用玄武岩微粉-矿渣微粉-石灰石粉作掺合料制备混凝土的方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，特别涉及一种利用玄武岩微粉-矿渣微粉-石灰石粉复合矿粉作为掺合料制备高性能混凝土的方法。

背景技术

随着现代建筑物的高层化、大跨化、轻型化、地下化以及使用环境的严酷化，对良好工作性、高强度、高耐久性的混凝土的需求日益增长，高性能混凝土成为科技工作者竞相研究的课题。近年来，高性能混凝土的研究重点集中在混凝土结构设计、低水灰比、活性矿物细掺料以及高效外加剂的使用等几个方面。因此，利用工业废渣、天然矿物或者复合矿粉作为混凝土掺合料是实现配制高性能混凝土的有效手段之一。

目前，全国钢铁冶金、能源、有色、矿山等行业每年产生的钢渣、矿渣、粉煤灰、煤矸石、赤泥、尾矿等固体工业废渣共计18亿吨，但是综合利用率仅为55.7%，大量的固体工业废物仍然未能得到有效利用。因此，如何实现固体废弃物的无害化、减量化和资源化，已成为发展经济和保护环境的关键。目前混凝土中最常用的掺合料有磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等。

玄武岩属于基性岩浆岩中的喷出熔岩，由流在地壳表面上的主要岩浆所生成，化学组成以SiO₂、Al₂O₃为主，其中SiO₂含量可达到40%以上，Al₂O₃为15%左右，另有CaO 、Fe₂O₃以及少量MgO与 R₂O(K₂O+Na₂O)等。具备具有耐磨、吃水量少、导电性能差、抗压性强、压碎值低、抗腐蚀性强、沥青粘附性等优点。是一种潜在活性较高的材料，与矿渣、粉煤灰等工业废渣一样，具有应用开发的价值。目前我国对玄武岩粉在混凝土的研究主要集中将玄武岩高温制成纤维以后掺入混凝土，但其成本较高，目前实际工程中很少运用。用于水泥混合材的玄武岩相关研究也只停留在初步研究阶段。

矿渣，是指高炉炼铁熔融的矿渣在骤冷时，来不及结晶而形成的玻璃态物质。呈细粒状。熔融的矿渣直接流入水池中冷却的又叫水淬矿渣，俗称水渣，钢铁企业每生产1t铁水产生矿渣约0. 2t，矿渣磨细成粉等量替代各种用途混凝土及水泥制品中的水泥用量，可以明显的改善混凝土和水泥制品的综合性能。矿渣微粉作为高性能混凝土的新型掺合料，具有改善混凝土各种性能的优点，作为海工水泥可以有效提高水泥混凝土的抗海水浸蚀性能。在近几十年来研究发现，矿渣具有和水泥相似的矿物组分，可以作为二次资源再加以利用，不仅具有良好的社会效益，同时还具有巨大的经济效益。

在我国生产石灰石碎石、机制砂等集料时，产生了大量的石屑、石粉。用石屑代砂、掺入一定的石灰石粉可改善混凝土的各项性能，但不定量、无限制的使用，必然对其强度、施工性能和耐久性能带来不良影响。其表现为混凝土单位用水量大、强度低、施工性能以及耐久性能差。为了达到有效利用石灰石粉，研究以石灰石粉作为掺合料的混凝土的各项性能，以达到有目的、高效利用石灰石粉。如果在提高混凝土的强度、施工性和耐久性的同时，实现石灰石粉的有效利用，将实现良好的经济效益和环境效益的结合。

目前还没有将玄武岩微粉、矿渣微粉和石灰石粉复合制备成混凝土掺合料用于高性能混凝土的相关研究报道。

发明内容

本发明的目的就是利用一种以玄武岩微粉、矿渣微粉和石灰石粉为主要原料作为混凝土掺合料，该掺合料能够大量利用天然玄武岩和石灰石。并能在外加剂（高效减水剂和激发剂）作用下，通过与其它砂石料配合，制备得到满足相应标准要求的混凝土。

