CN107382216B - 掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及高强混凝土技术领域，公开了一种掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土及其制备方法。本发明包括多元胶凝体系、铁尾矿、石子、建筑垃圾再生骨料和减水剂，每立方米所述高强混凝土中包括多元胶凝体系568.7kg‑597.5kg、铁尾矿413.9kg‑430.8kg、石子807kg‑1010.07kg、建筑垃圾再生骨料150.93kg‑371.52kg、减水剂8.8‑9.4kg和水150.4kg‑163kg；其中多元胶凝体系包括水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰和稻壳灰，每立方米所述高强混凝土中包括水泥268kg‑279kg、粉煤灰87.1kg‑91.9kg、矿渣174.2kg‑183.8kg、硅灰28kg‑29.9kg和稻壳灰11.4kg‑12.9kg。本发明配比简单、成本低、绿色环保、混凝土密实度高、耐久性强。

Description

掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及高强混凝土生产技术领域，特别是涉及一种掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土及其制备方法。
背景技术
高强混凝土作为一种新的建筑材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。一般的高强混凝土是用水泥、砂、石原材料外加减水剂，或同时外加粉煤灰、F矿粉、矿渣、硅粉等混合料，经常规工艺生产获得的。而掺杂的混合料通常比较单一和固定化，容易导致高强混凝土在提高混凝土密实度和耐久性等方面存在一定程度的不足。可全面改善高强混凝土性能的掺杂料，各种类的材料之间性能调和和优化难度较大，通常需要额外添加激发剂，如中国专利CN104909605中记载的技术方案，通过添加超强激发剂，来促进混凝土内未水化的水泥胶凝材料水化，以提升高强混凝土的性能，但所需的激发剂种类和配比繁复，成本较高，制备方法复杂，难以控制，操作难度大。
而这些高强混凝土材料性能的提升，衍生出的建筑垃圾处理和环境问题也越来越棘手。目前建筑垃圾的处理方式多为填埋或者漏天堆放，一方面对环境造成污染，另一方面，建筑垃圾不能资源化利用，造成我国资源浪费巨大。
发明内容
本发明提供一种配比简单、成本低、绿色环保、混凝土密实度高、耐久性强的掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土及其制备方法。
解决的技术问题是：高强混凝土中掺杂的混合料种类固定、单一，易导致混凝土密实度差，耐久性差；种类多样，则各材料之间的调和与优化难度较大，需要额外添加激发剂，配比复杂，成本高，制作难度大。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，包括多元胶凝体系、铁尾矿、石子、建筑垃圾再生骨料和减水剂，每立方米所述高强混凝土中包括多元胶凝体系568.7kg-597.5kg、铁尾矿413.9kg-430.8kg、石子807kg-1010.07kg、建筑垃圾再生骨料150.93kg-371.52kg、减水剂8.8-9.4kg和水150.4kg-163kg；其中多元胶凝体系包括水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰和稻壳灰，每立方米所述高强混凝土中包括水泥268kg-279kg、粉煤灰87.1kg-91.9kg、矿渣174.2kg-183.8kg、硅灰28kg-29.9kg和稻壳灰11.4kg-12.9kg。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，进一步的，所述铁尾矿包括尾矿粉和尾矿砂，每立方米高强混凝土中包括尾矿粉14.1kg-14.8kg和尾矿砂399.8kg-416kg。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，进一步的，所述尾矿粉和尾矿砂均为矿场废弃物，筛分后使用，所述尾矿砂的粒径为0.3mm-2.5mm；尾矿粉的粒径不超过0.3mm。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，进一步的，所述建筑垃圾再生粗骨料为建筑垃圾经过破碎和过筛制成，粒径为5-15mm。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，进一步的，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其掺量为多元胶凝体系重量的1.5％。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，进一步的，所述多元胶凝体系中，各组分的质量比为水泥：粉煤灰：矿渣：硅灰：尾矿粉：稻壳灰＝1：0.329：0.658：0.107：0.053：0.046。