华千素——地聚1号

 

目录

 

第1章  地聚1号-粉煤灰低碳水泥

1.1 减排CO₂

  1.2 粉煤灰

  1.3 地聚1号-粉煤灰低碳水泥技术

  1.4 华千素-地聚1号

第2章  地聚1号-粉煤灰低碳水泥技术

2.1 粉煤灰要求

2.2 地聚1号-粉煤灰低碳水泥配合比

2.3 中低强度水泥是市场主流

2.4 拌和用水量

2.5 实验方法

2.6 测试数据

第3章  地聚1号-粉煤灰砂浆技术

3.1 地聚1号-粉煤灰砂浆

3.2 地聚1号-粉煤灰砂浆配合比

3.3 水灰比

3.4 试验测试

3.5 拌料说明

第4章  地聚1号-粉煤灰混凝土技术

4.1 地聚1号-粉煤灰混凝土

4.2 水灰比

4.3 地聚1号-粉煤灰混凝土配合比

4.4 固化温度

第5章  地聚1号-粉煤灰煤矸石充填材料

5.1 开采沉陷

5.2 煤矿膏体充填技术

5.3 地聚1号-粉煤灰煤矸石充填材料配合比

5.4 原材料

5.5 测试数据

第6章  外加剂

6.1 减水剂

6.2 促凝

6.3 缓凝

6.4 水

 

 

 

 

 

 

 

 

地聚1号-粉煤灰低碳水泥

 

1.1 减排CO₂

从石灰（碳酸钙）钙化的水泥（普通硅酸盐水泥）和硅-铝材料间的反应为

5CaCO₃ + SiO₂ → 3(CaO,SiO₂)(2CaO,SiO₂) + CaCO₂

生产1t水泥会产生0.55t化学品CO₂，并需要燃烧碳燃料来形成产生另外0.40t的CO₂。

简化表示：1t水泥=1tCO₂。

与普通硅酸盐水泥相比较，使用华千素地聚1号与粉煤灰合成技术制备的低碳水泥的CO₂排放量可降低90%。也就是说，在同一个工厂，可以用电力设施生成能量，并制备低CO₂排放的水泥。

 

1.2 粉煤灰

粉煤灰或烟灰，是由燃料(主要是煤)燃烧过程中排出的微小灰粒，其粒径一般在1～100μm之间。粉煤灰主要含二氧化硅(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化铁(Fe₂O₃)等，其中二氧化硅（SiO₂）和氧化铝（Al₂O₃）是主要活性物质，含量越高，说明粉煤灰活性越高。

据我国用煤情况，燃用1t煤约产生250～300kg粉煤灰。大量粉煤灰如不加控制或处理，会造成大气污染，进入水体会淤塞河道，其中某些化学物质对生物和人体造成危害。

按照现行国家标准GB/T 1596－2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定，拌制混凝土用的粉煤灰分为F类粉煤灰和C类粉煤灰两类。F类粉煤灰是由无烟煤或烟煤煅烧收集的，其CaO含量不大于10%或游离CaO含量不大于1%；C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集的，其CaO含量大于10%或游离CaO含量大于1%，又称高钙粉煤灰。国际上，通常是按照粉煤灰中氧化钙（CaO）的含量，将粉煤灰分为低钙粉煤灰和高钙粉煤灰，综合对比并归纳总结，见表1。

表1 粉煤灰分类

低钙粉煤灰  F级	CaO含量少于10% 通常从无烟煤和烟煤制备的。粗略地，对应于美国（ASTM 618）F级
高钙粉煤灰  C级	CaO含量大于10% 通常从次烟煤和褐烟煤制备的。粗略地，对应于美国（ASTM 618）C级

常见的低钙粉煤灰和高钙粉煤灰化学成分组成范围，见表2。

表2 粉煤灰化学成分组成范围

化学成分	F级/%	C级褐煤基的/%
SiO2	47.2-54	18-24.8
Al2O3	27.7-34.9	12.1-14.9
Fe2O3	3.6-11.5	6.3-7.8
CaO	1.3-4.1	13.9-49
MgO	1.4-2.5	1.9-2.8
SO3	0.1-0.9	5.5-9.1
Na2O	0.2-1.6	0.5-2
K2O	0.7-5.7	1-2
石灰含量不限	0.1	18-25

