CN106927761A - 掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土 - Google Patents

掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土及其制备方法，所述高性能混凝土由下述重量份的原料组成：水泥300‑500份，硅灰10‑40份，铁尾矿混合砂600‑800份，砂率30%‑40%，铁尾矿混合砂由铁尾矿砂和天然砂混合制成，铁尾矿砂占混合砂总重量的百分比为40%‑60%，碎石1000‑1200份，聚羧酸高性能减水剂1‑4份，水200‑210份，短切玄武岩纤维2‑11份。本发明通过掺加硅灰和短切玄武岩纤维以及使用合适的配合比，使得所制备的纤维增强混凝土具有良好的抗拉强度、抗裂性、和易性、耐久性等特点，而且对铁尾矿的二次利用实现了铁尾矿资源的优化配置。

Description

掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土作为一种水泥基材料，抗拉强度低、韧性差、易开裂是固有缺陷，限制了混凝土在土木建筑领域的应用，而水泥基材料复合化是解决这一问题的主要途径，比如纤维增强水泥基复合材料（Fiber Reinforced Cementitious Composites，缩写FRCC）, 由纤维与水泥基材（净浆、浆或混凝土）复合制成。当采用混凝土作为水泥基材时，则有了纤维增强混凝土（Fiber Reinforced Concrete，缩写FRC）的概念。复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，其中纤维增强是核心。
纤维增强混凝土（FRC）中主要通过加入钢纤维、碳纤维或玻璃纤维起到阻裂增韧的作用，其中钢纤维混凝土的生产技术最为成熟，已有相应的技术规程，但钢纤维易抱团、自重大、不耐高温腐蚀。碳纤维虽然力学性能优异，但价格昂贵，使用成本高，而且我国碳纤维的生产和使用技术还不成熟，难以在普通工程结构中大面积应用。玻璃纤维价格低、绝缘性好、抗腐蚀性好，但普通玻璃纤维耐碱性差，性脆易断，不利于混凝土的耐久性。聚丙烯纤维是一种有机纤维，生产成本低，受到广泛关注，但其抗拉强度低、易燃，与基体相容性差。为此，可以考虑在制备纤维增强混凝土过程中采用综合性能和成本更优的纤维材料。
玄武岩纤维（Basalt Fiber ，缩写BF）是以玄武岩矿石作为生产原料，高温熔融后通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成，具有抗拉强度高、抗裂性能好、制备成本低等优点，已经成为国内外研究的重点。同时短切玄武岩纤维的生产使用过程及废弃后的处理对环境造成的污染极小，是一种理想的绿色环保高性能纤维，我国已基本上实现了工业化生产。
砂是混凝土的原材料之一，随着建筑工程的飞速发展，对其需求量也越来越大，天然砂的不断开采对自然环境构成了巨大的压力，在提倡可持续发展的大环境下，禁采和限采天然砂已经成了一个必然的趋势。铁尾矿是选矿后的废弃物，每年我国工矿企业有上亿吨的排放量，堆存量更是高达十几亿吨，如何综合治理和利用这些铁尾矿成了一个难题。铁尾矿砂替代部分天然砂应用于混凝土中，既解决了天然砂过度开采的问题，又解决了铁尾矿回收利用问题。为此本发明采用铁尾矿砂替代部分天然砂作为纤维增强混凝土的细骨料。
粉煤灰是FRC中使用最多的一种矿物掺合料，主要是为了替代部分水泥来节约成本，但其没有良好地改善基体强度以及基体与纤维之间的粘结，砂浆基体破坏时纤维容易被拔出，粉煤灰和纤维的相容性差，黏结强度低，不能充分发挥纤维的性能优势。同时，掺入粉煤灰会降低混凝土的早期强度，干燥收缩大，不利于混凝土的耐久性。为此，可以考虑采用更适宜的矿物掺合料，以制备性能好的纤维增强混凝土。
