CN101898883B - 一种高钙粉煤灰混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：它包括以下原料：拌和水、水泥、高钙粉煤灰、碎石、砂、减水剂，低钙粉煤灰和矿渣粉，其中所述拌和水为暂时硬水，其HCO3 -的浓度＞300mg/L；所述每立方米混凝土中各组分的重量为：拌和水144～175kg、水泥224～480kg、高钙粉煤灰35～135kg、碎石1007～1120kg、砂671～804kg、减水剂1.7～9kg、低钙粉煤灰0～110kg、矿渣粉0～110kg。该混凝土具有生产方便、操作性强、能充分利用高钙粉煤灰资源并消除安定性不良的特点。

Description

一种高钙粉煤灰混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种高钙粉煤灰混凝土。
背景技术
粉煤灰是火力发电厂的一种工业废弃物，是磨细的煤粉燃烧后从烟道排出的废渣，俗称“飞灰”。粉煤灰作为一种人工火山灰质材料，目前我国的分类方法不统一。《粉煤灰混凝土应用技术规范》(GBJ 146-90)中，从细度、烧失量、需水量比、三氧化硫含量等指标将粉煤灰分成I、II、III三个级别；《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2005)中按煤种将粉煤灰分为F类与C类，F类粉煤灰是由无烟煤煅烧收集的粉煤灰，C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一股大于10％；《高钙粉煤灰混凝土应用技术规程(上海市标准)》(DBJO8-230-98)首次颁布了高钙粉煤灰的质量标准，定义为：高钙粉煤灰是褐煤或次烟煤经粉磨燃烧后，从烟道气中收集到的粉末，其氧化钙含量在8％以上，即氧化钙含量大于8％或游离氧化钙(f-CaO)含量大于1％的粉煤灰均被视为高钙粉煤灰，高钙粉煤灰一股具有需水性低、活性高和自硬性等特性。与《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的标准相比，其增设了高钙粉煤灰中游离氧化钙及体积安定性二项指标，以确保其安定性。
与普通低钙粉煤灰相比较，高钙粉煤灰的矿物组成特点为：不仅含有与低钙粉煤灰相同的某些矿物，如石英、莫来石等，但峰强削弱，特别是莫来石更弱；也含有低钙粉煤灰中没有的铝酸三钙CA，硅酸二钙CS，f-CaO，MgO等数量不等的矿物，其中含量较高的f-CaO容易造成水泥体积膨胀而引起安定性不良。
我国火力发电厂每年都要排出大量粉煤灰，其中有相当数量的高钙粉煤灰，其堆放占用了大量的土地资源，也对环境造成了一定的污染。同济大学的陈志源教授就指出：与通常使用的低钙粉煤灰相比，高钙粉煤灰不仅可与水泥水化时所释放的氢氧化钙结合形成水硬性胶凝材料，而且自身就具有胶凝性，然而，由于安定性的问题，使得高钙粉煤灰的利用率较低，也是制约高钙粉煤灰在混凝土中应用的关键，所以如能有效解决高钙粉煤灰对混凝土造成的安定性问题，将为高钙粉煤灰在水泥混凝土中的应用提供可能，从而将有利于提高粉煤灰资源的利用率，也将对保护环境起着积极的作用。
对高钙粉煤灰进行无害化处理的传统方法如下：
1)陈化喷水，这种方法通过长时间的陈放，利用空气中的CO2与水分和高钙粉煤灰中的f-CaO反应，降低或消除f-CaO，达到降低或消除安定性的目的，但是，这种方法需要较长的时间，且对于预拌混凝土生产企业而言，粉料都是存储在封闭料筒中，因此可操作性不强，另外，由于高钙灰具有自硬性，这种方法处理的高钙灰容易成团结块，不宜作为混凝土的掺合料使用；
2)化学激发，其是将激发剂(如碱性物质：NaOH、Ca(OH)2，碱金属盐：Na2CO3、Na2SO4、CaSO4等)加入到水泥混凝土中后，通过“品种效应”和“激发效应”，提高高钙粉煤灰的化学活性，降低高钙粉煤灰的安定性，但是，其引入的大量的碱金属离子或硫酸根离子，将提高制得的水泥混凝土中的碱金属含量，从而增加水泥混凝土发生钢筋锈蚀、碱集料反应或硫酸盐侵蚀的风险；
3)机械活化，这种方法将高钙粉煤灰通过粉磨，使富集在粗颗粒高钙粉煤灰中的部分f-CaO被激活为活性CaO，使细灰中的CaO活性也得到激发，更容易参与水化，从而使安定性得到改善，但这种方法能耗较大；
4)混合其它矿物掺合料，如中国专利03102238.3公开了一种使用高钙粉煤灰的复合掺合料，其成分包括70～90重量％的高钙粉煤灰，5～15重量％的火山灰质材料，3～12重量％的硫铝酸盐和2～13重量％的粘土矿物材料，然而，上述复合掺合料的组成过于复杂，不利于其在预拌混凝土中推广应用，并且上述复合掺合料中添加的粘土矿物材料几乎均没有水化活性，对混凝土的抗压强度不利。
