CN115448680A - 一种含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件，按重量份数计，原料包括：水泥100～150份，粉煤灰200～250份，脱硫石膏50～100份，细骨料700～900份，粗骨料1000～1200份，减水剂4～6份，水100～150份。本发明通过一种低水泥胶凝材料制备预制件，其中水泥掺量低于30％，粉煤灰掺量大于50％，并与脱硫石膏形成协同耦合作用机制。通过特殊的养护制度，在水化初凝时期，加大钙源、硅氧源和硫酸盐类物质耦合反应影响作用，在早期强度迅速增长的同时，稳定水化产物晶型结构，保证预制件耐久性能，提高了预制件模具的流转效率。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物资源化综合利用和建筑材料技术领域，具体涉及一种含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件及制备方法。
背景技术
粉煤灰是常见的掺合料，在建筑材料领域被大规模应用。如果将粉煤灰作为原料制备预制构件混凝土，既实现废物利用，将解决粉煤灰难处理的问题，减少二氧化碳的排放，减轻了环境污染，契合了国家的“碳减排”政策，同时大掺量粉煤灰的预制构件混凝土依然能够达到56天超过 40MPa的预期强度。然而，如何将大掺量粉煤灰作为原料应用于有足够工程应用强度的预制构件混凝土是要解决的难点。
CN 113620646 B公开了一种高铝粉煤灰自保温蒸压加气混凝土砌块及其制备方法。这种混凝土砌块及其制备方法成功制备出绝干密度≤450kg/m3，抗压强度为2.5MPa以上，且坯体不塌模、连续稳定生产的高铝粉煤灰自保温蒸压加气混凝土砌块产品。但是此专利工艺流程复杂，并且需要用到蒸压釜，使用危险。
CN 114195465 A公开了一种C40预制构件用免蒸养混凝土及其制备方法。这种混凝土早期强度较高，施工性能良好，可提高模具周转率，加快生产进度缩短工期。但是此专利使用了大量水泥材料，还添加了化学试剂硫酸钠，整体成本较高，碳排放较大，混凝土绿色度不足。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件及制备方法，本发明提供的低碳快速脱模预制件制备方法简单可快速脱模，并且水泥含量低、粉煤灰含量高，绿色环保。
本发明提供了一种含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件，按重量份数计，原料包括：水泥100～150份，粉煤灰 200～250份，脱硫石膏50～100份，细骨料700～900份，粗骨料1000～1200份，减水剂4～6份，水100～150份。
优选的，所述水泥选自硅酸盐42.5水泥。
优选的，所述粉煤灰为符合GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的粉煤灰。
优选的，所述脱硫石膏为符合GB/T 37785-2019《烟气脱硫石膏》的脱硫石膏。
优选的，所述细骨料为符合GB/T 25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》的细骨料。
优选的，所述粗骨料为符合GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》的粗骨料。
优选的，所述减水剂选自聚羧酸减水剂。
本发明还提供了一种上述预制件的制备方法，包括以下步骤：
A)将水泥、粉煤灰和脱硫石膏进行混合粉磨，得到胶凝材料；
B)将所述胶凝材料、细骨料、粗骨料、减水剂和水混合后浇筑成型，得到浇筑成型的混凝土；
C)将所述浇筑成型的混凝土进行依次进行第一次标准养护、加热条件下养护、拆模以及第二次标准养护，得到低碳快速脱模预制件。
优选的，步骤A)中，粉磨后原料的比表面积为550m2/kg及以上。
优选的，所述第一次标准养护的时间为4小时；
所述加热条件下养护的温度为40～60℃，时间为8～20小时；
所述第二次标准养护至1天、3天、7天以及28天龄期。
