CN102850011B - 一种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法，通过对铁尾矿进行筛分和机械力化学活化，利用筛分后部分尾矿作为活性粉末混凝土的细骨料，将活化后的尾矿作为活性粉末的组份，制备出铁尾矿活性粉末混凝土材料，本发明的显著优点是采用机械力活化后的铁尾矿和粉煤灰或矿渣代替部分水泥、石英粉和硅灰，筛分后的铁尾矿细骨料代替石英砂或河砂，在标准养护或者高温高压养护条件下均可制得高强度活性粉末混凝土材料，该方法与传统方法相比，降低了原料成本，提高了铁尾矿的综合利用率，减少了天然资源的消耗量，对保护生态环境和促进循环经济的发展具有良好的推动作用。
Description
技术领域
本发明涉及到利用工业固体废弃物制备混凝土的技术领域，具体地讲，涉及到一种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法。
背景技术
活性粉末混凝土是法国人P.Richard在20世纪90年代开发的一种新型水泥基复合材料。活性粉末混凝土具有超高抗压强度，同时具有很高的抗折强度，从而有效的克服普通高性能混凝土脆性高的特点，使其在土木、市政、海洋、核电等工程及军事设施中有良好的应用前景。
改善组成结构是提高混凝土性能的重要途径。活性粉末混凝土通过提高组份的活性和细度，减少材料内部缺陷，改善内部微观结构，获得高强度和高耐久性。所采取的主要措施包括剔除粗骨料，仅采用细骨料，提高材料的匀质性；优化颗粒级配，使用高效减水剂，提高材料的密实度；掺加活性组份和低水胶比改善微观结构；掺入钢纤维，提高韧性等。
一些国家如法国、美国、加拿大等国家对活性粉末混凝土技术的研究较为深入，应用也比较广泛。我国研究人员自1997年以来对活性粉末混凝土的配合比和主要性能进行了初步研究，但缺乏系统的性能研究、施工工艺研究以及应用于工程实践研究。
活性粉末混凝土所用细骨料基本选用石英砂或河砂，活性粉末组份主要由水泥、石英粉和硅灰组成。这些原料成本较高，并且大量消耗自然资源。清华大学曹峰在水泥基体中复合使用粉煤灰，减少了硅灰用量，降低活性粉末混凝土的成本。武汉理工大学胡曙光等发明了一种采用硅酸盐水泥、钢渣粉、粉煤灰、硅灰、河砂等材料制备的低成本活性粉末混凝土材料，专利申请号：200910060802.0；公开号：CN 101486554A。东南大学李刚选用超细粉煤灰、超细高炉矿渣、硅粉以及煅烧高岭土和硅酸盐水泥作为活性粉末混凝土材料的基材，采用多元复合的技术路线，运用纤维增强水泥基复合材料理论，通过大量试验找出了最优配比，成功制备出了抗压强度达200MPa的活性粉末混凝土材料。并结合市政工程的需要，利用此材料制备了窖井盖。以上研究或发明均有益于部分的降低活性粉末混凝土材料成本，改善活性粉末混凝土材料性能，但仍未解决活性粉末混凝土材料大量使用石英砂或河砂等天然资源的问题，限制了活性粉末混凝土材料的大范围推广应用。
铁尾矿是选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分。目前我国铁尾矿的资源综合利用率不到10％，远低于发达国家60％的水平。由于铁尾矿综合利用率低，尾矿大量堆积，维护管理费用高，给环境造成严重的污染和危害，同时带来了占用土地、资源浪费等诸多问题。目前比较成熟的尾矿利用技术主要是生产低附加值的建材制品。例如免烧砖、烧结砖、建筑砌块以及作为混凝土细骨料等。由于产品附加值较低，受运距限制，销售半径小，企业不能获得较好的经济效益。
本发明的目的就是要利用铁尾矿制备活性粉末混凝土，解决活性粉末混凝土材料大量消耗石英砂或河砂等天然资源的问题，扩大了活性粉末混凝土材料的大范围推广应用。
发明内容
实现本发明的一种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法是：通过对铁尾矿进行筛分和机械力化学活化，利用筛分后部分尾矿作为活性粉末混凝土的细骨料，将活化后的尾矿作为活性粉末的组份，制备出铁尾矿活性粉末混凝土材料，本发明的方法是：
一、首先进行原料选取：
铁尾矿细骨料：选取SiO2质量百分含量为60％～85％的铁尾矿，利用方孔筛对铁尾矿进行筛分，筛取粒度为0.08～1.25mm范围内的铁尾矿作为活性粉末混凝土材料的细骨料；
