CN102992722A

CN102992722A - 超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料及其制备方法

Info

Publication number: CN102992722A
Application number: CN2012105425174A
Authority: CN
Inventors: 李北星; 宋小婧; 王威; 陈梦义
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-12-14
Also published as: CN102992722B

Abstract

本发明涉及超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料及其制备方法，由下列组分按下述重量比配制而成：水泥30%~45%、铁尾矿砂45%~55%、多元矿物掺合料6~15%、减水剂0.35~1%、保塑剂0.1~1%、塑性膨胀剂0.01~0.1%、补偿收缩膨胀剂2~6%。将上述组分混合均匀后加水搅拌均匀即可使用，水料比为0.09~0.11。本灌浆材料流动性好、塑性阶段具有良好稳定性，从塑性阶段至硬化后期全程无收缩，且具有超高的初期强度、最终强度及弹性模量，1d抗压强度达到50MPa，28d抗压强度能达到超过110MPa，28d弹性模量超过45GPa。适用于各种需要高强度、高模量重要部位或区域灌浆使用。

Description

超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料工程领域，具体涉及一种超高强尾矿砂水泥基灌浆料及其制备方法。

背景技术

建筑行业、冶金行业、电力行业、交通行业都在趋于超大型化发展，工程项目越来越复杂。其中灌浆料在这些行业的基础设施建设中起到重要的作用，如大型桥梁的支座灌浆、风力发电机灌浆、特大机电设备安装的螺栓锚固、设备基础二次灌浆等等。水泥基灌浆料是以优质的高强度颗粒状材料作为细骨料，以水泥等活性材料作为胶凝材料，并用高减水率、微膨胀、防离析等外加剂辅助配制而成的特种砂浆。它在施工现场加以一定量的水，搅拌均匀后即可使用。灌浆料要满足自流性好、高强、无收缩、微膨胀等优异性能来保证工程应用的要求。我国现行水泥基灌浆材料的国家规范《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T 50448-2008）和建材行业标准《水泥基灌浆材料》（JC/T986-2005）对灌浆料的1d、3d和28d抗压强度指标要求分别是20MPa、40MPa和60MPa，对弹性模量未作要求。在实际工程施工中，一些大型和超大型的设备在安装时由于质量非常大，运行时负荷大，对灌浆料的力学性能和疲劳强度提出了更高的要求，而现有水泥基灌浆料的28d强度基本在60MPa~80MPa左右，不能满足日益增多的大型工程项目对灌浆料的超高强度、高模量的技术要求。目前，国内对抗压强度超过110MPa、弹性模量超过45GPa的超高强度、高模量水泥基灌浆料的研究和生产的报道极少，高品质、超高强水泥灌浆料的使用只能依赖进口。仅有中国专利 CN 101921086 A一种水泥基超高强无收缩灌浆料28d抗压强度达到超过120MPa，但其高强度是由于配比中掺有5%~10%的普通钢纤维或异型钢纤维以及使用了优质石英砂，大大增加了灌浆料的生产成本，使用费用和进口灌浆料没有明显优势。

细骨料是制备灌浆料的主要原材料，在灌浆料中重量占比一般为50%，工程中对灌浆料巨大的需求量导致工程中要耗费大量的细骨料。目前，细骨料的来源大多数是精选的天然砂或优质石英砂，然而天然砂是一种地方资源，分布很不均匀，短期内不可再生，很多地区天然砂资源短缺或优质天然砂资源储量日益减少，或为保护河道和生态环境而限制开采，天然砂的供应日趋紧张，而优质石英砂主要用于玻璃原料，价格昂贵。因此减少灌浆料中天然砂和石英砂的使用量对于缓解砂资源短缺是一条有效途径。

