一种含废石粉的高性能特细砂混凝土胶凝材料及其应用方法

摘要

一种含废石粉的高性能特细砂混凝土胶凝材料及其应用方法，属于建筑材料领域。首先将废石粉烘干过200目筛网，筛下部分与烘干后的高炉水淬矿渣原颗粒一起混磨至0.045mm方孔筛筛余≤5％。其中废石粉的重量百分比为30～40％，高炉水淬矿渣的重量百分比为70～60％。将上述高炉水淬矿渣与废石粉的混合细粉、水泥熟料原始颗粒、减水剂或泵送剂按一定比例一起混磨至0.045mm方孔筛筛余≤5％，所得粉体就是特细砂高性能混凝土胶凝材料。将所得的胶凝材料与特细砂和粗骨料进行配制混凝土，可得到具有良好工作性能，干缩率低、不开裂并具有较高强度与优良耐久性能的高性能特细砂混凝土。本发明具有消纳废石粉、解决部分地区正常建筑用砂稀缺的难题和促进高性能混凝土推广应用等三方面的有益效果。

说明书

技术领域

本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种含废石粉的高性能特细砂混凝土胶凝材料及其制造与应用方法。

背景技术

我国2007年石材总产量为24亿米²，需加工荒坏石料4800万米³，折合1.25亿吨。以每切磨加工一立方米石料产生50公斤废石粉计算，全国每年产生废石粉625万吨。石材的切磨过程所产生的废石粉大部分为数十微米和数微米的细粉，粗颗粒极少，因此废石粉的排放和堆存极易产生环境污染，特别是在石材工业密集区，已经成为区域经济可持续发展的主要制约因素之一。

在现有技术中石粉有些被作为混凝土的掺合料直接使用，但由于未能在级配和活性方面与混凝土中的其它组份进行精心配合使之产生协同效应，因此不能在提高混凝土性能方面产生有益的效果。因此这项技术未得到大范围的推广应用。此外废石粉还用来制造免烧砖、隔热砖、隔墙板等产品，但基本都因为成本竞争不过现有同类建材产品而不能推广。石粉还用来制造加气混凝土、陶瓷和作为涂料的填料等，但都因为成本和市场原因未能实现大规模推广应用。

发明专利“石粉混凝土(CN16869117)”涉及一种石粉混凝土，其包括有一定量的水泥、天然黄沙、水、石子、灰、以及外加剂，还包括有重量约占天然黄沙重量1％至60％左右的石粉机制沙。该混凝土使用一定比例的石粉代替黄沙作为细骨料，从而能够节省有限而宝贵的黄砂资源和降低该混凝土的制造成本。该专利所公开的技术是采用天然石子破碎制造人工砂的过程中所废弃的石粉代替部分黄沙来制备混凝土，而不是本发明所指的石材切磨所废弃的石粉。制造人工砂过程所废弃的石粉较粗，很少含有50μm以下的超细颗粒，而石材切磨过程中所废弃的石粉含有大量50μm以下的超细颗粒。此外该专利也没有提到对石粉及其它相关组份进行级配与活性协同的双重优化。

发明专利“活化废渣复合粉和将其用于水泥、混凝土和免烧砖及其制法(CN1493541)”公开了活化废渣复合粉及其在水泥、混凝土及免烧砖中的应用，其特征是活化废渣复合粉由如下成分按重量配比构成：酸化沸石岩10～20％、有色金属盐废渣铅渣或铜渣10～20％、碳酸盐废渣石粉5％、磷酸盐废渣磷石膏5％、石灰渣10％、粉煤灰基材40～60％。该专利中提到碳酸盐废渣石粉用量为5％，用量较少，同时该专利也没有提到对废石粉及它相关组份进行级配和活性协同的双重优化。