与现有技术相比，本发明提供了一种含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件，按重量份数计，原料包括：水泥 100～150份，粉煤灰200～250份，脱硫石膏50～100份，细骨料700～900份，粗骨料1000～1200份，减水剂4～6份，水100～150份。本发明通过一种低水泥胶凝材料制备预制件，其中水泥掺量低于30％，粉煤灰掺量大于50％，并与脱硫石膏形成协同耦合作用机制。通过特殊的养护制度，在水化初凝时期，加大钙源、硅氧源和硫酸盐类物质耦合反应影响作用，在早期强度迅速增长的同时，稳定水化产物晶型结构，保证预制件耐久性能，提高了预制件模具的流转效率。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)这种固废基低碳胶凝材料制备的预制件其原料超过70％来源于工业固体废弃物，从而极大降低了普通硅酸盐水泥的用量，减少了二氧化碳的排放，降低混凝土成本，保护环境；
(2)本发明结合固废基胶凝材料的水化特性，制定了4+N的特殊养护模式，实现大掺量粉煤灰预制件早期强度快速增长，24小时内达到脱模强度，且不影响预制件后期强度增长及耐久性能。
(3)本发明制备的预制构件28天抗压强度可以达到50MPa，满足大部分预制构件的强度需求，拓展了大掺量粉煤灰制品的应用领域。
综上，本发明利用低掺量水泥、大掺量粉煤灰并配合脱硫石膏，制备低碳快速脱模预制构件混凝土，解决了大掺量粉煤灰制品强度低、水化慢、应用窄的难题以及水泥制品污染大、碳排放高、成本高的问题，为预制构件混凝土的胶凝材料提供了一个较为合适的粉煤灰掺量，推进了固废利用与环境保护事业，为大规模推广低碳高效胶凝材料奠定了技术基础。
具体实施方式
本发明提供了一种含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件，按重量份数计，原料包括：水泥100～150份，粉煤灰 200～250份，脱硫石膏50～100份，细骨料700～900份，粗骨料1000～1200份，减水剂4～6份，水100～150份。
本发明提供的低碳快速脱模预制件的制备原料包括水泥100～150份，优选为100、110、120、130、140、150，或100～150份之间的任意值。在本发明中，所述水泥选自硅酸盐42.5水泥，所述水泥为符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》标准。
本发明提供的低碳快速脱模预制件的制备原料还包括粉煤灰200～250份，优选为200、210、220、230、240、250，或200～250份之间的任意值。在本发明中，所述粉煤灰为符合GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的粉煤灰。在本发明的一些具体实施方式中，所述粉煤灰主要由以下成分组成：CaO 6份，SiO2 53份，Al2O3 26份，K2O 1份，MgO 1份，Na2O 1份，Fe2O3 5份，SO3 4份。
本发明提供的低碳快速脱模预制件的制备原料还包括脱硫石膏50～100 份，优选为50、60、70、80、90、100，或50～100份之间的任意值。所述脱硫石膏为电厂生产中由化学反应生成的以无水和二水硫酸钙为主要成分的工业副产品。在本发明中，所述脱硫石膏为符合GB/T 37785-2019《烟气脱硫石膏》的脱硫石膏。
本发明提供的低碳快速脱模预制件的制备原料还包括细骨料700～900份，优选为700、750、800、850、900，或700～900份之间的任意值。在本发明中，所述细骨料为符合GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》的细骨料。
本发明提供的低碳快速脱模预制件的制备原料还包括粗骨料1000～1200 份，优选为1000、1050、1100、1150、1200，或1000～1200份之间的任意值。在本发明中，所述粗骨料为符合GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》的粗骨料。
本发明提供的低碳快速脱模预制件的制备原料还包括减水剂4～6份，优选为4、4.5、5、5.5、6，或4～6份之间的任意值。在本发明中，所述减水剂选自聚羧酸减水剂。所述减水剂符合GB 8076-2008《混凝土外加剂》标准。