尾矿砂是指矿山中开采的矿石经选矿流程处理后剩余的固体废弃物，其组成成分中多数含有尚未完全回收的矿物。据不完全统计，我国由于矿产资源开发而产生的尾矿累积堆存量已达100亿吨以上，年产出量达到了12亿吨，占全世界尾矿产出量的50%以上。其中铁尾矿占全部尾矿堆存总量的60%。目前在我国的各类工业固体废弃物中，煤矸石的综合利用率达到了62.5%，粉煤灰达到了67%，而尾矿的综合利用率只有14%，相比之下，尾矿的综合利用大大滞后。尾矿已成为我国目前产出量最大、综合利用率很低的固体废弃物。目前铁尾矿利用状况主要是铁尾矿再选与有价元素的综合回收、复垦植被、用作土壤改良剂及微量元素肥料、生产建筑材料等方面。在利用尾矿制备建筑材料的研究和应用领域，国内外目前主要集中在利用尾矿制砖、制备水泥、加气混凝土、制备建筑陶瓷、微晶玻璃和新型玻璃材料等方面。

通过研究，铁尾矿砂主要矿物成分是石英、长石、方解石、辉石、石榴石、角闪石及少量的赤铁矿等，化学成分主要含有SiO₂、Al₂O₃、CaO、Fe₂O₃、MgO以及少量的K₂O、Na₂O，其物理化学性质稳定，不具备碱活性，是一种偏酸性骨料，可以安全地用于水泥混凝土和水泥砂浆的骨料。铁尾矿砂通过筛选分级后，可以根据使用需要把不同粒级的砂粒按不同比例组合成各种细度的砂。另外，铁尾矿砂颗粒压碎值较低，抵抗外力破坏能力强，作为细骨料具有具有很好的骨架和填充作用，且铁尾矿砂颗粒具有多棱角、表面粗糙凹凸不平的特点，与水泥浆体的界面粘结强度高，能增加混凝土或砂浆材料的强度尤其是抗折强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供了一种超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料及其制备方法，以此减少灌浆料中天然砂和石英砂的使用，缓解天然砂资源短缺，以及由于使用价格昂贵的石英砂带来的灌浆料成本的上升，实现铁尾矿资源高效利用，所得灌浆料具有流动性好，微膨胀，超高强度和高弹性模量的优异性能。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于其原料组分包括有水泥、铁尾矿砂、多元矿物掺合料、减水剂、保塑剂、塑性膨胀剂和补偿收缩膨胀剂，经混合得到灌浆料，各原料组分按重量百分比计为：

水泥：30~45% 铁尾矿砂：45~55% 多元矿物掺合料：6~15%

减水剂：0.35~1% 保塑剂：0.1~1% 塑性膨胀剂：0.01~0.1%

补偿收缩膨胀剂： 2~6% 。

按上述方案，所使用的水泥为52.5级及以上强度等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥和42.5级及以上强度等级的快硬硫铝酸盐水泥，其中42.5级及以上强度等级的快硬硫铝酸盐水泥占总水泥总质量的0%~10%。

按上述方案，所述的铁尾矿砂粒径≤4.75mm，细度模数在1.7~3.0之间，其中，粒径为0.075mm以下的铁尾矿砂颗粒细粉含量≤10%，压碎值≤25%，含泥量≤1%，含水率≤1.0%。

按上述方案，水泥、多元矿物掺合料和补偿收缩膨胀剂组成的胶凝材料与铁尾矿砂的胶砂比为1：0.8~1：1.2。

按上述方案，所述的多元矿物掺合料由硅粉与Ⅰ级粉煤灰、S95级磨细矿渣粉和Microbead微珠活性微粉中的至少一种复合组成，其中硅粉中SiO₂的含量≥85%，硅粉28d活性指数≥85%。