活化铁尾矿：利用球磨机或超细粉磨设备将铁尾矿细骨料筛余部分进行磨细，粉磨后的铁尾矿比表面积达到550～1000m2/kg作为活性粉末混凝土材料的活性粉末组份；
水泥：42.5～62.5的硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥；
粉煤灰：比表面积≥400m2/kg，需水量比不大于95％；
矿渣：比表面积≥400m2/kg；
硅灰：比表面积16000～22000m2/kg，其中SiO2含量≥85％；
高效减水剂：采用萘系或氨基磺酸系或聚羧酸高效减水剂或复合减水剂，减水率≥25％；
钢纤维：长度为10～60mm，直径为0.2～0.6mm，长径比为50～100，抗拉强度1500～2000MPa。
二、原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
水泥 17～30；
粉煤灰或矿渣或粉煤灰与矿渣复合 4～9
活化铁尾矿 4～10；
硅灰 3～9；
铁尾矿细骨料 34～51；
高效减水剂 0.5～1.2；
钢纤维 0～8；
水 6～15。
三、活性粉末混凝土材料各组份选定后其工艺步骤为：
1.将水泥、粉煤灰或矿渣或粉煤灰与矿渣复合料、活化铁尾矿、硅灰作为活性粉末混凝土材料的活性粉末组份，与铁尾矿细骨料按比例混合，在搅拌机内搅拌2～3min；
2.将高效减水剂溶于水，加入搅拌机拌和1～3min，再加入剩余拌和用水，搅拌2～5min。
3.加入钢纤维搅拌至均匀，浇注于模具内，经振动成型后放置在温度20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下养护24h后拆模。
4.脱模后的试件可以在以下4种条件下进行养护。第一，在温度20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下，或在在温度为20±3℃的不流动水中养护；第二，在温度为60～90℃的热水中养护24～72h；第三，先在温度为60～90℃的热水中养护24～72h，然后在200℃的高温中养护6～12h；第四，先在温度为60～90℃的热水中养护24～72h，然后在150～200℃的温度条件和1.0～1.4MPa大气压下进行蒸压养护6～12h。按以上条件养护至相应龄期后进行性能测试。
本发明的显著优点是采用机械力活化后的铁尾矿和粉煤灰或矿渣代替部分水泥、石英粉和硅灰，筛分后的铁尾矿细骨料代替石英砂或河砂，在标准养护或者高温高压养护条件下均可制得高强度活性粉末混凝土材料，该方法与传统方法相比，降低了原料成本，提高了铁尾矿的综合利用率，减少了天然资源的消耗量，对保护生态环境和促进循环经济的发展具有良好的推动作用。
具体实施方式
实施例1：
采用SiO2含量为69％的铁尾矿，筛取0.16mm～1.25mm的铁尾矿作为铁尾矿细骨料，将剩余尾矿磨至比表面积达到600m2/kg的活化铁尾矿作为活性粉末组份，与标号为42.5的普通硅酸盐水泥、比表面积450m2/kg的II级粉煤灰、比表面积20000m2/kg的硅灰、萘系UNF-5型高效减水剂混合，原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
42.5的普通硅酸盐水泥 25；
比表面积450m2/kg的II级粉煤灰 7.5；
活化铁尾矿 6.5；
比表面积20000m2/kg的硅灰 5；
铁尾矿细骨料 44.2；
萘系UNF-5型高效减水剂 0.8；
水 11。
活性粉末混凝土材料各组份选定后其工艺步骤为：
1.将铁尾矿细骨料与活性粉末组份混合，在搅拌机内搅拌2min；
2.将高效减水剂溶于水，加入搅拌机拌和1min，再加入剩余拌和用水，搅拌3min；
3.搅拌均匀后浇注于40mm ×40mm ×160mm的模具内，经振动成型后放置在温度20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下养护24h后拆模；
4.脱模后的试件分别于以下条件下养护至相应龄期：第一，试件1在温度为20±3℃的不流动水中养护28d；第二，试件2在温度为90℃的热水中养护48h；第三，试件3先在温度为90℃的热水中养护48h，然后在200℃的高温中养护8h；
具体实施结果见表1。
表1实施例1强度测试结果
实施例2：
