CN102557563A - 一种低收缩全尾矿细骨料轨枕混凝土及其制备方法 - Google Patents

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吴辉
王长龙
王爽
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Abstract

本发明涉及一种低收缩全尾矿细骨料轨枕混凝土及其制备方法，属于尾矿综合利用领域。利用尾矿作为细骨料制备无粗骨料轨枕混凝土时，由于骨料粒度较小，会引起轨枕混凝土收缩过大，极易造成轨枕的预应力损失和开裂。本发明在胶凝材料中掺入钢渣，利用钢渣的微膨胀作用，有效抑制混凝土材料的收缩，并且满足相关标准中对于轨枕混凝土力学性能的要求，其抗压强度可达75MPa以上。本发明方法制备的低收缩高强度铁路轨枕，由于混凝土中大比例、多种类的掺入固体废弃物，减少水泥用量，可大幅度降低生产成本，减排CO2，并且生产工艺简单。

Description

一种低收缩全尾矿细骨料轨枕混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于尾矿综合利用领域，涉及一种低收缩全尾矿细骨料轨枕混凝土及其制备方法。是一种能够大比例、利用多种类工业固体废弃物生产具备低收缩的高强铁路轨枕混凝土的制备技术。
随着我国工业的迅速发展，尾矿、钢渣、矿渣等在工业固体废弃物中占的比例也越来越大。据不完全统计，2009年全国大宗工业固体废弃物总产生量为26.02亿吨，比上年增长9.6％，其中尾矿2009年产生11.92亿吨，比上年增长8.4％，累计达到100亿t左右。冶金渣2009年产生2.74亿吨，比上年增长17.4％。大量工业固体废弃物一般采用堆填处置，不仅浪费资源，同时挤占土地，所以尾矿、钢渣、矿渣等工业固体废弃物作为二次资源已在国内外备受关注。
国内外利用尾矿制备建筑材料已有大量的专利申请。夏根华等发明了一种工业尾矿硅酸盐水泥(专利申请号：200310106286.3，公开号：CN 1616372)，该发明将经过处理的钙镁质尾矿与水泥熟料、石膏进行混合、粉磨制备成硅酸盐水泥。仍然属于传统高钙体系硅酸盐水泥的一种制造方法。河北中科环保有限公司发明了金属尾矿(矽卡岩)生产水泥或水泥制品的方法(专利申请号：200310109672.8，公开号：CN 1621378)。是一种在水泥中加入10～35％的金属尾矿(矽卡岩)作为混合材，生产水泥及部分代替水泥制品的方法，但仍延续了传统高钙体系水泥的基本制造工艺。北京蓝资凝石科技有限公司等发明的一种预处理的尾矿、以该预处理的尾矿为主要原料制备的凝石胶凝材料及其制备方法(专利申请号：200610103677.3，公开号：CN 1887764)。该发明能够大比例使用尾矿(可达70％以上)，少掺(30％以下)或不掺水泥熟料，其采用热液蚀变的原理先对尾矿进行预处理。张卫党发明了一种高性能水泥与高性能混凝土及其制造方法(专利申请号：200510031842.3，公开号：CN 1896024)。该高性能水泥是由工业废渣(包括水淬高炉矿渣、钢渣、炉渣等)、激活剂、功能调节剂和性能调节剂制备而成。该发明只是利用了少量的工业废渣，其技术路线仍然沿用了传统硅酸盐水泥的技术路线。
北京科技大学发明了一种利用铁尾矿制备高强结构材料的方法(专利申请号：200710177294.5，公开号：CN 101182141)。涉及一种以铁尾矿为主要原料制备胶凝材料和以铁尾矿为细骨料制备细骨料混凝土的高强结构材料的方法。该专利生产出的高强结构材料由于选用细粒尾矿作为骨料，出现收缩过大的现象，利用该专利的技术制备铁路轨枕时，会引起预应力损失，容易造成收缩开裂。
发明内容
本发明采用尾矿作为混凝土的骨料，尾矿和矿渣替代部分水泥熟料的基础上，在混凝土中掺入钢渣，有效解决轨枕混凝土出现的收缩过大的问题。在实现尾矿资源化处理的同时，利用钢渣的微膨胀作用，制备出低收缩、高强度的全尾矿骨料轨枕混凝土，降低水泥生产过程中的能源消耗和环境污染，大量消纳尾矿等多种工业固体废弃物，减少对生态环境的破坏，促进循环经济的发展。
