一种重质混凝土及其制备方法和应用

1.本发明属于混凝土技术领域，尤其涉及一种重质混凝土及其制备方法和应用。


背景技术：

2.由于绿色生产理念的推广，大力发展和使用绿色建材、充分利用可再生资源、提升绿色建筑品质、推动建筑废弃物的高效处理与再利用，实现工程建设全过程低碳环保、节能减排势在必行。在土木工程建设高速发展的今天，混凝土已经成为世界上使用量最大的人造产品，其年均消耗量仅次于水，砂石骨料是混凝土的重要制备原料，据统计，在混凝土结构中，使用1吨钢材，需要6吨水泥、36吨砂石骨料；每千米高速公路砂石骨料用量为5.46万吨，每千米高铁砂石骨料的平均用量为7万吨，每平方米建筑中砂石骨料的用量近1吨。天然砂石是一种常用的砂石骨料，然而天然砂石是一种不可再生资源，近年来大规模的无序采砂严重影响了河流的自然景观、水流情况以及众多生物赖以生存的生态环境，基于此问题，多地明令禁止一切采砂行为，这直接导致了天然河砂资源的短缺。同时，随着近年来经济的高速发展，越来越多的基础设施以及城乡居民用房的建设进一步加剧了天然河砂的供应压力，导致混凝土的原料短缺严重。综上，普通混凝土在生产和制备的过程中需开采砂石，进而会破坏其产地的生态环境，与可持续发展的要求相悖，因此，寻找传统砂石骨料的替代物，推广新型生态环保的绿色混凝土材料的工程应用显得尤为重要。
3.绿色重质混凝土是以冶金工业所产生的重金属固体废料作为骨料的一种新型低碳绿色混凝土，它以冶金工业产生的重金属废料作为骨料，取代部分面临短缺的传统砂石，因其优异的性能，已被广泛应用于防辐射等人防工程、房地产行业、水坝等大型工程的建设中。但与此同时，加入了密度较大的重金属固体废料后，混凝土的工作性能降低，过低的可加工性能使得重质混凝土在实际工程的应用中受到一定程度的阻碍，主要体现在：流动性能减弱，可模性降低，其中流动性变差导致泵送成本过高，可模性低导致混凝土成型的困难等，因此，提高重质混凝土的工作性能是促进其在实际工程中综合应用的关键所在。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种混凝土，本发明提供的混凝土，由于超细微粒和铁渣砂的加入，加大了混凝土中各原料间的颗粒级配，多种尺寸的颗粒能够有效地填充混凝土中各种尺寸的孔洞，进而提升混凝土的密实度，增加湿堆积密度。湿堆积密度的提高带来了性能的优化，使混凝土具备了可加工性能。
5.本发明还提供了一种上述混凝土的制备方法。
6.本发明还提供了一种上述混凝土或上述制备方法制备的混凝土在土木工程领域中的应用。
7.本发明的第一方面提供了一种混凝土，按重量份计，制备原料包括：铁渣砂，超细微粒，水泥，粗骨料；
8.所述超细微粒包括粉煤灰和硅灰中的至少一种；
9.所述粉煤灰的粒径为：0.0003～0.28mm。
10.所述硅灰的粒径为：0.00004～0.025mm。
11.所述铁渣砂的粒径为：0.075～5mm。
12.本发明的混凝土，至少具有以下有益效果：
13.1.本发明所应用的原材料绿色环保，成本低廉。其中铁渣砂为冶金工业副产物，铁渣砂的应用既能提高混凝土的防辐射性、强度、耐久性能，也能节约河砂的使用，有效缓解不可再生资源如天然河砂、碎石等的供应压力，保护了生态环境。
14.2.湿法堆积密度理论认为，混凝土中，粗细骨料之间存在一定的孔隙，孔隙率的高低决定了混凝土的一系列性能，可以采取加入多种尺寸填料的方法降低混凝土的孔隙率，进而提升混凝土的一系列性能；
15.本发明的混凝土中加入了不同尺寸的填料(铁渣砂、粉煤灰、硅粉等)相当于加大了混凝土中骨料和其他原料之间的颗粒级配，多种尺寸的填料能够有效地填充混凝土中各种尺寸的孔洞，进而提升混凝土的密实度，增加湿堆积密度。
16.其中，铁渣砂粒径比天然河砂略小，外形更接近于球形，球形的填充效果要比其它形状好，因此可以替代传统河沙(细骨料)加大混凝土中骨料尺寸的广度，有效填充混凝土中的孔隙；粉煤灰的粒径小于水泥，这加大了粒径尺寸广度，粉煤灰的外形接近于球体，填充效果较好。其次，硅粉为一种超细微粒，它的加入可以显著增加混凝土的粘性，在加入一定量的减水剂后，可以显著提升混凝土各方面性能。使得混凝土的孔隙率降低，因此用以填充孔隙的水的用量变小了，因此有更多的水能够用以润滑混凝土的骨料，使混凝土的流动性能提高。
17.同理，原本用于填充混凝土孔隙的浆糊(此处的浆糊指的是胶凝材料(水泥、粉煤灰、硅粉等)与水结合发生水化反应后形成的浆体。)也变得过量，同过量的水一样起着润滑混凝土的作用。换言之，在相同的含水量或者浆糊含量下，更高的湿堆积密度会使混凝土具有更好的流动性、可加工性能，从而也降低了泵送、运输的成本。
18.3.混凝土的湿堆积密度越大，亦即混凝土中固体成分的体积分数越大，空隙体积越小。混凝土粗、细骨料之间的空隙被多种尺寸的填料填充后，它们之间的机械咬合力、摩擦力得以提升，传力路径得以优化，使得混凝土可以更可靠地承受更大的外荷载，从而提高建筑施工的高强性、稳定性和耐久性，使用寿命也大大提升。
