CN105859229B

CN105859229B - 一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆及其制备方法

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Publication number: CN105859229B
Application number: CN201610199740.1A
Authority: CN
Inventors: 丁庆军; 何良玉; 张杨; 徐意; 石华; 耿春东; 刘勇强; 杨军; 刘凯; 刘小清
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2018-03-20
Anticipated expiration: 2036-03-31
Also published as: CN105859229A

Abstract

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆及其制备方法。所述无水泥绿色砂浆的各组分按重量份数计为：钢渣粉30～50份，矿粉50～70份，钢渣砂200～350份，激发剂4～7份，减水剂1～4份，分散剂3～6份，缓凝剂0～0.4份，消泡剂0.0002～0.001份，水30～40份。本发明所述无水泥绿色砂浆的工作性能好：自流平；凝结时间可调：0.5h～8h；早后期强度高：7d抗折强度＞8MPa、抗压强度＞40MPa，28d抗折强度＞9MPa、抗压强度＞50MPa；抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能优良，可广泛应用于工程实际。

Description

一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆及其制备方法。

背景技术

我国的钢铁产量早在20世纪末就已跃居世界第一，钢渣是炼钢中为了调整钢水成分而最终排出的含有氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化硅、氧化铝、氧化锰等物质的熔融渣。而历年产生的钢渣大概是钢产量的10％-12％。据统计，2013年我国钢渣排放量超亿吨，钢渣储存量大，不仅占用日愈紧张的土地，而且对周围的环境存在潜在的危害。钢渣的主要成分与水泥相似，具有一定的潜在胶凝性。作为一种潜在的资源，目前我国钢渣利用率小于50％，与世界其他主要钢渣生产国家的综合利用率(＞90％)相比还有很大的差距。如果能够采取有效的利用措施，不仅能够解决钢渣占用土地、污染环境、处理困难的问题，而且还能够为钢厂带来一定的收益。但是，钢渣本身活性较低、易磨性差、且体积稳定性能不良，这大大限制了钢渣在建材行业大规模、高附加值的应用。因此，克服钢渣本身缺陷，实现钢渣大规模、高附加值的应用具有重大意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，由下述组份组成：钢渣粉、矿粉、钢渣砂、激发剂、减水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和水，各组分按重量份数计为：钢渣粉30～50份，矿粉50～70份，钢渣砂200～350份，激发剂4～7份，减水剂1～4份，分散剂3～6份，缓凝剂0～0.4份，消泡剂0.0002～0.001份，水30～40份。

上述方案中，所述钢渣粉为炼钢厂排出的废渣经陈化、破碎、筛分、磁选和粉磨工艺制备得到，所述钢渣粉的勃氏比表面积大于400m²/kg。

上述方案中，所述矿粉为高炉水渣，S95级，其勃氏比表面积大于350m²/kg。

上述方案中，所述钢渣砂为炼钢厂排出的废渣陈化2年后再经破碎、筛分和磁选工艺制备得到，灰黑色，所述钢渣砂的细度模数为2.3～3.6，表观密度为3～3.5g/cm³，含水率为3％～5％。

上述方案中，所述激发剂为水玻璃：氢氧化钠：硫酸钠的质量比为4:1:1的复合激发剂，水玻璃模数为3.12、波美度为38.4，氢氧化钠、硫酸钠均为市售分析纯粉末颗粒。

上述方案中，所述减水剂为聚羧酸系高效减水保塑剂，其减水率>20％。

上述方案中，所述分散剂为粉煤灰微珠，灰白色，其勃氏比表面积大于350m²/kg。

上述方案中，所述缓凝剂为硼酸、磷酸二氢钾或葡萄糖酸钠中的一种或几种，均为分析纯粉末。

上述方案中，所述消泡剂为市售DF-3型高效消泡剂。

上述钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆的制备方法，包括如下步骤：

(1)按各组分的重量配比称取钢渣粉、矿粉、钢渣砂、减水剂、缓凝剂、消泡剂和80％的水，加入砂浆搅拌机中，搅拌1～5分钟至均匀；

(2)将激发剂按氢氧化钠、硫酸钠和水玻璃的顺序依次加入步骤(1)所得砂浆中，再快速加入剩余20％的水，搅拌2～5分钟，即得到钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆。

