湿铸矿渣基混凝土产品的生产方法与流程

1.本说明书涉及一种生产湿铸(wet-cast)矿渣基(slag-based)混凝土产品的方法，特别是其中所述湿铸矿渣基混凝土产品在模具内部分或完全凝固(set)、在模具外经历预处理、然后在固化室中用二氧化碳固化(cured)。所述湿铸矿渣基混凝土产品可选地被强化(reinforced)。


背景技术：

2.冶金矿渣是一种通常被填埋的充足的废料。在适当的条件下，冶金矿渣可用作粘合剂材料。需要找到包括钢渣在内的冶金矿渣的新用途。


技术实现要素：

3.本文说明了混凝土产品的开发，该混凝土产品可选地被强化，并且由冶金矿渣(作为主要粘合剂)和二氧化碳通过湿铸法制成。
4.根据一个方面，提供了一种生产湿铸矿渣基混凝土产品的方法，其包括以下步骤：提供用于坍落度非零的混凝土的组合物，该组合物包含矿渣基粘合剂、骨料和水；将矿渣基粘合剂、骨料和水混合以生产坍落度非零的混凝土，其包含大于0.2的第一水-粘合剂重量比；通过将坍落度非零的混凝土转移到模具中来浇铸(casting)坍落度非零的混凝土；使坍落度非零的混凝土在模具内部分或完全凝固以生产矿渣基中间体，其包含小于第一水-粘合剂重量比的第二水-粘合剂重量比；将矿渣基中间体脱模以生产脱模中间体；对脱模中间体进行预处理以生产经处理的脱模矿渣基中间体，其包含小于第一水-粘合剂重量比并且也小于第二水-粘合剂重量比的第三水-粘合剂重量比；以及用二氧化碳固化经处理的脱模矿渣基中间体，从而活化经处理的矿渣基中间体并生产湿铸矿渣基混凝土产品。
5.根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中，坍落度非零的混凝土的浇铸没有压制/压实。
6.根据另一方面，提供了本文所述的方法，其中，矿渣基粘合剂是不含其他粘合剂的矿渣或与选自进一步由粉煤灰、煅烧页岩、硅粉、沸石、ggbf(磨粒高炉)矿渣、石灰石粉、水硬水泥和非水硬水泥组成的组的至少一种其他粘合剂混合的矿渣。
7.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，矿渣选自由以下组成的组：钢渣，不锈钢渣，碱性氧气转炉泥渣，高炉泥渣，锌、铁、铜工业的副产物，及其组合。
8.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其还包括在浇铸步骤之前将强化材料放入模具中的强化步骤。
9.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，强化材料是碳钢、不锈钢和/或纤维强化聚合物(frp)强化筋。
10.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，矿渣的累积硅酸钙含量为至少20重量％。
11.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，预处理增加湿铸矿渣基混凝土的至
少1体积％的孔隙率。
12.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，坍落度非零的混凝土的坍落度值为5mm至250mm。
13.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，坍落度非零的混凝土的新拌混凝土压实系数测试值必然在0.7至1.0的范围内。
14.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，钢渣选自由还原钢渣、氧化钢渣、转炉钢渣、电弧炉渣(eaf渣)、碱性氧气炉渣(bof渣)、钢包渣、快冷钢渣和慢冷钢渣及其组合组成的组。
15.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，将湿铸矿渣基混凝土进一步加工成选自由以下组成的组的产品：预铸的强化和非强化的混凝土管、箱涵、排水产品、铺路板、楼板、交通障碍物、墙壁人孔、挡土墙、铺筑材料、瓦砖和木瓦。
16.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，湿铸矿渣基混凝土包含至少5重量％的矿渣含量。
