羧酸高效減水劑一同攪拌成淨漿，測定淨漿流動度，當達到同等淨漿流動度值時，摻超細石粉的漿體用水量明顯減少。
表1 淨漿配合比和流動度值
本發明複合摻合料用於混凝土時應同時摻加高效減水劑，以便使粉體顆粒充分分散，充分發揮出本發明複合摻合料的填充及活性效應。
本發明複合摻合料具有顯著的填充、減水效果以及具有與水泥的反應活性。可替代20％-80％水泥，配製出高性能的混凝土。
摻用本發明複合摻合料的混凝土單位用水量很低，因此使用較少水泥也可以很容易地配製出高強、超高強的混凝土，低水泥用量能有效抑制水化熱，使絕熱溫升顯著降低。
本發明的超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料，作為混凝土複合摻合料可替代20％-80％水泥，配製出高性能、適合多種用途的混凝土，如用於泵送施工的大流動性混凝土、滿足低水化熱要求的大體積混凝土、用於預製構件生產的塑性混凝土、用於港口和海洋工程高耐久性混凝土、以及高強、超高強混凝土、自密實混凝土等。
具體實施例方式
本發明是一種含有超細碳酸鹽巖粉的混凝土複合摻合料，其特徵在於將碳酸鹽巖磨細加工成超細碳酸鹽巖粉，由超細碳酸鹽巖粉與礦物粉料按20％-90％∶10％-80％重量百分比組成複合摻合料。
上述的超細碳酸鹽巖粉，是採用碳酸鹽巖經破碎、磨細而成，所用碳酸鹽巖所含主要碳酸鹽礦物為方解石和白雲石，其次為石英、雲母、長石和粘土礦物等。其化學成分主要為CaO、MgO和CO2，其次為SiO2、TiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、K2O、Na2O、H2O以及某些微量元素。最常用的碳酸鹽巖是石灰巖、白雲巖這兩大巖石類型，以及由這類巖石變質形成的大理巖、以及鐵白雲石、菱鎂礦等。石灰巖類主要方解石組成，其次為白雲石、菱鎂礦、石英、長石和粘土礦物等。白雲巖類主要由白雲石組成，其次為方解石、菱鎂礦、石英、長石、粘土礦物等。特別是，工業用石灰巖和白雲巖礦石開採過程中產生的尾礦也可用來加工超細碳酸鹽巖粉，對資源綜合利用和環保有重要意義。
超細碳酸鹽巖粉用以改善混凝土中粉體材料的粒度分布，提高顆粒堆積密度，達到減少用水量的目的。碳酸鹽巖易於磨細，達到本發明所需細度時粉磨的能耗較低，可採用球磨機、立式輥磨機、振動磨、雷蒙磨等加工。滿足本發明所需超細碳酸鹽巖粉的粒度分布參數，採用雷射衍射法粒度分布儀測試，粒度分布參數D(50)應≤4.5微米、D(90)應≤25微米。
較好的超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)≤3.5微米、D(90)≤12微米。
最好的超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)≤2.5微米、D(90)≤7微米。
更細的超細碳酸鹽巖粉，當粒度分布參數D(50)≤1.5微米、D(90)≤5微米時，對混凝土性能進一步改善作用不明顯，而且會增加粉磨能耗、增加成本。
本發明採用的礦物粉料可選擇粉煤灰、磨細礦渣、矽灰、偏高嶺土、鋼渣粉、磷渣粉之中的一種或兩種以上混合使用。
本發明中最好使用磨細礦渣和粉煤灰，單獨使用或混合使用效果都很好，而且成本低。
本發明可採用的礦物粉料中，磨細礦渣、鋼渣粉的細度比表面積為350m2/kg-850m2/kg。
本發明可採用的礦物粉料中，偏高嶺土是由高嶺土經600℃850℃煅燒，磨細至比表面積350m2/kg-850m2/kg而製成。
將上述超細碳酸鹽巖粉和礦物摻合料，按配方比例要求分別計量，送入攪拌機內充分攪拌均勻即製成本發明超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料。
實施例1
(1)、本發明複合摻合料的組成超細碳酸鹽巖粉將石灰石尾礦石破碎、磨細成超細粉。其粉粒度分布參數D(50)為3.13微米，D(90)為8.35微米。其化學成分見表2。
表2超細碳酸鹽巖粉分化學成分表
磨細礦渣粒化高爐礦渣磨細至比表面積400m2/kg粉煤灰熱電廠煤粉鍋爐煙道氣體中收集的粉煤灰。
(2)、複合摻合料配合比表3複合摻合料配合比
按表3配合比將上述原材料混合均勻製成A1型複合摻合料。
實施例2(1)、複合摻合料的組成超細碳酸鹽巖粉將石灰石破碎、磨細成超細粉。其粒度分布參數D(50)為2.05微米、D(90)為5.28微米，其化學成分見表4。
表4化學成分
磨細礦渣粒化高爐礦渣磨細至比表面積400m2/kg(2)、複合摻合料配合比表5複合摻合料配合比
按表5配合比將上述原材料混合均勻製成A2型複合摻合料。
實施例3(1)、複合摻合料的組成超細碳酸鹽巖粉同實施例1。
粉煤灰熱電廠煤粉鍋爐煙道氣體中收集的粉煤灰。
(2)、複合摻合料配合比表6複合摻合料配合比
按表6配合比將上述原材料混合均勻製成A3型複合摻合料。
實施例4(1)、複合摻合料的組成超細碳酸鹽巖粉將白雲石破碎、磨細成超細粉。其粉粒度分布參數D(50)為3.13微米，D(90)為8.35微米，其化學成分見表7。