发明专利“一种细石混凝土管材(CN1127186)”公开了一种细石混凝土水泥管材及其制造方法，这种水泥管材是选用新鲜具有活性的石粉和水泥、碎石按一定比例混合，先干拌2分钟以上后加水，再搅拌5分钟，并控制其塌落度在2～5cm的范围内，然后投入离心机中离心成型，通过蒸汽养护，脱模后洒水养护3天，再缠上钢丝并涂上保护层。这种不用河砂的细石混凝土水泥管材不渗漏，经受水压超过9kg/cm²，管材的抗化学侵蚀能力增强，延长其使用寿命，增强管材的密实度。这种水泥管材的主要原料为水泥、石粉和碎石，其中水泥为15～40％，新鲜的石粉为20～40％，碎石20～60％。该专利使用废石粉的比例较高，但不是配制大流动性的特细砂混凝土，也没有提到对废石粉及其他相关组份进行级配和活性协同双重优化的技术特征，。

发明专利“一种新型的加气混凝土(CN1440594)”公开了一种新型加气混凝土，其主要成份为石粉，具体配方是：石粉50～70％；水泥1～10％；石灰20～40％；铝粉5～12‰。该发明石粉的用量高达50％～70％，但该发明是制造低强度等级的，具有保温功能的、不含骨料的加气混凝土。该发明也没有提到对废石粉及其他组份进行级配和活性协同双重优化的技术特征。

综上所述，在现有废石粉利用技术中还没有大比例利用石材切磨过程中形成的超细废石粉制备高性能、高强度混凝土专用胶凝材料，和进一步制备高性能特细砂混凝土的报道，更没有对废石粉及其他组份进行级配和活性协同双重优化的技术特征。

特细砂高性能混凝土制备技术是近些年来由于符合GB/T14684-2001三个级配区细度标准的粗砂、中砂和细砂在某些地区都出现资源短缺，为了就近用砂而发展起来的一项利用特细砂代替正常建筑用砂的混凝土制备新技术。这项技术目前存在的问题主要是水泥用量过大和减水剂效果不好，从而有时导致混凝土收缩开裂，因此胶凝材料成本偏高和混凝土质量不易保证成为特细砂混凝土制备技术的主要障碍。

《重庆交通学院学报》第20卷第4气陈思甜等的论文介绍了利用特细砂和硅粉配制高性能混凝土的研究；《商品混凝土》2005年第6期张阔介绍了特细砂在商品混凝土中的应用技术；《混凝土》2004年第11期张亚海报道了在细集料缺乏地区采用特细砂配制混凝土的施工技术。但上述公开的技术中均未涉及对废石粉及其他相关组份进行级配和活性协同双重优化并使其在特细砂混凝土中发挥重要作用的的技术思想。

发明内容

本发明的目的是通过对废石粉再加工，使其在特细砂高性能混凝土中与其他矿物掺和料、水泥熟料、各种外加剂及粗细骨料之间具有级配和活性两方面的协同双重优化，解决现有特细砂高性能混凝土由于水泥用量过大而引起的胶凝材料成本过高和减水剂效果不好而易发生收缩干裂的难题，进而促进废石粉的大宗高值利用和特细砂在高性能混凝土中的应用。

一种含废石粉的高性能特细砂混凝土胶凝材料，制备步骤为：

(1)首先将废石粉烘干至含水率≤1％，然后将烘干的废石粉过200目筛网，筛上部分作为细骨料使用，筛下部分(≤0.074mm)与烘干后的高炉水淬矿渣原始颗粒(粒度为0.1～5mm，含水率≤1％)，一起混磨至0.045mm方孔筛筛余≤5％。其中废石粉的重量百分比为30～40％，高炉水淬矿渣的重量百分比为60～70％。

在上述混磨过程中，原始高炉水淬矿渣颗粒相对于已经很细的废石粉其粒径要粗10～20倍，因此实际上是作为微磨球对废石粉进一步被磨细起到了助磨作用，发生了“微磨球效应”。因此本来已经很细的废石粉较容易被磨到微米和亚微米的粒度，并从原来的“惰性”颗粒变成具有一定的活性。