上述方案中，钢渣砂在使用前需先进行含水率的测试，若含水率不在3％～5％的范围，偏离较大，需根据实际含水率的大小，调节配合比中的加水量。

本发明制得的钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，工作性能好：自流平；凝结间可调：0.5h～8h；早后期强度高：7d抗折强度＞8MPa、抗压强度＞40MPa，28d抗折强度＞9MPa、抗压强度＞50MPa；抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能优良，可广泛应用于工程实际；既节省了河砂资源，大量利用工业废渣取代高污染高能耗水泥的使用，保护了环境，又解决了钢渣活性低、难磨等造成利用率低的问题，实现了钢渣高附加值的利用。

本发明的工作原理：(1)所述钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆以碱基地聚合物合成技术为基础，其反应过程如下：钢渣粉、矿粉在激发剂水玻璃、氢氧化钠、硫酸钠的联合激发下，粉料中的活性组分发生分解重构，生成低钙硅比的类沸石结构，同时钢渣粉中的C₂S、C₃S等遇水后自身也可发生水化反应，生成CSH凝胶和氢氧化钙，氢氧化钙可进一步激发钢渣、矿粉的活性；此外，钢渣砂长期在强碱的作用下也会发生微弱的化学反应，改善集料与胶凝材料的界面性能，提高胶砂粘结强度。另外，经陈化制得的钢渣粉中MgO、f-Ca0和Fe0含量大幅下降，且会在激发剂的强碱作用下溶解并发生反应，生成稳定的结构，使砂浆后期不会出现安定性不良的问题；而且，钢渣形成温度高，经陈化的钢渣砂活性低强度高，不会在后期发生安定性不良的问题，而钢渣砂本身形状不规则、表面粗糙，在与胶凝材料混合固化后，产生“销钉效应”，使得形成的胶砂结构更加牢固。(2)高效减水保塑剂的使用改善了砂浆的工作性能，减小用水量，提高了胶砂的力学性能；通过分散剂粉煤灰微珠的润滑滚动效应改善砂浆的流动性能，并可以减小碱激发砂浆的粘稠度，工作性能进一步提升。通过缓凝剂的使用，调节砂浆凝结时间，以满足实际施工应用要求；通过消泡剂的使用，减少砂浆中的有害大气孔的数量，改善碱激发胶凝材料因粘稠，内部气体难以排出而导致的有害大气孔较多的问题。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用钢渣砂、钢渣粉、矿粉、激发剂、缓凝剂、减水剂、分散剂和消泡剂制备出钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，该砂浆工作性能好：自流平；凝结时间可调：0.5h～8h；早后期强度高：7d抗折强度＞8MPa、抗压强度＞40MPa，28d抗折强度＞9MPa、抗压强度＞50MPa；抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能优良，可广泛应用于工程实际；

(2)本发明制备的钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，利用钢渣砂代替传统的河砂作细集料，用钢渣粉、矿粉等工业废渣替代水泥作胶凝材料，无需添加水泥或水泥熟料，可节约大量的自然资源和能源，保护自然环境，环保性质突出；且原料简单易得，制备简便，综合性能优异，具有显著的经济效益和社会效益；

(3)本发明制备的钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆能够克服钢渣本身活性较低、易磨性差、且体积稳定性能不良的问题，可实现钢渣大规模、高附加值的应用。

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。

以下实施例中的性能测试方法如下：

(1)力学性能的测定：

抗折、抗压强度参照GB177-85《水泥胶砂强度检测方法》进行，成型模具规格为40mm×40mm×160mm；试件养护要求：标准养护。

(2)流动性能的测试：

流动度试验方法按GB/T50119-2013《混凝土外加剂应用技术标准》进行。采用上圆为70mm，下圆为100mm，高60mm的截面锥筒进行砂浆流动度试验。锥筒置于跳桌上，将砂浆装入锥筒内然后垂直提起锥筒，测砂浆在跳桌圆台上最大摊开宽度及其垂直方向宽度的平均值即为流动度。

(3)凝结时间的测试：按JGJ70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行：

将制备好的砂浆装入砂浆容量筒内，于容器上口10mm，轻轻敲击容器，并予抹平，将装有砂浆的容器放在20土2℃的室温环境中保存。砂浆表面泌水不清除，测定贯入阻力值，用截面为30mm²的贯入试针与砂浆表面接触，在10s内缓慢而均匀的压入砂浆内部25mm深，每次贯入时记录仪表读数Np，贯入杆至少离开容器边缘或早先贯入部位1.2mm。在20士2℃条件下，实际贯入阻力值在2h后开始测定(从搅拌加水算起)，然后每隔半小时测定一次，至贯入阻力达到0.3MPa以后，改为每隔5min测定一次，直至贯入阻力达到0.7MPa为止。由测得的贯入阻力值，可按下列方法确定砂浆的凝结时间:根据各阶段所得贯入阻力值与时间关系绘图，由图求出贯入阻力达0.5MPa时所需的时间tg(min)，此tg即为砂浆的凝结时间测定值。