本发明提供的低碳快速脱模预制件的制备原料还包括水100～150份，优选为100、110、120、130、140、150，或100～150份之间的任意值。
本发明还提供了一种上述的预制件的制备方法，包括以下步骤：
A)将水泥、粉煤灰和脱硫石膏进行混合粉磨，得到胶凝材料；
B)将所述胶凝材料、细骨料、粗骨料、减水剂和水混合后浇筑成型，得到浇筑成型的混凝土；
C)将所述浇筑成型的混凝土进行依次进行第一次标准养护、加热条件下养护、拆模以及第二次标准养护，得到低碳快速脱模预制件。
本发明首先将水泥、粉煤灰和脱硫石膏进行混合粉磨，得到胶凝材料；其中，粉磨后原料的比表面积为550m2/kg及以上。
然后，将所述胶凝材料、细骨料、粗骨料、减水剂和水混合后浇筑成型，得到浇筑成型的混凝土。本发明对所述浇筑成型的具体方法并没有特殊限制，本领域技术人员公知的方法即可。
接着，将所述浇筑成型的混凝土进行依次进行第一次标准养护、加热条件下养护、拆模以及第二次标准养护，得到低碳快速脱模预制件。
在本发明中，所述标准养护的温度20℃±2℃、湿度高于90％。
所述第一次标准养护的温度20℃±1℃、湿度高于90％，时间为4小时；
所述加热条件下养护的温度为40～60℃，湿度高于90％，时间为8～20小时；
所述第二次标准养护的温度20℃±2℃、湿度高于90％，养护至1天、3 天、7天以及28天龄期。
采用上述养护方式，可实现12～24小时之内拆模。
本发明通过水泥、粉煤灰、脱硫石膏三种材料协同作用，分段反应机制，制订4+N特殊蒸养制度，加快早期水化速率，提高早期强度，实现浇筑后24 小时内拆模，解决模具周转慢，利用率低的难题。
本发明通过探索低钙硅比胶凝材料养护机制反应机理，确定含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料最近养护时间及养护温度，在固废基胶凝材料初凝时间前后进行40-60℃的高温养护，在保证预制件早期强度达到脱模要求的基础上，避免因高温养护导致的孔结构破坏，使变形晶体能够缓慢恢复且不影响预制件后期强度和耐久性能。
本发明所使用的固废基胶凝材料中水泥掺量不足30％，所制备的预制件 28天强度可达到50MPa，水泥掺量远低于同等强度标准的混凝土产品，且加工工艺简单，蒸养时间短，能源消耗小，无其他钙源物质加入，二氧化碳排放远低于普通预制件。
本发明通过利用粉煤灰、水泥和脱硫石膏进行混合粉磨，磨至比表面积 550m2/kg。通过磨细物料，缩短反应物之间的反应距离，实现三种材料协同作用，分段反应机制，利用“4+N特殊蒸养制度”即4小时标准养护+8到20 小时高温养护+后续标准养护的养护制度，可在保证预制件耐久性能的基础上，有效提高预制件早期水化速度、减少初终凝时间，达到24小时内脱模， 28天强度50MPa。相比较其他粉煤灰混凝土，石膏大量添加能够促进水泥、粉煤灰和石膏协同作用，在初凝先后短暂高温养护，给预制件生产及粉煤灰的利用提供了一条新的思路。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件及制备方法进行说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
以下实施例中，使用的水泥选自硅酸盐42.5水泥；
使用的粉煤灰为火电厂粉煤灰，主要由以下成分组成：CaO 6份，SiO2 53 份，Al2O326份，K2O 1份，MgO 1份，Na2O 1份，Fe2O3 5份，SO3 4份。
使用的减水剂为聚羧酸减水剂。
实施例1
(1)将原料按照质量份数混合粉磨制备而成，其中水泥150份，粉煤灰 250份，脱硫石膏100份，细骨料800份，粗骨料1100份，减水剂6份，水 125份，混合粉磨至比表561m2/kg。
(2)按照上述的试验配合比准确称量所有原料，减水剂按照固含量30％的标准，提前稀释使之完全溶解于水中。所有原料使用混凝土搅拌机进行搅拌，搅拌结束后马上浇入模具中，充分振捣成型。