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，进一步的，所述高强混凝土的水胶比为0.26-0.28。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，进一步的，所述水泥为符合标准GB175-2007的强度等级大于等于42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为符合标准GB/T1596-2005的Ⅰ级粉煤灰；所述矿渣为符合标准GB/T18046-2008的S95级粒化高炉矿渣；所述硅灰中二氧化硅的质量百分比大于等于90％；所述石子的粒径为5-15mm。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，进一步的，所述稻壳灰为发电厂燃烧稻壳生成的收尘灰，粒径不超过78μm，烧失量低于5％，活性二氧化硅的含量不低于90％。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、备料：按照以下组分进行备料，每立方米所述高强混凝土中包括水泥268kg-279kg、粉煤灰87.1kg-91.9kg、矿渣174.2kg-183.8kg、硅灰28kg-29.9kg、稻壳灰11.4kg-12.9kg、尾矿粉14.1kg-14.8kg、尾矿砂399.8kg-416kg、石子807kg-1010.07kg、建筑垃圾再生骨料150.93kg-371.52kg、减水剂8.8-9.4kg和水150.4kg-163kg；
步骤二、将水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、尾矿粉、稻壳灰和尾矿砂混合，搅拌均匀；
步骤三、将减水剂与水混合，搅拌均匀；
步骤四、将步骤三调制好的混合液加入步骤二制成的混合物中，搅拌120s-150s；
步骤五、将石子和建筑垃圾再生骨料加入步骤四制成的混合料中，搅拌均匀即可。
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土在建筑原料中加入了建筑垃圾再生骨料和铁尾矿，不仅有利于废弃物的再利用，降低废弃物的处理成本及其对环境造成的负担，促进废弃物的资源化利用，大大降低了建筑的材料成本，而且节省了大量的胶凝材料和砂石材料，施工绿色环保，实现了资源的循环利用，提供了一种绿色环保的高强混凝土，提高了产品的附加值，具有显著的经济效益和环境效益。
本发明同时加入了尾矿砂和尾矿粉，尾矿砂和尾矿粉经过过筛后制得，直接使用，不再通过机器磨细，不仅减少了二次能源消耗，而且将不同粒径的工业废弃物铁尾矿均利用起来，增加了铁尾矿的使用量，提高了铁尾矿利用率；同时，尾矿粉粒径小于尾矿砂，能够起到填充作用，适量配比的尾矿粉与尾矿砂相配合，可有效提高铁尾矿混凝土密实度，改善混凝土耐久性。
本发明所使用的多元胶凝体系同时包括水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣和稻壳灰，其中硅灰粒径较水泥更小，在拌合过程中适量的硅灰发生水化反应，生成硅酸钙凝胶，将尾矿砂和石子等凝聚为一体，同时硅灰的火山灰效应反应剧烈，对于提高混凝土强度有决定性作用；适量的稻壳灰可显著提高原料中的硅含量，与硅灰协同作用，促进胶凝材料水化，减少胶凝体系在混凝土中的掺杂量，同时增加了水分子与水泥颗粒之间的过渡粒级，改善了混凝土拌合物的均匀性；稻壳灰与粉煤灰的粒径范围互补，经过适量的配比能更好的填充尾矿砂和尾矿粉之间的空隙，进而提高混凝土密实度，有利于提高混凝土的耐久性和抗渗性，而且可以在混凝土中发生二次水化反应，提高混凝土的后期强度；矿渣的活性高，化学组成丰富，具有一定的活性，在碱性条件很容易就可以与水发生水化反应，出现硬化，从而产生强度。
具体实施方式
制备实施例
本发明掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土按照以下方法进行制备，具体包括以下步骤：
步骤一、备料：各组分按照表1所示的用量进行备料；表1中所示的用量为每立方米高强混凝土中各组分的质量；其中减水剂为聚羧酸高效减水剂；
步骤二、将水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、尾矿粉、稻壳灰和尾矿砂混合，搅拌均匀；
步骤三、将减水剂与水混合，搅拌均匀；
步骤四、将步骤三调制好的混合液加入步骤二制成的混合物中，搅拌120s-150s；
步骤五、将石子和建筑垃圾再生骨料加入步骤四制成的混合料中，搅拌均匀即可。
表1各制备实施例中原料组分及其用量
Figure BDA0001393730180000031
Figure BDA0001393730180000041
上述制备实施例中，制备的高强混凝土水胶比都在0.26-0.28之间。其中所用的建筑垃圾再生骨料均为建筑垃圾经过破碎和过筛制成，粒径为5-15mm，具体的性能参数如表2所示。
表2建筑垃圾再生骨料的性能参数
Figure BDA0001393730180000042
