一种抗氯盐腐蚀绿色混凝土及其制备方法与流程

1.本发明属于建筑材料领域，涉及利用工业固体废弃物制备抗氯盐腐蚀绿色混凝土。


背景技术：

2.以硅酸盐水泥为基本胶凝材料组成的混凝土，是当前土木工程领域使用量最大的人工建筑材料。经过200余年的工程实践，混凝土的生产工艺、制造设备、质量控制等体系标准非常成熟。由于混凝土在工程领域的性能稳定、成本低廉，满足人类对工程建设的需求，混凝土已经成为土木工程最重要的建筑材料之一。
3.然而，硅酸盐水泥本身存在固有的不足，一是能源消耗大，生产过程中所用的原料需要1450℃的高温加热，消耗大量燃料和电能；二是生产过程中煅烧石灰石（caco3），产生二氧化碳（co2）等有害气体，严重污染环境。据计算，每生产一吨硅酸盐水泥，大约产生0.9吨二氧化碳气体。2019年中国混凝土生产量27.38亿立方米，每立方米混凝土使用水泥量平均为0.3吨，产生的二氧化碳总量大约在8.2亿吨，巨大的二氧化碳排放给地球带来严重的温室效应，对环境和生态造成严重破坏，制约人类的可持续发展。混凝土已经成为人类社会资源消耗和环境污染的大户。寻找适合的胶凝材料全部或部分替代硅酸盐水泥，从而减少硅酸盐水泥的使用量，降低环境污染和减少碳排放是本领域急需解决的问题之一。
4.工业固体废弃物综合利用是节能环保战略性新兴产业的重要组成部分。据统计，2019年我国大宗工业固体废弃物产生量约36.98亿吨，其中，冶金矿渣占有17.85%，工业副产品石膏占有6.11%。大量固体废弃物长期堆放形成尾矿库，不仅占有土地，废弃物中的有害物质伴随雨水和雪水渗流入地下，产生环境污染，更为严重的是尾矿库的存在对周围的人民生命财产带来严重的威胁，对社会构成不稳定因素。
5.氯离子是钢筋混凝土结构服役环境中最危险的腐蚀介质。混凝土中氯离子的来源，一是沿海地区的海风、海砂、海雾中都含有丰富的氯离子；二是中国北方地区，冬季下雪气候，为保障交通顺利，在路面和桥梁喷撒除冰盐，除冰盐中含有大量氯盐化合物；三是中国西北和西南地区有大量的盐湖和盐碱地，含有大量丰富的氯盐化合物。氯盐在混凝土中导致钢筋锈蚀膨胀，产生裂缝，影响建筑物的使用寿命，严重的导致工程结构开裂甚至破坏。制备抗氯盐腐蚀混凝土，有效保护结构构件，不仅提高建筑物的耐久性和安全性，而且能获得经济效益并保护生态环境。
6.吴中伟院士认为，绿色混凝土应该具备三个特征，一是使用工业固体废弃物，降低硅酸盐水泥用量，减少固体废弃物排放；二是绿色混凝土应该具有优良的力学性能和耐久性能；三是能够持续使用，低碳排放，寿命结束后不对环境造成破坏。
7.专利申请公布号cn 113045272 a《一种绿色环保混凝土及其制备方法》，公开了一种绿色环保混凝土的配比，各组分的质量份数为：胶凝材料265-285份；粗骨料900-1100份；纳米碳化硅35-35份；硼酸钾25-30份；氯化钙20-25份；水160-175份；其中的胶凝材料采用水泥100-105份、矿粉75-85份和粉煤灰90-95份。
8.专利申请公布号cn 112408927 a《一种化学发泡低密度碱矿渣泡沫混凝土及制备方法》，公布了一种碱矿渣泡沫混凝土及制备方法，技术方案要点是：质量百分比由以下组分组成：矿渣56-58%；水玻璃16-20%;氢氧化钠2-4%；化学发泡剂1-2%；稳泡剂0.057-0.082%；水2-18%；表面活性剂1-1.2%。
9.当前采用的绿色混凝土制造技术，一方面利用了固体废弃物，另一方面采用碱激发胶凝材料，减少甚至不采用硅酸盐水泥。由于混凝土使用量巨大，由此带来的二氧化碳排放和环境污染也是严重的，因此有必要采取更先进的技术和方法减少混凝土生产过程中带来的环境污染和温室效应问题；同时随着工程建设的深入发展，恶劣和复杂的工程环境如海洋工程中的氯盐腐蚀，是混凝土工程必然面对的，必须采取技术措施赋予混凝土更多特殊性能，应对恶劣的服役环境，确保建设工程的安全可靠。