按上述方案，所述的Microbead微珠活性微粉为深圳同成新材料科技有限公司生成的Microbead微珠活性微粉，其比表面积3000 m²/kg以上。

按上述方案，所述的减水剂为聚羧酸系减水剂粉剂，其减水率≥30%。

按上述方案，所述的保塑剂为赫克力士天普化工有限公司生产的5011L可再分散乳胶粉。

按上述方案，所述的塑性膨胀剂为N,N-二亚硝基五亚甲基四胺。

按上述方案，所述的补偿收缩膨胀剂为硫铝酸钙类混凝土膨胀剂UEA、AEA和CSA中的任意一种，其水中7d限制率≥0.025%，空气中21d限值膨胀率≥-0.020%。

所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料的制备方法，其特征在于：分别按照重量分数称取各种组分材料，先将减水剂、保塑剂、塑性膨胀剂和补偿收缩膨胀剂投入到小型混料机中预混5~10min，混匀后待用；将水泥、铁尾矿砂、多元矿物掺合料和预混好的外加剂投入到大型混料机中，混合搅拌10~15min至均匀，即得超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，各原料组分按重量百分比计为：

水泥：30~45% 铁尾矿砂：45~55% 多元矿物掺合料：6~15%

减水剂：0.35~1% 保塑剂：0.1~1% 塑性膨胀剂：0.01~0.1%

补偿收缩膨胀剂： 2~6%。

下面针对本发明各组分的作用进行逐一说明：

采用快硬硫铝酸盐水泥目的是使灌浆料获得高的早期力学性能。

硅粉颗粒的平均粒径在0.1μm，具有极高的活性和微细集料填充作用，与水泥水化产生的Ca(OH)₂发生火山灰反应从而将大量胶凝性能低的Ca(OH)₂转化成高胶凝性的C-S-H凝胶，且可以填充于水泥颗粒之间形成最大的粘合密实堆积，对改善铁尾矿砂与水泥浆体之间的界面粘结强度和降低水泥颗粒和水化产物之间的微细孔隙有很好的作用，有助于灌浆料密实度和强度的提高。另外，由于铁尾矿砂的颗粒表面粗糙、粒形多棱角，导致浆体的流动性变差。采用Ⅰ级粉煤灰、S95级磨细矿渣粉或Microbead微珠活性微粉等活性矿物掺合料能够充分利用这些矿物质材料组分的颗粒形貌效应来改善浆体的流动性，有利于保证灌浆料的高流动性及塑性稳定性，其中Microbead微珠活性微粉是一种完美正球状、颗粒极细的铝硅酸盐物质，具有优异的微细填充和“滚珠润滑”效应，物理减水效果显著，能显著增加浆体流动性，并且具有较高的活性，掺入后对浆体也有一定的增强效果。

减水剂为聚羧酸系高效减水剂粉剂，掺量以满足灌浆料的流动性要求为准。使用减水率较高的减水剂能够解决低水料比与高流动性矛盾，由于超高强度灌浆料的水料比很低且铁尾矿砂颗粒粗糙多棱角引起灌浆料流动性不良，因此需要采用减水率更大的聚羧酸高效减水剂来更多地释放水泥细粉和矿物掺合料微细粉颗粒包裹的水分，改善灌浆料中超细粉料的分散性和浆体的流动性。

保塑剂为可再分散醋酸乙烯酯/乙烯二元共聚乳胶粉，是一种具有良好抗皂化性能的遇水可再分散乳胶粉，作用是提高浆体的保水能力，改善浆体的流动度保持性。

塑性膨胀剂为亚硝基化合物：N,N-二亚硝基五亚甲基四胺。该有机化合物在水泥水化的初始阶段，在碱金属催化作用下，自身发生分解不断产生氮气产生微膨胀以补偿塑性阶段的收缩，从而避免了灌浆料在塑性阶段的沉降与开裂，确保了灌浆料的密实、充盈，且具有掺量低，形成的泡孔均匀稳定致密，对钢筋无损害的优点。

