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一种全固废型碱激发混凝土及其制备方法

2021-02-07 09:21:27

一种全固废型碱激发混凝土及其制备方法

  技术领域

  本发明属于建筑材料技术领域,尤其涉及一种全固废型碱激发混凝土及其制备方法。

  背景技术

  碱激发胶凝材料(AAM)是由一种或多种富含铝硅钙的氧化物组成的矿物组分与一种或多种激发剂组成的一种无机胶凝材料。与OPC相比,AAM生产具有更低的CO2排放和更低的能量消耗,同时AAM具有耐酸和化学侵蚀、耐高温防火、低导热系数、低渗透性及在特定条件下速凝早强等特点。

  碱激发混凝土是在胶凝材料基础上添加砂石骨料形成的,可以按以下两种方式制备,矿物组分和激发剂可以作为干胶凝材料预混合,然后将预混合的胶凝材料与水、砂、骨料和其他化学外加剂混合以获得碱激发砂浆或混凝土,或者激发剂作为水溶液单独加入矿物组分、砂、骨料等固体混合物中混合,以获得碱激发砂浆或混凝土。

  工业生产过程中排入环境的采矿废石、选矿尾矿、燃料废粉废渣、冶炼废渣及其他废物中含有大量的活性硅铝成分,如何将其充分利用,减轻对环境的压力,是亟待解决的问题。

  发明内容

  有鉴于此,本发明的目的在于提供一种全固废型碱激发混凝土及其制备方法,该混凝土充分利用废料,且具有较高的强度。

  本发明提供了一种全固废型碱激发混凝土,包括粉体A、碱性激发剂A、粉体B和碱性激发剂B;

  以质量含量计,所述粉体选自富含硅铝钙的工业固体废弃物,所述粉体A中10%≤钙含量<50%,50%≤硅铝含量<100%,硅铝摩尔比值为2.0~3.5,玻璃体含量超过50%;

  所述粉体B选自富含硅铝钙的工业固体废弃物,所述粉体B中0<钙含量<10%,75%≤硅铝含量<100%,硅铝摩尔比值1.5~4.0,玻璃体含量超过50%。

  所述碱性激发剂A包括质量比为48~88:4~14:1~42的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水;

  所述碱性激发剂B包括质量比为45~71:8~13:20~44的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水。

  优选地,所述粉体A和碱性激发剂A的质量比为56~78:22~44;所述粉体B和碱性激发剂B的质量比为48~71:29~52;所述粉体B的质量和所述粉体A和碱性激发剂A的总质量比为0.30~0.35:1。

  优选地,所述粉体A中12%≤钙含量<41%;

  所述粉体B中2%≤钙含量<4%。

  优选地,所述碱金属硅酸盐的模数为2.43~3.34;碱金属硅酸盐的波美度为40~50。

  优选地,所述碱性氢氧化物选自工业级氢氧化钠或工业级氢氧化钾。

  本发明提供了一种上述技术方案所述全固废型碱激发混凝土的制备方法,包括以下步骤:

  将粉体A和碱性激发剂A搅拌混合成球,静置13~18min,得到人工骨料;

  将所述人工骨料和粉体B混合搅拌20~60s后再加入碱性激发剂B,搅拌3~5min,浇铸成型覆膜密封,常温放置0~48h后再养护24~48h,得到全固废型碱激发混凝土。

  优选地,所述粉体A和碱性激发剂A的加入速率比为100~200g/min:29~168g/min;且碱性激发剂A先加完毕。

  优选地,所述碱性激发剂A采用连续滴入和雾化喷入结合的方式和粉体A混合搅拌。

  本发明提供了一种全固废型碱激发混凝土,包括粉体A、碱性激发剂A、粉体B和碱性激发剂B;所述粉体A选自富含硅铝钙的工业固体废弃物,以质量含量计,所述粉体A中10%≤钙含量<50%,50%≤硅铝含量<100%,硅铝摩尔比值为2.0~3.5,玻璃体含量超过50%;所述粉体B选自富含硅铝钙的工业固体废弃物,所述粉体B中0<钙含量<10%,75%≤硅铝含量<100%,硅铝摩尔比值1.5~4.0,玻璃体含量超过50%;所述碱性激发剂A包括质量比为48~88:4~14:1~42的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水;所述碱性激发剂B包括质量比为45~71:8~13:20~44的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水。本发明采用高钙含量的固废粉体A和碱性激发剂A在上述用量下配置成人工骨料,再原位加入低钙含量的固废粉体B和碱性激发剂B,得到强度较高的全固废型碱激发混凝土。水泥所用的石灰石、黏土、铁矿粉及混凝土所用的砂石骨料都是天然资源,具有不可再生性,本发明充分利用上述资源的固体废弃物,减轻了对环保和资源的压力。实验结果表明:全固废型碱激发混凝土的强度为43.28~58.74MPa。