综上，上述对高钙粉煤灰进行无害化处理的传统方法或时间长，可操作性不强，或能耗大，或对混凝土的一些性能带来不良影响，不利于高钙粉煤灰在混凝土拌制中的推广使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生产方便、操作性强、能充分利用高钙粉煤灰资源并消除安定性不良的高钙粉煤灰混凝土。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：它包括以下原料：拌和水、水泥、高钙粉煤灰、碎石、砂、减水剂，低钙粉煤灰和矿渣粉，其中所述拌和水为暂时硬水，其HCO3 -的浓度＞300mg/L；所述每立方米混凝土中各组分的重量为：拌和水144～175kg、水泥224～480kg、高钙粉煤灰35～135kg、碎石1007～1120kg、砂671～804kg、减水剂1.7～9kg、低钙粉煤灰0～110kg、矿渣粉0～110kg。
按上述方案，所述每立方米混凝土中各组分的重量为：拌和水144～175kg、水泥224～480kg、高钙粉煤灰35～135kg、碎石1007～1120kg、砂671～804kg、减水剂1.7～9kg、低钙粉煤灰0.1～110kg、矿渣粉0.1～110kg。
按上述方案，所述的高钙粉煤灰中氧化钙含量＞8％或游离氧化钙含量＞1％。
按上述方案，所述的水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥中的一种，强度等级≥42.5。
按上述方案，所述的碎石为5～31.5mm连续级配，含泥量≤2％。
按上述方案，所述的砂为河砂，细度模数2.0～2.8，含泥量≤3％。
按上述方案，所述的减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂中的一种，减水率≥15％。按上述方案，所述的低钙粉煤灰为I级粉煤灰或II级粉煤灰。
按上述方案，所述的矿渣粉即粒化高炉矿渣粉为S95级矿渣粉或S105级矿渣粉，比表面积≥400m2/kg。
上述高钙粉煤灰混凝土的生产工艺和养护环境，与普通预拌混凝土的生产工艺和养护环境相同。
本发明的机理为：高钙粉煤灰中的f-CaO能与水发生反应，生成Ca(OH)2，如下反应式，发生体积膨胀，从而造成水泥混凝土安定性不良。
CaO+H2O→Ca(OH)2
当在混凝土生产中使用富含Ca(HCO3)2与Mg(HCO3)2的暂时硬水作为拌和水时，由于高钙粉煤灰中的f-CaO结构较疏松，与水泥熟料比较，颗粒细，水化活性较大，因此高钙粉煤灰中的f-CaO与水发生上述的反应后，将迅速与拌和水中的Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2发生如下反应，生成CaCO3与Mg(OH)2固体，从而消除混凝土的安定性问题。
Ca(HCO3)2+Ca(OH)2→2CaCO3↓+2H2O
Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2→Mg(OH)2↓+2CaCO3↓+2H2O
本发明的有益效果是：
1、在混凝土拌制过程中，使用富含Ca(HCO3)2与Mg(HCO3)2的暂时硬水作拌合水，对混凝土生产企业而言，无需改对生产工艺，生产方便，操作性强；节约资源，成本低。
所谓“硬水”是指水中所溶的矿物质成分多，尤其是钙和镁。在硬水中，钙、镁可以以碳酸盐、碳酸氢盐、硫酸盐、氯化物和硝酸盐等形式存在。如果硬水中钙和镁主要以硫酸盐、硝酸盐和氯化物等形式存在，称为永久硬水，它们不能用煮沸的方法除去；当硬水中钙和镁主要以碳酸氢盐，如Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2形式存在时，称为暂时硬水，这种硬水加热煮沸时，碳酸氢盐会分解成碳酸盐而沉淀除去。一股而言，硬水不宜作工业用水，因它在锅炉中受热分解会形成锅垢，造成导热不良，浪费燃料，甚至酿成事故。
《混凝土拌合用水标准》(JGJ 63-89)中从水源上对混凝土的拌合用水分为饮用水、地表水、地下水、海水以及经适当处理的工业废水。一股生产混凝土使用符合国家标准的生活饮用水较多，而地表水和地下水在混凝土生产中使用的较少，尤其是硬水类岩溶地下水的使用更少，目前尚未见将硬水类岩溶地下水用于混凝土拌和的报道。
而在我国广西、云南、贵州等地区，硬水资源比较丰富，但利用率很低。根据《广西重点岩溶流域水文地质及环境地质调查(黑水河流域)》结果表明，全区岩溶地下水开发利用潜力巨大，每年允许开采7.8亿立方米，而现状开采量仅占5.4％。另外，根据《广西壮族自治区地下水水情通报》，广西地下水水质类型主要是
Figure BDA0000024174760000041
型和
Figure BDA0000024174760000042
型，即为暂时硬水，且Ca(HCO3)2的溶度非常高，为16.6g/100g纯水，一股HCO3 -的浓度大于300mg/L，甚至超过1000mg/L。因此使用富含Ca(HCO3)2与Mg(HCO3)2的暂时硬水作拌合水，即可消除高钙粉煤灰应用于混凝土制备中带来的安定性不良问题，也可以节约资源，降低成本。