19.在本发明的一些实施方式中，所述铁渣砂的原料为铁砂。
20.在本发明的一些实施方式中，所述铁砂中含约95.7％的fe2o3。
21.在本发明的一些实施方式中，所述铁渣砂的密度为7～8，优选的，所述铁渣砂的密度约为7.2。
22.在本发明的一些实施方式中，所述密度为以水为基的相对密度。
23.在本发明的一些实施方式中，按重量份计，所述铁渣砂30～80份；所述超细微粒0.5～5份；所述水泥10～18份；所述粗骨料20～30份。
24.在本发明的一些实施方式中，所述粗骨料包括石灰岩或花岗岩中的至少一种。
25.在本发明的一些实施方式中，所述粗骨料的粒径尺寸范围为50～100mm。
26.在本发明的一些实施方式中，按重量份计，所述混凝土的制备原料还包括：水6～8
份。
27.在本发明的一些实施方式中，按重量份计，所述混凝土的制备原料还包括：聚羧酸型减水剂0.01～0.08份。
28.在本发明的一些实施方式中，按重量份计，所述混凝土的制备原料还包括细骨料0～15份。
29.本发明中采用的原材料配比对高工作性能重质混凝土的制备起至关重要的作用。实验研究表明，金属骨料铁渣砂的加入会使混凝土中浆体与骨料有脱落的趋势，所表现出来的现象是离析、分层，而新拌混凝土离析会使得混凝土浇筑时性质不均匀，不具备实际的工程价值。因此，提高新拌混凝土的黏结性和保水性至关重要。本发明基于湿法堆积密度理论对重质混凝土进行工作性能优化，使用不同种类超细微粒(粉煤灰、硅粉)在不同替代率下分别对铁渣砂50及100(此处50及100是指替代率，即50％等体积替代细骨料以及100％等体积替代细骨料。)替代率下的新拌混凝土的工作性能进行测试，最终得出一种最优的配合比，湿堆积密度达到最大的混凝土，其流动性、保水性、黏聚性、间隙通过性、抗离析性均达到最大。
30.湿堆积密度指的是新拌混凝土中固体所占的体积分数，湿堆积密度越大，则混凝土越密实，湿堆积密度的测量方法：用新拌混凝土填满测量容器，通过振捣等方式使之最密实，随后测量其质量，算出新拌混凝土中固体所占的体积分数即为湿堆积密度。
31.在本发明的一些实施方式中，湿堆积密度的范围为0.77～0.82。
32.在本发明的一些实施方式中，所述混凝土中，所述聚羧酸型减水剂的减水率为23～45％。
33.所述减水率为坍落度基本相同的基准混凝土和掺外加剂混凝土单位用水量之差与基准混凝土单位用水量之比。
34.在本发明的一些实施方式中，所述细骨料包括河砂和人工砂中的至少一种。
35.在本发明的一些实施方式中，所述细骨料的细度模数为2.5-2.7。
36.本发明的第二方面提供了上述混凝土的制备方法，包括以下步骤：
37.s1：将所述粗骨料、细骨料和所述铁渣砂混合；
38.s2：向步骤s1所得混合物中加入所述水泥和所述硅灰继续混合；
39.s3：向步骤s2所得混合物中加入减水剂溶液混合即得。
40.在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，加入所述减水剂后通过搅拌混合。
41.在本发明的一些实施方式中，所述搅拌混合的时间为8～12min。
42.在本发明的一些实施方式中，所述搅拌混合的时间为10min。
43.本发明的混凝土的制备方法，至少具有以下有益效果：
44.本发明中增加了减水剂加入后的搅拌时间。对于重质混凝土来说，增加加入减水剂后的搅拌时间非常必要。与传统混凝土不同，重质混凝土的骨料密度很大，几乎是普通骨料密度的3倍，这就意味着在搅拌过程中，重质骨料难以被搅拌叶片完全带起，这影响了水泥浆体与重质骨料的充分混合，过短的搅拌时间会使得新拌混凝土不均匀，影响新版混凝土的性能。增加减水剂加入后的搅拌时间有利于重质骨料与水泥浆体的充分混合，形成一致稳定的新拌混凝土。
45.在本发明的一些实施方式中，所述铁渣砂，粒径为0.075～5mm。
46.在本发明的一些实施方式中，将所述聚羧酸型减水剂溶于水中，这是因为减水剂溶于水中可在短时间内扩大其作用面，水溶液可更充分的接触胶凝材料，
47.本发明的第三方面提供了所述混凝土在土木工程领域中的应用。
48.根据本发明的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：本发明采用冶金副产物作为骨料，此举旨在解放更多的土地资源，有效缓解不可再生资源如天然河砂、碎石等的供应压力，保护生态环境，对推进混凝土行业结构调整和社会可持续发展亦具有重大意义。
附图说明
49.图1是本发明实施例1颗粒级配图；
50.图2是本发明实施例1铁渣砂的微观结构；
51.图3是本发明实施例4粉煤灰的微观结构；
52.图4是本发明实施例1硅灰的微观结构。
具体实施方式
53.以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
54.实施例1：
55.本实施例为一种混凝土，该混凝土的制备原料及配比见表1，按重量份计。
56.表1实施例1所用原料配比