技术实现要素：

10.为克服当前绿色混凝土制造技术的不足，本发明提出一种有效利用工业固体废弃物防范氯盐腐蚀的绿色混凝土。
11.本发明的上述技术目的通过以下技术方案实现：第一方面，提供一种抗氯盐腐蚀绿色混凝土，按照质量百分比的组分组成：粉料20~25%；细骨料25~35%；粗骨料35~45%；水8~12%；减水剂0.3~0.6%和玄武岩纤维0.6~1.5%组成。
12.以上各组分的质量百分比之和为100%。
13.优选的，所述粉料按照质量百分比由以下组分组成：矿渣50~60%，石膏15~20%，沸石粉15~25%，碳酸钠8~10%，水滑石5.0~10%，以上各粉料组分的质量百分比之和为100%。
14.优选的，本发明所述矿渣是水淬高炉矿渣，比表面积在450~600m2/kg之间。
15.优选的，本发明所述石膏为二水脱硫石膏，分子式是caso4‧
2h2o，比表面积在400~500m2/kg之间。
16.优选的，本发明所述的沸石粉为天然沸石粉，比表面积在450~550m2/kg之间。
17.优选的，本发明所述碳酸钠为工业分析纯。
18.优选的，本发明所述水滑石为镁铝水滑石，分子式是mg2ai(oh)6ci
‧
nh2o。
19.优选的，本发明所述细骨料是机制砂，细度模数在2.6~2.8之间。
20.优选的，本发明所述粗骨料是碎石，粒径在5~20毫米之间。
21.优选的，本发明所述的水为当地可以饮用的自来水。
22.优选的，本发明所述的减水剂是固态聚羧酸高效减水剂。
23.优选的，本发明所述的玄武岩纤维，直径5-15微米，长度6~10毫米，抗拉强度在2600~3000mpa之间。
24.第二方面，提供了一种制备如第一方面中任意一项所述的一种抗氯盐腐蚀绿色混凝土的方法，包括如下步骤：s1：将水滑石烘干，升温到500-600℃，保温2小时，冷却得到焙烧水滑石，密封备用；s2：将粗骨料先放入搅拌器内，加入矿渣、石膏、沸石粉、焙烧水滑石和聚羧酸减水
剂，而后放入细骨料，加入包含碳酸钠溶液的总用水量70%的水，搅拌150秒，再加入玄武岩纤维和剩余30%的水搅拌120~150秒；s3：将搅拌好的混合料倒入模具中，在标准条件下养护28天，脱模，即得混凝土。
25.优选的，所述的碳酸钠溶液的制作为：将碳酸钠固体缓慢倒入适量水中，边倒入边使用玻璃棒搅拌，冷却至室温备用。
26.本发明在参考相关文献资料的基础上，经过实验室内的正交试验，确定了材料组成及最佳材料用量，与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明制备的绿色混凝土，充分利用固体废弃物水淬高炉矿渣，减少固体废弃物堆放，节约土地；在绿色混凝土的生产过程中，不掺加硅酸盐水泥，减少二氧化碳排放，减轻温室效应；采用碳酸钠和石膏作为复合激发剂，激发矿渣的胶凝性能；由于碳酸钠属于中性盐，产生的环境危害和对人体的伤害远远小于水玻璃和氢氧化钠，更有利于环保和人体健康，且碳酸钠的价格较低，有利于混凝土的大量使用；采用机制砂，保护生态环境，符合混凝土可持续发展要求；本发明制备的绿色混凝土，掺加玄武岩纤维，增强了混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度，且玄武岩纤维废弃后可以在环境中降解，不产生危害；本发明制备的绿色混凝土，掺加焙烧水滑石，充分利用其吸附氯离子的优异功能，极大的减少氯离子对混凝土中钢筋的腐蚀。
具体实施方式
27.下面对本发明的实施例做详细说明：本实施例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体操作过程，对于这些实施例的说明用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。
28.下述实施例中的试验方法，如无特殊说明，均为常规方法，实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均可以通过常规的商业途径购买得到。
29.实施例1：一种抗氯盐腐蚀绿色混凝土，由质量百分比为20%的粉料、30%的细骨料、40%的粗骨料、8%的水、1.5%玄武岩纤维和0.5%的减水剂组成，单位体积配合比见表1；粉料由以下质量比的组分组成:矿渣50%，脱硫石膏20%，沸石粉17%，碳酸钠8%，水滑石5%；其中，水淬高炉矿渣比表面积500m2/kg、二水脱硫石膏比表面积在450m2/kg、天然沸石粉比表面积550m2/kg、机制砂细度模数在2.6、粗骨料是碎石，粒径5~15毫米；玄武岩纤维直径15微米，长度10毫米，抗拉强度3000mpa。