  附图说明

  图1为本发明制备全固废型碱激发混凝土的工艺流程图。

  具体实施方式

  本发明提供了一种全固废型碱激发混凝土,包括粉体A、碱性激发剂A、粉体B和碱性激发剂B;

  在本发明中,所述粉体A选自富含硅铝钙的工业固体废弃物,以质量含量计,所述粉体A中10%≤钙含量<50%,50%≤硅铝含量<100%,硅铝摩尔比值为2.0~3.5,玻璃体含量超过50%。所述粉体A选自高钙普通粉煤灰、高钙固硫灰、高炉矿渣、其他高钙冶金渣等工业固体废弃物一种或几种,必要时补充以硅灰、高铝粉煤灰、矿渣等为代表的硅源、铝源、钙源物质。优选地,所述粉体A中12%≤钙含量<41%,具体实施例中,所述粉体A为钙含量为12.03%的高钙普通粉煤灰或钙含量为40.6%的S95高炉矿渣或钙含量为21.32%的高钙固硫灰或13.92%高钙的复合体系。

  在本发明中,所述粉体B选自富含硅铝钙的工业固体废弃物,以质量含量计,所述粉体B中0<钙含量<10%,优选为2<钙含量≤7%,更优选为2<钙含量≤4%;75%≤硅铝含量<100%,硅铝摩尔比值1.5~4.0,玻璃体含量超过50%。所述粉体B优选选自低钙普通粉煤灰、低钙固硫灰、低钙冶金渣等工业固体废弃物的一种或多种,必要时补充以硅灰、高铝粉煤灰等为代表的硅源、铝源物质。具体实施例中,所述粉体B为钙含量2.48%的低钙普通粉煤灰;或钙含量3.49%的低钙固硫灰,或低钙普通粉煤灰和硅灰的复合体系,钙含量为2.28%。在本发明中,所述碱性激发剂A包括质量比为48~88:4~14:1~42的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水;所述碱性激发剂B包括质量比为45~71:8~13:20~44的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水。所述碱金属硅酸盐的模数优选为2.43~3.34;碱金属硅酸盐的波美度为40~50。在具体实施例中,所述碱金属硅酸盐为水玻璃;碱性激发剂A中水玻璃的模数为3.34;碱性激发剂B中水玻璃的模数为2.43。碱性激发剂A中碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水的质量比具体为59.7:9.5:30.8,或59.7:7.5:32.8、或86.2:8.5:5.3、或73.2:12.4:14.4;碱性激发剂B中碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水的质量比具体为52:8:40、或64.2:8.4:27.4、或52:8:40、或56:10.2:33.8。所述碱性激发剂B中有必要时添加减水剂;所述减水剂选自木质素磺酸盐和/或萘磺酸盐甲醛缩合物。

  在本发明中,所述碱性氢氧化物优选自工业级氢氧化钠或工业级氢氧化钾。

  在本发明中,所述粉体A和碱性激发剂A的质量比为56~78:22~44;所述粉体B和碱性激发剂B的质量比为48~71:29~52;所述粉体B的质量和所述粉体A和碱性激发剂A的总质量比为0.30~0.35:1。具体实施例中,碱性激发剂A和粉体A的质量比为0.28、0.32、0.48或0.80;所述碱性激发剂B和粉体B的质量比为0.49、0.88、0.55或0.53;所述粉体B与所述粉体A和碱性激发剂A的总质量的比为0.33:1或0.34:1或0.35:1或0.32:1。

  本发明提供了一种上述技术方案所述全固废型碱激发混凝土的制备方法,包括以下步骤:

  将粉体A和碱性激发剂A搅拌混合成球,加料结束后静置13~18min,得到粒径可控的人工骨料;

  将所述人工骨料和粉体B混合搅拌20~60s后再加入碱性激发剂B,搅拌3~5min,浇铸成型覆膜密封,常温放置0~48h后再养护24~48h,得到全固废型碱激发混凝土。