57.水胶比水水泥硅灰细骨料粗骨料减水剂铁渣砂0.4221.44525.9220.54397.58101.691067.57
58.水泥：广州石井水泥公司生产的p.o 42.5r级普通硅酸盐水泥、表观密度3100kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
59.硅灰：四川朗天资源综合利用有限责任公司生产的99级硅灰，表观密度2300kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
60.铁渣砂：华新湘钢水泥厂有限公司生产的转炉渣，经破碎，筛分成铁渣石，粒径为0.075～5mm，表观密度7117kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
61.减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率45％，含固量40％。
62.实施例1中铁渣砂的微观结构如图2所示；
63.实施例1中硅灰的微观结构如图4所示。
64.本实施例混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
65.s1.将810份的粗骨料、397.5份的细骨料、1067.57份的铁渣砂等置于搅拌机中，搅拌3min；
66.s2.将525.92份的水泥、20.54份的硅灰加入搅拌机中，继续干搅拌3min；
67.s3.按重量份计，将1.69份的聚羧酸型减水剂溶于221.44份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将减水剂溶液多次、均匀地加入混合物中，并且一边加入一边搅拌，加料完毕后继续搅拌10min，然后装料即可。
68.实施例2：
69.本实施例为一种混凝土，该混凝土的制备原料及配比见表1，按重量份计。
70.表2实施例2所用原料配比
71.水胶比水水泥硅灰细骨料粗骨料减水剂铁渣砂0.4221.44498.2441.07397.58102.281067.57
72.水泥：广州石井水泥公司生产的p.o 42.5r级普通硅酸盐水泥、表观密度3100kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
73.硅灰：四川朗天资源综合利用有限责任公司生产的99级硅灰，表观密度2300kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
74.铁渣砂：华新湘钢水泥厂有限公司生产的转炉渣，经破碎，筛分成铁渣石，粒径为0.075～5mm，表观密度7117kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
75.减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率45％，含固量40％。
76.本实施例混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
77.s1.将810份的粗骨料、397.5的细骨料、1067.57份的铁渣砂等置于搅拌机中，搅拌3min；
78.s2.将498.24份的水泥、41.07份的硅灰加入搅拌机中，继续干搅拌3min；
79.s3.按重量份计，将2.28份的聚羧酸型减水剂溶于221.44份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将减水剂溶液多次、均匀地加入混合物中，并且一边加入一边搅拌，加料完毕后继续搅拌10min，然后装料即可。
80.实施例3：
81.本实施例为一种混凝土，该混凝土的制备原料及配比见表3，按重量份计。
82.表3实施例3所用原料配比
83.水胶比水水泥硅灰细骨料粗骨料减水剂铁渣砂0.4221.44498.2441.0708102.212135.13
84.水泥：广州石井水泥公司生产的p.o 42.5r级普通硅酸盐水泥、表观密度3100kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
85.硅灰：四川朗天资源综合利用有限责任公司生产的99级硅灰，表观密度2300kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
86.铁渣砂：华新湘钢水泥厂有限公司生产的转炉渣，经破碎，筛分成铁渣石，粒径为0.075～5mm，表观密度7117kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
87.减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率45％，含固量40％。
88.本实施例混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
