CN110563405B - 一种环保掺合料混凝土及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环保掺合料混凝土及其制备工艺，属于环保混凝土的技术领域。其技术方案要点是上述环保掺合料混凝土，按重量份计，包括有以下组分：水泥350‑400份、掺合料200‑250份、细骨料550‑600份、粗骨料930‑1000份、减水剂5‑15份、水160‑180份；所述掺合料包括磷渣粉、钒铁渣和粉煤灰。上述环保掺合料混凝土达到了开发利用工业废料制备矿物掺合料，降低混凝土的需水量和原材料成本，达到节能、增产和降低成本的效果。本发明还公开了上述环保掺合料混凝土的制备工艺，采用两次加水的二次搅拌工艺，工艺操作简单实用。

Description

一种环保掺合料混凝土及其制备工艺

技术领域

本发明涉及环保混凝土的技术领域，特别涉及一种新型环保掺合料混凝土及其制备工艺。

背景技术

混凝土是目前土木工程领域使用最多的建筑材料之一，它具有耐久性好、造价低和易模铸等特点。混凝土是以水泥作为粘结剂、骨料作为填充物的一种混合材料，随着混凝土用量的增加，水泥的生产也在迅速发展。

目前，水泥工业已经愈来愈重视提高水泥质量、节能、环保以及资源二次利用的开发与应用。其中，用矿物掺合料来部分替代水泥，减少水泥熟料用量和降低煤耗，减少排放量已经是水泥工业中的一项重要措施。事实上，针对粉煤灰等传统矿物掺合料在混凝土中的应用研究已经开展了多年，而且经过实践检验被证明对混凝土的结构和性能具有改善作用。但因为受到我国工程建设项目大力发展的影响，这些传统的矿物材料逐渐开始短缺，所以有必要开发出更多新型且环保的矿物掺合料来替代部分传统的掺合料。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的一在于：提供一种新型环保掺合料混凝土，以达到开发利用工业废料制备新型矿物掺合料替代部分传统的掺合料，降低混凝土的需水量和原材料成本，节能、增产和降低成本的效果。

本发明的第一个目的是通过以下技术方案得以实现的：一种新型环保掺合料混凝土，按重量份计，包括有以下组分：水泥350-400份、掺合料200-250份、细骨料550-600份、粗骨料930-1000份、减水剂5-15份、水160-180份；所述掺合料包括磷渣粉、钒铁渣和粉煤灰。

磷渣(Phosphorus slag，PS)是粒化电炉磷渣的简写，是在工业生产中通过磷矿石、硅石、焦炭电炉升华制取黄磷时获得的以硅酸钙为主的工业废渣。磷渣经过水淬后形成颗粒状磷矿渣，其主要结构为玻璃体，具有较高的活性。将磷渣磨成粉后作为掺合料加入混凝土中，随着水化时间的增加，磷渣粉玻璃体中的网络骨架不断被打破，新键的不断产生和旧键的不断破裂，使玻璃体被分解，新的水化硅酸钙连续聚合，钙矾石颗粒生长，钙矾石和C-S-H凝胶交联填充和堵塞孔隙，降低孔隙率，使混凝土结构更紧凑，结构更密实强度逐渐增加。

钒铁渣和粉煤灰掺合料与富集在过渡区界面的水泥水化产物Ca(OH)₂反应，生成C-S-H胶凝，使Ca(OH)₂晶体和界面处的孔隙率大量减少，使界面过渡区的裂缝大大减少，骨料与凝胶材料的粘结力得到增强，改善了界面过渡区结构；钒铁渣和粉煤灰有一定的微膨胀作用，在混凝土水化凝结过程中受到约束的条件下，可以使混凝土结构更加密实，提高混凝土的耐腐蚀性能和抗裂性能。

