使用熔渣副产物的重质混凝土组合物的制作方法

专利名称：使用熔渣副产物的重质混凝土组合物的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用熔渣其是钢铁工业中所产生的副产物的重质混凝土组合物， 尤其是涉及一种使用熔渣副产物的重质混凝土组合物其中将熔渣副产物(钢渣及鼓风炉渣)有效地用作混凝土的细骨料以及用于替代水泥的粘合剂，以便于环保并具有极佳的机械性质(例如抗压强度)，且此重质混凝土组合物特别有利于重质混凝土产品，例如铁路 (或铁道)预应力混凝土(prestressed concrete ；PC)轨枕。
背景技术：
钢厂每年会以工业副产物的形式产生大量的鼓风炉渣及钢渣。由于致力于开发这些副产物的使用及应用的努力就生产量而言一直不足，因而大部分副产物被回收或存放在内部场地中。结果，造成了严重的环境问题。然而，这些副产物是可以通过正确地筛选及加工而充分地循环利用的材料。具体而言，在施工及建筑领域中，当将鼓风炉渣用作混凝土材料中的水泥的替代材料时，可以减少在生产水泥过程中所产生的二氧化碳的排放量。钢渣可以代替天然砂而用作细骨料的替代来源，从而可最大程度减轻由挖砂而造成的环境破坏。至于相关技术，举例而言，韩国专利10-0693391号(专利文件1)揭示一种使用钢渣及鼓风炉渣的环保的彩色混凝土组合物。韩国专利10-0694267号(专利文件2)揭示一种使用钢渣作为骨料的海洋混凝土。韩国专利10-0451821 (专利文件3)揭示一种使用鼓风炉渣水泥来提高混凝土的初始强度的方法。同时，作为铁路(或铁道)轨道的组件，轨枕用于使轨距保持固定不变、支撑列车载重、并将列车载重广泛分布至道碴及路基。轨枕通常由混凝土轨枕本体以及用于将导轨固定至混凝土本体的紧固件构成。这种轨枕需要具有足够的强度，以便能够支撑列车载重，并且主要由重质混凝土产品制成，以有效地确保防止轨道鼓出的稳定性。例如铁路(或铁道)轨枕等重质混凝土产品具有所需的强度(抗压强度为 50MPa)。由于轨枕暴露于例如阳光、雪、雨、变化的温度等自然环境因素下，所以优选的是环保的产品。迄今为止，仍未通过添加例如鼓风炉渣及钢渣等工业副产物而制造出例如铁路 (或铁道)轨枕等重质混凝土产品。

发明内容
技术问题本发明旨在以环保的方式制造一种特别有利于重质混凝土产品的混凝土组合物， 作为以环保方式有效地利用鼓风炉渣及钢渣的一部分，鼓风炉渣及钢渣是在炼铁及炼钢过程中所产生的典型副产物。
因此，本发明涉及一种混凝土组合物，此混凝土组合物含有鼓风炉渣及钢渣，以便于环保并能够具有特别是例如铁路(或铁道)预应力混凝土(PC)轨枕等重质混凝土产品所需的合意的强度、耐久性及环境特性。本发明还涉及一种重质混凝土组合物，此重质混凝土组合物是在制备上述混凝土组合物时使用雾化钢渣或慢冷电弧炉氧化渣来代替天然细骨料，以便能够具有重质混凝土产品所需的合意的强度、耐久性及环境特性。技术方案为实现这些目标，本发明的一个方面提供一种使用雾化钢渣副产物的重质混凝土组合物，此重质混凝土组合物包含以100重量份的高快固波特兰水泥 (high-early-strength Portland cement)计，15至30重量份的磨细的粒状鼓风炉渣、220 至280重量份的密度为3. 4至3. 6并用作细骨料的雾化钢渣、230至300重量份的用作粗骨料的碎石、以及30至40重量份的水。此外，使用雾化钢渣副产物的重质混凝土组合物还可包含纤维增强材料、化学掺合料、或其组合。