 

1.3 地聚1号-粉煤灰低碳水泥技术

本资料中，地聚1号-粉煤灰低碳水泥技术就是以低钙粉煤灰（F级）为基料，与华千素地聚1号按比例在常温常态下进行混合，制备出一种相当于普通硅酸盐水泥的胶凝材料。既充分利用了固体废料粉煤灰，也有效地减少了二氧化碳(CO₂)的排放。

 

1.4 华千素-地聚1号

华千素-地聚1号，简称：地聚1号。

地聚1号是由北京华千新技术有限公司技术团队专门针对粉煤灰、高炉矿渣专项利用而开发研制的改性添加剂，并形成了地聚1号-粉煤灰（F级）水泥技术体系和地聚1号-球磨粒状高炉矿渣（BFS）水泥技术体系。

目前，地聚1号-粉煤灰低碳水泥和地聚1号-BFS低碳水泥已在一些工程应用实践，前期大量的试验室测试数据获得了实践检验，获得众多用户好评，前景非常广阔。

 

 

地聚1号-粉煤灰低碳水泥技术

 

由于各地各厂的粉煤灰化学成分组成差异很大，不可能面面俱到、逐渐一实验。尽管工作量较大，也比较麻烦，但想想“粉煤灰秒变水泥”这一场景就足够了。

在本资料中，我们只是给出了地聚1号-粉煤灰低碳水泥的典型参考配合比，旨在为广泛研发和普及应用，指出一个可行的方向，提出一条简单的解决路径。

 

2.1 粉煤灰要求

优先选择二氧化硅（SiO₂）和氧化铝（Al₂O₃）含量较高的F级低钙粉煤。实验表明，莫来石含量超过5%的粉煤灰和单一生物质源的粉煤灰不适合本资料的地聚1号-粉煤灰低碳水泥技术体系。

 

2.2 地聚1号-粉煤灰低碳水泥配合比

2.2.1 地聚1号掺加量

一般地，北京华千新技术有限公司推荐的华千素-地聚1号掺加量为粉煤灰重量的3%-20%计算。

2.2.2 地聚1号掺加量与强度关系

本资料中，对照现行国标GB 175《通用硅酸盐水泥》中普通硅酸盐水泥（P.O）的强度等级规定，给出了配制不同强度等级的地聚1号-粉煤灰低碳水泥时，地聚1号的掺加量变化与地聚1号-粉煤灰低碳水泥的强度关系，见表3。

 

 

 

 

 

 

表3 水泥强度等级与地聚1号掺量的关系

序号	水泥强度等级要求	地聚1号掺加量为
1	相当于P.O22.5左右的强度等级	粉煤灰重量的3%-5%
2	相当于P.O22.5-P.O32.5强度等级	粉煤灰重量的5%-7%
3	相当于P.O32.5-P.O42.5强度等级	粉煤灰重量的8%-10%
4	相当于P.O52.5-P.O72.5强度等级	粉煤灰重量的10%-20%

 

依据表3，生产强度等级相当于P.O22.5-P.O32.5普通硅酸盐水泥的强度等级为22.5Mpa-32.5Mpa之间的地聚1号-粉煤灰低碳水泥的原料配合比，见表4。

表4 生产22.5Mpa-32.5Mpa地聚1号-粉煤灰低碳水泥原料配合比

原料	地聚1号/kg	F级粉煤灰/kg	合计
用量	50-70kg	1000kg	1050-1070kg

 

依据表3，生产强度等级相当于P.O32.5-P.O42.5普通硅酸盐水泥的强度等级为32.5Mpa-42.5Mpa之间的地聚1号-粉煤灰低碳水泥的原料配合比，见表5。

表5 生产32.5Mpa-42.5Mpa地聚1号-粉煤灰低碳水泥原料配合比

原料	地聚1号/kg	F级粉煤灰/kg	合计
用量	80-100kg	1000kg	1080-1100kg

 