17.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，坍落度非零的混凝土进一步包含至少一种促进剂、缓凝剂、粘度调节剂、加气剂、发泡剂、asr(碱硅酸盐反应)抑制剂、抗冲刷剂、缓蚀剂、减缩剂、混凝土减裂剂、增塑剂、超级增塑剂、密封剂、油漆、涂料、减水剂、防水剂、风化控制剂、聚合物粉末、聚合物乳胶以及和易性保持剂。
18.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，坍落度非零的混凝土进一步包含至少一种纤维素纤维、玻璃纤维、微合成纤维、天然纤维、聚丙烯(pp)纤维、聚乙烯醇(pva)纤维和钢纤维。
19.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，co2固化没有额外的外部热源/能量源。
20.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，经处理的脱模矿渣基中间体在腔室/封闭空间/容器/房间中用含有至少5体积％的co2浓度的气体固化。
21.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，在生产1m3湿铸矿渣基混凝土产品时，坍落度非零的混凝土的第一水-粘合剂比为0.45，并且坍落度非零的混凝土的凝固时间为18小时。
22.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，生产1m3湿铸矿渣基混凝土产品以350kg或480kg的矿渣质量开始。
23.根据又一方面，提供了本文所述的方法，其中，脱模在脱模中间体的抗压强度为至少0.01mpa时发生。
附图说明
24.现描述附图，其中：
25.图1是说明本文所述的一个实施方式的生产湿铸矿渣基混凝土产品的方法的过程块状图；
26.图2是本文所述的一个实施方式的浇铸步骤和co2固化步骤的示意图。
具体实施方式
27.传统上，新烧结的波特兰水泥用作混凝土生产中的粘合剂，湿铸水泥基预铸(precast)混凝土产品通常用热和蒸汽来固化。相比之下，本次创新的湿铸矿渣基混凝土使用冶金厂(在一个优选实施方式中，炼钢厂)的副产品作为主要粘合剂，从而在混凝土和预铸产品的生产中替代波特兰水泥。另外，二氧化碳用作活化剂来固化混凝土，并在此过程中被吸收(sequester)。在优选实施方式中，在co2固化过程中不需要额外的热或蒸汽。与传统的水泥基预铸产品相比，所提出的湿铸矿渣基混凝土产品(可选地经强化)可表现出同等或更好的机械性能和耐久性能，同时它们的生产将减少温室气体排放到大气中。所提出的创新还将减少自然资源的消耗，因为在矿渣基混凝土产品中不使用传统水泥，并且矿渣基混凝土产品需要的骨料含量较低。最后，根据所提出的创新，湿铸矿渣基混凝土产品(可选地经强化)的生产可以提高预铸混凝土生产设施的生产率。
28.材料
29.生产湿铸矿渣基混凝土56中的主要粘合剂是矿渣11，在一个优选实施方式中，矿渣源自钢或不锈钢生产。来自锌、铁和铜生产的其他副产品材料也可视为矿渣11。
30.可以从采用不同钢生产方法的钢厂收集各种矿渣11。在本文所述的湿铸矿渣基混凝土的生产中，可以作为主要粘合剂掺入的矿渣11的类型有：不锈钢渣、还原钢渣、氧化钢渣、转炉钢渣、电弧炉渣(eaf渣)、碱性氧气炉渣(bof渣)、钢包渣、快冷钢渣、慢冷钢渣、碱性氧气转炉泥渣、高炉泥渣及其组合。
31.在一个优选实施方式中，矿渣11的氧化钙重量含量大于10％，优选大于15％，优选大于20％。在一个优选实施方式中，氧化硅重量含量大于6％，优选大于8％，优选大于12％。在一个优选实施方式中，矿渣的总氧化铁含量小于40％，优选小于30％。在一个优选实施方式中，钢渣11的累积硅酸钙含量为至少20％，且游离石灰浓度小于15％，优选小于7％矿渣。在一个优选实施方式中，矿渣11的堆密度为1.0至2.0g/cm3，表观密度可以在2.0至6.0g/cm3之间变化。
32.矿渣11在被掺入本文所述的湿铸矿渣基混凝土混合物之前可被研磨成更小的尺寸(如果需要)。矿渣11的研磨可以用任何机械机器来进行，例如球磨机、棒磨机、自磨机、sag磨机、砾磨机、高压磨辊、vsi或塔磨机。研磨过程可以湿式或干式进行。虽然优选干式粉碎过程，但如果选择湿式过程来研磨矿渣，则研磨后可以将经研磨的矿渣完全干燥或半干燥。使矿渣通过分级器是获得具有更小颗粒/晶粒尺寸的矿渣11的另一种方式。所使用的分级器是本领域已知的并且包括但不限于：筛分机、离心机和旋风分离器。