此外，本发明的另一方面提供一种使用慢冷电弧炉氧化渣副产物的重质混凝土组合物，此重质混凝土组合物包含以100重量份的高快固水泥计，42至67重量份的磨细的粒状鼓风炉渣、290至310重量份的密度为3. 3至3. 8并用作细骨料的慢冷电弧炉氧化渣、 260至290重量份的粗骨料、以及40至45重量份的水。在本发明中，作为混凝土组合物的粘合剂的水泥的一部分基本上使用在碱性环境下具有潜在水凝性的鼓风炉渣以及用作细骨料的钢渣，其中使用慢冷电弧炉氧化渣作为钢渣。此慢冷电弧炉氧化渣的加工过程如下将熔融高温电弧炉氧化渣运送至冷却坑， 随时间流逝而自然地冷却所运送的熔渣(即缓慢地冷却并固化所运送的熔渣)，将固化的熔渣转移至粉碎线，并且通过分步粉碎工艺按预定尺寸粉碎并筛选经粉碎的熔渣，从而能够通过粉碎线上的磁体来移除铁组分。不同于雾化钢渣(快冷电弧炉氧化渣)，此慢冷电弧炉氧化渣不需要用于快速冷却的各种工艺及设备，且由于廉价的批量生产而能以低的成本制成，并且当用作细骨料时可确保具有能充分地发挥所需物理性质的重要功能。 此外，本发明的混凝土组合物还可包含化学掺合料。有益效果本发明是基于解决环境问题这一二十一世纪全球性重大问题的可持续发展概念的重要技术，用于满足减少二氧化碳排放并根据废料资源的循环利用来开发环保的施工材料的需要，且具有保护环境及循环利用资源的效果。亦即，本发明用于混凝土产品，提供极佳的机械性质，并使得能够使用熔渣这一工业副产物来代替相当数量的水泥及天然砂。这样，本发明通过减少二氧化碳排放而有助于改善空气质量环境并保护自然环境。本发明提供一种用于循环利用钢渣(其是指定的副产物)的简单工艺，并由于批量生产而提供比现有天然骨料高的经济效益，并且由于重金属很难浸出而达到环保目的。此外，由于本发明利用原本大部分被回收及丢弃的铁渣及钢渣，尤其是雾化钢渣及慢冷电弧炉氧化渣，因而可以确保所需的机械性质、降低混凝土产品的生产成本、并提供一种非常高效的混凝土组合物。
具体实施例方式在下文中，将针对使用雾化钢渣副产物的重质混凝土组合物以及使用慢冷电弧炉氧化渣副产物的重质混凝土组合物来对本发明的具体实例进行以下详细说明。[使用雾化钢渣副产物的重质混凝土组合物]使用雾化钢渣副产物的重质混凝土组合物包含高快固波特兰水泥、磨细的粒状鼓风炉渣、作为细骨料的雾化钢渣、作为粗骨料的碎石以及水。本发明中所用的水泥为具有极佳的强度的三级(高快固)水泥(以下称为“高快固水泥”)与KS L 5201 (波特兰水泥)一致。水泥在土木工程行业中一般作为极其重要的材料使用。然而，水泥因在其生产过程中所产生的大量二氧化碳(CO2)气体排放而造成环境问题，二氧化碳气体排放是导致气候变暖的罪魁祸首。因而，从环境方面自身的利益来看，非常期望减少所用水泥的量。
因此，本发明使用磨细的粒状鼓风炉渣这一工业废料来代替水泥。磨细的粒状鼓风炉渣是通过干燥并粉碎由快冷鼓风炉渣制成的粒状鼓风炉渣而获得，快冷鼓风炉渣是在生产生铁时所产生的呈高温熔融状态的副产物。亦即，鼓风炉渣是一种通过例如硅石等粘土质矿物与具有石灰石的灰在高温下反应而产生的废料，硅石是存在于铁矿石中的杂质并且在钢厂中在鼓风炉中生产生铁时会焦化。当鼓风炉在空气中缓慢冷却时，鼓风炉渣变成为稳定的多孔团块的球状熔渣。相反，当鼓风炉渣在水的作用下快速冷却时，会变成为不稳定的玻璃质颗粒的粒状熔渣。当粒状熔渣暴露至碱性条件下时，其微结构被破坏，因此例如反应性硅石等材料会浸出。此材料直接与碱反应，从而如在水泥的水合反应中一样产生含水产物，进而产生水凝性。亦即，此含水产物起到与水泥类似的作用，因此可以代替水泥。