为此，本发明提出采用短切玄武岩纤维和硅灰，铁尾矿砂替代部分天然砂制备纤维增强混凝土。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土，其配合比由下述重量份的原料组成：水泥300-500份，硅灰10-40份，铁尾矿混合砂600-800份，砂率30%-40%，铁尾矿混合砂由铁尾矿砂和天然砂混合制成，铁尾矿砂占混合砂总重量的百分比为40%-60%，碎石1000-1200份，聚羧酸高性能减水剂1-4份，水200-210份，短切玄武岩纤维2-11份。
所述水泥型号为P.O 42.5-52.5，密度为3100-3250 kg/m³，品质指标须满足《通用硅酸盐水泥（GB 175-2007）》的要求；所述硅灰主要成分为SiO2，含硅量85%-98%，具有极高的火山灰活性，品质指标满足《砂浆和混凝土用硅灰（GB/T 27690-2011）》的要求；所述粗骨料为5-20mm的碎石，连续级配，表观密度2600-2800kg/m³，压碎指标3-6%；所述铁尾矿混合砂为天然砂和铁尾矿砂混合制成的砂；所述天然砂细度模数3.1-3.7，颗粒级配属于Ⅰ区；所述铁尾矿砂细度模数0.7-2.2，颗粒级配属于Ⅲ区；所述铁尾矿混合砂细度模数2.3-3.0，颗粒级配属于Ⅱ区；所述聚羧酸减水剂为高性能减水剂，有效含量20-25%，减水率为20-30%，具有良好的减水保坍作用；所述短切玄武岩纤维密度2550-2650kg/m³，长度5-25mm，直径10-22µm，拉伸强度2000-4000MPa,拉伸弹性模量80-90GPa,断裂伸长率2.4-3.1%。
本发明属于建筑材料技术领域，制备流程见图1,主要步骤如下：
1）铁尾矿混合砂的制作
将所述天然砂和铁尾矿砂按照铁尾矿砂占混合砂总重量40%-60%的比例混合，依据筛分析试验配制出细度模数为2.3-3.0，颗粒级配属于Ⅱ区的铁尾矿混合砂。
2）搅拌机涮膛
搅拌前，先根据配合比加入水泥、硅灰、铁尾矿混合砂和水及少量石子，在搅拌机中进行涮膛，然后倒出多余的砂浆，使水泥砂浆粘附满搅拌机的筒壁，避免正式搅拌时影响拌合物的配合比。
3）加入粗、细骨料
按照设计配合比加入碎石、铁尾矿混合砂，开动搅拌机搅拌0.5-2min。
4）加入水泥、硅灰
骨料搅拌均匀后，应立即加入水泥、硅灰搅拌0.5-2min。
5）加入短切玄武岩纤维
为了避免纤维成团，短切玄武岩纤维分两次均匀的撒入搅拌机，同时为了避免纤维飘散飞出，每次搅拌时间不宜过长，宜为0.5-2min。
6）加入水、减水剂
所有短切玄武岩纤维加入后，将水和聚羧酸高性能减水剂搅拌均匀后倒入搅拌机，拌和3-5min。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土及其制备方法，其优点在于：1）玄武岩纤维性能优异，拉伸强度高、耐腐蚀、耐高温、成本较低，减少对搅拌机械的损耗，便于推广应用。2）硅灰可以改善混凝土的和易性，提高混凝土的密实性、抗渗性及耐久性，硅灰也是抑制混凝土碱-集料反应十分有效的掺合料。3）聚羧酸高性能减水剂具有低掺量，减水率高等优点，保证了混凝土的工作性能，尤其是与硅灰按照特定比例配合加入，使玄武岩纤维被砂浆包裹得更为牢固，提高了二者之间的黏结强度，并且显著提高了混凝土基体强度。4） 用铁尾矿砂替代部分天然砂作为混凝土的细骨料既是对铁尾矿的二次利用又一定程度上保护了天然砂资源，有着良好的经济和社会效益。5）所制备的混凝土较普通的纤维增强混凝土降低了生产成本，提高了基体与纤维之间的黏结强度，纤维由拔出性破坏变为拔断性破坏，充分发挥了纤维的性能优势，较普通的铁尾矿砂混凝土则显著提高了力学性能如抗压强度和劈拉强度6）制备混凝土所使用的玄武岩纤维和聚羧酸高性能减水剂的生产过程对环境造成的污染极小，硅灰和铁尾矿砂又都属于工业的副产品，此类纤维增强混凝土具有绿色环保，优化资源的特点。
本发明所制备的纤维增强混凝土具有良好的抗拉强度、抗裂性、和易性、耐久性等特点，可以用于受拉后易开裂的构件如梁、板，或用于结构的关键部位如节点。
附图说明
图1为混凝土制备流程图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1（混凝土基体强度为C30）：