采用SiO2含量为69％的铁尾矿，筛取0.16mm～1.25mm的铁尾矿作为铁尾矿细骨料，将剩余尾矿磨至比表面积达到600m2/kg的活化铁尾矿作为活性粉末组份，与标号为52.5的普通硅酸盐水泥、比表面积450m2/kg的高炉矿渣、比表面积20000m2/kg的硅灰、萘系DNF型高效减水剂混合，原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
52.5的普通硅酸盐水泥 24
比表面积450m2/kg的高炉矿渣 7.2；
活化铁尾矿 6；
比表面积20000m2/kg的硅灰 4.8；
铁尾矿细骨料 47.15；
萘系DNF型高效减水剂 0.85；
水 10。
活性粉末混凝土材料各组份选定后其工艺步骤为：
1.将铁尾矿细骨料与活性粉末组份混合，在搅拌机内搅拌2min；
2.将高效减水剂溶于水，加入搅拌机拌和1min，再加入剩余拌和用水，搅拌3min；
3.搅拌均匀后浇注于40mm×40mm×160mm的模具内，经振动成型后放置在温度20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下养护24h后拆模；
4.脱模后的试件分别于以下条件下养护至相应龄期：第一，试件1在温度为20±3℃的不流动水中养护28d；第二，试件2在温度为80℃的热水中养护72h；第三，试件3先在温度为80℃的热水中养护48h，然后在200℃的高温中养护10h；
具体实施结果见表2。
表2实施例2强度测试结果
实施例3：
采用SiO2为72％的铁尾矿，筛取0.08mm～1.25mm的铁尾矿作为铁尾矿细骨料，将剩余尾矿磨至比表面积达到580m2/kg的活化铁尾矿作为活性粉末组份，与标号为42.5的普通硅酸盐水泥、比表面积450m2/kg的II级粉煤灰、比表面积20000m2/kg的硅灰、13mm活性粉末混凝土专用镀铜钢纤维、萘系UNF-5型高效减水剂混合，原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
42.5的普通硅酸盐水泥 23.7；
比表面积450m2/kg的II级粉煤灰 7.1；
活化铁尾矿 5.9；
比表面积20000m2/kg的硅灰 4.7；
铁尾矿细骨料 41.55；
13mm活性粉末混凝土专用镀铜钢纤维 6.2；
萘系UNF-5型高效减水剂 0.85；
水 10。
活性粉末混凝土材料各组份选定后其工艺步骤为：
1.将铁尾矿细骨料与活性粉末组份混合，在搅拌机内搅拌2min；
2.将高效减水剂溶于水，加入搅拌机拌和1min，再加入剩余拌和用水，搅拌3min；
3.加入钢纤维搅拌均匀后，浇注于40mm×40mm×160mm的模具内，经振动成型后放置在温度20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下养护24h后拆模；
4.脱模后的试件分别于以下条件下养护至相应龄期：第一，试件1在温度为20±3℃的不流动水中养护28d；第二，试件2在温度为90℃的热水中养护48h；第三，试件3先在温度为90℃的热水中养护48h，然后在200℃的高温中养护8h。
具体实施结果见表3。
表3实施例3强度测试结果
Claims (4)
1.一种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法，其特征在于：
一、首先进行原料选取：
铁尾矿细骨料：选取SiO2质量百分含量为60％～85％的铁尾矿，利用方孔筛对铁尾矿进行筛分，筛取粒度为0.08～1.25mm范围内的铁尾矿作为活性粉末混凝土材料的细骨料；
活化铁尾矿：利用球磨机或超细粉磨设备将铁尾矿细骨料筛余部分进行磨细，粉磨后的铁尾矿比表面积达到550～1000m2／kg作为活性粉末混凝土材料的活性粉末组份；
水泥：42.5～62.5的硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥；
粉煤灰：比表面积≥400m2／kg，需水量比不大于95％；
矿渣：比表面积≥400m2／kg；
硅灰：比表面积16000～22000m2／kg，其中SiO2含量≥85％；
高效减水剂：采用萘系或氨基磺酸系或聚羧酸高效减水剂或复合减水剂，减水率≥25％；
钢纤维：长度为10～60mm，直径为0.2～0.6mm，长径比为50～100，抗拉强度1500～2000MPa；