根据本发明，以100重量份的高快固水泥计，磨细的粒状鼓风炉渣的用量为15至 30重量份。如果鼓风炉渣少于15重量份，则增大长期可持续性强度及因添加磨细的粒状鼓风炉渣所产生的抗氯离子能力的效果会较低。而如果鼓风炉渣超过30重量份，则鼓风炉渣的含量增加，且高快固波特兰水泥的百分比相对减小，从而使得初始或28天强度(28-day strength)的形成降低，并且用于拌合混凝土以符合所需强度的粘合剂(高快固水泥+鼓风炉渣)的量增加，这从经济方面来看是不利的。同时，钢铁工业消耗大量的原料及能量，并且通过例如炼铁、炼钢、轧制等复杂的生产工艺而产生大量钢渣副产物。此钢渣为来自对例如生铁、废铁等炼钢原料进行精炼的转炉(converter furnace)或电弧炉的工业废料。当不加以有效利用便将钢渣排放掉时，会发生例如灰尘散逸及浸出等环境问题，并且也会发生例如需要大规模的垃圾填埋空间等经济问题。为此，人们已对钢渣的有效利用进行了许多研究。钢渣是一种比铁更轻质的材料且实质上通过比重的差异而分离。钢渣几乎不含重金属，因而对环境的危害低。因此，关于将钢渣用作施工工业材料的研究一直相对活跃。
然而，由于钢渣含有游离氧化钙(CaO)，所以在接触水时会引起化学反应，并且会出现体积膨胀。因而，当将钢渣用于道路或混凝土时，会造成裂纹。在这种情况下，曾提出一种其中通过例如老化等后处理工艺以化学方式对钢渣进行稳定的方法，但此方法的可靠性低，因此实际上很少应用。然而，最近开发出一种使用高速空气来迅速冷却熔融钢渣以控制所产生的游离氧化钙的量的方法。通过此方法获得的钢渣因为被球面化(spherized)而被称为雾化钢渣(atomized steel slag，ASS)，或因为是通过快速冷却工艺获得的而被称为快冷钢渣(rapidly cooled steel slag, RCSS)。雾化钢渣出现由游离氧化钙所引起的膨胀塌陷的可能性较低，并且具有细骨料的形状，这是接近球状颗粒的形状。因此，当雾化钢渣用作混凝土构造材料时，其优点是会因滚珠轴承效应而增大混凝土的流动性，但缺点是它很少被用于除特种混凝土以外的其他用途，这是因为与其他材料相比，雾化钢渣会因密度高而有可能出现离析。根据本发明，雾化钢渣细骨料的品质特性一般而言较佳，只是0.3mm或更小的细颗粒是小于参考值的小颗粒。具体而言，由于轨枕是需要特别重以便实现稳定的铁路组件，所以高密度(3. 4至 3. 6)的雾化钢渣要优于现有的细骨料(密度为2. 5至2. 6的砂)。由于雾化钢渣的颗粒形状接近球形，所以当使用雾化钢渣作为混凝土组合物的细骨料和/或粗骨料时，可以获得提高混凝土流动性的效果以及增强混凝土抗压强度的效^ ο在本发明中，使用雾化钢渣作为例如砂等细骨料的替代材料，以100重量份的高快固波特兰水泥计，雾化钢渣的用量为220至280重量份。如果雾化钢渣少于220重量份，则会因混凝土相对粗糙而降低可加工性 (workability)，并且混凝土在浇筑时具有粗糙表面。相反，如果所用雾化钢渣多于280重量份，则粗骨料的含量比会相对降低，所以单位含水量需要增大以获得所需的加工性、粘合剂的量会增大、且混凝土轨枕的收缩会增大而降低其稳定性。此外，在本发明中，粗骨料(最大尺寸约20mm)是在干燥后使用，使得含水量小于 0.05%。作为粗骨料，不限制一般用于混凝土的河砾石及碎石中的任何一种。优选地，以 100重量份的高快固波特兰水泥计，粗骨料的用量为230至300重量份。如果粗骨料少于230重量份，则所用水泥的量会增大。