本发明在高强混凝土中同时使用尾矿砂和尾矿粉，均为矿场废弃物，筛分后使用，尾矿砂的粒径为0.3mm-2.5mm；尾矿粉的粒径不超过0.3mm；尾矿砂和尾矿粉中含有的主要化学成分如表3所示。
表3尾矿砂和尾矿粉中主要成分的含量
Figure BDA0001393730180000043
上述制备实施例中使用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，掺量为多元胶凝材料重量的1.5％，减水率在25％以上。使用的石子为天然石子，经过筛分后直接使用，石子的粒径为5-15mm，水泥为符合标准GB175-2007的强度等级大于等于42.5的普通硅酸盐水泥；粉煤灰为符合标准GB/T1596-2005的Ⅰ级粉煤灰；矿渣为符合标准GB/T18046-2008的S95级粒化高炉矿渣；硅灰中二氧化硅的质量百分比大于等于90％。
将上述制备实施例制备得到的高强混凝土制作成100mm×100mm×100mm的试块，自然养护28d后，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002中的试验规定，进行了混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度试验，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009中的试验规定，进行了混凝土的抗冻性、抗渗试验以及抗碳化试验和混凝土中钢筋锈蚀试验，具体的试验结果如表4所示。
表4各制备实施例的产品性能检测结果
Figure BDA0001393730180000051
由表4可知，本发明制备实施例制得的高强混凝土抗压强度和抗拉强度均不低于传统方法制作的高强混凝土，容重也可达2200g/cm3以上，混凝土具有较好的密实度；25次冻融循环质量损失率不超过1％，28天的碳化深度不超过1mm，28d的钢筋锈蚀失重率为0％，本发明制备实施例制得的高强混凝土具有良好的耐久性；抗渗等级达到P8，具有较好的抗渗性能。
对比实施例1
分别设置对照组和2个试验组，对照组为按照制备实施例1所述的方法制备而成的高强混凝土，试验组1-1和试验组1-2采用现有的两种胶凝体系，具体的组分及用量如表5所示，其余组分及用量均与制备实施例1相同，并采用相同的制备方法进行制备。
表5试验组使用的胶凝体系的组分及用量
Figure BDA0001393730180000052
Figure BDA0001393730180000061
将上述各试验组制得的混凝土制作成100mm×100mm×100mm的试块，自然养护28d后，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002中的试验规定，进行了混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度试验，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009中的试验规定，进行了混凝土的抗冻性、抗渗试验以及抗碳化试验和混凝土中钢筋锈蚀试验，具体的试验结果如表6所示。
表6对比实施例1的各组产品的性能检测结果
Figure BDA0001393730180000062
由表6可知，与对照组相比，采用不同胶凝体系组分和用量配比的试验组1-1和1-2，其抗压强度和抗拉强度有不同程度的降低，容重也降低了4.4％与3.5％，混凝土结构的密实度较差，25次冻融循环质量损失率、28天碳化深度以及28d钢筋锈蚀失重率等均有不同程度的提高，试验组的混凝土耐久性能和抗渗性能较差。
本发明所使用的多元胶凝体系同时包括水泥、硅灰、粉煤灰、矿渣和稻壳灰，其中硅灰粒径较水泥更小，在拌合过程中适量的硅灰发生水化反应，生成硅酸钙凝胶，将尾矿砂和石子等凝聚为一体，同时硅灰的火山灰效应反应剧烈，对于提高混凝土强度有决定性作用；适量的稻壳灰可显著提高原料中的硅含量，与硅灰协同作用，促进胶凝材料水化，减少胶凝体系在混凝土中的掺杂量，同时增加了水分子与水泥颗粒之间的过渡粒级，改善了混凝土拌合物的均匀性；稻壳灰与粉煤灰的粒径范围互补，经过适量的配比能更好的填充尾矿砂和尾矿粉之间的空隙，进而提高混凝土密实度，有利于提高混凝土的耐久性和抗渗性，而且可以在混凝土中发生二次水化反应，提高混凝土的后期强度。
对比实施例2
分别设置对照组和2个试验组，对照组为按照制备实施例1所述的方法制备而成的高强混凝土，试验组2-1和试验组2-2使用不同的铁尾矿组成，试验组2-3使用砂子替代铁尾矿，具体的使用情况如表7所示，其余组分及用量均与制备实施例1相同，并采用相同的制备方法进行制备。
表7对比实施例2中试验组的铁尾矿的使用情况
Kg/m<sup>3</sup> 对照组 试验组2-1 试验组2-2 试验组2-3
尾矿粉 14.4 - 122.4 -
尾矿砂 408 422.4 300 -
砂子 - - - 422.4