减水剂作为混凝土的一个组分，虽然比重较小，但对混凝土的机械性能却影响很大。一方面，减水剂吸附于水泥颗粒表面使颗粒显示电性能，颗粒间由于带相同电荷而相互排斥，使水泥颗粒被分散而释放颗粒间多余的水分而产生减水作用。另一方面，由于加入减水剂后，水泥颗粒表面形成吸咐膜，影响水泥的水化速度，使水泥石晶体的生长更为完善，减少水分蒸发的毛细空隙，网络结构更为致密，提高了混凝土结构致密性。减水剂选用聚羧酸系减水剂、萘系减水剂、密胺系减水剂或木质素磺酸盐减水剂中的一种或几种。

通过采用上述方案，以特定配比的水泥、掺合料、细骨料和粗骨料作为混凝土的基材，配合使用减水剂，降低再生混凝土的用水量，减少由于自由水蒸发而产生的孔隙，掺合料中磷渣粉、钒铁渣和粉煤灰的配合使用，提高混凝土结构的密实度，使本发明的新型环保掺合料混凝土具有良好的抗压性能、抗裂性能和耐久性。

此外，开发利用工业废料制备新型矿物掺合料替代部分传统的掺合料，具有很大的经济价值及环保效益，可以降低混凝土的需水量和原材料成本，具有节能、增产和降低成本的优点。

本发明进一步设置为：所述掺合料还包括岩石粉。

通过采用上述方案，将岩石粉与磷渣粉、钒铁渣和粉煤灰配合使用，共同作为掺合料掺入混凝土中，可以进一步提高混凝土结构的密实度，提高混凝土的耐腐蚀性能和抗裂性能。

本发明进一步设置为：所述掺合料中，磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的重量百分比分别为20-30％，20-30％，30-40％和20-30％。

通过采用上述方案，优选掺合料中磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉四种组分的重量配比，促进磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的协同作用，可以进一步增强四种掺合料的配合使用效果，使掺合料与水泥的配合使用组成的凝胶材料更密实，提高混凝土的耐腐蚀性能和抗裂性能。

本发明进一步设置为：所述岩石粉包括花岗岩石粉和板岩石粉。

花岗岩石粉均匀分布于水泥颗粒之间，改善了混凝土的颗粒级配，使颗粒间空隙减少，自由水增加，使混凝土拌合物的流动性变好，降低混凝土内部的孔隙，提高混凝土的密实度。

板岩的主要成分是SiO₂和Al₂O₃，符合矿物掺合料的特征，板岩石粉粒径级配较为合理，作为水泥混凝土掺合料使用，可以发挥物理填充效应和微集料效应，提高水泥基体的密实度，从而达到提高强度和改善耐久性的目的。

通过采用上述方案，优选花岗岩石粉和板岩石粉两种岩石粉配合使用，可以进一步提高岩石粉作为掺合料的优良性能，进而提高混凝土的耐腐蚀性能。

本发明进一步设置为：所述花岗岩石粉和板岩石粉的质量比为1:2-3。

通过采用上述方案，优选岩石粉中花岗岩石粉和板岩石粉的配合比例，可以更好地提高两种岩石粉的协同使用的效果，进而增强岩石粉掺合料的使用效果。

本发明进一步设置为：所述花岗岩石粉的粒径为15-30μm，比表面积为800-850m²/kg；板岩石粉的粒径为10-30μm，比表面积为800-900m²/kg。

通过采用上述方案，优选花岗岩石粉和板岩石粉的粒径和比表面积，可以提高两种岩石粉的性能，更好地发挥掺合料的效果，进而提高混凝土的耐腐蚀性能。

本发明进一步设置为：所述磷渣粉的比表面积为500-600m²/kg，流动度比≥95％，P₂O₅含量≤3％。

通过采用上述方案，优选磷渣粉的比表面积、流动度和P₂O₅含量性能参数，可以进一步增强磷渣粉作为掺合料的性能，进一步降低混凝土的孔隙率，使混凝土结构更密实。

本发明进一步设置为：所述钒铁渣的比表面积为600-800m²/kg，氧化钙含量为55-60％。

通过采用上述方案，优选钒铁渣的比表面积和氧化钙含量，可以进一步增强钒铁渣作为掺合料的性能，进一步改善混凝土中骨料与凝胶材料的粘结力，使混凝土结构更加密实。

本发明进一步设置为：所述水泥包括硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥中的一种或几种。

通过采用上述方案，水泥性能的好坏，对混凝土的质量和性能有较大影响。优选水泥的种类，使水泥与掺合料、骨料混合形成的混凝土基材的性能更好，使水泥与减水剂配合作用更强，进一步提升混凝土的抗压强度。