(3)将成型的混凝土试块置于20±1℃、湿度高于90％的养护室中养护 4小时后，再置于养护温度55℃±2℃、湿度高于90％的高温养护箱内养护20 小时，之后拆模然后继续置于养护温度20℃±2℃、湿度高于90％的养护室中养护至1天、3天、7天以及28天龄期。对应的抗压强度分别可以达到48、 59、68和75MPa。
本实施例采用最大的胶材用量，其中水泥、粉煤灰及脱硫石膏用量均为最大，通过特殊的养护制度1天强度即可达到48MPa，且高温养护不影响后期强度增长，28d抗压强度达到75MPa，强度增长曲线良好，对于大掺量固废基预制件来说，在不添加昂贵的外加剂情况下，具有极为优秀强度性能。
实施例2
(1)将原料按照质量份数混合粉磨制备而成，其中水泥100份，粉煤灰 250份，脱硫石膏100份，细骨料800份，粗骨料1100份，减水剂5份，水 120份，混合粉磨至比表551m2/kg。
(2)按照上述的试验配合比准确称量所有原料，减水剂按照固含量30％的标准，提前稀释使之完全溶解于水中。所有原料使用混凝土搅拌机进行搅拌，搅拌结束后马上浇入模具中，充分振捣成型。
(3)将成型的混凝土试块置于20±1℃、湿度高于90％的养护室中养护 4小时后，再置于养护温度50℃±2℃、湿度高于90％的高温养护箱内养护12 小时，之后拆模然后继续置于养护温度20℃±2℃、湿度高于90％的养护室中养护至1天、3天、7天以及28天龄期。对应的抗压强度分别可以达到24、 33、44和56MPa。
本实施例较实施例一胶材用量下降50份，全部为水泥，用水量减少了5 份，高温养护温度下降了5℃，高温养护时间缩短了8小时。虽然早期强度降低了50％以上，但仍然达到脱模要求，且28d抗压强度仍达到56MPa，本配比虽然强度有所降低，但更加符合节能减排，低碳绿色的行业要求，而且降低水泥用量、减少高温养护时间能有效降低产品成本，更具有推广价值。
实施例3
本发明提供的是一种低水泥胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件及制备方法，具体步骤如下：
(1)将原料按照质量份数混合粉磨制备而成，其中水泥120份，粉煤灰 230份，脱硫石膏85份，细骨料800份，粗骨料1100份，减水剂5份，水 125份，混合粉磨至比表559m2/kg。
(2)按照上述的试验配合比准确称量所有原料，减水剂按照固含量30％的标准，提前稀释使之完全溶解于水中。所有原料使用混凝土搅拌机进行搅拌，搅拌结束后马上浇入模具中，充分振捣成型。
(3)将成型的混凝土试块置于20±1℃、湿度高于90％的养护室中养护 4小时后，再置于养护温度50℃±2℃、湿度高于90％的高温养护箱内养护14 小时，之后拆模然后继续置于养护温度20℃±2℃、湿度高于90％的养护室中养护至1天、3天、7天以及28天龄期。对应的抗压强度分别可以达到42、 46、53和59MPa。
本实施例取权利要求一中各原材料质量份数及高温养护温度和时间的中值，其早期强度与实施例1相比下降不明显，后期整体强度性能下降15％左右，但28天抗压强度仍达到59MPa。
实施例4
本发明提供的是一种低水泥胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件及制备方法，具体步骤如下：
(1)将原料按照质量份数混合粉磨制备而成，其中水泥100份，粉煤灰 200份，脱硫石膏50份，细骨料700份，粗骨料1000份，减水剂6份，水100份，混合粉磨至比表565m2/kg。
(2)按照上述的试验配合比准确称量所有原料，减水剂按照固含量30％的标准，提前稀释使之完全溶解于水中。所有原料使用混凝土搅拌机进行搅拌，搅拌结束后马上浇入模具中，充分振捣成型。
(3)将成型的混凝土试块置于20±1℃、湿度高于90％的养护室中养护 4小时后，再置于养护温度60℃±2℃、湿度高于90％的高温养护箱内养护20 小时，之后拆模然后继续置于养护温度20℃±2℃、湿度高于90％的养护室中养护至1天、3天、7天以及28天龄期。对应的抗压强度分别可以达到27、 35、43和50MPa。
本实施例所有用量均选取可选范围最低标准，本配比各胶材用量大幅下降，但通过特殊养护制度，较实施例1早期强度下降不明显仍达到27MPa且 28d强度达到50MPa，足以制备高强度预制件。
对比例1