2、将高钙粉煤灰大量使用于混凝土中，并消除了高钙粉煤灰存在的安定性不良的问题，提高了高钙粉煤灰资源利用率，节能环保；
3、未将碱金属离子或硫酸根离子引入混凝土中，不会对混凝土的耐久性产生不良影响。
附图说明
图1为实施例1的高钙粉煤灰混凝土的扫描电镜图；
图2为对照例1的高钙粉煤灰混凝土的扫描电镜图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
下述高钙粉煤灰混凝土的生产工艺和养护环境，均与普通预拌混凝土的生产工艺和养护环境相同。
对照例1～4：
对照例中混凝土的各原料所占重量比如表1所示。
表1各原料的重量比(kg/m3)
Figure BDA0000024174760000043
其中：
高钙粉煤灰的游离氧化钙含量为3.2％；
水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；
碎石为5～31.5mm连续级配，含泥量为2％；
砂为河砂，细度模数2.0，含泥量为3％；
减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为20％，减水率23％。
根据表1中拌和水、水泥和高钙粉煤灰的重量比，将拌合水、水泥和高钙粉煤灰搅拌成浆体，然后按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行安定性检测，结果如表3所示。
实施例1～4：
一种高钙粉煤灰混凝土，各原材料所占重量比如表2所示。
表2各原料重量比(kg/m3)
Figure BDA0000024174760000051
其中：
暂时硬水中
Figure BDA0000024174760000052
的浓度为630mg/L；
高钙粉煤灰的游离氧化钙含量为3.2％；
水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；
碎石为5～31.5mm连续级配，含泥量为2％；
砂为河砂，细度模数2.0，含泥量为3％；
减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为20％，减水率23％。
根据表2中的拌和水、水泥和高钙粉煤灰的重量比，将拌合水、水泥和高钙粉煤灰搅拌成浆体，然后按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行安定性检测，结果如表3所示。
表3安定性检测结果和混凝土抗压强度结果
由表3可知，使用了暂时硬水配制高钙粉煤灰混凝土，不仅使其雷氏夹膨胀值降低，安定性合格，且对混凝土的强度无不利影响。
将实施例1和对照例1的混凝土试块在搅拌成型养护14天时，分别进行扫描电镜分析：当使用暂时硬水拌制高钙粉煤灰混凝土时(实施例1)，如图1所示，混凝土的内部Ca(OH)2晶体(六方晶体)较少，结构密实；而当使用自来水拌制高钙粉煤灰混凝土时(对照例1)，如图2所示，混凝土的内部有大量的Ca(OH)2晶体存在，并且混凝土内部结构比图1疏松。
实施例5～7：
一种高钙粉煤灰混凝土，各原料所占重量比如表4所示。
表4各原料重量比(kg/m3)
  编号   拌和水   水泥   高钙粉煤灰   碎石   砂   减水剂
  实施例5   158   405   45   1070   713.4   9.0
  实施例6   158   360   90   1070   713.4   9.0
  实施例7   158   315   135   1070   713.4   9.0
其中：
拌和水为暂时硬水，
Figure BDA0000024174760000062
的浓度为1270mg/L；
高钙粉煤灰的氧化钙含量为9.3％；
水泥为硅酸盐水泥，强度等级为42.5；
碎石为5～31.5mm连续级配，含泥量为1.4％；
砂为河砂，细度模数2.8，含泥量为1.7％；
减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为10％，减水率15％。
根据表4中拌和水、水泥和高钙粉煤灰的重量比，将拌合水、水泥和高钙粉煤灰搅拌成浆体，然后按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行安定性检测，结果如表5所示。
表5安定性检测结果和混凝土抗压强度结果
实施例8～10：
一种高钙粉煤灰混凝土，各原料所占重量比如表6所示。
表6各原料重量比(kg/m3)
Figure BDA0000024174760000072
其中：
拌和水为暂时硬水，
Figure BDA0000024174760000073
的浓度为350mg/L；
高钙粉煤灰的游离氧化钙含量为1.5％；
水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；