本发明的具体步骤如下，以下百分比均为重量百分比：
1.将尾矿、钢渣、矿渣、水泥熟料和石膏分别粉磨至比表面积4000～7500cm2/g，所述石膏为无水石膏、半水石膏、二水石膏、脱硫石膏、氟石膏和磷石膏中的任意一种或多种。将尾矿10％～50％，钢渣10～30％，矿渣15％～40％，熟料20％～40％，石膏5％～20％在混料机内混合均匀，得到胶凝材料。
2.步骤1中所述胶凝材料或者通过以下方法制得：先在磨机中将尾矿粉磨至比表面积2500～5000cm2/g。将30％～80％的磨细尾矿与20％～70％的矿渣混合粉磨至比面积4000～6000cm2/g，得到混合物料A。再将45％～70％的混合物料A与25％～45％的水泥熟料和5％～25％的石膏混合粉磨至比表面积4500～7500cm2/g，得到混合物料B。最后，将70％～90％的混合物料B与10％～30％的单独粉磨至比表面积4000～6000cm2/g的钢渣在混料机内混合均匀得到胶凝材料。
3.将步骤1或者步骤2中所得胶凝材料30％～90％与原始粒级的尾矿10％～70％进行混合，再加入占胶凝材料总质量0.2％～2.0％的萘系高效减水剂或聚羧酸系高效减水剂，拌匀后在模具内浇注并振动成型后，分2种方式进行养护，第一：在室温0～40℃条件下进行湿养护；第二：先在室温0～40℃湿养护环境下停放2～72小时，再在40～90℃的温度条件下蒸养5～24小时，然后在室温0～40℃条件下进行湿养护。
4.如上所述的尾矿的主要化学成分为：SiO2 40％～98％；Al2O3 0.1％～15％；Fe2O3 0.1％～15％；FeO 0.1％～15％；MgO 0.1％～5％；CaO 0.1％～8％；K2O0.01％～3％；Na2O 0.01％～3％。烧失量0.1％～3％。其他0.1％～1％。
钢渣的主要化学成份为：CaO 15％～50％；SiO2 5％～20％；Al2O3 0.1％～30％；Fe2O3 0.1％～50％；FeO 10％～30％；MgO 0.1％～15％；MnO 0.1％～10％。烧失量0.1％～10％。其它0.1％～1％。
矿渣的主要化学成份为：CaO 25％～45％；SiO2 25％～45％；Al2O3 20％～20％；Fe2O3 0.1％～5％；FeO 0.1％～15％；MgO 2％～15％；K2O 0.01％～5％；Na2O0.01％～3％。烧失量0.1％～1％。其它0.1％～1％。
水泥熟料的主要化学成分为：CaO 60％～70％；SiO2 15～23％；Al2O3 3～8％；Fe2O3 3％～9％；MgO 0.01％～5％；f CaO 0.1％～15％。烧失量0.1％～1％。其它0.1～1％。
本发明利用机械力化学作用提高尾矿的活性，并在混凝土中掺入具有微膨胀作用的钢渣，有效抑制全尾矿细骨料轨枕混凝土材料的收缩，该轨枕混凝土大比例使用尾矿、钢渣、矿渣和脱硫石膏等固体废弃物，少掺水泥熟料，综合再利用多种工业固体废弃物，原材料来源广泛，成本低廉，可制备出具有低收缩、高强度的轨枕混凝土。
具体实施方式
实施例1：
1.先在磨机中将尾矿粉磨至比表面积2857cm2/g。将61％的磨细尾矿与39％的矿渣混合粉磨至比面积4172cm2/g，得到混合物料A。再将66％的混合物料A与26％的水泥熟料和8％的脱硫石膏混合粉磨至比表面积5847cm2/g，得到混合物料B。最后，将83％的混合物料B与17％的单独粉磨至比表面积4625cm2/g的钢渣在混料机内混合均匀。
2.将步骤1所得胶凝材料50％与原始粒级的尾矿50％进行混合，再加入占胶凝材料总质量1％的萘系高效减水剂，拌匀后在模具内浇注并振动成型后，先在室温20℃湿养护环境下停放24小时，再在54℃的温度条件下蒸养12小时，然后在室温20℃条件下进行湿养护。