(4)抗渗性能的测试按JGJ70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行：

将拌合好的砂浆装入上口直径70mm、下口直径80mm、高30mm的截头圆锥带底金属试模。成型养护至规定龄期后，用密封材料密封装入砂浆渗透仪进行透水试验。从0.2MPa开始加压，恒压两小时后增至0.3MPa，以后每隔一小时增加0.1MPa，至6个试件中有3个端面渗水为止，记下水压H，砂浆抗渗压力值P＝H—0.1。

(5)抗硫酸盐侵蚀性能的测试：

参考GBT749-2008《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》进行。将水泥胶砂试体分别浸泡在规定浓度的硫酸盐侵蚀溶液(5wt％Na₂SO₄)和水中养护到规定龄期，以抗折强度之比确定抗硫酸盐侵蚀系数，系数越大，抗硫酸盐侵蚀性能越好。

(6)勃氏比表面积根据GB/T 8074-2008《水泥比表面积测定方法勃氏法》进行测定。

实施例1

一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，由下述重量份数的组份组成：钢渣粉30份，矿粉70份，钢渣砂300份，激发剂5份，减水剂2份，分散剂4份，缓凝剂0.2份，消泡剂0.0004份，水35份。

所述钢渣粉为炼钢厂排出的废渣经陈化、破碎、筛分、磁选和粉磨工艺制备得到，所述钢渣粉的勃氏比表面积大于400m²/kg；所述矿粉为高炉水渣，S95级，其勃氏比表面积大于350m²/kg；所述钢渣砂为炼钢厂排出的废渣在陈化2年后再经破碎、筛分和磁选工艺制备得到，灰黑色，所述钢渣砂的细度模数为2.3～3.6，表观密度为3～3.5g/cm³，含水率为4％；所述激发剂为水玻璃：氢氧化钠：硫酸钠的质量比为4:1:1的复合激发剂，水玻璃模数为3.12、波美度为38.4，氢氧化钠、硫酸钠均为市售分析纯粉末颗粒；所述减水剂为聚羧酸系高效减水保塑剂，其减水率>20％；所述分散剂为粉煤灰微珠，灰白色，勃氏比表面积大于350m²/kg；所述缓凝剂为市售磷酸二氢钾，分析纯粉末；所述消泡剂为市售DF-3型高效消泡剂。

按上述比例称取钢渣粉、矿粉、钢渣砂、缓凝剂、减水剂、分散剂、消泡剂和80％的水，将称好原料加入搅拌机内拌匀，再依次加入氢氧化钠、硫酸钠、水玻璃和剩余20％的水，混合搅拌3～6分钟至均匀即可。

配合比如表1所示，测试结果见表2。

实施例2

一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，由下述重量份数的组份组成：钢渣粉50份，矿粉50份，钢渣砂300份，激发剂6份，减水剂3份，分散剂3份，缓凝剂0.3份，消泡剂0.0006份，水35份。

所述钢渣粉为炼钢厂排出的废渣经陈化、破碎、筛分、磁选和粉磨工艺制备得到，所述钢渣粉的勃氏比表面积大于400m²/kg；所述矿粉为高炉水渣，S95级，其勃氏比表面积大于350m²/kg；所述钢渣砂为炼钢厂排出的废渣在陈化2年后再经破碎、筛分和磁选工艺制备得到，灰黑色，所述钢渣砂的细度模数为2.3～3.6，表观密度为3～3.5g/cm³，含水率为4％；所述激发剂为水玻璃：氢氧化钠：硫酸钠的质量比为4:1:1的复合激发剂，水玻璃模数为3.12、波美度为38.4，氢氧化钠、硫酸钠均为市售分析纯粉末颗粒；所述减水剂为聚羧酸系高效减水保塑剂，其减水率>20％；所述分散剂为粉煤灰微珠，灰白色，勃氏比表面积大于350m²/kg；所述缓凝剂为市售硼酸，分析纯粉末；所述消泡剂为市售DF-3型高效消泡剂。

配合比如表1所示，测试结果见表2。

实施例3

一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，由下述重量份数的组份组成：钢渣粉35份，矿粉65份，钢渣砂200份，激发剂7份，减水剂4份，分散剂6份，缓凝剂0.4份，消泡剂0.0008份，水35份。