碎石为5～31.5mm连续级配，含泥量为0.7％；
砂为河砂，细度模数2.6，含泥量为2.5％；
减水剂为萘系减水剂，固含量为33％，减水率18.7％；
低钙粉煤灰为II级粉煤灰，需水比为104％。
矿渣粉即粒化高炉矿渣粉为S95级矿渣粉，比表面积为400m2/kg。
根据表6中拌和水、水泥、高钙粉煤灰、低钙粉煤灰、矿渣粉的重量比，将拌合水、水泥和高钙粉煤灰搅拌成浆体，然后按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行安定性检测，结果如表7所示。
表7安定性检测结果和混凝土抗压强度结果
Figure BDA0000024174760000074
实施例11、12：
一种高钙粉煤灰混凝土，各原料所占重量比如表8所示。
表8各原料重量比(kg/m3)
  编号   拌和水   水泥   高钙粉煤灰   低钙粉煤灰   矿渣粉   碎石   砂   减水剂
  实施例11   165   385   55   55   55   1013   675   6.6
  实施例12   165   275   55   110   110   1013   675   6.6
其中：
拌和水为暂时硬水，
Figure BDA0000024174760000082
的浓度为1150mg/L；
高钙粉煤灰的游离氧化钙含量为2.5％；
水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为52.5；
碎石为5～31.5mm连续级配，含泥量为1.3％；
砂为河砂，细度模数2.5，含泥量为1.8％；
减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为20％，减水率25.2％；
低钙粉煤灰为I级粉煤灰，需水比为97％。
矿渣粉即粒化高炉矿渣粉为S105级矿渣粉，比表面积为560m2/kg。
根据表8中拌和水、水泥、高钙粉煤灰、低钙粉煤灰和矿渣粉的重量比，将拌合水、水泥和高钙粉煤灰搅拌成浆体，然后按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346-2001)进行安定性检测，结果如表9所示。
表9安定性检测结果和混凝土抗压强度结果

Claims (9)

1.一种高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：它包括以下原料：拌和水、水泥、高钙粉煤灰、碎石、砂、减水剂，低钙粉煤灰和矿渣粉，其中所述拌和水为暂时硬水，其HCO3 -的浓度＞300mg/L；所述每立方米混凝土中各组分的重量为：拌和水144～175kg、水泥224～480kg、高钙粉煤灰35～135kg、碎石1007～1120kg、砂671～804kg、减水剂1.7～9kg、低钙粉煤灰0～110kg、矿渣粉0～110kg。
2.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：所述每立方米混凝土中各组分的重量为：拌和水144～175kg、水泥224～480kg、高钙粉煤灰35～135kg、碎石1007～1120kg、砂671～804kg、减水剂1.7～9kg、低钙粉煤灰0.1～110kg、矿渣粉0.1～110kg。
3.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：所述的高钙粉煤灰中氧化钙含量＞8％或游离氧化钙含量＞1％。
4.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：所述的水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥中的一种，强度等级≥42.5。
5.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：所述的碎石为5～31.5mm连续级配，含泥量≤2％。
6.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：所述的砂为河砂，细度模数2.0～2.8，含泥量≤3％。
7.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂中的一种，减水率≥15％。
8.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：所述的低钙粉煤灰为I级粉煤灰或II级粉煤灰。
9.根据权利要求1所述的高钙粉煤灰混凝土，其特征在于：所述的矿渣粉为S95级矿渣粉或S105级矿渣粉，比表面积≥400m2/kg。
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