  在本发明中,所述碱性激发剂A采用连续滴入和雾化喷入结合的方式和粉体A混合。得到的人工骨料粒径可控,人工骨料的最大粒径由构件截面尺寸和钢筋间距确定,由固液加料速率比和搅拌时间控制粒径,加入碱性激发剂A时所使用的喷头的孔径和数量根据级配要求、激发液粘度、激发剂用量确定。本发明实施例中,所述人工骨料的粒径范围为160μm~20mm。

  在本发明实施例中,人工骨料的粒径分布见表1:

  表1人工骨料的粒径分布

  

  在本发明中,所述粉体A和碱性激发剂A的加入速率比为100~200g/min:29~168g/min;且碱性激发剂A先加完毕。在本发明具体实施例中,所述粉体A的加入速率均为125g/min;碱性激发剂A的加入速率为37g/min、或105g/min、或63g/min、或42g/min。

  得到人工骨料后,本发明将所述人工骨料和粉体B混合搅拌20~60s后再加入碱性激发剂B,搅拌3~5min,浇铸成型覆膜密封,常温放置0~48h后再放入高低温交变养护箱养护24~48h,得到全固废型碱激发混凝土。所述养护的温度为20~100℃,养护的湿度为50~97%。

  具体实施例中,将所述人工骨料和粉体B混合搅拌30s后再加入碱性激发剂B,搅拌4min。

  本发明优选在立方试模中浇筑成型。在本发明中,所述养护优选在高低温交变湿热试验箱中进行;所述蒸汽养护的湿度优选为95%、温度为60℃;所述养护的时间优选为0~48h,更优选为12~36h;具体实例中,蒸汽养护的时间为24h。本发明优选在拆模后继续在标准养护箱中养护至28龄期。

  参见图1,图1为本发明制备全固废型碱激发混凝土的工艺流程图;从图1看出:将粉体A和激发剂A混合,成球,得到人工骨料;将所述人工骨料和粉体B干混,得到固体混合物后再和激发剂B湿混,得到碱激发混凝土。

  本发明采用GB/T50081-2002对全固废型碱激发混凝土进行立方抗压强度的测试。测试结果表明,本发明提供的全固废型碱激发混凝土具有与传统碱激发混凝土相当或更高的抗压强度。

  为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种全固废型碱激发混凝土及其制备方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

  以下各实施例中所用的高钙普通粉煤灰来源于新疆某电厂(钙含量为12.03%),高钙固硫灰来源于云南某电厂(钙含量为21.32%),低钙固硫灰来源于山西某电厂(钙含量为3.49%),低钙普通粉煤灰来源于另一山西某电厂(钙含量为2.48%),S95高炉矿渣(钙含量为40.6%)、钙含量0.55%的硅灰均采购自灵寿县运达矿产品有限公司,其他各种原料均为市售。

  对比例1

  原料配比:

  混合固体相组分及份数(按重量计),配比如下:

  饱和面干状态的粗骨料碎石(粒径5~20mm,连续级配)48份;饱和面干状态的细骨料天然河砂22份;低钙普通粉煤灰30份(钙含量为2.48%);

  混合液体激发剂组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为2.43)52份;氢氧化钠(96%质量浓度)8份,自来水40份;

  溶液/胶粘剂=0.45;

  骨料/胶粘剂=2.33。

  具体的制备工艺如下:

  (1)将砂石骨料(即粗骨料碎石和细骨料天然砂)分别浸水24小时,取出放置在下部透水容器中自然干燥至表面无自由水状态,即得到饱和面干状态的砂石骨料;

  (2)将液体水玻璃和氢氧化钠溶液、自来水按上述配比混合均匀,得到混合液体相,静置24h备用;

  (3)将饱和面干状态的粗骨料碎石、饱和面干状态的细骨料天然砂、低钙普通粉煤灰按上述配比加入混凝土搅拌机中,并搅拌均匀,得到混合固体相;

  (4)将步骤(3)的混合固体相与将步骤(2)的混合液体相混合均匀,得到碱激发混凝土浆料;

  (5)将步骤(4)中的混凝土浆料注入100mm×100mm×100mm立方试模中,浇筑成型后覆膜密封,常温养护24h,再放入高低温交变湿热试验箱,湿度为95%和60℃下养护24h,拆模后在标准养护箱养护至28天龄期;