补偿收缩膨胀剂为用于补偿收缩和微膨胀混凝土的硫铝酸钙类膨胀剂UEA、AEA和CSA。膨胀剂掺入浆体后，其中的硫铝酸钙、铝酸一钙、硬石膏、硫铝酸钾等主要矿物与水泥中的Ca(OH)₂水化产物、二水石膏等发生水化反应形成钙矾石产生适度膨胀，补偿水泥水化的自收缩和干燥收缩，防止灌浆料的收缩开裂，提高灌浆料硬化体的体积稳定性，使灌浆料与和设备基础之间的接触不至于因为灌浆料的收缩而产生缝隙影响设备运行的安全性。

本发明的有益效果：

（1）本发明灌浆料采用的水料比低，用水量少，水料比为0.09~0.11，使得浆体具有超高的力学性能，1d抗压强度≥50MPa；3d抗压强度≥70 MPa，7d抗压≥90 MPa, 28d抗压≥110MPa，且28d抗压弹性模量≥50GPa。这种超高强度、高模量的灌浆料，能够满足在实际工程施工中一些大型和超大型的设备、构件的安装固定，如用于风力发电机基础、单桩、风塔的过渡件等区域，这些设备和构件质量非常大，运行时负荷大，对灌浆料有极高强度和抗疲劳性能的要求；

（2）本发明中充分利用了铁尾矿砂颗粒具有的物理化学性质稳定、颗粒强度高、表面粗糙与水泥粘结能力强等骨架特点，作为灌浆料细骨料替代优质天然砂和精选石英砂使用。铁尾矿砂占灌浆料组成总量最高可达55%，从而大大减少了灌浆料中天然砂或石英砂的使用量，缓解了天然砂紧缺的问题，并且降低灌浆料成本。本发明为铁尾矿砂资源的高效、大量利用提供了一种有利途径；

（3）本发明的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料采用聚羧酸高效减水剂、Ⅰ级粉煤灰、S95级磨细矿渣粉或Microbead微珠活性微粉和保塑剂等多种有机、无机材料配合来改善灌浆料在塑性阶段的流动性和稳定性。浆体具有高流动性，浆体扩展流动度≥340mm，填充或充盈性能优异，且在保持高流动下未有离析分层现象，能够满足各种用途情况下的超高强度灌浆；

（4）本发明的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料采用塑性膨胀剂和补偿收缩膨胀剂进行复合，在塑性阶段和硬化后期均能够产生适度膨胀，解决了灌浆料塑性阶段沉降、早期自收缩和硬化后期干燥收缩等全程体积稳定性问题，确保了所灌注的空间的密实填充和耐久性优异；

（5）本发明灌浆料为一种干混料，制备工艺简单，各种原材料来源广泛，成本低廉。采用袋装包装的形式，使用时与一定比例的水（水料比为0.09~0.11）混合搅拌均匀即可使用，施工简便。

具体实施方式

超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，根据工程应用的要求，通过调整灌浆料的配合比可以获得所需要的性能。为了更好地理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，按照重量百分比，其配方如下：

普通52.5硅酸盐水泥：36.8%

42.5级快硬硫铝酸盐水泥：2.5%

铁尾矿砂：49.7%

多元矿物掺合料：8%

补偿收缩膨胀剂：2.33%

减水剂：0.4%

塑性膨胀剂：0.02%

保塑剂：0.25%

配合比中使用的铁尾矿砂细度模数在1.7到3.0，配合比中使用的铁尾矿砂粒径及级配要求具体如下：

4.75~2.36mm 14%

2.36mm~1.18mm 35%

1.18m ~0.3mm 31%

≤0.3mm 20%

其中粒径为0.075mm以下的铁尾矿砂颗粒细粉含量≤10%，压碎值≤25%，含泥量≤1%，含水率≤1.0%。

减水剂使用弗克科技（苏州）有限公司生产的FOX talon101聚羧酸减水剂粉剂，其减水率≥30%，塑性膨胀剂为N,N-二亚硝基五亚甲基四胺，补偿收缩膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂UEA（其水中7d限制率≥0.025%，空气中21d限值膨胀率≥-0.020%），保塑剂为赫克力士天普化工有限公司生产的5011L可再分散乳胶粉（醋酸乙烯酯/乙烯二元共聚胶粉），多元矿物掺合料采用硅粉、Ⅰ级粉煤灰（硅灰37.5%，Ⅰ级粉煤灰62.5%）复合组成，其中硅粉SiO₂的含量≥85%，硅粉28d活性指数≥85%，拌制出的灌浆料流动性好。