相反，如果粗骨料多于300 重量份，则水泥的填充程度会降低，使得混凝土的强度降低。以100重量份的高快固波特兰水泥计，最后一种组分即水的用量为30至40重量份，以便均勻地拌合上述组分。水的量实质上并不限于此量，且因而可通过所属领域的技术人员的正确选择而加以修改。此外，尽管并非基本组分，重质混凝土组合物还可包含纤维增强材料和/或化学掺合料。纤维增强材料优选地为亲水性合成尼龙纤维，用于减少混凝土的裂纹以及用于经养护混凝土的二次强化。可使用基于聚羧酸的高效引气(air-entraining ；AE)减水剂作为化学掺合料。根据本发明，用于生产重质混凝土产品的混凝土拌合料组合物，尤其是用于生产铁路(或铁道)轨枕的混凝土拌合料组合物，对于形成生产轨枕所需的例如始终如一的强度、抗氯离子能力、稳定性、可加工性等效果而言非常重要。[使用慢冷电弧炉氧化渣的重质混凝土组合物]上述雾化钢渣在用于生产例如铁路(或铁道)轨枕等重质混凝土产品的混凝土拌合料组合物中非常有效，并且作为细骨料的替代材料具有许多优点。然而，由于雾化技术是由国内的一家垄断企业拥有，工厂仅限于某些地点。因而， 出现许多问题，例如运输成本增加、因生产量相对小而造成供应短缺、材料成本因需要运行昂贵的设备而增加等等。因此，无法避免使用此技术所生产的替代细骨料的价格增长。因此，此种低效率材料供应的稳定性及可靠性颇成问题，使得它的使用必定受到高度地限制。为此，本发明提出一种使用慢冷电弧炉氧化渣来代替雾化钢渣的重质混凝土组合物。因而，在不使用比天然细骨料贵且生产区域(两个)及年产量(在两个钢铁厂处为200，000吨/年)受限制的雾化钢渣的情况下，使用比天然细骨料廉价的慢冷电弧炉氧化渣便可提供具有重质混凝土产品特别需要的强度、耐久性及环境特性的重质混凝土组合物。使用慢冷电弧炉氧化渣副产物的重质混凝土组合物包含高快固水泥、磨细的粒状鼓风炉渣、作为细骨料的慢冷电弧炉氧化渣、作为粗骨料的碎石及水。本发明中所用的水泥为与KS L 5201 (波特兰水泥)一致且具有极佳的强度的三级(高快固)水泥。水泥在土木工程行业中一般作为极其重要的材料使用。然而，水泥因在水泥生产过程中排放大量二氧化碳(CO2)气体而造成环境问题(生产1. 0吨水泥会排放约0. 9至 1. 0吨CO2)，二氧化碳气体排放是导致气候变暖的罪魁祸首。因而，从环境方面自身的利益来看，非常期望在绿色生长的背景下减少用做施工材料的水泥的用量。在本发明中，使用磨细的粒状鼓风炉渣这一工业副产物作为水泥的部分替代材料，以100重量份的高快固水泥计，磨细的粒状鼓风炉渣的用量为42至67重量份。如果鼓风炉渣少于42重量份，则增大长期可持续性强度及因添加磨细的粒状鼓风炉渣所产生的抗氯离子能力的效果会降低。而如果鼓风炉渣超过67重量份，则高快固水泥的百分比相对减小，且因而初始或28天强度的形成会降低，使得用于满足所需强度的粘合剂(高快固水泥+鼓风炉渣)的量被迫增加。因此，如果磨细的粒状鼓风炉渣超过67重量份，则从经济方面来看十分不利。同时，钢铁工业消耗大量的原料及能量，并且在经过例如炼铁、炼钢、轧制等复杂的生产工艺时会产生大量鼓风炉渣以及钢渣。此钢渣是一种比铁更轻质的材料且实质上通过比重的差异而在高温熔融状态下分离。钢渣几乎不含任何重金属，因而对环境的危害低。因此，关于将钢渣用作施工工业材料的研究一直相对活跃。如上所述，然而，由于钢渣含有游离氧化钙，所以在接触水时会引起化学反应，并且会出现体积膨胀。因而，当将钢渣用于道路或混凝土时，会造成裂纹。在这种情况下，曾提出一种其中通过例如老化等后处理工艺以化学方式对钢渣进行稳定后再使用钢渣的方法。