3.本实施例中，各主要原料的质量配合比为：尾矿占67％，钢渣占8％，矿渣占11％，水泥熟料占11％，脱硫石膏占3％。其中固体废弃物共占原料总质量的89％。
测试材料的收缩性能如表1所示，强度性能如表2所示：
表1实施例1所得产品收缩性能(10-6m/m)
  24h   48h   3d   7d   28d
  轨枕厂参考值   143.250   160.050   192.906   304.081   463.835
  实例1   112.982   129.825   142.456   152.281   153.502
表2实施例1所得产品强度性能(MPa)
Figure BDA0000122250430000031
实施例2：
1.先在磨机中将尾矿粉磨至比表面积3568cm2/g。将43％的磨细尾矿与57％的矿渣混合粉磨至比面积4930cm2/g，得到混合物料A。再将58％的混合物料A与32％的水泥熟料和10％的脱硫石膏混合粉磨至比表面积6347cm2/g，得到混合物料B。最后，将80％的混合物料B与20％的单独粉磨至比表面积5271cm2/g的钢渣在混料机内混合均匀。
2.将步骤1所得胶凝材料50％与原始粒级的尾矿50％进行混合，再加入占胶凝材料总质量1.2％的萘系高效减水剂，拌匀后在模具内浇注并振动成型后，先在室温20℃湿养护环境下停放24小时，再在56℃的温度条件下蒸养12小时，然后在室温20℃条件下进行湿养护。
3.本实施例中，各主要原料的质量配合比为：尾矿占60％，钢渣占10％，矿渣占13％，水泥熟料占13％，脱硫石膏占4％。其中固体废弃物共占原料总质量的87％。
测试材料的收缩性能如表3所示，强度性能如表4所示：
表3实施例2所得产品收缩性能(10-6m/m)
  24h   48h   3d   7d   28d
  轨枕厂参考值   143.250   160.050   192.906   304.081   463.835
  实例2   42.105   48.421   50.526   76.842   113.684
表4实施例2所得产品强度性能(MPa)
Figure BDA0000122250430000041
实施例3：
1.先在磨机中将尾矿粉磨至比表面积4751cm2/g。将48％的磨细尾矿与52％的矿渣混合粉磨至比面积5370cm2/g，得到混合物料A。再将52％的混合物料A与33％的水泥熟料和15％的脱硫石膏混合粉磨至比表面积6594cm2/g，得到混合物料B。最后，将80％的混合物料B与20％的单独粉磨至比表面积5832cm2/g的钢渣在混料机内混合均匀。
2.将步骤1所得胶凝材料50％与原始粒级的尾矿50％进行混合，再加入占胶凝材料总质量0.4％的聚羧酸系高效减水剂，拌匀后在模具内浇注并振动成型后，在室温20℃湿养护环境下进行湿养护。
3.本实施例中，各主要原料的质量配合比为：尾矿占60％，钢渣占10％，矿渣占11％，水泥熟料占13％，脱硫石膏占6％。其中固体废弃物共占原料总质量的87％。
测试材料的收缩性能如表5所示，强度性能如表6所示：
表5实施例3所得产品收缩性能(10-6m/m)
  24h   48h   3d   7d   28d
  轨枕厂参考值   143.250   160.050   192.906   304.081   463.835
  实例2   -32.451   14.617   162.259   237.102   319.702
表6实施例3所得产品强度性能(MPa)
Figure BDA0000122250430000051
实施例4：
1.将尾矿、钢渣、矿渣、熟料和脱硫石膏分别粉磨至以下比表面积：尾矿6487cm2/g，钢渣5701cm2/g，矿渣5814cm2/g，熟料4692cm2/g，脱硫石膏4640cm2/g，将尾矿20％，钢渣20％，矿渣24％，熟料26％，石膏10％在混料机内混合均匀，得到胶凝材料。