本实施例制备时，先将各组分按配方将减水剂、保塑剂、塑性膨胀剂和补偿收缩膨胀剂投入到小型混料机中预混5~10min，混匀后待用；将水泥、铁尾矿砂、多元矿物掺合料和预混好的外加剂投入到大型混料机中，混合搅拌10~15min至均匀，即得超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，使用时再按0.10的水料比称取灌浆料拌合水（即1000kg灌浆料干粉加水100kg），采用混凝土或砂浆强制搅拌机搅拌5min~7min至形成均匀、可自流的浆体即可用于灌浆施工。

实施例2：

普通52.5硅酸盐水泥：37.2%

42.5快硬硫铝酸盐水泥：2.5%

铁尾矿砂：49.5%

多元矿物掺合料：7.4%

补偿收缩膨胀剂：2.5%

减水剂：0.5%

塑性膨胀剂：0.02%

保塑剂：0.38%

2.36mm~1.18mm 33%

1.18m ~0.3mm 37%

0.3~0.15mm 30%

压碎值≤25%，含泥量≤1%，含水率≤1.0%。

多元矿物掺合料采用硅粉和S95级磨细矿渣粉（硅粉25%，S95级磨细矿渣粉75%）复合组成，其中硅粉SiO₂的含量≥85%，硅粉28d活性指数≥85%，其他同上例。

本实施例制备时，先将各组分按配方将减水剂、保塑剂、塑性膨胀剂和补偿收缩膨胀剂投入到小型混料机中预混5~10min，混匀后待用；将水泥、铁尾矿砂、多元矿物掺合料和预混好的外加剂投入到大型混料机中，混合搅拌10~15min至均匀，即得超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，使用时再按0.11的水料比称取灌浆料拌合水（即1000kg灌浆料干粉加水110kg），采用混凝土或砂浆强制搅拌机搅拌5min~7min至形成均匀、可自流的浆体即可用于灌浆施工。此配合比拌制出的灌浆料流动相对实施例1流动性稍低一些。

实施例3：

超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，按照重量百分比，其配方如下：

普通52.5硅酸盐水泥：32.7%

铁尾矿砂：54%

多元矿物掺合料：10.2%

补偿收缩膨胀剂：2.49%

减水剂：0.36%

塑性膨胀剂：0.02%

保塑剂：0.23%

2.36mm~1.18mm 27%

1.18mm ~ 0.3mm 53%

≤0.3mm 20%

减水剂使用弗克科技（苏州）有限公司生产的FOX talon101聚羧酸粉剂减水剂，塑性膨胀剂为N,N-二亚硝基五亚甲基四胺，补偿收缩膨胀剂为硫铝酸钙类膨胀剂CSA（其水中7d限制率≥0.025%，空气中21d限值膨胀率≥-0.020%），保塑剂为赫克力士天普化工有限公司生产的5011L可再分散乳胶粉（醋酸乙烯酯/乙烯二元共聚胶粉）。多元矿物掺合料采用硅粉、深圳同成新材料科技有限公司生产的Microbead微珠活性微粉（硅粉20%，微珠活性微粉80%）复合而成。