(1)将原料按照质量份数混合粉磨制备而成，其中水泥150份，粉煤灰 250份，脱硫石膏100份，细骨料800份，粗骨料1100份，减水剂5份，水 125份，混合粉磨至比表554m2/kg。
(2)按照上述的试验配合比准确称量所有原料，减水剂按照固含量30％的标准，提前稀释使之完全溶解于水中。所有原料使用混凝土搅拌机进行搅拌，搅拌结束后马上浇入模具中，充分振捣成型。
(3)将成型的混凝土试块置于20±1℃、湿度高于90％的养护室中养护 1d之后拆模然后继续置于养护温度20℃±2℃、湿度高于90％的养护室中养护至1天、3天、7天以及28天龄期。对应的抗压强度分别可以达到3、21、 38和54MPa。
对比例1与实施例1原料质量份数一致，标准养护下，1天抗压强度仅为 3MPa，可以认为工程中不具有早期拆模的可能性，且28d强度也远低于实施例1的28天强度。
对比例2
(1)将原料按照质量份数混合粉磨制备而成，其中水泥150份，粉煤灰 340份，脱硫石膏10份，细骨料800份，粗骨料1100份，减水剂5份，水 125份，混合粉磨至比表552m2/kg。
(2)按照上述的试验配合比准确称量所有原料，减水剂按照固含量30％的标准，提前稀释使之完全溶解于水中。所有原料使用混凝土搅拌机进行搅拌，搅拌结束后马上浇入模具中，充分振捣成型。
(3)将成型的混凝土试块置于20±1℃、湿度高于90％的养护室中养护 4小时后，再置于养护温度55℃±2℃、湿度高于90％的高温养护箱内养护20 小时，之后拆模然后继续置于养护温度20℃±2℃、湿度高于90％的养护室中养护至1天、3天、7天以及28天龄期。
抗压强度分别可以达到42、51、58和49MPa。
对比例2与实施例1相比将脱硫石膏用量降至10份，粉煤灰用量增至340 份，经过特殊养护制度后1天抗压强度达到43MPa，可是后期因为内部晶体调整，28d强度出现强度倒缩，其工程应用安全性具有重大隐患。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种含水泥、粉煤灰和脱硫石膏的固废基胶凝材料制备的低碳快速脱模预制件，其特征在于，按重量份数计，原料包括：水泥100～150份，粉煤灰200～250份，脱硫石膏50～100份，细骨料700～900份，粗骨料1000～1200份，减水剂4～6份，水100～150份。
2.根据权利要求1所述的预制件，其特征在于，所述水泥选自硅酸盐42.5水泥。
3.根据权利要求1所述的预制件，其特征在于，所述粉煤灰为符合GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的粉煤灰。
4.根据权利要求1所述的预制件，其特征在于，所述脱硫石膏为符合GB/T 37785-2019《烟气脱硫石膏》的脱硫石膏。
5.根据权利要求1所述的预制件，其特征在于，所述细骨料为符合GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》的细骨料。
6.根据权利要求1所述的预制件，其特征在于，所述粗骨料为符合GB/T25177-2010《混凝土用再生粗骨料》的粗骨料。
7.根据权利要求1所述的预制件，其特征在于，所述减水剂选自聚羧酸减水剂。
8.一种如权利要求1～7任意一项所述的预制件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A)将水泥、粉煤灰和脱硫石膏进行混合粉磨，得到胶凝材料；
B)将所述胶凝材料、细骨料、粗骨料、减水剂和水混合后浇筑成型，得到浇筑成型的混凝土；
C)将所述浇筑成型的混凝土进行依次进行第一次标准养护、加热条件下养护、拆模以及第二次标准养护，得到低碳快速脱模预制件。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤A)中，粉磨后原料的比表面积为550m2/kg及以上。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一次标准养护的时间为4小时；
所述加热条件下养护的温度为40～60℃，时间为8～20小时；
所述第二次标准养护至1天、3天、7天以及28天龄期。
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