33.在一个优选实施方式中，使经研磨或分级的矿渣11通过网目#10(2000微米)、优选网目#50(297微米)、优选网目#200(74微米)、优选网目#400(37微米)，每一种都可以单独使用或与至少一种其他粘合剂13组合使用。在研磨之后或之前，可以用筛来筛分矿渣。因此，可以进行研磨和筛分方法之一或组合，以获得具有适当粒度分布的矿渣11。
34.矿渣11可被粉碎和/或筛分至blaine细度为至少50m2/kg，优选150m2/kg，优选至少200m2/kg。在一个优选实施方式中，对于矿渣基湿混凝土中的矿渣11，百分之五十的矿渣小于200微米(d50＝200μm)，优选小于150微米(d50＝150μm)，优选小于100微米(d50＝100μm)，优选小于50微米(d50＝50μm)，优选小于25微米(d50＝25μm)，优选小于10微米(d50＝10μm)。
35.矿渣11的游离石灰含量可以在将其掺入混合物之前用现有技术中的任何标准已知方法来降低。或者，可以先将矿渣老化以减少其游离氧化钙(游离石灰)含量，然后再掺入混合物中。湿铸矿渣基混凝土的矿渣11含量应不低于混凝土的5重量％，优选不低于湿铸矿渣基混凝土或坍落度非零的混凝土组合物的20重量％。
36.矿渣基粘合剂14可以进一步包括：仅矿渣(即不含其他粘合剂的矿渣)，或矿渣与至少一种其他粘合剂13(例如胶结材料/火山灰材料)的组合。例如，矿渣11可以与至少一种其他粘合剂13混合以产生矿渣基粘合剂14，该粘合剂进一步包括：粉煤灰、煅烧页岩、硅粉、沸石、ggbf(磨粒高炉)矿渣、石灰石粉、水硬水泥、非水硬水泥及其组合。
37.在湿铸矿渣基混凝土产品的生产中，可以将各种类型的骨料15——包括天然或人造的正常重量骨料和轻质骨料——作为填料掺入矿渣基湿混凝土产品中。可能的轻质骨料的实例包括天然轻质骨料(例如浮石)、膨胀粘土骨料、膨胀页岩骨料和膨胀铁渣骨料。其他可用的骨料包括：碎石、机制砂、砾石、沙、再生骨料、花岗岩、石灰石、石英、白垩粉、大理石粉、石英砂和人造骨料。这些骨料作为细骨料和/或粗骨料掺入混合物中。骨料含量可高达湿铸矿渣基混凝土或坍落度非零的混凝土组合物的90重量％。
38.所提出的矿渣基湿混凝土56是和易性混凝土。应向干成分中添加足够的水以生产湿混凝土(与坍落度为零的混凝土相反)。所需的水含量取决于选择作为主要粘合剂的矿渣的晶粒尺寸以及骨料的水分含量和粘合剂的含量。更细的研磨矿渣吸收更多的水，因此生产湿混凝土将需要更高的水含量。水-粘合剂质量比可以是0.9、优选0.8、优选0.7、优选0.6、优选0.5、优选0.4、优选0.3或优选0.2。例如，对于仅由d50为25微米的矿渣组成的粘合剂，0.4的水-粘合剂比可以产生和易性湿混凝土。如果骨料很湿，则混合物中可能不需要额外的水。
39.如果需要，可以将化学外加剂17引入到混合物中。化学外加剂17在引入混合物中时满足特定的性质。可能的化学外加剂17包括但不限于：促进剂、缓凝剂、粘度调节剂、加气剂、发泡剂、asr(碱硅反应)抑制剂、抗冲刷剂、缓蚀剂、减缩剂、减裂剂、增塑剂、超级增塑剂、减水剂、防水剂、风化控制剂以及和易性保持剂。
40.如果需要，可以将纤维添加到矿渣基湿混凝土中。可以将纤维素纤维、玻璃纤维、微合成纤维、微合成纤维、天然纤维、pp纤维、pva纤维和钢纤维之一或组合掺入混合物中。
[0041]“坍落度为零的混凝土”被定义为在移除坍落度锥体之后没有显示出可测量的坍落度的坚硬或具有极干稠度的混凝土。水硬水泥混凝土的标准的示例性坍落度测试是astm c143。坍落度非零的混凝土16是在移除坍落度锥体之后通过诸如astm c143等测试显示出可测量的坍落度的既不坚硬也不具有极干稠度的混凝土。此处的坍落度值是使用astm c143标准中描述的方法评估的。
[0042]
生产湿铸矿渣基混凝土56的方法1可适用于生产多种产品，包括但不限于预铸的强化的混凝土管、箱涵、排水产品、铺路板、楼板、交通障碍物、墙壁、人孔、预铸的非强化的混凝土(平面)铺筑材料、挡土墙、瓦砖和木瓦。产品应符合地方和国家标准和规范。
[0043]
参考图1，提供了一种生产湿铸矿渣基混凝土56的方法10的一个实施方式。
[0044]
(i)湿铸矿渣基混凝土56的生产。
[0045]