本发明的目的二在于：提供一种上述新型环保掺合料混凝土的制备工艺，所述制备工艺包括以下步骤：

S1，根据配比，称取水泥、细骨料、再生粗骨料和一半的水混合5～8min，得到混合物M；

S2，根据配比，称量掺合料、减水剂和剩余的一半水，加入混合物M中混合5～10min，得到新型环保掺合料混凝土。

通过采用上述方案，先将水泥、粗骨料、细骨料和一半的水进行混合，使骨料与水泥水化后的颗粒充分接触，增强水泥浆和骨料之间的黏结强度。再加入掺合料、减水剂和剩余的一半的水加，使减水剂和掺合料共同混合均匀地分散到骨料和水泥的混合物中，提高混凝土界面性能和密实度。采用两次加水的二次搅拌工艺，进一步提高新型环保掺合料混凝土的耐腐蚀性能、抗压强度和抗裂性能。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中新型环保掺合料混凝土，以特定配比的水泥、掺合料、细骨料和粗骨料作为混凝土的基材，配合使用减水剂，降低再生混凝土的用水量，减少由于自由水蒸发而产生的孔隙，掺合料中磷渣粉、钒铁渣和粉煤灰的配合使用，提高混凝土结构的密实度，使新型环保掺合料混凝土具有良好的抗压性能、抗裂性能和耐久性；

2、本发明中新型环保掺合料混凝土，开发利用工业废料制备新型矿物掺合料替代部分传统的掺合料，具有很大的经济价值及环保效益，可以降低混凝土的需水量和原材料成本，具有节能、增产和降低成本的优点；

3、本发明中新型环保掺合料混凝土的制备工艺，采用两次加水的二次搅拌工艺，工艺操作简单实用，还能提高新型环保掺合料混凝土的耐腐蚀性能、抗压强度和抗裂性能。

具体实施方式

以下对本发明作进一步详细说明。

下述实施例和对比例中，硅酸盐水泥选用P·Ⅰ级，强度等级42.5；细骨料选用人工砂，细度模数为2.5，含泥量1％，表观密度2700kg/m³；粗骨料选用碎石，平均粒径为6mm，含泥量1％，表观密度2700kg/m³，针片状含量3％；减水剂选用聚羧酸系高效减水剂。

实施例1

一种新型环保掺合料混凝土，按重量份计，包括有以下组分：硅酸盐水泥350份、掺合料250 份、细骨料550份、粗骨料1000份、减水剂5份、水180份；

掺合料中，磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的重量百分比分别为20％，30％，30％和20％；磷渣粉的比表面积为500m²/kg，流动度比≥95％，P₂O₅含量≤3％；钒铁渣的比表面积为 600m²/kg，氧化钙含量为55％；

岩石粉中，花岗岩石粉和板岩石粉的质量比为1:2；花岗岩石粉的粒径为15μm，比表面积为 850m²/kg；板岩石粉的粒径为10μm，比表面积为900m²/kg；

上述新型环保掺合料混凝土制备方法包括以下步骤：

S1，根据配比，称取水泥、细骨料、再生粗骨料和一半的水混合5min，得到混合物M；

S2，根据配比，称量掺合料、减水剂和剩余的一半水，加入混合物M中混合5min，得到新型环保掺合料混凝土。

实施例2

一种新型环保掺合料混凝土，按重量份计，包括有以下组分：硅酸盐水泥400份、掺合料200 份、细骨料600份、粗骨料930份、减水剂15份、水160份；

掺合料中，磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的重量百分比分别为20％，20％，30％和30％；磷渣粉的比表面积为600m²/kg，流动度比≥95％，P₂O₅含量≤3％；钒铁渣的比表面积为 800m²/kg，氧化钙含量为60％；