89.s1.将810份的粗骨料、2135.13份的铁渣砂等置于搅拌机中，搅拌3min；
90.s2.将498.24份的水泥、41.07份的硅灰加入搅拌机中，继续干搅拌3min；
91.s3.按重量份计，将2.21份的聚羧酸型减水剂溶于221.44份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将减水剂溶液多次、均匀地加入混合物中，并且一边加入一边搅拌，加料完毕后继续搅拌10min，然后装料即可。
92.实施例4：
93.本实施例为一种混凝土，该混凝土的制备原料及配比见表4，按重量份计。
94.表4实施例4所用原料配比
95.水胶比水水泥粉煤灰细骨料粗骨料减水剂铁渣砂0.4221.44470.5664.82397.58101.111067.57
96.水泥：广州石井水泥公司生产的p.o 42.5r级普通硅酸盐水泥、表观密度3100kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
97.粉煤灰：四川朗天资源综合利用有限责任公司生产的粉煤灰，颗粒级配如附图1所示。
98.铁渣砂：华新湘钢水泥厂有限公司生产的转炉渣，经破碎，筛分成铁渣石，粒径为0.075～5mm，表观密度7117kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
99.减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率45％，含固量40％。
100.实施例4粉煤灰的微观结构如图3所示，
101.本实施例混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
102.s1.将810份的粗骨料、397.5的细骨料、1067.57份的铁渣砂等置于搅拌机中，搅拌3min；
103.s2.将470.56份的水泥、64.82份的粉煤灰加入搅拌机中，继续干搅拌3min；
104.s3.按重量份计，将1.11份的聚羧酸型减水剂溶于221.44份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将减水剂溶液多次、均匀地加入混合物中，并且一边加入一边搅拌，加料完毕后继续搅拌10min，然后装料即可。
105.实施例5：
106.本实施例为一种混凝土，该混凝土的制备原料及配比见表5，按重量份计。
107.表5实施例5所用原料配比
108.水胶比水水泥粉煤灰细骨料粗骨料减水剂铁渣砂0.4221.44415.2108.04397.58101.111067.57
109.水泥：广州石井水泥公司生产的p.o 42.5r级普通硅酸盐水泥、表观密度3100kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
110.粉煤灰：四川朗天资源综合利用有限责任公司生产的粉煤灰，颗粒级配如附图1所示。
111.铁渣砂：华新湘钢水泥厂有限公司生产的转炉渣，经破碎，筛分成铁渣石，粒径为0.075～5mm，表观密度7117kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
112.减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率45％，含固量40％。
113.本实施例混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
114.s1.将810份的粗骨料、397.5的细骨料、1067.57份的铁渣砂等置于搅拌机中，搅拌3min；
115.s2.将415.2份的水泥、64.82份的粉煤灰加入搅拌机中，继续干搅拌3min；
116.s3.按重量份计，将1.11份的聚羧酸型减水剂溶于221.44份的水中，搅拌均匀形成
减水剂溶液；将减水剂溶液多次、均匀地加入混合物中，并且一边加入一边搅拌，加料完毕后继续搅拌10min，然后装料即可。
117.实施例6：
118.本实施例为一种混凝土，该混凝土的制备原料及配比见表6，按重量份计。
119.表6实施例6所用原料配比
120.水胶比水水泥粉煤灰细骨料粗骨料减水剂铁渣砂0.4221.44359.84151.257808101.132135.1
121.水泥：广州石井水泥公司生产的p.o 42.5r级普通硅酸盐水泥、表观密度3100kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
122.粉煤灰：四川朗天资源综合利用有限责任公司生产的粉煤灰，颗粒级配如附图1所示。
123.铁渣砂：华新湘钢水泥厂有限公司生产的转炉渣，经破碎，筛分成铁渣石，粒径为0.075～5mm，表观密度7117kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
