CN113943142A - 一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土及其制备方法，涉及固废资源化利用技术领域。混凝土的胶凝材料为78％‑88％的S95矿渣粉和磨细脱硫石膏，骨料为100％热焖转炉钢渣，以干基质量计，钢渣在混凝土的中占比70‑85％。制备时，将热焖转炉钢渣按照0‑5、5‑10和10‑20mm筛分，大于20mm的经破碎后筛分，然后将胶凝材料、骨料、水和混凝土外加剂按一定比例搅拌均匀制得全固废混凝土。本发明制备出标准养护条件下28天抗压强度30MPa‑80MPa的全固废混凝土，显著提高了钢渣在混凝土中的质量占比，提升其利用效率的同时可显著降低混凝土的制造成本，具有良好的环境效益和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于钢渣处理技术领域和固废资源化利用技术领域，特别涉及一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土及其制备方法。
背景技术
热焖转炉钢渣是目前资源化效率最差的大宗工业固体废弃物之一，主要原因在于目前没有一种处理方式可以兼顾处理效率和经济成本。具体原因为：(1)热焖转炉钢渣火山灰活性低，需要采用物理或化学的方式对其激发，已知的激发其活性的方法主要为机械力粉磨，处理成本高；(2)热焖转炉钢渣火山灰中存在不良成分游离氧化钙 (f-CaO)和游离氧化镁(f-MgO)限制了其在水泥或混凝土中的质量占比；(3)目前对热焖转炉钢渣中的f-CaO和f-MgO的去除方法主要为蒸压法，处理成本高。
从处理规模角度，唯一有可能完全消纳热焖转炉钢渣的方式是利用其制备建筑材材料。利用钢渣、矿渣和脱硫石膏三种固体废弃物之间的协同作用替代水泥制备混凝土胶凝材料已经取得了突破性进展，其依据的主要科学理论为硅的四配位同构化效应和粒级与活性的双重协同优化原理，但是，钢渣在该胶凝材料中的质量占比最高为 60％，换算至混凝土中的质量占比仅为10％～15％。因此，利用钢渣制备全固废混凝土不能仅局限于制备胶凝材料，只有利用其制备混凝土骨料，才有可能显著提升其利用效率。
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CN1080837729A公开了一种由钢渣集料复合而成的混凝土及其制备方法，使用原材料包括钢渣、矿渣粉、硅酸盐水泥、石膏、砂子和石子等，其特点是不需对钢渣陈化消解，但是存在钢渣掺量占比低和工艺复杂的不足。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土及其制备方法，可以解决上述背景技术中钢渣的利用效率低和处理成本高的问题。
一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其特征在于：以质量百分比计，包括10％～25％的胶凝材料、60％～80％的骨料、1％～5％的减水剂和5％～10％的水；其中，胶凝材料由78％～88％的矿渣粉和12％～22％的脱硫石膏制备而成，骨料为100％的热焖转炉钢渣经破碎和筛分后制备而成。
其中，矿渣粉为符合GB/T 18064-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中S95级矿渣粉要求的粒化高炉矿渣粉，比表面积为400～430m2/kg。
脱硫石膏为符合GB/T 37785-2019《烟气脱硫石膏》中二级及以上要求，且以二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)为主要成分的烟气脱硫石膏，比表面积为350～450m2/kg。
热焖转炉钢渣为符合YB/T022-2008《用于水泥中的钢渣》的钢渣，且必须放置陈化三年以上时间。
热焖转炉钢渣不需粉磨，经筛分-破碎-筛分工艺后直接作为混凝土骨料使用，其筛分区间为0～5mm、5～10mm和10～20mm。
减水剂为木质素磺酸盐、萘磺酸盐减水剂、密胺系减水剂、氨基酸磺盐系高效减水剂和聚羧酸系高效性能减水剂的一种或多种。
该全固废混凝土的28天抗压强度范围为30MPa～80MPa。
该全固废混凝土的制备方法包括如下步骤：