依据表3，生产强度等级相当于P.O52.5-P.O72.5普通硅酸盐水泥的强度等级为52.5Mpa-72.5Mpa之间的地聚1号-粉煤灰低碳水泥的原料配合比，见表6。

表6 生产52.5Mpa-72.5Mpa地聚1号-粉煤灰低碳水泥原料配合比

原料	地聚1号/kg	F级粉煤灰/kg	合计
用量	100-200kg	1000kg	1100-1200kg

 

2.3 中低强度水泥是市场主流

实际上，水泥强度的市场需求通常很低。据统计，约84%以上的市场需求是针对低强度级别和中等强度级别的水泥。资料显示，在葡萄牙市场水泥强度分布情况的平均值呈现为：强度等级在15Mpa-25Mpa的水泥占比为35%；强度等级在25Mpa-35Mpa的水泥占比为55%；强度等级在35Mpa以上的水泥占比为10%。

在欧洲市场上，水泥强度平均值更低，分布情况的平均值呈现为：强度等级在15Mpa-25Mpa的水泥占比为51%；强度等级在25Mpa-35Mpa的水泥占比为33%；强度等级在35Mpa以上的水泥占比为9%。

 

2.4 拌和用水量

一般地，地聚1号-粉煤灰低碳水泥的拌和用水量为水泥重量的（16.5±0.5）%。

鉴于各地粉煤灰的颗粒形态、粒度、成分等都存在一定的差异，采用不同产地的粉煤灰生产的地聚1号-粉煤灰低碳水泥的拌和用水量也会有所不同，即围绕（16.5±0.5）%存在偏差，需要实际测定才能确定其精确拌和用水量。

2.5 实验方法

2.5.1 凝结时间

目前还没有关于此类水泥性能试验方面的规范，暂且依据现行国标GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行试验。

2.5.2 流动度

依据现行国家标准GB/T 8077-2012《混凝土外加剂匀质性实验方法》进行试验。

2.5.3 抗压强度

依据现行国家标准GB/T 17671-1999《水泥胶浆强度检验方法（ISO）法》进行试验。

2.5.4 干燥收缩

依据现行建材行业标准JC/T 603-2004《水泥胶浆干缩方法》进行试验。

 

2.6 测试数据

2.6.1 地聚1号-粉煤灰低碳水泥制备

采用地聚1号掺加量为粉煤灰重量的20%的配合比制备试验测试用水泥，其原料配合比见表7。

表7 干态试验测试用水泥原料配合比

原料	地聚1号/g	F级粉煤灰/g	合计
用量	200g	1000g	1200g

 

2.6.2 拌和用水量

表7中，试验测试用水泥的精确拌和用水量为制备好的干态固体粉料重量的16.165%，即1200g试验测试用水泥的拌和用水量为：

1200g×16.165%=193.98g≈194g

由此可得，湿态试验测试用水泥的原料配合比见表8。

表8 湿态试验测试用水泥原料配合比

原料	地聚1号/g	F级粉煤灰/g	水/g	合计
用量	200g	1000g	194g	1394g

2.6.3 试块

由于国内这方面的相关资料比较匮乏，所以借鉴采用国外相关产品目前的检测方法进行实验测试。

按照ASTM C192/C192M-2014《实验室中制造和养护混凝土的试验样品的标准实施规程》、ASTM C192/C192M-2012a《实验室中混凝土试样制备和固化的标准实施规程》和ASTM C-167《毛毡或棉绒型绝热材料的厚度和密度试验方法》制备两组试块。

2.6.4 养护

国外相关产品的检测方法，将制备好的试块先在90℃下养护18h，然后再移至室温环境下养护48h。

2.6.5 抗压强度

按照ASTM C-39《混凝土圆柱体试件的抗压强度的标准测试》测试试块的48h抗压强度，测试结果见表9。

表9 试验测试用水泥试块养护条件与48h抗压强度的关系

编号	固化温度/℃	固化时间/h	抗压强度/Mpa
试块组-1	90	18	85.9
试块组-2	90	18	77.3

 

2.6.6 容重

经查证，资料显示：1m³粉煤灰的重量一般在500kg-700kg之间。也就是说，在不考虑掺加地聚1号（约2100-2150kg/m³）后的影响情况下，1t粉煤灰可填充的体积空间大约在1.5m³-2.0m³之间。