具体步骤为：

（1）原料由胶凝材料、集料、外加剂和拌合水组成；胶凝材料、集料和拌合水的质量百分比分别为15%~25%、65%~75%和5%~10%；其中胶凝材料质量百分比为：水泥40%~50%，玄武岩微粉30%~35%，矿渣微粉10%~20%，石灰石粉5%~10%；集料部分：粗集料级配连续，粒径5~30mm，其中5~10mm：质量百分比为15%~45%；10~20mm：质量百分比为40%~70%；20~30mm：质量百分比为10%~15%；细集料细度模数为2.5~3.0，砂率为32%~40%；外加剂为碱性激发剂和高效减水剂，激发剂为胶凝材料质量百分比的1%~5%；减水剂为胶凝材料质量百分比的1.5%~3%，水胶比为0.30~0.50；

（2）将玄武岩、矿渣和石灰石烘干至含水率小于1%，放入球磨机中分别粉磨至比表面积400~600㎡/㎏、500~800㎡/㎏和600~900㎡/㎏，得到玄武岩微粉、矿渣微粉和石灰石粉；

（3）将水泥及步骤（2）所得的玄武岩微粉、矿渣微粉和石灰石粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料；

（4）将激发剂和减水剂先后加入到拌合水中，并混合均匀得到拌合溶液；

（5）先将步骤（1）级配且含水率小于1%的碎石倒入强制式搅拌机中，再将步骤（3）配好的胶凝材料倒入，然后将步骤（1）细度模数且含水率小于1%的细集料倒入搅拌机中进行干拌60秒；

（6）在搅拌过程中将步骤（4）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（5）所得干料中，搅拌180~240秒后停机，制备成型，在温度20±2℃，湿度90±5%环境下养护即可；

所述激发剂为KOH、NaOH、Ca(OH)₂、K₂SO₄、Na₂SO₄和CaSO₄中的一种或两种；

所述减水剂为NSOb-萘磺酸甲醛高缩物钠盐。

本发明的有益效果是：

（1）能够大量利用玄武岩、矿渣和石灰石制备混凝土掺合料，掺入量分别在20%~35%、10%~20%和5%~10%，改善环境，减少污染，节约资源；

（2）配制的混凝土强度完全符合国家标准，强度满足C20~C60各等级要求，而且其抗侵蚀性，抗冻性，收缩性等耐久性能均良好，符合高性能混凝土的要求；

（3）制备技术简单，成本低，同时也降低了混凝土生产成本。

具体实施方式

实施例1：

（1）胶凝材料、集料和拌合水的质量百分比分别为19.5%、72%和8.5%；其中胶凝材料的质量百分比为：水泥50%，玄武岩微粉35%，矿渣微粉10%，石灰石粉5%；粗集料质量百分比为：5～10mm：30%；10～20mm：55%；20～30mm：15%；细集料：砂细度模数为2.6；激发剂化学纯Na₂SO₄为胶凝材料质量百分比的3%，减水剂NSOb-萘磺酸甲醛高缩物钠盐为胶凝材料质量百分比的1.5%，水胶比采用0.44，砂率采用36%；

（2）将玄武岩、矿渣和石灰石烘干至含水率小于1%，放入球磨机中分别粉磨至比表面积为450㎡/㎏、550㎡/㎏和600㎡/㎏，得到玄武岩微粉、矿渣微粉和石灰石粉；

（3）将步骤（2）所得水泥、玄武岩微粉、矿渣微粉和石灰石粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料；

（4）将激发剂和减水剂先后加入到拌合水中，混合均匀得到拌合溶液；

（5）先将碎石倒入强制式搅拌机中，再将步骤（3）配好的胶凝材料倒入，然后将细集料倒入搅拌机中进行干拌60秒；

（6）在搅拌过程中将步骤（4）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（5）所得干料中，搅拌180秒后停机，倒出拌制的混凝土，测其工作性能，并制作成型，将成型好的混凝土试件24h后拆模，在温度20±2℃，湿度90±5%的环境下养护28天。