(1)胶凝材料的预处理：依照权利要求2和3将矿渣和脱硫石膏分别粉磨至要求细度；
(2)骨料的预处理：依照权利要求4～6对热焖钢渣进行预处理，使用方孔筛筛孔边长为4.75mm、9.5mm和19mm对热焖钢渣进行筛分，筛分出公称粒径区间在0～5mm、5～10mm和10～20mm的三种钢渣；其中，公称粒径大于20mm的钢渣经破碎后，重复筛分步骤；
(3)将步骤(1)和(2)制备的胶凝材料和骨料，加入减水剂和水，按照一定比例进行混匀搅拌，制得全固废混凝土；
将步骤(3)中制得的全固废混凝土进行浇筑，模具尺寸为 150mm×150mm×150mm；
将步骤(4)中浇筑完成的全固废混凝土进行养护，养护温度为0～50℃，养护湿度为相对湿度50％～100％或覆膜养护。
本发明与现有钢渣处理技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明提供的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，采用 100％的工业固体废弃物为原材料，不添加任何水泥或水泥熟料，且对钢渣骨料不做任何机械粉磨或蒸压处理，在资源化利用三种固体废弃物的同时，还大幅度节省了混凝土的经济成本，具有良好的经济效益。
2.本发明提供的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土中，以干基质量配比计：钢渣在混凝土中的掺量占比为70％～85％，大幅度提供了钢渣在混凝土的使用效率，为钢渣资源化利用效率的提升具有显著效果。
3.本发明提供的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，28 天抗压强度为30MPa～80MPa，可适用于多种非承重建筑材料，如道路、墙体和护坡等。
4.本发明提供的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，可以大量消纳利用钢渣，同时协同处置矿渣和脱硫石膏，解决了固体废弃物占用土地和污染环境的难题，该方法可以为钢渣的资源化利用实现环境效益和经济效益的高度统一。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更佳清楚，以下将结合具体实施案例进行详细描述
本发明提供一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，该混凝土以质量百分比计，包括10％～25％的胶凝材料、60％～80％的骨料、1％～5％的减水剂和5％～10％的水；其中，胶凝材料由78％～88％的矿渣粉和12％～22％的脱硫石膏制备而成，骨料为100％的热焖转炉钢渣经破碎和筛分后制备而成。
制备混凝土时，分别将矿渣和脱硫石膏粉磨至比表面积 400m2/kg～430m2/kg,350m2/kg～450m2/kg，然后将钢渣骨料按照筛分- 破碎筛分的工序分别制得公称粒径区间在0～5mm、5～10mm和10～20mm 的三种钢渣，加入一定比例的水和减水剂，搅拌均匀后浇筑成型，养护后得到热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土。
下面结合具体实施案例予以说明。
实施例1
一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其胶凝材料由以下原材料制备而成：以质量百分比计，胶凝材料中矿渣83％，石膏17％；以质量百分比计骨料中0-5mm钢渣48％、5～10mm钢渣24％和10～20mm 钢渣28％。混凝土中，以材料的干基质量百分比计，胶凝材料占14.38％，钢渣骨料占85.61％；减水剂为聚羧酸型高效减水剂。
混凝土的配合比如下表所示：(每立方混凝土所用材料：kg/m3)
全固废混凝土按照上表所示配合比称量原材料，将原材料放入混凝土搅拌机中搅拌均匀，搅拌时间不少于240秒，然后将混凝土注入150mm×150mm×150mm的塑料三联模具中，放在混凝土振实台上振动成型，在环境温度为20±5℃，养护湿度＞50％条件下养护24小时后脱模，然后将混凝土放入环境温度为20±2℃，养护湿度＞95％的条件下继续养护。