  (6)将所得的龄期为28天的碱激发混凝土进行力学性能测试,其基本指标如下:立方抗压强度平均值为41.21MPa。

  以下实施例1~4中采用的原料的化学组成如表2所示:

  表2实施例1~4中采用的原料的化学组成(wt%)

  

  实施例1

  原料配比:

  粉体材料A组分及份数(按重量计),配比如下:

  高钙普通粉煤灰100份(钙质量含量12.03%);

  混合液体激发剂A组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为3.34)59.7份;氢氧化钠(96%质量浓度)9.5份和自来水30.8份;

  粉体材料B组分及份数(按重量计),配比如下:

  低钙普通粉煤灰100份(钙含量为2.48%);

  混合液体激发剂B组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为2.43)52份、氢氧化钠(96%质量浓度)8份和自来水40份;

  液体激发剂A/粉体材料A=0.28;

  粉体材料B/(粉体材料A+液体激发剂A)=0.32:1;

  液体激发剂B/粉体材料B=0.49。

  具体的制备工艺如下:

  (1)将液体水玻璃和氢氧化钠溶液、自来水分别按上述配比混合得到液体激发剂A和液体激发剂B,静置24h备用;

  (2)称取粉体材料A,在搅拌机低速搅拌的作用下,与提前配置好的液体激发剂A同步连续加入,其中液体激发剂A采用连续滴入和雾化喷入结合的方式和粉体A混合搅拌。粉体A的加入速率为125g/min;碱性激发剂A的加入速率为37g/min;加料完毕之后静置15min备用。

  (3)将粉体材料B加入步骤(2)的人工骨料中,低速干混合60s,再加入液体激发剂B,搅拌4min,得到碱激发混凝土浆料;

  (4)将步骤(3)中的混凝土浆料注入100mm×100mm×100mm立方试模中,浇筑成型后覆膜密封,常温养护24h,再放入高低温交变湿热试验箱,湿度为95%和60℃下养护24h,拆模后在标准养护箱养护至28天龄期;

  (5)将所得的龄期为28天的碱激发混凝土进行力学性能测试,其基本指标如下:立方抗压强度平均值为52.33MPa。

  实施例2

  原料配比:

  粉体材料A组分及份数(按重量计),配比如下:

  高钙固硫灰100份;

  混合液体激发剂A组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为3.34)59.7份、氢氧化钠(96%质量浓度)7.5份和自来水32.8份;

  粉体材料B组分及份数(按重量计),配比如下:

  低钙固硫灰100份(钙含量为3.49%);

  混合液体激发剂B组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为2.43)64.2份、氢氧化钠(96%质量浓度)8.4份和自来水27.4份;

  液体激发剂A/粉体材料A=0.80;

  粉体材料B/(粉体材料A+液体激发剂A)=0.35:1;

  液体激发剂B/粉体材料B=0.88。

  具体的制备工艺如下:

  (1)将液体水玻璃和氢氧化钠溶液、自来水分别按上述配比混合得到液体激发剂A和液体激发剂B,静置24h备用;

  (2)称取粉体材料A,在搅拌机低速搅拌的作用下,粉体材料A与提前配置好的液体激发剂A同步连续加入,其中液体激发剂A采用连续滴入和雾化喷入的方式和粉体A混合搅拌。粉体A的加入速率为125g/min;碱性激发剂A的加入速率为105g/min;加料完毕之后静置15min备用。

  (3)将粉体材料B加入步骤(2)的人工骨料中,低速干混合60s,再加入液体激发剂B,得到碱激发混凝土浆料;

  (4)将步骤(3)中的混凝土浆料注入100mm×100mm×100mm立方试模中,浇筑成型后覆膜密封,常温养护24h,再放入高低温交变湿热试验箱,湿度为95%和60℃下养护24h,拆模后在标准养护箱养护至28天龄期;

  (5)将所得的龄期为28天的碱激发混凝土进行力学性能测试,其基本指标为:立方抗压强度平均值为43.28MPa。

  实施例3

  原料配比:

  粉体材料A组分及份数(按重量计),配比如下:

  S95矿渣(钙含量40.6%);

  混合液体激发剂A组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为3.34)86.2份;氢氧化钠(96%质量浓度)8.5份和自来水5.3份;

  粉体材料B组分及份数(按重量计),配比如下:

  低钙普通粉煤灰100份(钙含量为2.48%);

  混合液体激发剂B组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为2.43)52份、氢氧化钠(96%质量浓度)8份和自来水40份;