(2)将上述高炉水淬矿渣与废石粉的混合细粉、水泥熟料原始颗粒(0.1～50mm)、减水剂或泵送剂一起混磨至0.045mm方孔筛筛余≤5％，所得粉体就是高性能特细砂混凝土胶凝材料。在本步骤的配料中，按重量百分比：步骤(1)所得的高炉水淬矿渣与废石粉的混合粉体占50～70％，水泥熟料占27.5～49.5％，减水剂或泵送剂占0.5～2.5％。所述的减水剂或泵送剂是普通水泥混凝土通用的高效减水剂或泵送剂。

在步骤(2)的混磨过程中，新加入的水泥熟料原始颗粒继续对废石粉和高炉水淬矿渣粉产生“微磨球效应”，基本形成大部分废石粉比高炉水淬矿渣粉粒径小一个数量级，大部分高炉水淬矿渣微粉比水泥熟料微粉小一个数量级的三级充填的级配优化；而在水化活性方面，形成废石微粉活性最低，高炉水淬矿渣微粉活性中等，水泥熟料微粉活性最高的三级活性优化。当这些混合粉体在混凝土中遇水拌和后能够在减水剂的帮助下，形成用水量最小的紧密充填，同时避免了使用高标号水泥时大量超细水泥熟料颗粒或大量超细高炉水淬矿渣粉颗粒遇水迅速水化导致混凝土流动性快速下降和大量消耗减水剂的弊端。同时由于各级粉体水化活性互相补充再加上用水量的减少，可以保证混凝土具有良好的早期强度和后期强度。

由于本发明所形成的高性能特细砂混凝土胶凝材料总体细度远高于42.5普通硅酸盐水泥，因此对于胶凝材料颗粒在特细砂和粗骨料表面的优化分布、胶凝活性的优化分布都奠定了良好的物质基础，有利于特细砂混凝土性能的稳定和提高。

如上所述一种含废石粉的高性能特细砂混凝土胶凝材料的使用方法，其特征是将步骤(2)所得的高性能特细砂混凝土胶凝材料按每立方米混凝土450～600kg/m³，特细砂700～900kg/m³，粗骨料1000～1200kg/m³，水150～180kg/m³进行配制混凝土，可得到具有良好工作性能，干缩率低、不开裂并具有较高强度与优良耐久性能的高性能特细砂混凝土。

本发明的有益效果：

(1)充分发挥石材切磨过程中形成的超细废石粉粒度极细的特点，通过两次混磨对废石粉及其他组份进行级配和活性协同双重优化，使废石粉在高性能特细砂混凝土中充分发挥其有利作用，使废石粉得到高值利用。

(2)较大比例利用石材切磨过程中形成的超细废石粉制备高性能、高强度混凝土专用胶凝材料，和进一步制备高性能特细砂混凝土，具有消纳废石粉，解决部分地区正常建筑用砂稀缺的难题和促进高性能混凝土推广应用等三方面的有益效果。

具体实施方式

实施例1

(1)首先将废石粉烘干至含水率0.8％，然后将烘干的废石粉过200目筛网，筛上部分作为细骨料使用，筛下部分与烘干后的高炉水淬矿渣颗粒(粒度为0.1～5mm，含水率0.9％)，一起混磨至0.045mm方孔筛筛余4.8％。其中废石粉的重量百分比为40％，高炉水淬矿渣的重量百分比为60％。

(2)将上述高炉水淬矿渣与废石粉的混合细粉、水泥熟料原始颗粒(0.1～50mm)、减水剂一起混磨至0.045mm方孔筛筛余4.2％，所得粉体就是高性能特细砂混凝土胶凝材料。在本步骤的配料中，按重量百分比：步骤(1)所得的高炉水淬矿渣与废石粉的混合粉体占70％，水泥熟料占27.5％，减水剂2.5％。所述的减水剂是普通水泥混凝土通用的木质素璜酸钙减水剂。