湿铸矿渣基混凝土56的方法1开始是提供坍落度非零的混凝土16的组合物并将组合物的所有成分均匀混合10，所述成分包括但不限于：矿渣11和可选的至少一种其他粘合
剂13(提供矿渣基粘合剂14)、骨料15、化学外加剂17、纤维19和水5。本次创新中使用的湿铸矿渣基混凝土56的水-粘合剂比应高于干铸或坍落度为零的混凝土的含水量。在一个优选实施方式中，混合的坍落度非零的混凝土16的第一水-粘合剂重量比大于0.2、优选0.25、优选0.3、优选0.35、优选0.4、优选0.45、优选0.5、优选0.55、优选0.6或优选0.65。术语“水-矿渣基粘合剂重量比”和“水-粘合剂重量比”是等价的。
[0046]
坍落度非零的混凝土16的坍落度将优选为5至250mm。坍落度非零的混凝土16优选可施工(workable)至少5分钟。混合10应确保坍落度非零的混凝土16没有离析或泌水迹象。在一个优选实施方式中，坍落度非零的混凝土16的压实系数测试值为0.7至1.0。坍落度非零的混凝土16在浇铸前的温度优选为0℃至30℃。在一个优选实施方式中，新鲜的坍落度非零的混凝土16的用任何常规方法(压力法测量新拌混凝土的空气含量的示例性标准化测试是astm c231)测量的空气空隙含量不应超过混凝土的15体积％。压实系数测试描述于bs 1881-103:1993和bs en 12350-4:2009(bs en 12350-4:2009，新拌混凝土试验第4部分：压实度)。适当混合的坍落度非零的混凝土16现准备转移到浇铸。
[0047]
(ii)强化
[0048]
在一个优选实施方式中，在浇铸坍落度非零的混凝土16之前，准备模具并且如果需要，将诸如碳钢、不锈钢和/或frp强化筋等强化材料放置在模具内。筋的直径可以在5mm至60mm之间变化，屈服强度为100mpa至2100mpa。强化物(reinforcement)应按照规范和标准进行设计。
[0049]
(iii)浇铸20、浇置和凝固
[0050]
新鲜制备的坍落度非零的混凝土16通过适当的方式转移并用现有技术中的任何已知方法在准备好的模具中浇铸。模具可以由钢、铁、铝、塑料、frp或其他材料制成。模具应在浇铸之前预润滑，以促进脱模过程30。湿铸混凝土或矿渣基中间体26借助于内部或外部振动器在模具内固结不超过120秒。湿铸混凝土或矿渣基中间体26不需要在模具内被压制或压实。也就是说，一个优选实施方式中的过程无需压制或压实。使矿渣基中间体26在模具内部分或完全凝固，同时失去水32。
[0051]
将模具保持在环境温度和湿度下以使游离水32逐渐蒸发，并使粘合剂部分或完全水合和凝固。蒸发速率取决于温度、相对湿度、坍落度非零的混凝土16混合物的初始含水量、产品的表面积以及模具暴露在风中时的空气流速。水合和凝固速率取决于矿渣基粘合剂14的成分和化学组成。
[0052]
除了自然蒸发之外，在一个优选实施方式中，用加热元件或滚筒加热器或地板加热垫或风扇或加热器或鼓风机或风扇加热器进行的蒸发和/或加热31之一或组合可用于加速蒸发速率。安装加热元件/丝或地板加热垫或滚筒加热器以覆盖模具的外表面。这些元件加热模具的壁并最终增加蒸发过程以降低混凝土的水分含量。风扇、加热器、风扇加热器和鼓风机最好放置成面向矿渣基中间体26的自由表面，该表面可以是其上表面。这些浇铸30步骤可以持续直到初始水-粘合剂比降低至多90％、优选80％、优选70％、优选60％、优选50％、优选40％、优选30％、优选20％、优选10％或优选2％。以通过任一上述浇铸30方法在脱模中间体36内产生的体积定义的混凝土中孔隙率的增加为混凝土体积的70％、优选60％、优选50％、优选40％、优选30％、优选20％、优选10％、优选5％或优选1％。矿渣基中间体26最终达到第二水-粘合剂重量比，该第二水-粘合剂重量比小于坍落度非零的混凝土16
的第一水-粘合剂重量比。
[0053]
在脱模30后产生了脱模中间体36。矿渣基中间体26可在脱模前在模具内凝固至少2小时但至多7天。在一个优选实施方式中，当作为水合/凝固过程的结果混凝土的抗压强度为至少0.01mpa时，可以进行脱模。
[0054]
(iv)预处理40
[0055]
在co2固化50之前，预处理40的过程步骤将脱模中间体36(此时是矿渣基中间体26)的含水量进一步降低至第三水-粘合剂重量比。将脱模中间体36保持在环境温度和湿度下以使游离水42逐渐蒸发。脱模中间体36的蒸发速率取决于温度、相对湿度、其初始含水量、产品的表面积以及模具暴露在风中时的空气流速。脱模中间体36的预处理步骤可以在密封房间、封闭空间室或容器中进行。