2.将步骤1所得胶凝材料50％与原始粒级的尾矿50％进行混合，再加入占胶凝材料总质量0.5％的聚羧酸系高效减水剂，拌匀后在模具内浇注并振动成型后，先在室温20℃湿养护环境下停放24小时，再在54℃的温度条件下蒸养12小时，然后在室温20℃条件下进行湿养护。
3.本实施例中，各主要原料的质量配合比为：尾矿占60％，钢渣占10％，矿渣占12％，水泥熟料占13％，脱硫石膏占5％。其中固体废弃物共占原料总质量的87％。
测试材料的收缩性能如表7所示，强度性能如表8所示：
表7实施例4所得产品收缩性能(10-6m/m)
  24h   48h   3d   7d   28d
  轨枕厂参考值   143.250   160.050   192.906   304.081   463.835
  实例2   -16.566   41.109   72.545   187.204   384.075
表8实施例4所得产品强度性能(MPa)
Figure BDA0000122250430000052

Claims (4)

1.一种低收缩全尾矿细骨料轨枕混凝土及其制备方法，其特征在于生产步骤如下，以下百分比均为重量百分比：
①将尾矿、钢渣、矿渣、熟料和石膏分别粉磨至比表面积4000~7500cm2/g，所述石膏为无水石膏、半水石膏、二水石膏、脱硫石膏、氟石膏和磷石膏中的任意一种或多种，将尾矿10%~50%，钢渣10~30%，矿渣15%~40%，熟料20%~40%，石膏5%~20%在混料机内混合均匀，得到胶凝材料；
②步骤1中所述胶凝材料或者通过以下方法制的：先在磨机中将尾矿粉磨至比表面积2500~5000cm2/g，将30%~80%的磨细尾矿与20%~70%的矿渣混合粉磨至比面积4000~6000cm2/g，得到混合物料A，再将45%~70%的混合物料A与25%~45%的水泥熟料和5%~25%的石膏混合粉磨至比表面积4500~7500cm2/g，得到混合物料B，最后，将70%~90%的混合物料B与10%~30%的单独粉磨至比表面积4000~6000cm2/g的钢渣在混料机内混合均匀得到胶凝材料；
③将步骤1或者步骤2中所得胶凝材料30%~90%与原始粒级的尾矿10%~70%进行混合，再加入占胶凝材料总质量0.2%~2.0%的萘系高效减水剂或聚羧酸系高效减水剂，拌匀后在模具内浇注并振动成型后，分2种方式进行养护，第一：在室温0~40℃条件下进行湿养护；第二：先在室温0~40℃湿养护环境下停放2~72小时，再在40~90℃的温度条件下蒸养5~24小时，然后在室温0~40℃条件下进行湿养护。
2.按照权利要求1所述的一种低收缩全尾矿细骨料轨枕混凝土及其制备方法，其特征在于：作为骨料和部分替代水泥的尾矿成分，按重量百分比包括：SiO2 40%~98%；Al2O3 0.1%~15%；Fe2O3 0.1%~15%；FeO 0.1%~15%；MgO 0.1%~5%；CaO 0.1%~8%；K2O 0.01%~3%；Na2O 0.01%~3%；其烧失量为0.1%~3%。
3.按照权利要求1所述的一种低收缩全尾矿细骨料轨枕混凝土及其制备方法，其特征在于：作为部分替代水泥并发挥微膨胀作用的钢渣成分，按重量百分比包括：CaO 15%～50%；SiO2 5%～20%；Al2O3 0.1%～30%；Fe2O3 0.1%～50%；FeO 10%~30%；MgO 0.1%～15%； MnO 0.1%~10%；其烧失量为0.1%～10%。
4.按照权利要求1所述的一种低收缩全尾矿细骨料轨枕混凝土及其制备方法，其特征在于：作为部分替代水泥矿渣成分，按重量百分比包括：CaO 25%～45%；SiO2 25%～45%；Al2O3 20%～20%；Fe2O3 0.1%～5%；FeO 0.1%~15%；MgO 2%～15%； K2O 0.01%~5%； Na2O 0.01%~3%；其烧失量为0.1%～1%。
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