(3)将步骤(2)所得的胶凝材料按每立方米混凝土450kg/m³，特细砂900kg/m³，粗骨料1150kg/m³，水160kg/m³进行配制混凝土，可得到具有良好工作性能，干缩率低、不开裂并具有较高强度与优良耐久性能的高性能特细砂混凝土。其主要性能如表1所示。

表1用实施例1所配制的高性能特细砂混凝土主要性能指标

  塌落  度(mm)  3天抗压  强度(Mpa)  28天抗压  强度(Mpa)  120天  干缩率  抗渗  标号  抗冻  融性(次)  176  31.7  65.1  280×10  ^-6  ≥  P40  423

实施例2

(1)首先将废石粉烘干至含水率0.6％，然后将烘干的废石粉过200目筛网，筛上部分作为细骨料使用，筛下部分与烘干后的高炉水淬矿渣颗粒(粒度为0.1～5mm，含水率0.7％)，一起混磨至0.045mm方孔筛筛余3.9％。其中废石粉的重量百分比为30％，高炉水淬矿渣的重量百分比为70％。

(2)将上述高炉水淬矿渣与废石粉的混合细粉、水泥熟料原始颗粒(0.1～50mm)、减水剂一起混磨至0.045mm方孔筛筛余4.9％，所得粉体就是高性能特细砂混凝土胶凝材料。在本步骤的配料中，按重量百分比：步骤(1)所得的高炉水淬矿渣与废石粉的混合粉体占50％，水泥熟料占49％，泵送剂1％。所述的泵送剂是普通水泥混凝土通用的泵送剂。

(3)将步骤(2)所得的胶凝材料按每立方米混凝土450kg/m³，特细砂900kg/m³，粗骨料1150kg/m³，水155kg/m³进行配制混凝土，可得到具有良好工作性能，干缩率低、不开裂并具有较高强度与优良耐久性能的高性能特细砂混凝土。其主要性能如表2所示。

表2用实施例2所配制的高性能特细砂混凝土主要性能指标

  塌落  度(mm)  3天抗压  强度(Mpa)  28天抗压  强度(Mpa)  120天  干缩率  抗渗  标号  抗冻  融性(次)  197  48.7  79.1  120×10  ^-6  ≥  P40  523

实施例3

(1)首先将废石粉烘干至含水率0.8％，然后将烘干的废石粉过200目筛网，筛上部分作为细骨料使用，筛下部分与烘干后的高炉水淬矿渣颗粒(粒度为0.1～5mm，含水率0.7％)，一起混磨至0.045mm方孔筛筛4.6％。其中废石粉的重量百分比为37％，高炉水淬矿渣的重量百分比为63％。

(2)将上述高炉水淬矿渣与废石粉的混合细粉、水泥熟料原始颗粒(0.1～50mm)、减水剂一起混磨至0.045mm方孔筛筛余4.8％，所得粉体就是高性能特细砂混凝土胶凝材料。在本步骤的配料中，按重量百分比：步骤(1)所得的高炉水淬矿渣与废石粉的混合粉体占65％，水泥熟料占34％，减水剂占1％。所述的减水剂是普通水泥混凝土通用的萘系高效减水剂。

(3)将步骤(2)所得的胶凝材料按每立方米混凝土600kg/m³，特细砂700kg/m³，粗骨料1200kg/m³，水180kg/m³进行配制混凝土，可得到具有良好工作性能，干缩率低、不开裂并具有较高强度与优良耐久性能的高性能特细砂混凝土。其主要性能如表3所示。

表3用实施例3所配制的高性能特细砂混凝土主要性能指标

  塌落  度(mm)  3天抗压  强度(Mpa)  28天抗压  强度(Mpa)  120天  干缩率  抗渗  标号  抗冻  融性(次)  217  61.2  108.5  320×10  ^-6  ≥  P40  823