根据上表所示混凝土配合比搅拌、成型和养护后的混凝土试块3天、7天和28天混凝土抗压强度分别为14.51MPa、26.99MPa和 41.06MPa。
实施例2
一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其胶凝材料由以下原材料制备而成：以质量百分比计，胶凝材料中矿渣84％，石膏16％；以质量百分比计，骨料中0-5mm钢渣47.82％、5～10mm钢渣26.09％和10～20mm钢渣26.09％。混凝土中，以材料的干基质量百分比计，胶凝材料占17.85％，钢渣骨料占82.14％，减水剂为聚羧酸型高效减水剂。
混凝土的配合比如下表所示：(每立方混凝土所用材料：kg/m3)
全固废混凝土按照上表所示配合比称量原材料，将原材料放入混凝土搅拌机中搅拌均匀，搅拌时间不少于240秒，然后将混凝土注入150mm×150mm×150mm的塑料三联模具中，放在混凝土振实台上振动成型，在环境温度为20±5℃，养护湿度＞50％条件下养护24小时后脱模，然后将混凝土放入环境温度为20±2℃，养护湿度＞95％的条件下继续养护。
根据上表所示混凝土配合比搅拌、成型和养护后的混凝土试块3天、7天和28天混凝土抗压强度分别为21.42MPa、35MPa和52MPa。
实施例3
一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其胶凝材料由以下原材料制备而成：以质量百分比计，胶凝材料中矿渣81.81％，石膏18.19％；以质量百分比计骨料中0-5mm钢渣51.16％、5～10mm钢渣23.26％和10～20mm钢渣25.58％。混凝土中，以材料的干基质量百分比计，胶凝材料占20.37％，钢渣骨料占79.63％，减水剂为聚羧酸型高效减水剂。
混凝土的配合比如下表所示：(每立方混凝土所用材料：kg/m3)
全固废混凝土按照上表所示配合比称量原材料，将原材料放入混凝土搅拌机中搅拌均匀，搅拌时间不少于240秒，然后将混凝土注入150mm×150mm×150mm的塑料三联模具中，放在混凝土振实台上振动成型，在环境温度为20±5℃，养护湿度＞50％条件下养护24小时后脱模，然后将混凝土放入环境温度为20±2℃，养护湿度＞95％的条件下继续养护。
根据上表所示混凝土配合比搅拌、成型和养护后的混凝土试块3天、7天和28天混凝土抗压强度分别为39.32MPa、60.84MPa和 81.03MPa。
实施例4
一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土制备道路混凝土，其胶凝材料由以下原材料制备而成：胶凝材料中矿渣83％，石膏17％；以质量百分比计，骨料中0-5mm钢渣48％、5～10mm钢渣24％和10～20 mm钢渣28％。混凝土中，以材料的干基质量百分比计，胶凝材料占 14.38％，钢渣骨料占85.61％；减水剂为聚羧酸型高效减水剂。
混凝土的配合比如下表所示：(每立方混凝土所用材料：kg/m3)
按照上表所述的原材料分别装入混凝土搅拌站的粉体仓、骨料仓、水仓和外加剂仓。设定原材料的下料顺序为矿渣粉和脱硫石膏，骨料，水和减水剂，原材料在混凝土搅拌机中搅拌时长为90秒，每盘混凝土搅拌方量为2方，然后将搅拌均匀的混凝土注入混凝土搅拌罐车中，在1小时之内到达道路施工地点。
搅拌罐车将混凝土泄入已经支护好模具的地点，经过振实和抹平后，使用塑料薄膜进行覆膜养护；道路混凝土的修筑时间为5月份，平均气温为25℃，平均最高气温为30℃，平均最低气温18℃。
将道路施工现场的混凝土取样装入150mm×150mm×150mm塑料三联模具中，其3天、7天和28天混凝土抗压强度分别为20.21MPa、 30.33MPa和45.72MPa。
实施例5
一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土制备道路混凝土，其胶凝材料由以下原材料制备而成：以质量百分比计，胶凝材料中矿渣84％，石膏16％；以质量百分比计，骨料中0-5mm钢渣47.82％、 5～10mm钢渣26.09％和10～20mm钢渣26.09％。混凝土中，以材料的干基质量百分比计，胶凝材料占17.85％，钢渣骨料占82.14％，减水剂为聚羧酸型高效减水剂。
混凝土的配合比如下表所示：(每立方混凝土所用材料：kg/m3)