 

地聚1号-粉煤灰砂浆技术

 

3.1 地聚1号-粉煤灰砂浆

通过地聚1号与粉煤灰按比例混合制备出强度等级不同的干态地聚1号-粉煤灰低碳水泥，加水拌和后即为地聚1号-粉煤灰低碳水泥净浆。

再将细集料与地聚1号-粉煤灰低碳水泥按比例混合后，即可得到不同强度等级要求地聚1号-粉煤灰砂浆。

 

3.2 地聚1号-粉煤灰砂浆配合比

本章节中给出的典型应用是采用本资料第2章2.4.1中的表7配合比数据（地聚1号掺加量为粉煤灰重量的20%）为地聚1号粉煤灰低碳水泥制备依据，并在此基础上配制的一种高强度地聚1号-粉煤灰砂浆。其原材料配合比，见表10。

表10 干态地聚1号-粉煤灰砂浆配合比（kg/t）

原材料	粉煤灰（F级）/kg	细集料/kg	地聚1号/kg	合计/kg
用量	393.60	527.68	78.72	1000

 

3.3 水灰比

参照本资料第2章2.4.2中的表8配合比数据，地聚1号-粉煤灰低碳水泥拌和用水量为16.165%。由此可以计算出，按照表10配制出的地聚1号-粉煤灰砂浆的水/固比为0.095，即拌和用水量为地聚1号-粉煤灰砂浆重量的9.5%。参见表11。

表11 湿态地聚1号-粉煤灰砂浆配合比（kg/t）

原材料	粉煤灰（F级）/kg	细集料/kg	地聚1号/kg	水/kg	合计/kg
用量/kg	393.60	527.68	78.72	95	1095

 

3.4 试验测试

3.4.1 试块

按照ASTM C192/C192M-2014《实验室中制造和养护混凝土的试验样品的标准实施规程》、ASTM C192/C192M-2012a《实验室中混凝土试样制备和固化的标准实施规程》和ASTM C-167《毛毡或棉绒型绝热材料的厚度和密度试验方法》制备五组试块。

3.4.2 养护

国外相关产品的检测方法，将制备好的试块先在80℃下养护不同时间，然后再移至室温环境下养护48h。

3.4.3 抗压强度

按照ASTM C-39《混凝土圆柱体试件的抗压强度的标准测试》测试试块的48h抗压强度，测试结果见表12。

表12 地聚1号-粉煤灰砂浆试块养护条件与48h抗压强度的关系

编号	固化温度/℃	固化时间/h	抗压强度/Mpa
试块-1	80	2	36.5
试块-2	80	3	51.4
试块-3	80	4	80.6
试块-4	80	8	91.3
试块-5	80	24	107.8

 

3.5 拌料说明

3.5.1 试验样品

将本资料见表11中的计量单位换成g（克），即获得适用于在试验室制备的小批量配合比，表12。

表12 实验用地聚1号-粉煤灰砂浆浆配合比

原材料	粉煤灰（F级）/g	细集料/g	地聚1号/g	水/g	合计/g
用量/g	393.60	527.68	78.72	95	1095

 

3.5.2 试验室拌料

第一步：先将表12中数量的粉煤灰和集料放入锅状搅拌器内，干态混合约3分钟。

第二步：再用表12中数量的水和地聚1号混合溶解。

第三步：将地聚1号水溶液加入到粉煤灰和集料的干态混合材料中，再混合搅拌约4分钟。

3.5.3 施工现场拌料

第一步：按照干态地聚1号-粉煤灰砂浆重量的9.5%（或者厂家推荐的用水比例）计算拌和用水量。

第二步：将称量好的拌和用水与干态地聚1号-粉煤灰砂浆混合，搅拌成均匀的砂浆状，即可使用。

 

 

 

 

地聚1号-粉煤灰混凝土技术

 