30.制备方法如下：s1：将水滑石烘干，升温到500℃，保温2小时，冷却得到焙烧水滑石，密封备用；s2：将粗骨料石子先放入搅拌器内，加入矿渣、石膏、沸石粉、焙烧水滑石和聚羧酸减水剂，而后放入细骨料机制砂，加入包含碳酸钠溶液的5.6%的水，搅拌150秒，再加入玄武岩纤维和2.4%的水，搅拌120秒；
s3：将搅拌好的混合料倒入模具中，在标准条件下养护28天，脱模，即得混凝土。
31.所述的碳酸钠溶液的制作为：称取5.6%的用水，将碳酸钠固体缓慢倒入水中，边倒入边使用玻璃棒搅拌，冷却至室温备用。
32.实施例2:一种抗氯盐腐蚀绿色混凝土，由质量百分比为25%的粉料、25%的细骨料、38.7%的粗骨料、10%的水、1.0%玄武岩纤维和0.3%的减水剂组成，单位体积配合比见表1；粉料由以下质量比的组分组成:矿渣50%，脱硫石膏18%，沸石粉15%，碳酸钠9%，水滑石8%；其中，水淬高炉矿渣比表面积500m2/kg、二水脱硫石膏比表面积450m2/kg、天然沸石粉比表面积在550m2/kg、机制砂细度模数在2.8、粗骨料是碎石，粒径5~20毫米；玄武岩纤维直径15微米，长度10毫米，抗拉强度3000mpa。
33.制备方法如下：s1：将水滑石烘干，升温到500℃，保温2小时，冷却得到焙烧水滑石，密封备用；s2：将粗骨料石子先放入搅拌器内，加入矿渣、石膏、沸石粉、焙烧水滑石和聚羧酸减水剂，而后放入细骨料机制砂，加入包含碳酸钠溶液的7%的水，搅拌150秒，再加入玄武岩纤维和3%的水，搅拌150秒；s3：将搅拌好的混合料倒入模具中，在标准条件下养护28天，脱模，即得混凝土。
34.所述的碳酸钠溶液的制作为：称取7%的用水，将碳酸钠固体缓慢倒入水中，边倒入边使用玻璃棒搅拌，冷却至室温备用。
35.实施例3:一种抗氯盐腐蚀绿色混凝土，由质量百分比为23%的粉料、31%的细骨料、35.4%的粗骨料、9%的水、1.2%玄武岩纤维和0.4%的减水剂组成，单位体积配合比见表1；粉料由以下质量比的组分组成:矿渣55%，脱硫石膏15%，沸石粉15%，碳酸钠10%，水滑石10%；其中，水淬高炉矿渣比表面积550m2/kg、二水脱硫石膏比表面积在450m2/kg、天然沸石粉比表面积500m2/kg、机制砂细度模数在2.6、粗骨料是碎石，粒径5~15毫米；玄武岩纤维直径15微米，长度10毫米，抗拉强度在3000mpa。
36.制备方法如下：s1：将水滑石烘干，升温到550℃，保温2小时，冷却得到焙烧水滑石，密封备用；s2：将粗骨料石子先放入搅拌器内，加入矿渣、石膏、沸石粉、焙烧水滑石和聚羧酸减水剂，而后放入细骨料机制砂，加入包含碳酸钠溶液的6.3%的水，搅拌150秒，再加入玄武岩纤维和2.7%的水，搅拌120秒；s3：将搅拌好的混合料倒入模具中，在标准条件下养护28天，脱模，即得混凝土。
37.所述的碳酸钠溶液的制作为：称取6.3%的用水，将碳酸钠固体缓慢倒入水中，边倒入边使用玻璃棒搅拌，冷却至室温备用。
38.表1 实施例混凝土单位体积配合比（kg/m3）
对比例1某市售c40普通硅酸盐混凝土，其组分配比如下：p.o42.5普通硅酸盐水泥270kg/m3、中砂760kg/m3、细度模数2.6，石子1008kg/m3、粒径5~20毫米，水153kg/m3、固态聚羧酸减水剂6.16kg/m3，矿渣64kg/m3、比表面积500m2/kg；制备方法：上述材料混合均匀，搅拌120秒，置于标准条件养护28天即可。
39.性能测试与分析依据住房与城乡建设部发gb/t50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》、gb/t50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，测试了实施例1-3和对比例1的混凝土试件的性能参数，其中28天的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、氯离子扩散系数的试验数据如表2所示、混凝土的工作性能如表3所示：表2 实施例与对比例混凝土测试数据 表3 实施例与对比例混凝土工作性能由表2可知，本发明所提供的抗氯盐腐蚀绿色混凝土，与对比例普通硅酸盐混凝土比较，显著降低氯离子扩散系数，具有优良的抵抗氯离子腐蚀性能，提高混凝土在含氯盐环境下的耐久性，提高了矿渣的附加性能。
40.由表2和表3可知，本发明所提供的抗氯盐腐蚀绿色混凝土，性能满足工程施工要求；抗压强度与对比例的普通硅酸盐混凝土基本一致，但是抗折强度提高50%以上，劈裂抗拉强度提高80%以上，增强了混凝土的抗裂性能。
41.本具体实施例仅仅是对本发明的解释，并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明后根据需要对本实施例做出的无创造性贡献的修改，只要在本发明的权利
范围内都受到专利法的保护。