一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土，由下述重量份的原料组成：P.O 42.5水泥：318份；硅灰：24份；短切玄武岩纤维：5.3份；铁尾矿混合砂：704份；铁尾矿砂占混合砂总重量的百分比为50%，砂率为38%；碎石：1149份；水：205份；聚羧酸高性能减水剂：3.42份。
其中各种材料的参数指标如下：
减水剂为聚羧酸高性能减水剂，有效含量为25%，减水率为25%。
短切玄武岩纤维密度2650kg/m³，纤维长度18mm，直径15μm，拉伸强度2630MPa,拉伸弹性模量85 GPa。
硅灰含硅量为98%，其品质指标满足《砂浆和混凝土用硅灰（GB/T 27690-2011）》的要求。
碎石粒径范围为5mm-20mm，连续级配，表观密度2650 kg/m³，压碎指标5%。
天然砂为粗砂，细度模数为3.3，级配区属于Ⅰ区。
铁矿尾砂为细砂，细度模数为1.8，级配区属于Ⅲ区。
铁尾矿混合砂为中砂，细度模数为2.6，级配区属于Ⅱ区。
水泥为P.O 42.5，密度为3150 kg/m³，其品质指标满足《通用硅酸盐水泥（GB 175-2007）》的要求。
制备过程如下：
（1）将所述天然砂和铁尾矿砂按照铁尾矿砂占混合砂总重量50%的比例混合，依据筛分析试验配制出细度模数为2.6，颗粒级配属于Ⅱ区的铁尾矿混合砂。筛分析试验严格按照《建筑用砂（GB/T 14684-2011）》规定的试验方法进行。
（2）搅拌前，先根据配合比加入水泥、硅灰、铁尾矿混合砂和水及少量石子，在搅拌机中进行涮膛，然后倒出多余的砂浆，使水泥砂浆粘附满搅拌机的筒壁，以免正式搅拌时影响拌合物的配合比；
（3）按照设计配合比加入碎石、铁尾矿混合砂，开动搅拌机搅拌30s；
（4）骨料搅拌均匀后，应立即加入水泥、硅灰搅拌30s；
（5）短切玄武岩纤维分两次均匀的撒入搅拌机，每次搅拌30s；
（6）所有纤维加入后，将水和聚羧酸高性能减水剂搅拌均匀后倒入搅拌机，拌和3min；
（7）依据实验规范测定新拌混凝土塌落度，满足要求即注模成型，不满足要求则调整配合比重新进行（3）（4）（5）（6）。
高性能混凝土标准试块性能：
立方体抗压强度：43 Mpa；轴心抗压强度：32 Mpa；劈拉强度：4 Mpa；
实施例2（混凝土基体强度为C30）：
一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土，由下述重量份的原料组成：P.O 42.5水泥：325份；硅灰：17份；短切玄武岩纤维：5.3份；砂：704份；铁尾矿砂占混合砂总重量的百分比为40%，砂率为38%；碎石：1149份；水：205份；聚羧酸高性能减水剂：3.42份。
其中各种材料的参数指标如下：
减水剂为聚羧酸高性能减水剂，有效含量为25%，减水率为25%。
短切玄武岩纤维密度2650kg/m³，纤维长度18mm，直径15μm，拉伸强度2630MPa,拉伸弹性模量85 GPa。
硅灰含硅量为98%，其品质指标满足《砂浆和混凝土用硅灰（GB/T 27690-2011）》的要求。
碎石粒径范围为5mm-20mm，连续级配，表观密度2650 kg/m³，压碎指标5%。
天然砂为粗砂，细度模数为3.3，级配区属于Ⅰ区。
铁矿尾砂为细砂，细度模数为1.8，级配区属于Ⅲ区。
铁尾矿混合砂为中砂，细度模数为2.8，级配区属于Ⅱ区。
水泥为P.O 42.5，密度为3150 kg/m³，其品质指标满足《通用硅酸盐水泥（GB 175-2007）》的要求。
制备过程如下：
（1）将所述天然砂和铁尾矿砂按照铁尾矿砂占混合砂总重量40%的比例混合，依据筛分析试验配制出细度模数为2.8，颗粒级配属于Ⅱ区的铁尾矿混合砂。筛分析试验严格按照《建筑用砂（GB/T 14684-2011）》规定的试验方法进行。
（2）搅拌前，先根据配合比加入水泥、硅灰、铁尾矿混合砂和水及少量石子，在搅拌机中进行涮膛，然后倒出多余的砂浆，使水泥砂浆粘附满搅拌机的筒壁，以免正式搅拌时影响拌合物的配合比；
（3）按照设计配合比加入碎石、铁尾矿混合砂，开动搅拌机搅拌30s；
（4）骨料搅拌均匀后，应立即加入硅灰、水泥搅拌30s；