本实施例制备时，先将各组分按配方将减水剂、保塑剂、塑性膨胀剂和补偿收缩膨胀剂投入到小型混料机中预混5~10min，混匀后待用；将水泥、铁尾矿砂、多元矿物掺合料和预混好的外加剂投入到大型混料机中，混合搅拌10~15min至均匀，即得超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，使用时再按按0.09的水料比称取灌浆料拌合水（即1000kg灌浆料干粉加水90kg），采用混凝土或砂浆强制搅拌机搅拌5min~7min至形成均匀、可自流的浆体即可用于灌浆施工。本实施例中相比之前的配方主要是增加了铁尾矿砂的比例，使用高活性的具有矿物减水作用的微珠活性微粉，保证了浆体的高强度及良好的流动性。

按上述三种配方配制制得的超高强铁尾矿水泥基灌浆料性能良好，实施例中灌浆料性能见下表，试验方法依照GBT50448-2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》

。

Claims

1.超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于其原料组分包括有水泥、铁尾矿砂、多元矿物掺合料、减水剂、保塑剂、塑性膨胀剂和补偿收缩膨胀剂，经混合得到灌浆料，各原料组分按重量百分比计为：

水泥：30~45% 铁尾矿砂：45~55% 多元矿物掺合料：6~15%

减水剂：0.35~1% 保塑剂：0.1~1% 塑性膨胀剂：0.01~0.1%

补偿收缩膨胀剂： 2~6% 。

2.如权利要求1所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于：所使用的水泥为52.5级及以上强度等级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥和42.5级及以上强度等级的快硬硫铝酸盐水泥，其中42.5级及以上强度等级的快硬硫铝酸盐水泥占总水泥总质量的0%~10%。

3.如权利要求1所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于：所述的铁尾矿砂粒径≤4.75mm，细度模数在1.7~3.0之间，其中，粒径为0.075mm以下的铁尾矿砂颗粒细粉含量≤10%，压碎值≤25%，含泥量≤1%，含水率≤1.0%。

4.如权利要求3所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于：水泥、多元矿物掺合料和补偿收缩膨胀剂组成的胶凝材料与铁尾矿砂的胶砂比为1：0.8~1：1.2。

5.如权利要求1所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于所述的多元矿物掺合料由硅粉与Ⅰ级粉煤灰、S95级磨细矿渣粉和Microbead微珠活性微粉中的至少一种复合组成，其中硅粉中SiO₂的含量≥85%，硅粉28d活性指数≥85%。

6.如权利要求5所述的超高强尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于所述的Microbead微珠活性微粉为深圳同成新材料科技有限公司生成的Microbead微珠活性微粉，其比表面积3000 m²/kg以上。

7.如权利要求1所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸系减水剂粉剂，其减水率≥30%。

8.如权利要求1所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于：所述的保塑剂为赫克力士天普化工有限公司生产的5011L可再分散乳胶粉。

9.如权利要求1所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于：所述的塑性膨胀剂为N,N-二亚硝基五亚甲基四胺。

10.如权利要求1所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，其特征在于：所述的补偿收缩膨胀剂为硫铝酸钙类混凝土膨胀剂UEA、AEA和CSA中的任意一种，其水中7d限制率≥0.025%，空气中21d限值膨胀率≥-0.020%。

11.如权利要求1-10中任一权利所述的超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料的制备方法，其特征在于：分别按照重量分数称取各种组分材料，先将减水剂、保塑剂、塑性膨胀剂和补偿收缩膨胀剂投入到小型混料机中预混5~10min，混匀后待用；将水泥、铁尾矿砂、多元矿物掺合料和预混好的外加剂投入到大型混料机中，混合搅拌10~15min至均匀，即得超高强铁尾矿砂水泥基灌浆料，各原料组分按重量百分比计为：

水泥：30~45% 铁尾矿砂：45~55% 多元矿物掺合料：6~15%

减水剂：0.35~1% 保塑剂：0.1~1% 塑性膨胀剂：0.01~0.1%

补偿收缩膨胀剂： 2~6%。