CN109824325B

CN109824325B - 一种抗压抗渗铁尾矿混凝土及其制备方法

Info

Publication number: CN109824325B
Application number: CN201910283560.5A
Authority: CN
Inventors: 李艺; 邹越; 杨泽良; 张铭
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2021-07-23
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: CN109824325A

Abstract

本发明涉及一种抗压抗渗铁尾矿混凝土及其制备方法，该混凝土以铁尾矿球替代普通混凝土粗骨料，以铁尾矿粉替代细骨料，并掺入外加剂、水和减水剂进行制备；其各组分质量百分比如下：水泥14％～17％、铁尾矿球42％～52％、铁尾矿粉28％～34％、减水剂0.14％～0.17％、外加剂0.28％～0.34％和水5.2％～6.3％。本发明区别于其他尾矿混凝土之处在于，是以铁尾矿全部替代混凝土骨料，即替代率达100％，大幅提高了铁尾矿的回收利用率，将其“变废为宝”；添加外加剂后有效提高尾矿混凝土的立方体抗压强度，改善抗气体渗透性能和抗氯离子渗透性能。

Description

一种抗压抗渗铁尾矿混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，涉及一种抗压抗渗铁尾矿混凝土及其制备方法。

背景技术

随着我国城市化建设的加速发展，建筑材料需用量剧增，天然砂石等自然资源的大量开采已经严重破坏了生态环境，并且这些资源短期内不可再生，使得建筑资源短缺的矛盾日益突出，因此，寻找适宜的替代材料刻不容缓。

尾矿是矿山企业在提炼冶金主要原料过程中所排弃的固体废弃物，一般堆存于尾矿库中，尾矿的大量堆存不仅污染环境，而且占用土地资源。将矿山尾矿应用于混凝土生产技术领域，不但可使原来资源枯竭或资源不足的矿山重新成为新资源基地恢复和扩展生产，而且可以开辟新材料的科技领域，推动技术进步，同时也利于缓解环境污染，改善生态环境。

目前由于相应化工工艺技术尚不成熟，产学研之间联系不紧密，企业创新投入乏力等一系列原因导致我国尾矿的综合利用率低。

就我国将铁尾矿应用于混凝土生产技术领域的现状来看，大多是将铁尾矿作为混凝土细骨料的替代品，且替代率有限，例如中国专利107399948A公开了一种掺加铁尾矿砂的高强度混凝土，其铁尾矿替代率约为22％。中国专利101671146A公开的一种部分或全部取代天然骨料的铁尾矿混凝土，该方法仅是对选矿废石通过清洗、破碎、筛分后即作为混凝土骨料。

目前国内外对铁尾矿混凝土的试验研究主要集中在力学性能，对抗渗性能和微观特征的研究尚少。抗渗性是衡量混凝土耐久性能的重要指标，且混凝土力学性能和耐久性能均取决于其微观结构特征参数。因此，研制抗渗尾矿混凝土对实际工程应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗压抗渗铁尾矿混凝土及其制备方法，不仅可显著改善尾矿混凝土的立方体抗压强度和抗渗性能，大幅提高铁尾矿的综合利用率，而且可将有毒物质有效封闭，促进了建筑材料的绿色可持续发展。

本发明提供一种抗压抗渗铁尾矿混凝土，其各组分质量百分比如下：水泥14％～17％、铁尾矿球42％～52％、铁尾矿粉28％～34％、减水剂0.14％～0.17％、外加剂0.28％～0.34％和水5.2％～6.3％；

所述外加剂各组分质量百分比如下：氧化钙15％～35％、氯化钙15％～35％、硝酸钠25％～45％和二氧化钛5％～15％。

在本发明的抗压抗渗铁尾矿混凝土中，所述水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m³。

在本发明的抗压抗渗铁尾矿混凝土中，所述铁尾矿粉由铁尾矿石碾碎制成，比表面积为340m²/kg，细度为200～400目。

在本发明的抗压抗渗铁尾矿混凝土中，所述铁尾矿球由铁尾矿粉、水泥和水采用离心成型工艺且经自然养护而成，粒径为5～16mm，铁尾矿球的各组分质量百分比如下：尾矿粉60％～80％、水泥15％～25％、水5％～15％。