（5）短切玄武岩纤维分两次均匀的撒入搅拌机，每次搅拌30s；
（6）所有纤维加入后，将水和聚羧酸高性能减水剂搅拌均匀后倒入搅拌机，拌和3min；
（7）依据实验规范测定新拌混凝土塌落度，满足要求即注模成型，不满足要求则调整配合比重新进行（3）（4）（5）（6）。
高性能混凝土标准试块性能：
立方体抗压强度：42 Mpa；轴心抗压强度：32 Mpa；劈拉强度：3.6 Mpa；
实施例3（混凝土基体强度为C35）
一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土，由下述重量份的原料组成：P.O 42.5水泥：350份；硅灰：30份；短切玄武岩纤维：2份；铁尾矿混合砂：635份；铁尾矿砂占混合砂总重量的百分比为50%，砂率为35%;碎石：1179份；水：205份；聚羧酸高性能减水剂：1份。
其中各种材料的参数指标如下：
减水剂为聚羧酸高性能减水剂，有效含量为20%，减水率为20%。
短切玄武岩纤维密度2550kg/m³，纤维长度5mm，直径10μm，拉伸强度2000MPa,拉伸弹性模量80 GPa。
硅灰含硅量为98%，其品质指标满足《砂浆和混凝土用硅灰（GB/T 27690-2011）》的要求。
碎石粒径范围为5mm-20mm，连续级配，表观密度2600 kg/m³，压碎指标3%。
天然砂为粗砂，细度模数为3.1，级配区属于Ⅰ区。
铁矿尾砂为细砂，细度模数为1.6，级配区属于Ⅲ区。
铁尾矿混合砂为中砂，细度模数为2.7，级配区属于Ⅱ区。
水泥为P.O 42.5，密度为3150 kg/m³，其品质指标满足《通用硅酸盐水泥（GB 175-2007）》的要求。
制备过程如下：
（1）将所述天然砂和铁尾矿砂按照铁尾矿砂占混合砂总重量50%的比例混合，依据筛分析试验配制出细度模数为2.7，颗粒级配属于Ⅱ区的铁尾矿混合砂。筛分析试验严格按照《建筑用砂（GB/T 14684-2011）》规定的试验方法进行。
（2）搅拌前，先根据配合比加入水泥、硅灰、铁尾矿混合砂和水及少量石子，在搅拌机中进行涮膛，然后倒出多余的砂浆，使水泥砂浆粘附满搅拌机的筒壁，以免正式搅拌时影响拌合物的配合比；
（3）按照设计配合比加入碎石、铁尾矿混合砂，开动搅拌机搅拌30s；
（4）骨料搅拌均匀后，应立即加入硅灰、水泥搅拌30s；
（5）短切玄武岩纤维分两次均匀的撒入搅拌机，每次搅拌30s；
（6）所有纤维加入后，将水和聚羧酸高性能减水剂搅拌均匀后倒入搅拌机，拌和3min；
（7）依据实验规范测定新拌混凝土塌落度，满足要求即注模成型，不满足要求则调整配合比重新进行（3）（4）（5）（6）。
高性能混凝土标准试块性能：
立方体抗压强度：50 Mpa；轴心抗压强度：36 Mpa；劈拉强度：4.5 Mpa；
实施例4（混凝土基体强度为C35）：
一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土，由下述重量份的原料组成：P.O 42.5水泥：360份；硅灰：20份；短切玄武岩纤维：11份；铁尾矿混合砂：635份；铁尾矿砂占混合砂总重量的百分比为40%，砂率为35%;碎石：1179份；水：205份；聚羧酸高性能减水剂：4份。
其中各种材料的参数指标如下：
减水剂为聚羧酸高性能减水剂，有效含量为25%，减水率为30%。
短切玄武岩纤维密度2650kg/m³，纤维长度25mm，直径22μm，拉伸强度4000MPa,拉伸弹性模量90 GPa。
硅灰含硅量为98%，其品质指标满足《砂浆和混凝土用硅灰（GB/T 27690-2011）》的要求。
碎石粒径范围为5mm-20mm，连续级配，表观密度2800 kg/m³，压碎指标6%。
天然砂为粗砂，细度模数为3.2，级配区属于Ⅰ区。
铁矿尾砂为细砂，细度模数为1.7，级配区属于Ⅲ区。
铁尾矿混合砂为中砂，细度模数为2.9，级配区属于Ⅱ区。
水泥为P.O 42.5，密度为3250 kg/m³，其品质指标满足《通用硅酸盐水泥（GB 175-2007）》的要求。
制备过程如下：