岩石粉中，花岗岩石粉和板岩石粉的质量比为1:3；花岗岩石粉的粒径30μm，比表面积为 800m²/kg；板岩石粉的粒径为30μm，比表面积为800m²/kg；

上述新型环保掺合料混凝土制备方法包括以下步骤：

S1，根据配比，称取水泥、细骨料、再生粗骨料和一半的水混合8min，得到混合物M；

S2，根据配比，称量掺合料、减水剂和剩余的一半水，加入混合物M中混合3min，得到新型环保掺合料混凝土。

实施例3

一种新型环保掺合料混凝土，按重量份计，包括有以下组分：硅酸盐水泥380份、掺合料230 份、细骨料580份、粗骨料980份、减水剂10份、水170份；

掺合料中，磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的重量百分比分别为20％，20％，35％和25％；磷渣粉的比表面积为550m²/kg，流动度比≥95％，P₂O₅含量≤3％；钒铁渣的比表面积为 850m²/kg，氧化钙含量为60％；

岩石粉中，花岗岩石粉和板岩石粉的质量比为1:2.5；花岗岩石粉的粒径20μm，比表面积为 820m²/kg；板岩石粉的粒径为20μm，比表面积为850m²/kg；

上述新型环保掺合料混凝土制备方法包括以下步骤：

S1，根据配比，称取水泥、细骨料、再生粗骨料和一半的水混合7min，得到混合物M；

S2，根据配比，称量掺合料、减水剂和剩余的一半水，加入混合物M中混合4min，得到新型环保掺合料混凝土。

实施例4

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，掺合料中，磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的重量百分比分别为25％，25％，30％和20％。

实施例5

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，掺合料中，磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的重量百分比分别为40％，40％，10％和10％。

实施例6

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，掺合料中，磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的重量百分比分别为5％，10％，45％和40％。

实施例7

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，岩石粉中，花岗岩石粉和板岩石粉的质量比为1:5。

实施例8

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，岩石粉中，花岗岩石粉和板岩石粉的质量比为1:0.5。

实施例9

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，花岗岩石粉的粒径10μm，比表面积为900m²/kg；板岩石粉的粒径为5μm，比表面积为1000m²/kg。

实施例10

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，花岗岩石粉的粒径40μm，比表面积为700m²/kg；板岩石粉的粒径为50μm，比表面积为650m²/kg。

实施例11

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，磷渣粉的比表面积为400m²/kg，流动度比≤90％，P₂O₅含量≥4％。

实施例12

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，钒铁渣的比表面积为500m²/kg，氧化钙含量为40％。

实施例13

一种新型环保掺合料混凝土，与实施例3的区别在于，掺合料中不包括岩石粉。

对比例1

一种混凝土，与实施例3的区别在于，掺合料中不加入磷渣粉。

对比例2

一种混凝土，与实施例3的区别在于，掺合料中不加入钒铁渣。

对比例3

一种混凝土，与实施例3的区别在于，掺合料中不加入粉煤灰。

对比例4

一种混凝土，与实施例3的区别在于，掺合料中不加入磷渣粉和钒铁渣。

对比例5

一种混凝土，按重量份计，包括有以下组分：硅酸盐水泥300份、掺合料400份、细骨料500 份、粗骨料1200份、减水剂3份、水150份；其余均与实施例3相同。

实验例

参照《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T50081-2002》和《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法标准GB/T50082-2009》对实施例1-13和对比例1-5提供的混凝土的抗压性能、抗裂性能和耐久性进行检测，检测结果见表1。

由表1的数据可以看出，实施例3中混凝土的抗压强度、开裂时间、收缩率和电通量都比实施例1、2和实施例4-13的检测结果好。对比例1-5提供的混凝土的测试的抗压强度、开裂时间、收缩率和电通量的实验结果数据明显都不如实施例3的好。

实施例4-6与实施例3对比，实施例4中磷渣粉与钒铁渣的含量调整增加，降低粉煤灰与岩石粉的含量，四种掺合料的配比在优选的范围内；实施例5中提高磷渣粉与钒铁渣的含量，降低粉煤灰与岩石粉的含量，四种掺合料的配比不在优选的范围内；实施例6中降低磷渣粉与钒铁渣的含量，提高粉煤灰与岩石粉的含量，四种掺合料的配比不在优选的范围内。通过对比实施例4-6与实施例3的测试结果可知，掺合料中四种组分的配合比例对混凝土的抗压性能、抗裂性能和耐久性均有影响。