表7超細碳酸鹽巖粉分化學成分表
偏高嶺土由高嶺土經600℃-850℃煅燒，磨細至比表面積400m2/kg而製成。
(2)、複合摻合料配合比表8複合摻合料配合比
按表8配合比將上述原材料混合均勻製成A4型複合摻合料。
實施例5(1)、複合摻合料的組成超細碳酸鹽巖粉同實施例4鋼渣粉鋼渣磨細至比表面積390m2/kg而製成。
(2)、複合摻合料配合比表9複合摻合料配合比
按表9配合比將上述原材料混合均勻製成A5型複合摻合料。
實施例6用含超細碳酸鹽巖粉發複合摻合料配製混凝土的效果。用本發明複合摻合料替代33％-70％水泥，配製高性能的混凝土。實驗所用原材料為水泥普通矽酸鹽水泥P.O 42.5；
砂中砂；碎石5-20mm碎石；高效減水劑聚羧酸高效減水劑。
表10複合摻合料摻量和混凝土配合比(kg/m3)
表11 混凝土抗壓強度(MPa)
表10，表11結果表明，摻含超細碳酸鹽巖粉複合摻合料的混凝土可顯著減少用水量和水泥用量，用不同品種複合摻合料替代33％-70％的水泥，混凝土仍獲得了較高的抗壓強度。
權利要求
1.一種超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料，其特徵在於由超細碳酸鹽巖粉和礦物粉料組合而成，該摻合料以重量計算的配合比為超細碳酸鹽巖粉20％-90％礦物粉料 10％-80％。
2.按權利要求1所述的超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料，其特徵在於上述超細碳酸鹽巖粉是由碳酸鹽巖經破碎、磨細而成，所用碳酸鹽巖是由方解石、白雲石或上述兩種礦石為主要礦物成分的巖石。
3.按權利要求2所述的超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料，其特徵在於上述超細碳酸鹽巖粉具有特定細度，採用雷射衍射法粒度分布儀測試，其粒度分布參數應滿足以下要求超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)應≤4.5微米、D(90)應≤25微米。
4.按權利要求2所述的含超細碳酸鹽巖粉的混凝土組合物，其特徵在於上述超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)≤3.5微米、D(90)≤12微米。
5.按權利要求2所述的含超細碳酸鹽巖粉的混凝土組合物，其特徵在於上述超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)≤2.5微米、D(90)≤7微米。
6.按權利要求1所述的超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料，其特徵在於上述礦物粉料主要為磨細礦渣、粉煤灰、鋼渣粉、磷渣粉、矽灰、偏高嶺土之中的一種或兩種以上的混合物。
7.按權利要求6所述的超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料，其特徵在於上述礦物粉料中，磨細礦渣、鋼渣粉的細度比表面積為350m2/kg-850m2/kg。
8.按權利要求6所述的超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料，其特徵在於上述礦物粉料中，偏高嶺土是由高嶺土經600℃-850℃煅燒，磨細至比表面積350m2/kg-850m2/kg而製成。
9.一種權利要求1-8任意一項所述的超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料的製備方法，其特徵在於製備工藝步驟是先將碳酸鹽巖破碎、粉磨成超細碳酸鹽巖粉，再按配方的比例將超細碳酸鹽巖粉與礦物粉料混合，用攪拌機對其進行充分攪拌，直至兩者被均勻混合成複合摻合料。
全文摘要
一種超細碳酸鹽巖粉混凝土複合摻合料及其製備方法，由超細碳酸鹽巖粉與礦物粉料按20％－90％∶10％－80％重量百分比組成；上述超細碳酸鹽巖粉所用的碳酸鹽巖是以方解石、白雲石或上述兩者礦石為主要礦物成分。超細碳酸鹽巖粉具有特定細度，採用雷射衍射法粒度分布儀測試，其粒度分布參數應滿足以下要求超細碳酸鹽巖粉粒度分布參數D(50)應≤4.5微米、D(90)應≤25微米。其製備工藝是將碳酸鹽巖粉磨成超細粉，再與其它礦物粉料按比例混合均勻。製成的複合摻合料可以替代20％－80％水泥，降低混凝土的用水量，大幅度降低水泥用量，配製高性能的混凝土，具有節約能源、資源，保護環境的特點。
文檔編號C04B14/26GK101016198SQ20071020014
公開日2007年8月15日 申請日期2007年1月31日 優先權日2007年1月31日
發明者段雄輝, 何湧東, 於鳴新 申請人:北京恆坤混凝土有限公司, 段雄輝, 何湧東, 於鳴新