4.1 地聚1号-粉煤灰混凝土

通过地聚1号与粉煤灰按比例混合制备出强度等级不同的干态地聚1号-粉煤灰低碳水泥，加水拌和后即为地聚1号-粉煤灰低碳水泥净浆。再将粗集料、细集料与地聚1号-粉煤灰低碳水泥按比例混合后，即可得到不同强度等级要求的地聚1号-粉煤灰混凝土。

 

4.2 水灰比

水-干态地聚1号-粉煤灰混凝土的质量比对所配制的混凝土抗压强度有很大的影响。相关资料显示，地聚1号-粉煤灰混凝土在混合4分钟后浇注，再60℃蒸汽固化24小时后的参考数据，见表13。

表13 水-干态地聚1号-粉煤灰混凝土的质量比与抗压强度的关系

水-干态低碳混凝土的质量比	工作性	设计的抗压强度/Mpa
0.16	非常硬	60
0.18	硬	50
0.20	中等	40
0.22	高	35
0.24	高	30

 

4.3 地聚1号-粉煤灰混凝土配合比

4.3.1 典型配合比举例

本章节中给出的典型应用是采用第2章2.4.1中表7配合比数据（地聚1号掺加量为粉煤灰重量的20%）为地聚1号-粉煤灰低碳水泥配制的地聚1号-粉煤灰混凝土。其原材料配合比见表14。

表14 地聚1号-粉煤灰混凝土原材料配合比（kg/m³）

序号	原材料		用量/kg
1	粗集料	粒径20μm	277
		粒径14μm	370
		粒径7μm	647
2	细砂子		554
3	粉煤灰	F级	408
4	地聚1号		39
5	聚羧酸减水剂		6
6	水		105
7	合计		2406

4.3.2 测试数据

热固化的低碳水泥混凝土放置1年后，干化收缩约100μm（微米），远低于硅酸盐水泥混凝土的500μm-800μm。在加载1年后，热固化的低碳水泥混凝土抗压强度保持在40Mpa-50Mpa之间。

 

4.4 固化温度

4.4.1 加热固化

通常的推荐固化温度为60℃，实际应用中的加热固化时间不需要超过24h。

4.4.2 常温固化

虽然地聚1号-粉煤灰混凝土可以在室温下固化，但通常还是推荐加热固化，尤其是在实验室试验测试。一般地，地聚1号-粉煤灰混凝土的养护温度在60℃-90℃。实验表明，较高的固化温度产生较高的抗压强度，但固化温度超过60℃时抗压强度增加并不明显。

4.4.1 加热固化方式

加热固化可以通过蒸汽加热或者干态加热两种方式实现。实践测试数据表明，干态加热固化地聚1号-粉煤灰混凝土的抗压强度比蒸汽加热固化的大约高出15%。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

地聚1号-粉煤灰煤矸石充填材料

 

5.1 开采沉陷

煤矿开采诱发的看菜沉陷是一种严重的矿山地质灾害。以煤炭资源大省山西为例，巨量的煤炭资源产出造成了当地大面积的沉陷，数千村庄房屋严重受损，耕地和水资源遭遇严重破坏。

 

5.2 煤矿膏体充填技术

煤矿膏体充填技术就是将煤矸石、粉煤灰等煤系固体废物制备成膏体充填材料，充入采空区内。既可以控制开采沉陷，又可以充分利用固体废物。目前，煤矿膏体充填技术已经成为建筑物下、铁路下、水体下和承压水体上开采的重要手段，在国内外被广泛应用。

 

5.3 地聚1号-粉煤灰煤矸石充填材料配合比

充填材料大多数情况下都是采用泵送充填，坍落度和抗压强度是最重要的两个指标。在综合考虑矿山充填开采工艺实际要求的基础上，本资料推荐一种典型的地聚1号-粉煤灰煤矸石膏体充填材料，地聚1号掺加量按粉煤灰重量的5%计算，其原材料配合比见表15。

表15 地聚1号-粉煤灰煤矸石膏体充填材料配合比（kg/t）

原 料	自然煤矸石/kg (粒径Φ4.75-13.2mm)	自然煤矸石/kg (粒径Φ≤4.75mm)	粉煤灰 /kg	地聚1号 /kg	聚羧酸减水剂/kg	水 /kg
用量	180kg	435kg	175kg	8.75kg	适量	165kg