[0056]
除了自然蒸发之外，在一个优选实施方式中，用加热元件或滚筒加热器或地板加热垫或风扇或加热器或鼓风机或风扇加热器进行的蒸发和/或加热41之一或组合可用于加速蒸发速率。安装加热元件/丝或地板加热垫或滚筒加热器以覆盖脱模中间体36的外表面。这些元件加热脱模中间体36的壁并最终增加蒸发过程以降低混凝土的水分含量。风扇、加热器、风扇加热器和鼓风机最好放置成面向脱模中间体36的自由表面，该表面可以是其上表面。这些预处理40步骤可以持续直到初始水-粘合剂含量降低至多90％、优选80％、优选70％、优选60％、优选50％、优选40％、优选30％、优选20％、优选10％或优选2％。以通过任一上述预处理40方法在脱模中间体36内产生的体积定义的混凝土中孔隙率的增加为混凝土体积的70％、优选60％、优选50％、优选40％、优选30％、优选20％、优选10％、优选5％或优选1％。预处理40产生了具有第三水-粘合剂重量比的经处理的脱模矿渣基中间体46。第三水-粘合剂重量比小于第一水-粘合剂重量比(坍落度非零的混凝土16)并且也小于第二水-粘合剂重量比(矿渣基中间体26)。
[0057]
在预处理40过程结束时，混凝土中剩余的水不应低于初始含水量的5质量％。
[0058]
(v)co2活化\固化50
[0059]
然后将所形成的可选地经强化的经处理的脱模矿渣基中间体46产品放置在密封的房间、腔室或容器中。在环境温度下将二氧化碳51气体——以5％、优选10％、优选20％、优选30％、优选40％、优选50％、优选60％、优选70％、优选80％、优选90％或优选99.5％的纯度——引入封闭区域(其可以是腔室/封闭空间/容器/房间)中以固化经处理的脱模矿渣基中间体46。腔室/封闭空间/容器/房间的表压将逐渐增加到0.1psi至100psi。
[0060]
在固化室的优选替代方案中，经处理的脱模矿渣基中间体46产品可以用气密织物覆盖和密封。然后将co
2 51引入由这些织物形成的空间中。
[0061]
将经处理的脱模矿渣基中间体46产品在co2气体51下保持加压不少于5分钟，但co2固化50过程可以持续至多48小时，其中优选的实施方式是co2固化50进行8小时。腔室/封闭空间/容器/房间的内部温度在下降前将以至少0.1℃逐渐升高，这是由于放热的加速的固化反应——“co2活化过程”。在活化过程结束时，剩余的co2(如果有)被排出。
[0062]
以下是1立方米(m3)本文所述的湿铸矿渣基混凝土56的优选实例，其具有以下的坍落度非零的混凝土性质：
[0063]
矿渣含量＝600kg，第一水/粘合剂比＝0.35；凝固时间＝18小时。
[0064]
矿渣含量＝600kg；第一水/粘合剂比＝0.55；凝固时间＝24小时。
[0065]
矿渣含量＝350kg；第一水/粘合剂比＝0.45；凝固时间＝18小时。
[0066]
矿渣含量＝400kg；水泥＝100kg；第一水/粘合剂比＝0.4；凝固时间＝12小时。
[0067]
矿渣含量＝480kg；第一水/粘合剂比＝0.45；凝固时间＝18小时。
[0068]
矿渣含量＝650kg；第一水/粘合剂比＝0.45；凝固时间＝24小时。
[0069]
矿渣含量＝700kg；第一水/粘合剂比＝0.45；凝固时间＝24小时。
[0070]
本方法不限于上述可操作的/优选的组合物。此外，如果减水外加剂(即化学外加剂17)包含在坍落度非零的混凝土16中，则可能需要更低的水含量(更低的水-粘合剂比)。
[0071]
图2示意性地示出了将混合的坍落度非零的混凝土16浇铸20到合适的模具中的步骤，其中发生至少部分凝固。脱模30步骤和预处理40步骤由一个箭头表示，并且经处理的脱模矿渣基中间体46的co2固化50在一个优选实施方式中发生在co2固化室中。在一个优选实施方式中，脱模中间体36的预处理40也可以在固化室中使用空气而不是co2来进行，然后进行co2固化50。
[0072]
以上描述仅是示例性的，本领域技术人员将认识到，在不脱离所公开的发明的情况下可以对所描述的实施方式进行改变。根据对本公开内容的回顾，落入本发明范围内的其他修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且这些修改旨在落入所附权利要求之内。