将上述各试验组制得的混凝土制作成100mm×100mm×100mm的试块，自然养护28d后，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002中的试验规定，进行了混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度试验，根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009中的试验规定，进行了混凝土的抗冻性、抗渗试验以及抗碳化试验和混凝土中钢筋锈蚀试验，具体的试验结果如表8所示。
表8对比实施例2的各组产品的性能检测结果
Figure BDA0001393730180000071
由表8可知，与对照组相比，单独使用了尾矿砂的试验组2-1和使用砂子的试验组2-3制得的混凝土的容重分别降低了3.9％和11.4％，混凝土结构的密实度有明显的降低；调整了尾矿砂和尾矿粉的配比的试验组2-2制得的混凝土的抗压强度和抗拉强度明显低于对照组。
本发明以铁尾矿完全替代了砂子，并同时使用尾矿砂和尾矿粉，利用其不同的粒径范围，起到填充和互补的作用，可有效提高混凝土的密实度，改善混凝土耐久性能。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，其特征在于：包括多元胶凝体系、铁尾矿、石子、建筑垃圾再生骨料和减水剂，每立方米所述高强混凝土中包括多元胶凝体系568.7kg-597.5kg、铁尾矿413.9kg-430.8kg、石子807kg-1010.07kg、建筑垃圾再生骨料150.93kg-371.52kg、减水剂8.8-9.4kg和水150.4kg-163kg；其中多元胶凝体系包括水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰和稻壳灰，每立方米所述高强混凝土中包括水泥268kg-279kg、粉煤灰87.1kg-91.9kg、矿渣174.2kg-183.8kg、硅灰28kg-29.9kg和稻壳灰11.4kg-12.9kg；所述铁尾矿包括尾矿粉和尾矿砂，每立方米高强混凝土中包括尾矿粉14.1kg-14.8kg和尾矿砂399.8kg-416kg；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其掺量为多元胶凝体系重量的1.5%。
2.根据权利要求1所述的掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，其特征在于：所述尾矿粉和尾矿砂均为矿场废弃物，筛分后使用，所述尾矿砂的粒径为0.3mm-2.5mm；尾矿粉的粒径不超过0.3mm。
3.根据权利要求1所述的掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，其特征在于：所述建筑垃圾再生骨料为建筑垃圾经过破碎和过筛制成，粒径为5-15mm。
4.根据权利要求1所述的掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，其特征在于：以下各组分的质量比为水泥：粉煤灰：矿渣：硅灰：尾矿粉：稻壳灰=1：0.329：0.658：0.107：0.053：0.046。
5.根据权利要求4所述的掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，其特征在于：所述高强混凝土的水胶比为0.26-0.28。
6.根据权利要求1所述的掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，其特征在于：所述水泥为符合标准GB175-2007的强度等级大于等于42.5的普通硅酸盐水泥；所述粉煤灰为符合标准GB/T1596-2005的Ⅰ级粉煤灰；所述矿渣为符合标准GB/T18046-2008的S95级粒化高炉矿渣；所述硅灰中二氧化硅的质量百分比大于等于90%；所述石子的粒径为5-15mm。
7.根据权利要求1所述的掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土，其特征在于：所述稻壳灰为发电厂燃烧稻壳生成的收尘灰，粒径不超过78μm，烧失量低于5%，活性二氧化硅的含量不低于90%。
8.一种掺加铁尾矿与建筑垃圾的高强混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、备料：按照以下组分进行备料，每立方米所述高强混凝土中包括水泥268kg-279kg、粉煤灰87.1kg-91.9kg、矿渣174.2kg-183.8kg、硅灰28kg-29.9kg、稻壳灰11.4kg-12.9kg、尾矿粉14.1kg-14.8kg、尾矿砂399.8kg-416kg、石子807kg-1010.07kg、建筑垃圾再生骨料150.93kg-371.52kg、减水剂8.8-9.4kg和水150.4kg-163kg；
步骤二、将水泥、粉煤灰、矿渣、硅灰、尾矿粉、稻壳灰和尾矿砂混合，搅拌均匀；
步骤三、将减水剂与水混合，搅拌均匀；
步骤四、将步骤三调制好的混合液加入步骤二制成的混合物中，搅拌120s-150s；
步骤五、将石子和建筑垃圾再生骨料加入步骤四制成的混合料中，搅拌均匀即可。
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