在本发明的抗压抗渗铁尾矿混凝土中，所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，高效聚羧酸减水剂的掺用量为水泥质量的1％。

本发明提供一种抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将铁尾矿石碾碎制成比表面积为340m²/kg，细度为200～400目的铁尾矿粉；

步骤2：按如下质量百分比称重：铁尾矿粉60％～80％、水泥15％～25％、水5％～15％，将铁尾矿粉、水泥和水混合后采用离心成型工艺并经自然养护制成粒径为5～16mm的铁尾矿球；

步骤3：按如下质量百分比称重：水泥14％～17％、铁尾矿球42％～52％、铁尾矿粉28％～34％、减水剂0.14％～0.17％、外加剂0.28％～0.34％和水5.2％～6.3％；其中外加剂各组分质量百分比如下：氧化钙15％～35％、氯化钙15％～35％、硝酸钠25％～45％和二氧化钛5％～15％；

步骤4：将铁尾矿球、铁尾矿粉、水泥和外加剂倒入搅拌机中干拌120s；

步骤5，将称量好的减水剂与水混合，搅拌均匀后制成混合液备用；

步骤6，将步骤5制好的混合液倒入搅拌机中，搅拌时间大约为120s，直至浆体均匀，再经标准条件养护28天，完成抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备。

在本发明的抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备方法中，所述步骤2和步骤3中的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m³。

在本发明的抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备方法中，所述步骤3中减水剂为高效聚羧酸减水剂，高效聚羧酸减水剂的掺用量为水泥质量的1％。

本发明的一种抗压抗渗铁尾矿混凝土及其制备方法，不仅可大幅提高了铁尾矿的综合利用率，变废为宝，缓解了传统建材的资源短缺及尾矿占地堆存问题，而且通过掺入外加剂提高了尾矿混凝土的抗压强度、抗渗性能及耐久性能，并可将有毒物质有效封闭，防止二次污染，促进了建筑材料的绿色可持续发展。

附图说明

图1不掺外加剂的纯铁尾矿混凝土的气泡频率与含气量图；

图2本发明的抗压抗渗铁尾矿混凝土的气泡频率与含气量图。

具体实施方式

本发明旨在寻找一种可再生建筑材料，研制一种绿色抗压抗渗混凝土，提高铁尾矿混凝土的抗压强度及抗渗性能，改善混凝土的耐久寿命，以解决传统建筑材料短缺的问题，并大大提高铁尾矿的综合利用率，实现“变废为宝”，促进建筑产业的绿色可持续发展，同时推进我国资源节约型、环境友好型社会建设。

本发明利用铁尾矿粉离心制作成铁尾矿球，将铁尾矿球和铁尾矿粉全部替代混凝土粗骨料和细骨料，显著提高了铁尾矿的综合利用率。并通过引入外加剂，可提高铁尾矿混凝土的抗压强度并改进尾矿混凝土的抗渗效用。

本发明的一种抗压抗渗铁尾矿混凝土，其各组分质量百分比如下：水泥14％～17％、铁尾矿球42％～52％、铁尾矿粉28％～34％、减水剂0.14％～0.17％、外加剂0.28％～0.34％和水5.2％～6.3％；

具体实施时，所述水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m³。

具体实施时，所述铁尾矿粉由铁尾矿石碾碎制成，比表面积为340m²/kg，细度为200～400目。

具体实施时，所述铁尾矿球由铁尾矿粉、水泥和水采用离心成型工艺且经自然养护而成，粒径为5～16mm，铁尾矿球的各组分质量百分比如下：尾矿粉60％～80％、水泥15％～25％、水5％～15％。