然而，最近开发出一种使用高速空气来迅速冷却熔融钢渣以由此控制所产生的游离氧化钙的量的方法。通过此方法获得雾化钢渣(快冷)。然而，对于雾化钢渣(快冷)，不可避免地需要运行昂贵的专门设备来提供专门的雾化过程(由国内一家垄断企业拥有)并需要修改现有的材料运输及存储设备，且因为由生产量相对小所造成的供应短缺而比天然细骨料(砂)贵，所以目前其应用性较低。因而， 需要可解决这些问题的替代材料。在本发明中，使用慢冷电弧炉氧化渣作为细骨料。首先，钢渣一般而言分为转炉渣及电弧炉渣。具体而言，电弧炉渣指的是自电弧炉而非转炉(或鼓风炉)产生的钢渣。通常，与转炉相比(在韩国，浦项(Pohang)及(Gwangyang)钢厂)，电弧炉由于环境问题而在国内外得到广泛应用。为此，本发明涉及使用容易购得的电弧炉渣，尤其是其作为骨料的稳定性已在国内外得到证实的电弧炉氧化渣。这是因为，在这些电弧炉渣中，电弧炉氧化渣具有比电弧炉还原渣相对低的游离氧化钙含量，且因而具有化学稳定性。亦即，雾化钢渣是基于一种控制由其尖晶石(spinel)结构所造成的游离氧化钙的浸出的方法。由于雾化方法导致钢渣的生产成本增加，所以使用游离氧化钙含量低的慢冷电弧炉氧化渣。由于慢冷电弧炉氧化渣是自电弧炉产生的钢渣，所以由于在世界范围内有许多生产区域(在韩国有七个区域)以及足够的生产量(在十个钢厂处为约5，000, 000吨/年) 而可确保材料供应的稳定性，且可确保材料本身(KS F4571 用于混凝土的电弧炉氧化渣骨料)的可靠性，且慢冷电弧炉氧化渣旨在由于游离氧化钙含量低而消除由膨胀性所引起的有害因素，即使当在混凝土组合物中用作细骨料时也如此。具体而言，由于混凝土轨枕是需要特别重以便实现稳定的产品(由重质混凝土形成)，以确保具有防止轨道弯曲的稳定性，所以可以发现，高密度(3.3至3. 8)的慢冷电弧炉氧化渣要优于现有的天然细骨料(其密度范围为2. 5至2. 6)。在本发明中，使用慢冷电弧炉氧化渣作为例如海砂、碎砂等细骨料的替代材料，以 100重量份的高快固水泥计，慢冷电弧炉氧化渣的用量为290至310重量份。如果慢冷电弧炉氧化渣少于290重量份，则可加工性相对降低，使得混凝土在浇筑时具有粗糙表面。相反，如果慢冷电弧炉氧化渣多于310重量份，则粗骨料的百分比相对降低，使得混凝土产品的收缩可能性增大，这可降低其稳定性。此外，为获得所需的加工性， 单位含水量及粘合剂的量均增加，从而可能降低混凝土产品的耐久性及经济效益。此外，在本发明中，粗骨料(最大尺寸为20mm)可采用通常用于混凝土的河砾石及碎石，且以100重量份的高快固水泥计，粗骨料的用量为260至290重量份。如果粗骨料少于260重量份，则水泥的含量会增加。相反，如果粗骨料多于290重量份，则水泥的填充程度会降低，使得混凝土的强度降低。以100重量份的高快固水泥计，最后一种组分即水的用量为40至45重量份，以便均勻地拌合上述组分。另外，作为用于降低单位含水量以及确保所引入的空气的量的化学掺合料，使用基于聚羧酸的高效减水剂及高效引气(AE)减水剂。根据本发明，属于本发明范围内的用于生产作为重质混凝土产品的铁路(或铁道)预应力混凝土轨枕的混凝土拌合料组合物应适合于基本的品质，例如在15小时内形成用于拉紧混凝土中的钢绞线的初始强度、形成长期可持续性强度、其稳定性、可加工性等， 并且出于长期使用的目的，具有抗氯离子能力、抗冻融能力等。另外，除品质外，也应获得用于拌合混凝土的材料的经济效益。在这种情况下，可认为完成了最佳的混凝土拌合料组合物。