5.4 原材料

5.4.1 自然煤矸石

煤矸石和粉煤灰作为常见的大宗固体废物，在自然界中堆放会严重污染空气和水资源。据统计，2017年中国煤矸石产量为6.2亿t、粉煤灰产量为5.8亿t。现实状况是，多年来积累的煤矸石已经达到50亿t，粉煤灰的未利用率超过20%。

在煤矸石收集场（图1），先用大锤将较大煤矸石（图2）破碎成小块（图3），然后通过破碎机（图4）破碎、筛分成粒径为4.75-13.2mm的煤矸石粗骨料（图5）和粒径在4.75mm以下的煤矸石细骨料（图6）。

 

5.4.2 粉煤灰

粉煤灰（图7）的粒度对其活性影响较大，粒度越小，活性越大。粉煤灰中的活性物质主要是二氧化硅（SiO₂）和氧化铝（Al₂O₃），其含量应在80%以上，含量越高，活性越好。一般地，最好选用比表面积不低于550m²/kg的且粒度分布均匀的粉煤灰。

5.5 测试数据

参照表15进行地聚1号-粉煤灰煤矸石膏体充填材料配制，按试验要求制作试件并养护至符合试验测试要求。通过坍落度测试和单轴压缩测试，得到试验数据见表16。

表16 地聚1号-粉煤灰煤矸石膏体充填材料试验数据

测试项目	坍落度/mm	3d抗压强度/Mpa	28d抗压强度/Mpa	28d弹性模量/Mpa
测试结果	182	1.55	2.06	120

1. 坍落度指标：反映粉煤灰地聚物膏体充填材料流动性的重要物理量，流动性决定了该充填材料能否顺利泵送至采空区内。
2. 单轴抗压强度：表征地聚1号-粉煤灰煤矸石膏体充填材料力学性质，决定了该充填材料能否在荷载作用下不发生破坏。

 

 

 

 

外加剂

 

硅酸盐水泥的外加剂经历几十年的发展已经能精确控制其流变性质和水化过程。然而，适用于硅酸盐水泥的外加剂在地聚1号-粉煤灰低碳水泥、砂浆、混凝土中的作用要么无效要么有害。所以，凡是未经实践和实验验证的，一律建议慎用。

 

6.1 减水剂

实验表明，聚羧酸减水剂适用于地聚1号-粉煤灰低碳水泥、地聚1号-粉煤灰砂浆、地聚1号-粉煤灰混凝土，其对浆体流变性参数及塑性的影响，须经过实验验证和获得。

 

6.2 促凝

实验表明，可以通过适量增加地聚1号掺加量或者另外添加适量钙盐（Ca）的方式缩短地聚1号-粉煤灰低碳水泥、地聚1号-粉煤灰砂浆、地聚1号-粉煤灰混凝土的固化时间。

 

6.3 缓凝

实验表明，可以通过添加适量磷酸钾（K₃PO₄）或者氯化钾（KCl）或者硝酸钾（KNO₃）的方式延长地聚1号-粉煤灰低碳水泥、地聚1号-粉煤灰砂浆、地聚1号-粉煤灰混凝土的固化时间。

6.4 水

6.4.1 用水量

本资料中所给出的各配合比中的用水量数据，仅限于北京华千新技术有限公司工厂车间和试验室既有的原材料，不具有广泛而普遍的精确性。用户需根据本资料中的指引路径和方法，使用您所能采购到的原材料进行必要的试配试验，以确定最终的配合比数值。

6.4.2 拌和水

地聚1号-粉煤灰低碳水泥、砂浆、混凝土技术体系的拌和用水，可以是自来水，也可以使用碱性海水。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

有关数据等记载内容的声明

■本资料记载的数据等内容是以典型实验值为基础，故对记载内容不做任何保证。

■使用前，请根据本资料、产品安全数据，确认详细的使用方法及注意事项等。

■使用时，请贵公司务必进行事前测试，确认是否符合使用目的及安全性。

■本资料所记载的内容如有变更，恕不另行通知。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

北京华千新技术有限公司

www.line365.com.cn

二〇二一年十二月