具体实施时，所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，高效聚羧酸减水剂的掺用量为水泥质量的1％。

本发明的一种抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备方法，包括如下步骤：

具体实施时，所述步骤2和步骤3中的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m³。

具体实施时，所述步骤3中减水剂为高效聚羧酸减水剂，高效聚羧酸减水剂的掺用量为水泥质量的1％。

实施例：

本实施例中抗压抗渗铁尾矿混凝土由普通硅酸盐水泥、铁尾矿球、铁尾矿粉、水、减水剂以及外加剂制备而成；其各组分质量百分比如下：

其中，水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m³；铁尾矿粉比表面积为340m²/kg，细度为200-400目；铁尾矿球的粒径为5～16mm，由铁尾矿粉、水泥和水通过离心成型，由于尾矿球是采用尾矿粉为主要原料制作，因此混凝土粗骨料和细骨料具有良好的界面结合能力，细化了混凝土内部孔隙结构。减水剂为高效聚羧酸减水剂，最大减水率可达40％，本发明采用水泥质量的1％的掺用量。外加剂成分是氧化钙、氯化钙、硝酸钠、二氧化钛，添加外加剂能够显著提高混凝土的抗压强度(提高22.8％)，能细化混凝土孔隙结构，使内部孔隙变得细而长，具备曲折的复杂特征，延长有害离子的渗透路径，为增强其抗渗性提供客观条件，有效地提高了混凝土的抗渗性(抗气渗能力提高39.7％，抗氯离子渗透能力提高39.8％)。

本实施例中抗压抗渗铁尾矿混凝土编号为T4，不掺外加剂的纯铁尾矿混凝土编号为T，分别进行混凝土力学性能、耐久性能和微观孔结构特征试验。具体实施时，针对不同批次的原料进行三次试验。

(1)立方体抗压强度试验

表1混凝土立方体抗压强度(MPa)表

由表1可知，立方体抗压强度T4>T，T4的抗压强度是T的1.23倍，可见外加剂的掺入极大地提高了铁尾矿混凝土的抗压强度。

(2)劈裂抗拉试验

表2混凝土劈裂劈拉强度(MPa)表

由表2可知，劈裂抗拉强度T4>T，T4的劈裂抗拉强度是T的1.03倍，可见当掺入外加剂后，铁尾矿混凝土的劈裂抗拉强度有所提高。

(3)渗气性试验

表3混凝土透气时间与气体扩散系数表

由表3可知，气体扩散系数T>T4，所以抗气渗能力T4>T，当掺入外加剂后，铁尾矿混凝土的气体扩散系数明显降低。

(4)氯离子渗透试验

表4氯离子扩散系数表

由表4可知，氯离子扩散系数T>T4，所以抗氯渗能力T4>T，外加剂对铁尾矿混凝土的抗氯渗性有一定改善。

(5)混凝土微观孔结构特征试验

表5混凝土微观孔结构特征参数

由表5可知，气泡平均弦长T4>T，气泡频率T>T4，比表面积T>T4，则外加剂的掺入能细化混凝土孔隙结构，使内部孔隙变得细而长，具备曲折的复杂特征，延长氯离子等有害离子的渗透路径，为增强其抗氯渗性提供了客观条件，有效地提高了混凝土的抗氯渗性。