就这一方面而言，可认为使用基于慢冷电弧炉氧化渣的细骨料要优于基于雾化钢渣的细骨料。实施方式在下文中，将通过实例及对照实例对本发明进行以下更详细的说明。不应将本发明理解为限于本文所给出的这些实例。为便于说明，将使用雾化钢渣副产物的重质混凝土组合物与使用慢冷电弧炉氧化渣副产物的重质混凝土组合物彼此区分开。[使用雾化钢渣副产物的重质混凝土组合物]1、准备材料(A)水泥测试所用的水泥为与KS L 5201 (波特兰水泥)一致的三级(高快固)水泥。(B)磨细的粒状鼓风炉渣使用与KS F 2563 一致(用于混凝土的磨细的粒状鼓风炉渣)且标准化细度(比表面积)为4000至6000cm2/g的III型磨细的粒状鼓风炉渣。(C)砂使用具有与KS F 2526 一致(混凝土骨料)的品质特性的细骨料。(D)雾化钢渣测试所用的雾化钢渣为相对大的颗粒，具有3. 06的细度模数、0. 22%的极低的吸水率、通过200目网筛的量及0.8%的稳定性。具体而言，使用密度为3. 48的雾化钢渣，雾化钢渣是典型天然细骨料的约1. 35倍重。(E)粗骨料(最大尺寸约20mm)使用满足与KS F 2526 一致(混凝土骨料)的规定的粗骨料。(F)纤维增强材料使用标准长度为6至12mm的尼龙纤维增强材料作为纤维加劲物(stiffener)。(G)用于混凝土的化学掺合料测试所用的化学掺合料为基于聚羧酸的高效引气减水剂。均勻地混合下表1中所列的量的这些组分，然后如下所述制造铁路(或铁道)轨枕的样品。首先，将每一混合物倒入相应的模具中，在室温下放置约两小时，然后将温度以每小时约15°C或更小的速度升高至55°C。此后，将此混合物放置约六小时，以每小时约10°C或更小的速度降低温度，将混合物在室温下放置约两小时。移除模具，对混合物进行湿养护以获得样品。估算每一样品的机械性质并列于下表2中。表 1
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权利要求
1.一种使用熔渣副产物的重质混凝土组合物，包含以100重量份的高快固波特兰水泥计，42至67重量份的磨细的粒状鼓风炉渣、290至310重量份的密度为3. 3至3. 8且用作细骨料的慢冷电弧炉氧化渣、260至290重量份的粗骨料以及40至45重量份的水。
2.根据权利要求1所述的重质混凝土组合物，还包含用于混凝土的化学掺合料。
3.一种使用熔渣副产物的重质混凝土组合物，包含以100重量份的高快固波特兰水泥计，15至30重量份的磨细的粒状鼓风炉渣、220至280重量份的密度为3. 4至3. 6且用作细骨料的雾化钢渣、230至300重量份的粗骨料以及30至40重量份的水。
4.根据权利要求3所述的重质混凝土组合物，还包含纤维增强材料、化学掺合料或其组合。
全文摘要
揭示一种使用熔渣副产物的重质混凝土组合物，包含以100重量份的高快固水泥计，磨细的粒状鼓风炉渣；用作细骨料的慢冷电弧炉氧化渣或雾化钢渣；粗骨料；水；以及化学掺合料。因而，此重质混凝土组合物含有大量的作为炼铁及炼钢过程中的副产物的钢渣及鼓风炉渣，由此显著地减少二氧化碳排放量并使废料资源的循环利用最大化，以便保护自然环境。结果，可以制得环保的重质混凝土产品。
文档编号C04B18/14GK102482149SQ201080037645
公开日2012年5月30日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月1日
发明者韩成浩, 高兑熏, 高太焕, 黄善根 申请人:韩国铁道技术研究院