（1）将所述天然砂和铁尾矿砂按照铁尾矿砂占混合砂总重量40%的比例混合，依据筛分析试验配制出细度模数为2.9，颗粒级配属于Ⅱ区的铁尾矿混合砂。筛分析试验严格按照《建筑用砂（GB/T 14684-2011）》规定的试验方法进行。
（2）搅拌前，先根据配合比加入水泥、硅灰、铁尾矿混合砂和水及少量石子，在搅拌机中进行涮膛，然后倒出多余的砂浆，使水泥砂浆粘附满搅拌机的筒壁，以免正式搅拌时影响拌合物的配合比；
（3）按照设计配合比加入碎石、铁尾矿混合砂，开动搅拌机搅拌30s；
（4）骨料搅拌均匀后，应立即加入硅灰、水泥搅拌30s；
（5）短切玄武岩纤维分两次均匀的撒入搅拌机，每次搅拌30s；
（6）所有纤维加入后，将水和聚羧酸高性能减水剂搅拌均匀后倒入搅拌机，拌和3min；
（7）依据实验规范测定新拌混凝土塌落度，满足要求即注模成型，不满足要求则调整配合比重新进行（3）（4）（5）（6）。
高性能混凝土标准试块性能：
立方体抗压强度：49 Mpa；轴心抗压强度：35 Mpa；劈拉强度：4 Mpa；
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土，其特征在于，所述高性能混凝土由下述重量份的原料组成：水泥300-500份，硅灰10-40份，铁尾矿混合砂600-800份，砂率30%-40%，铁尾矿混合砂由铁尾矿砂和天然砂混合制成，铁尾矿砂占混合砂总重量的百分比为40%-60%，碎石1000-1200份，聚羧酸高性能减水剂1-4份，水200-210份，短切玄武岩纤维2-11份。
2.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征在于，所述水泥型号为P.O 42.5-52.5，密度为3100-3250 kg/m³。
3.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征在于，所述硅灰的含硅量85%-98%。
4.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征在于，所述碎石粒径为5-20mm，连续级配，表观密度2600-2800kg/m³，压碎指标3-6%；所述铁尾矿混合砂的细度模数为2.3-3.0，颗粒级配属于Ⅱ区；所述天然砂细度模数3.1-3.7，颗粒级配属于Ⅰ区；所述铁尾矿砂细度模数0.7-2.2，颗粒级配属于Ⅲ区。
5.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征在于，所述聚羧酸减水剂为高性能减水剂，有效含量20-25%，减水率为20-30%。
6.根据权利要求1所述的高性能混凝土，其特征在于，所述短切玄武岩纤维密度2550-2650kg/m³，长度5-25mm，直径10-22µm，拉伸强度2000-4000MPa,拉伸弹性模量80-90GPa,断裂伸长率2.4-3.1%。
7.一种制备如权利要求1所述的掺加铁尾矿砂、硅灰和玄武岩纤维的高性能混凝土的方法，其特征在于，主要包括如下具体步骤：
1）铁尾矿混合砂的制作
将所述天然砂和铁尾矿砂按照铁尾矿砂占混合砂总重量40%-60%的比例混合，依据筛分析试验配制出细度模数为2.3-3.0，颗粒级配属于Ⅱ区的铁尾矿混合砂；
2）搅拌机涮膛
搅拌前，先根据配合比加入水泥、硅灰、铁尾矿混合砂和水及少量石子，在搅拌机中进行涮膛，然后倒出多余的砂浆，使水泥砂浆粘附满搅拌机的筒壁，避免正式搅拌时影响拌合物的配合比；
3）加入粗、细骨料
按照设计配合比加入碎石、铁尾矿混合砂，开动搅拌机搅拌0.5-2min；
4）加入水泥、硅灰
骨料搅拌均匀后，应立即加入水泥、硅灰搅拌0.5-2min；
5）加入短切玄武岩纤维
为了避免纤维成团，短切玄武岩纤维分两次均匀的撒入搅拌机，同时为了避免纤维飘散飞出，每次搅拌时间不宜过长，为0.5-2min；
6）加入水、减水剂
所有短切玄武岩纤维加入后，将水和聚羧酸高性能减水剂搅拌均匀后倒入搅拌机，拌和3-5min。
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