124.减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率45％，含固量40％。
125.本实施例混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
126.s1.将810份的粗骨料、2135.1份的铁渣砂等置于搅拌机中，搅拌3min；
127.s2.将359.84份的水泥、151.2578份的粉煤灰加入搅拌机中，继续干搅拌3min；
128.s3.按重量份计，将1.13份的聚羧酸型减水剂溶于221.44份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将减水剂溶液多次、均匀地加入混合物中，并且一边加入一边搅拌，加料完毕后继续搅拌10min，然后装料即可。
129.对比例1：
130.本对比例为一种混凝土，该混凝土的制备原料及配比见表7配合比设计(单位：kg/m3)。
131.表7对比例1所用原料配比
132.水胶比水水泥细骨料粗骨料减水剂0.4221.4553.67958101.68
133.水泥：广州石井水泥公司生产的p.o 42.5r级普通硅酸盐水泥、表观密度3100kg/m3，颗粒级配如附图1所示。
134.减水剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸型高性能减水剂，减水率45％，含固量40％。
135.本实施例混凝土材料的制备方法，包括如下步骤：
136.s1.将810份的粗骨料、795份的细骨料置于搅拌机中，搅拌3min；
137.s2.将553.6份的水泥加入搅拌机中，继续干搅拌3min；
138.s3.按重量份计，将1.68份的聚羧酸型减水剂溶于221.44份的水中，搅拌均匀形成减水剂溶液；将减水剂溶液多次、均匀地加入混合物中，并且一边加入一边搅拌，加料完毕后继续搅拌10min，然后装料即可。
139.测试结果如表8所示。
140.表8混凝土的参数指标
[0141][0142][0143]
实施例1与对比例1相比，对比例1中的间隙率较高，即湿堆积密度过小，混凝土不太密实。当用水量一定时，大量的水用以填充混凝土间的孔隙，导致用以润混骨料的那部分减小，所以流动性也随之降低。另外，没有超细微粒的加入，普通混凝土的粘性小，这导致了抗离析率的降低。
[0144]
实施例3与实施例6的混凝土相比，除抗离析性外，其余性能均有明显提高。说明转炉渣的碱性可以促进硅质材料的硬化，提高混凝土强度，用硅灰来填充转炉渣表面的沟壑以及内部空隙，还可以起润滑作用，以此提高转炉渣混凝土的和易性。对比例1与对比例2相比，掺入转炉渣后所制备的混凝土在强度和流动性、间隙通过性方面均有不同程度的降低，证明了无活性二氧化硅添加的转炉渣混凝土在和易性方面表现较差，即使其强度符合标准，其和易性也大大限制了其工程应用，较难直接用于土木工程领域。
[0145]
实施案例1-6在对比案例1的基础上使用了粒化高炉矿渣来替代一部分细骨料以及硅粉、粉煤灰等超细微粒替代一部分水泥。上述多种尺寸填料的加入能够优化新拌混凝土的颗粒级配，有效降低新拌混凝土的孔隙率，从而提高新拌混凝土的流动性、间隙通过性以及抗离析性。
[0146]
实施案例1-6的湿堆积密度均比对比例1要高，这意味着前者较为密实，新拌混凝土中原本用以填充孔隙的水被释放出来，用以润滑骨料，这就使得实施案例1-6的sf均大于对比例1。实施案例1-6对比对比例1，由于有超细微粒(硅灰、粉煤灰)的引入，新拌混凝土的粘性变高，使之在进行间隙通过性试验时，浆体有足够的粘结力克服骨料与钢筋棒的摩擦力，能够携带更多的骨料通过钢筋，这就带来了间隙通过性的提高。
[0147]
实施案例1-6在对比案例1，引入了高密度的重金属骨料以替代细骨料，这就造成了浆体需要更高的粘结力以粘结骨料，提高一体性。总体而言，在加入铁渣砂后，混凝土的抗离析性能会有所下降，应当通过加入细微颗粒的方法以提高新拌混凝土的粘性，从而提高其抗离析性能。如实施案例3，通过适当配比的硅灰、铁渣砂、减水剂的加入，使之sf、pl达到非常高的水平，sr方面也比对比案例1要理想。
[0148]
符号说明：
[0149]
③
sf：新拌混凝土的坍落扩展度，单位为mm，根据《普通混凝土拌合物性能试验方
法标准》gb/t 50080-2016进行试验；
[0150]
④
pl：新拌混凝土的l型盒间隙通过性试验，单位为mm，根据《自密实混凝土应用技术规程》jgj/t283-2012进行试验；
[0151]
⑤
sr：新拌混凝土的离析率，单位为mm，根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》gb/t 50080-2016进行试验。
[0152]
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。