在研究气泡频率时，将气泡弦长划分成一个个小区间，在0～60μm区间以10μm为单位划分，在60～300μm区间以20μm为单位划分，在300～500μm区间以50μm为单位划分，在500～3000μm区间以500μm为单位划分，3000～4000μm为一个单独的区间。同时，加入了不同区间的含气量占总含气量的比率一并分析，如图1、图2可知，T影响含气量占比大小的区间主要是0～30μm和60～100μm，T4中最能影响含气量占比大小的区间是0～30μm和60～160μm，T和T4一样最右边只有四个区间(1500～2000μm、2000～2500μm、2500～3000μm、3000～4000μm)的含气量占比为0％，另外，在0～10μm、10～20μm、20～30μm单个区间，T4的含气量占比小于T，在80～100μm、100～120μm、120～140μm、120～160μm单个区间，T4含气量占比大于T，而T4的总含气量大于T，可见，T4在80～160μm之间的气泡频率较T高，即一部分0～30μm的小气泡在掺入外加剂之后连通成了细而长的80～160μm的气泡，则表明外加剂的掺入能细化混凝土孔隙结构，使内部孔隙变得细而长，具备曲折的复杂特征，延长氯离子等有害离子的渗透路径，为增强其抗氯渗性提供了客观条件，有效地提高了混凝土的抗氯渗性。

本发明提供一种抗压抗渗尾矿混凝土，该混凝土以铁尾矿全部替代混凝土骨料，即铁尾矿球、铁尾矿粉分别作为混凝土粗骨料和细骨料，通过掺入外加剂不仅可显著改善铁尾矿混凝土的立方体抗压强度和抗渗性能，大幅提高铁尾矿的综合利用率。且铁尾矿粉离心成铁尾矿球可以同时将有毒物质封闭在尾矿球内，有效防止二次污染，促进了建筑材料的绿色可持续发展，推进我国资源节约型、环境友好型社会建设。由于铁尾矿球是采用尾矿粉为主要原料制作，因此，该混凝土粗、细骨料具有良好的界面结合能力，可细化混凝土内部的孔隙结构，密实度得以提高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种抗压抗渗铁尾矿混凝土，其特征在于，其各组分质量百分比如下：水泥14%~17%、铁尾矿球42%~52%、铁尾矿粉28%~34%、减水剂0.14%~0.17%、外加剂0.28%~0.34%和水5.2%~6.3%；以上各组分质量百分比之和为100%；

所述外加剂各组分质量百分比如下：氧化钙15%~35%、氯化钙15%~35%、硝酸钠25%~45%和二氧化钛5%~15%：

所述水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m³；所述铁尾矿粉由铁尾矿石碾碎制成，比表面积为340m²/kg，细度为200~400目；所述铁尾矿球由铁尾矿粉、水泥和水采用离心成型工艺且经自然养护而成，粒径为5~16mm，铁尾矿球的各组分质量百分比如下：铁尾矿粉60%~80%、水泥15%~25%、水5%~15%；所述减水剂为高效聚羧酸减水剂，高效聚羧酸减水剂的掺用量为水泥质量的1%。

2.一种抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将铁尾矿石碾碎制成比表面积为340m²/kg，细度为200~400目的铁尾矿粉；

步骤2：按如下质量百分比称重：铁尾矿粉60%~80%、水泥15%~25%、水5%~15%，将铁尾矿粉、水泥和水混合后采用离心成型工艺并经自然养护制成粒径为5~16mm的铁尾矿球；

步骤3：按如下质量百分比称重：水泥14%~17%、铁尾矿球42%~52%、铁尾矿粉28%~34%、减水剂0.14%~0.17%、外加剂0.28%~0.34%和水5.2%~6.3%；以上各组分质量百分比之和为100%；其中外加剂各组分质量百分比如下：氧化钙15%~35%、氯化钙15%~35%、硝酸钠25%~45%和二氧化钛5%~15%；

步骤6，将步骤5制好的混合液倒入搅拌机中，搅拌时间为120s，直至浆体均匀，再经标准条件养护28天，完成抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备。

3.如权利要求2所述的抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤2和步骤3中的水泥为42.5#普通硅酸盐水泥，密度为3000kg/m³。

4.如权利要求2所述的抗压抗渗铁尾矿混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤3中减水剂为高效聚羧酸减水剂，高效聚羧酸减水剂的掺用量为水泥质量的1%。