二、原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
水泥 17～30；
粉煤灰或矿渣或粉煤灰与矿渣复合 4～9；
活化铁尾矿 4～10；
硅灰 3～9；
铁尾矿细骨料 34～51；
高效减水剂 0.5～1.2；
钢纤维 0～8；
水 6～15；
三、活性粉末混凝土材料各组份选定后其工艺步骤为：
(一)将水泥、粉煤灰或矿渣或粉煤灰与矿渣复合料、活化铁尾矿、硅灰作为活性粉末混凝土材料的活性粉末组份，与铁尾矿细骨料按比例混合，在搅拌机内搅拌2～3min；
(二)将高效减水剂溶于水，加入搅拌机拌和1～3min，再加入剩余拌和用水，搅拌2～5min；
(三)加入钢纤维搅拌至均匀，浇注于模具内，经振动成型后放置在温度20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下养护24h后拆模；
(四)脱模后的试件在以下4种条件下进行养护，第一，在温度20±3℃，相对湿度不小于90％的标准养护条件下，或在温度为20±3℃的不流动水中养护；第二，在温度为60～90℃的热水中养护24～72h；第三，先在温度为60～90℃的热水中养护24～72h，然后在200℃的高温中养护6～12h；第四，先在温度为60～90℃的热水中养护24～72h，然后在150～200℃的温度条件和1.0～1.4MPa大气压下进行蒸压养护6～12h，按以上条件养护至相应龄期后进行性能测试。
2.根据权利要求1所述的一种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法，其特征在于：采用SiO2含量为69％的铁尾矿，筛取0.16mm～1.25mm的铁尾矿作为铁尾矿细骨料，将剩余尾矿磨至比表面积达到600m2／kg的活化铁尾矿作为活性粉末组份，与标号为42.5的普通硅酸盐水泥、比表面积450m2／kg的II级粉煤灰、比表面积20000m2／kg的硅灰、萘系UNF-5型高效减水剂混合，原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
42.5的普通硅酸盐水泥 25；
比表面积450m2／kg的II级粉煤灰 7.5；
活化铁尾矿 6.5；
比表面积20000m2／kg的硅灰 5；
铁尾矿细骨料 44.2；
萘系UNF-5型高效减水剂 0.8；
水 11。
3.根据权利要求1所述的一种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法，其特征在于：采用SiO2含量为69％的铁尾矿，筛取0.16mm～1.25mm的铁尾矿作为铁尾矿细骨料，将剩余尾矿磨至比表面积达到600m2／kg的活化铁尾矿作为活性粉末组份，与标号为52.5的普通硅酸盐水泥、比表面积450m2／kg的高炉矿渣、比表面积20000m2／kg的硅灰、萘系DNF型高效减水剂混合，原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
52.5的普通硅酸盐水泥 24；
比表面积450m2／kg的高炉矿渣 7.2；
活化铁尾矿 6；
比表面积20000m2／kg的硅灰 4.8；
铁尾矿细骨料 47.15；
萘系DNF型高效减水剂 0.85；
水 10。
4.根据权利要求1所述的一种利用铁尾矿制备活性粉末混凝土的工艺方法，其特征在于：采用SiO2为72％的铁尾矿，筛取0.08mm～1.25mm的铁尾矿作为铁尾矿细骨料，将剩余尾矿磨至比表面积达到580m2／kg的活化铁尾矿作为活性粉末组份，与标号为42.5的普通硅酸盐水泥、比表面积450m2／kg的II级粉煤灰、比表面积20000m2／kg的硅灰、13mm活性粉末混凝土专用镀铜钢纤维、萘系UNF-5型高效减水剂混合，原料选定后活性粉末混凝土材料中各组份按下列重量(％)配制：
42.5的普通硅酸盐水泥 23.7；
比表面积450m2／kg的II级粉煤灰 7.1；
活化铁尾矿 5.9；
比表面积20000m2／kg的硅灰 4.7；
铁尾矿细骨料 41.55；
13mm活性粉末混凝土专用镀铜钢纤维 6.2；
萘系UNF-5型高效减水剂 0.85；
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