测的混凝土试件的强度分别为：3d抗压强度33.5MPa；7d抗压强度37.65MPa；28d抗压强度45.3MPa。

实施例 2：

（1）胶凝材料、集料和水的质量百分比分别为21.5%、70.7%和7.8%；其中胶凝材料的百分比为：水泥40%，玄武岩微粉30%，矿渣微粉20%，石灰石粉10%；粗集料质量百分比为：5～10mm：35%；10～20mm：55%；20～30mm：10%；细集料：砂细度模数为2.7；激发剂化学纯Na₂SO₄为胶凝材料质量百分比的3%，减水剂NSOb-萘磺酸甲醛高缩物钠盐为胶凝材料质量百分比的2%，水胶比采用0.36，砂率采用32%；

（2）将玄武岩、矿渣和石灰石烘干至含水率小于1%，放入球磨机中分别粉磨至比表面积为500㎡/㎏、600㎡/㎏和720㎡/㎏；

（3）将步骤（2）所得水泥、玄武岩微粉、矿渣微粉和石灰石粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料；

（4）将激发剂和减水剂先后加入到拌合水中，混合均匀得到拌合溶液；

（5）先将碎石倒入强制式搅拌机中，再将步骤（3）配好的胶凝材料倒入，然后将细集料倒入搅拌机中进行干拌60秒；

（6）在搅拌过程中将步骤（4）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（5）所得干料中，搅拌240秒后停机，倒出拌制的混凝土，测其工作性能，并制作成型，将成型好的混凝土试件24h后拆模，在温度20±2℃，湿度90±5%的环境下养护56天。

测的混凝土试件的强度分别为：3d抗压强度43.6MPa；7d抗压强度49.65MPa； 28d抗压强度58.3.7MPa。

以上两例塌落度都在180mm左右，工作性良好，塌落度损失小，无泌水现象。通过配合比可看出，玄武岩微粉-矿渣微粉-石灰石粉复合矿粉掺合料掺量在50%~60%时所制备的混凝土抗压强度完全满足C35和C45的强度要求。

实施例3：

（1）胶凝材料、集料和水的质量百分比分别为24.2%、66.1%和9.7%；其中胶凝材料的百分比为：水泥40%，玄武岩微粉30%，矿渣微粉20%，石灰石粉10%；粗集料质量百分比为：5～10mm：45%；10～20mm：45%；20～30mm：10%；细集料：砂细度模数为2.8；激发剂化学纯Na₂SO₄为胶凝材料质量百分比的3%，减水剂NSOb-萘磺酸甲醛高缩物钠盐为胶凝材料质量百分比的2.5%，水胶比采用0.40，砂率采用40%；

（2）将玄武岩、矿渣和石灰石烘干至含水率小于1%，放入球磨机中分别粉磨至比表面积为520㎡/㎏、610㎡/㎏和800㎡/㎏；

（3）将步骤（2）所得水泥、玄武岩微粉、矿渣微粉和石灰石粉按步骤（1）比例混合均匀得到胶凝材料；

（4）将激发剂和减水剂先后加入到拌合水中，混合均匀得到拌合溶液；

（5）先将碎石倒入强制式搅拌机中，再将步骤（3）配好的胶凝材料倒入，然后将细集料倒入搅拌机中进行干拌60秒；

（6）在搅拌过程中将步骤（4）配制好的拌合溶液缓慢加入到步骤（5）所得干料中，搅拌240秒后停机，倒出拌制的混凝土，测其工作性能，并制作成型，所配制的混凝土塌落度170mm，工作性良好，塌落度损失小，无泌水现象。将成型好的混凝土试件24h后拆模，在温度20±2℃，湿度90±5%的环境下养护28天。

测的混凝土试件的强度分别为：3d抗压强度48.6MPa；7d抗压强度59.3MPa； 28d抗压强度71.4MPa。在进行混凝土抗收缩性、抗冻性、抗海水侵蚀性试验中，得出玄武岩微粉-矿渣微粉-石灰石粉高性能混凝土耐久性均高于普通混凝土。

此例说明利用玄武岩微粉-矿渣微粉-石灰石粉复合矿粉掺合料制备的混凝土可满足C60的强度要求。