按照上表所述的原材料分别装入混凝土搅拌站的粉体仓、骨料仓、水仓和外加剂仓。设定原材料的下料顺序为矿渣粉和脱硫石膏，骨料，水和减水剂，原材料在混凝土搅拌机中搅拌时长为90秒，每盘混凝土搅拌方量为2方，然后将搅拌均匀的混凝土注入混凝土搅拌罐车中，在1小时之内到达道路施工地点。
搅拌罐车将混凝土泄入已经支护好模具的地点，经过振实和抹平后，使用塑料薄膜进行覆膜养护；道路混凝土的修筑时间为12 月份，平均气温为3℃，平均最高气温为6℃，平均最低气温-3℃。
将道路施工现场的混凝土取样装入150mm×150mm×150mm塑料三联模具中，其3天、7天和28天混凝土抗压强度分别为20.05MPa、 30.33MPa和49.91MPa。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土制备方法，其特征在于：以质量百分比计，包括10％～25％的胶凝材料、60％～80％的骨料、1％～5％的减水剂和5％～10％的水；其中，胶凝材料由78％～88％的矿渣粉和12％～22％的脱硫石膏制备而成，骨料为100％的热焖转炉钢渣经破碎和筛分后制备而成。
2.根据权利要求1所述的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其特征在于：所述矿渣粉为符合GB/T18064-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中S95级矿渣粉要求的粒化高炉矿渣粉，比表面积为400～430m2/kg。
3.根据权利要求1所述的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其特征在于：所述脱硫石膏为符合GB/T37785-2019《烟气脱硫石膏》中二级及以上要求，且以二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)为主要成分的烟气脱硫石膏，比表面积为350～450m2/kg。
4.根据权利要求1所述的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其特征在于：所述热焖转炉钢渣为符合YB/T022-2008《用于水泥中的钢渣》的钢渣，且必须放置陈化三年以上时间。
5.根据权利要求1所述的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其特征在于：所述热焖转炉钢渣不需粉磨，经筛分-破碎-筛分工艺后直接作为混凝土骨料使用，其筛分区间为0～5mm、5～10mm和10～20mm。
6.根据权利要求1所述的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其特征在于：所述减水剂为木质素磺酸盐、萘磺酸盐减水剂、密胺系减水剂、氨基酸磺盐系高效减水剂和聚羧酸系高效性能减水剂的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土，其特征在于：所述混凝土的28天抗压强度范围为30MPa～80MPa。
8.根据权利要求1～8所述的一种热焖转炉钢渣为骨料的全固废混凝土制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
(1)胶凝材料的预处理：依照权利要求2和3将矿渣和脱硫石膏分别粉磨至要求细度；
(2)骨料的预处理：依照权利要求4～6对热焖钢渣进行预处理，使用方孔筛筛孔边长为4.75mm、9.5mm和19mm对热焖钢渣进行筛分，筛分出公称粒径区间在0～5mm、5～10mm和10～20mm的三种钢渣；其中，公称粒径大于20mm的钢渣经破碎后，重复筛分步骤；
(3)将步骤(1)和(2)制备的胶凝材料和骨料，加入减水剂和水，根据权利要求1所述的全固废混凝土配比进行混匀搅拌，制得全固废混凝土；
(4)将步骤(3)中制得的全固废混凝土进行浇筑，模具尺寸为150mm×150mm×150mm；
(5)将步骤(4)中浇筑完成的全固废混凝土进行养护，养护温度为0～50℃，养护湿度为相对湿度50％～100％或覆膜养护。
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