实施例7、8与实施例3对比，实施例7中调整花岗岩石粉和板岩石粉的配合比例，花岗岩石粉的含量较少，配合比例不在优选的范围内；实施例8中调整花岗岩石粉和板岩石粉的配合比例，板岩石粉的含量较少，配合比例不在优选的范围内。通过对比实施例7、8与实施例3的测试结果可知，掺合料中花岗岩石粉和板岩石粉的配合比例对混凝土的抗压性能、抗裂性能和耐久性均有影响。

实施例9、10与实施例3对比，实施例9中调整花岗岩石粉和板岩石粉的粒径和比表面积，粒径减小和比表面积增大，不在优选的范围内；实施例10中调整花岗岩石粉和板岩石粉的粒径和比表面积，粒径增大和比表面积减小，不在优选的范围内。通过对比实施例9、10与实施例3的测试结果可知，掺合料中花岗岩石粉和板岩石粉的粒径和比表面积对混凝土的抗压性能、抗裂性能和耐久性均有影响。

实施例11-13与实施例3对比，实施例11中调整磷渣粉的性能参数，不在优选的范围内；实施例12中调整钒铁渣的性能参数，不在优选的范围内。通过对比实施例11、12与实施例3的测试结果可知，掺合料中磷渣粉和钒铁渣的性能参数对混凝土的抗压性能、抗裂性能和耐久性均有影响。实施例13与实施例3对比，掺合料中不包括岩石粉；通过对比实施例13与实施例3的测试结果可知，岩石粉作为四种掺合料之一与其它三种掺合料的配合使用对混凝土的抗压性能、抗裂性能和耐久性均有影响。

对比例1-5与实施例3对比，对比例1的掺合料中不加入磷渣粉；对比例2的掺合料中不加入钒铁渣；对比例3的掺合料中不加入粉煤灰；对比例4的掺合料中不加入磷渣粉和钒铁渣；对比例5中混凝土的各组分含量均不在保护范围内。通过对比对比例1-5与实施例3的实验结果可知，混凝土中掺合料的添加种类和各组分含量对混凝土的抗压性能、抗裂性能和耐久性均有影响。

上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种环保掺合料混凝土，其特征在于：按重量份计，包括有以下组分：水泥350-400份、掺合料200-250份、细骨料550-600份、粗骨料930-1000份、减水剂5-15份、水160-180份；

所述掺合料包括磷渣粉、钒铁渣和粉煤灰；

所述掺合料还包括岩石粉；

所述掺合料中，磷渣粉、钒铁渣、粉煤灰和岩石粉的重量百分比分别为20-30％，20-30％，30-40％和20-30％；

所述岩石粉包括花岗岩石粉和板岩石粉；

所述花岗岩石粉和板岩石粉的质量比为1:2-3；所述花岗岩石粉的粒径为15-30μm，比表面积为800-850m²/kg；

板岩石粉的粒径为10-30μm，比表面积为800-900m²/kg。

2.根据权利要求1所述的环保掺合料混凝土，其特征在于：所述磷渣粉的比表面积为500-600m²/kg，流动度比≥95％，P₂O₅含量≤3％。

3.根据权利要求1所述的环保掺合料混凝土，其特征在于：所述钒铁渣的比表面积为600-800m²/kg，氧化钙含量为55-60％。

4.根据权利要求1所述的环保掺合料混凝土，其特征在于：所述水泥包括硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥或复合硅酸盐水泥中的一种或几种。

5.一种权利要求1-4 任一所述的环保掺合料混凝土的制备工艺，其特征在于，所述制备工艺包括以下步骤：

S1，根据配比，称取水泥、细骨料、再生粗骨料和一半的水混合5～8min，得到混合物M；

S2，根据配比，称量掺合料、减水剂和剩余的一半水，加入混合物M中混合3～5min，得到环保掺合料混凝土。