  液体激发剂A/粉体材料A=0.48;

  粉体材料B/(粉体材料A+液体激发剂A)=0.34:1;

  液体激发剂B/粉体材料B=0.55。

  具体的制备工艺如下:

  (1)将液体水玻璃和氢氧化钠溶液、自来水分别按上述配比混合得到液体激发剂A和液体激发剂B,静置24h备用;

  (2)称取粉体材料A,在搅拌机低速搅拌的作用下,粉体材料A与提前配置好的液体激发剂A同步连续加入,其中液体激发剂A采用连续滴入和雾化喷入的方式和粉体A混合搅拌。粉体A的加入速率为125g/min;碱性激发剂A的加入速率为63g/min;加料完毕之后静置15min备用。

  (3)将粉体材料B加入步骤(2)的人工骨料中,低速干混合60s,再加入液体激发剂B,得到碱激发混凝土浆料;

  (4)将步骤(3)中的混凝土浆料注入100mm×100mm×100mm立方试模中,浇筑成型后覆膜密封,常温养护24h,再放入高低温交变湿热试验箱,湿度为95%和60℃下养护24h,拆模后在标准养护箱养护至28天龄期;

  (5)将所得的龄期为28天的碱激发混凝土进行力学性能测试,其基本指标为:立方抗压强度平均值为58.74MPa。

  实施例4

  原料配比:

  粉体材料A组分及份数(按重量计),配比如下:

  低钙普通粉煤灰70份和高炉矿渣30份复合体系(钙含量为13.92%);

  混合液体激发剂A组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为3.34)73.2份;氢氧化钠(96%质量浓度)12.4份和自来水14.4份;

  粉体材料B组分及份数(按重量计),配比如下:

  低钙普通粉煤灰90份和硅灰10份(钙含量为2.28%);

  混合液体激发剂B组分及份数(按重量计),配比如下:

  水玻璃(模数为2.43)56份;氢氧化钠(96%质量浓度)溶液10.2份和自来水33.8份;

  液体激发剂A/粉体材料A=0.32;

  粉体材料B/(粉体材料A+液体激发剂A)=0.33:1;

  液体激发剂B/粉体材料B=0.53。

  具体的制备工艺如下:

  (1)将液体水玻璃和氢氧化钠溶液、自来水分别按上述配比混合得到液体激发剂A和液体激发剂B,静置24h备用;

  (2)称取粉体材料A,在搅拌机低速搅拌的作用下,粉体材料A与提前配置好的液体激发剂A同步连续加入,其中液体激发剂A采用连续滴入和雾化喷入的方式和粉体A混合搅拌。粉体A的加入速率为125g/min;碱性激发剂A的加入速率为42g/min;加料完毕之后静置15min备用。

  (3)将粉体材料B加入步骤(2)的人工骨料中,低速干混合60s,再加入液体激发剂B,得到碱激发混凝土浆料;

  (4)将步骤(3)中的混凝土浆料注入100mm×100mm×100mm立方试模中,浇筑成型后覆膜密封,常温养护24h,再放入高低温交变湿热试验箱,湿度为95%和60℃下养护24h,拆模后在标准养护箱养护至28天龄期;

  (5)将所得的龄期为28天的碱激发混凝土进行力学性能测试,其基本指标为:立方抗压强度平均值为53.66MPa。

  由以上实施例可知,本发明提供了一种全固废型碱激发混凝土,包括粉体A、碱性激发剂A、粉体B和碱性激发剂B;所述粉体A选自富含硅铝钙的工业固体废弃物,所述粉体A中10%≤钙含量<50%,50%≤硅铝含量<100%,硅铝摩尔比值为2.0~3.5,玻璃体含量超过50%;所述粉体B选自富含硅铝钙的工业固体废弃物,所述粉体B中0<钙含量<10%,75%≤硅铝含量<100%,硅铝摩尔比值1.5~4.0,玻璃体含量超过50%;所述碱性激发剂A包括质量比为48~88:4~14:1~42的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水;所述碱性激发剂B包括质量比为45~71:8~13:20~44的碱金属硅酸盐、碱性氢氧化物和水。本发明采用高钙含量的固废粉体A和碱性激发剂A在上述用量下配置成人工骨料,再原位加入低钙含量的固废粉体B和碱性激发剂B,获得强度较高的全固废型碱激发混凝土。实验结果表明:全固废型碱激发混凝土的强度为43.28~58.74MPa。

  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。

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