所述钢渣粉为炼钢厂排出的废渣经陈化、破碎、筛分、磁选和粉磨工艺制备得到，所述钢渣粉的勃氏比表面积大于400m²/kg；所述矿粉为高炉水渣，S95级，其勃氏比表面积大于350m²/kg；所述钢渣砂为炼钢厂排出的废渣在陈化2年后再经破碎、筛分和磁选工艺制备得到，灰黑色，所述钢渣砂的细度模数为2.3～3.6，表观密度为3～3.5g/cm³，含水率为4％；所述激发剂为水玻璃：氢氧化钠：硫酸钠的质量比为4:1:1的复合激发剂，水玻璃模数为3.12、波美度为38.4，氢氧化钠、硫酸钠均为市售分析纯粉末颗粒；所述减水剂为聚羧酸系高效减水保塑剂，其减水率>20％；所述分散剂为粉煤灰微珠，灰白色，勃氏比表面积大于350m²/kg；所述缓凝剂为市售葡萄糖酸钠，分析纯粉末；所述消泡剂为市售DF-3型高效消泡剂。

配合比如表1所示，测试结果见表2。

实施例4

一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，由下述重量份数的组份组成：钢渣粉40份，矿粉60份，钢渣砂250份，激发剂5.5份，减水剂3.5份，分散剂5份，缓凝剂0.3份，消泡剂0.0008份，水40份。

配合比如表1所示，测试结果见表2。

实施例5

一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，由下述重量份数的组份组成：钢渣粉45份，矿粉55份，钢渣砂350份，激发剂4份，减水剂2.5份，分散剂3份，缓凝剂0.1份，消泡剂0.0005份，水30份。

配合比如表1所示，测试结果见表2。

表1钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆各组分配比(重量份数)

注：激发剂为水玻璃：氢氧化钠：硫酸钠的质量比＝4:1:1的复合激发剂(比例为质量比)。

表2无水泥绿色砂浆性能

表2说明本发明的方法制备的钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆具有工作性能好，该砂浆工作性能好：自流平；凝结时间可调：0.5h～8h；早后期强度高：7d抗折强度＞8MPa、抗压强度＞40MPa，28d抗折强度＞9MPa、抗压强度＞50MPa；凝结时间可调，早后期强度高，抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能优良的特点，能够很好地满足实际施工要求；且使用钢渣粉、矿粉代替水泥，使用钢渣砂代替河砂，环保意义突出。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，其特征在于，由下述组分组成：钢渣粉、矿粉、钢渣砂、激发剂、减水剂、分散剂、缓凝剂、消泡剂和水，各组分按重量份数计为：钢渣粉30~50份，矿粉50~70份，钢渣砂200~350份，激发剂4~7份，减水剂1~4份，分散剂3~6份，缓凝剂0~0.4份，消泡剂0.0002~0.001份，水30~40份；所述钢渣粉为炼钢厂排出的废渣经陈化、破碎、筛分、磁选和粉磨工艺制备得到，所述钢渣粉的勃氏比表面积大于400m²/kg；所述矿粉为高炉水渣，S95级，其勃氏比表面积大于350m²/kg；所述钢渣砂为炼钢厂排出的废渣陈化2年后再经破碎、筛分和磁选工艺制备得到，所述钢渣砂的细度模数为2.3~3.6，表观密度为3~3.5g/cm³，含水率为3%~5%；所述激发剂为水玻璃：氢氧化钠：硫酸钠的质量比为4:1:1的复合激发剂。

2.根据权利要求1所述的钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系高效减水保塑剂，其减水率>20%。

3.根据权利要求1所述的钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，其特征在于，所述分散剂为粉煤灰微珠，其勃氏比表面积大于350m²/kg。

4.根据权利要求1所述的钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，其特征在于，所述缓凝剂为硼酸、磷酸二氢钾或葡萄糖酸钠中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆，其特征在于，所述消泡剂为市售DF-3型高效消泡剂。

6.权利要求1~5任一所述钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）按各组分的重量配比称取钢渣粉、矿粉、钢渣砂、减水剂、缓凝剂、消泡剂和80%的水，加入到砂浆搅拌机中，搅拌1~5分钟至均匀；

（2）将激发剂按氢氧化钠、硫酸钠和水玻璃的顺序依次加入步骤（1）所得砂浆中，再快速加入剩余20%的水，搅拌2~5分钟，即得到钢渣作胶凝材料和细集料的无水泥绿色砂浆。