CN110590213A - 一种混凝土膨胀剂及制备方法 - Google Patents

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李玉香
王毅飞
谭宏斌
郑召
牛丽丽
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    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B40/00—Processes, in general, for influencing or modifying the properties of mortars, concrete or artificial stone compositions, e.g. their setting or hardening ability
    • C04B40/0028—Aspects relating to the mixing step of the mortar preparation
    • C04B40/0039—Premixtures of ingredients
    • C04B40/0046—Premixtures of ingredients characterised by their processing, e.g. sequence of mixing the ingredients when preparing the premixtures

Abstract

本发明公开了一种混凝土膨胀剂及其制备方法，属混凝土膨胀剂领域。它是以高铁废渣、钙源、铝源和石膏为原料，加入矿化剂和辅助燃料，混合均匀后加入水进行球磨；浆料烘干后放入电阻中进行焙烧混合均匀后在高温炉中煅烧，得到以无水硫铝酸钙、铁铝酸二钙为主要成分的混凝土膨胀熟料，与适量石膏混合后获得硫铁铝酸盐膨胀剂。本方法生产成本低，制备的混凝土膨胀剂具有较好的限制膨胀率和较高的抗压抗折强度，综合性能较好，满足国家标准GB/T23439‑2017《混泥土膨胀剂》的性能要求。

Description

一种混凝土膨胀剂及制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土膨胀剂，特别涉及用高铁废渣为原料制备混凝土膨胀剂。
背景技术
混凝土膨胀剂是指掺入混凝土后，能使混凝土在硬化过程中因化学作用产生一定体积膨胀的外加剂，按化学成分可分为：氧化钙类、硫铝酸钙类、硫铝酸钙-氧化钙类、氧化镁类、氧化铁类。近年来，随着工业固体废弃物的堆积以及固体废弃物本身所带来的的潜在威胁，工业固体废弃物的资源化利用已成为当前研究热点。在混凝土膨胀剂的研究中，利用工业废渣制备混凝土膨胀剂已成为混凝土膨胀剂行业发展的未来趋势，如利用、磷石膏、白云石、粉煤灰、固硫灰等工业废渣制备混泥土膨胀剂。
高铁废渣主要是指含铁量高的工业固体废弃物，目前，高铁废渣主要包括电解锰渣、针铁矿渣、钢渣等。
电解锰渣是酸法浸取碳酸锰矿制备电解液后所产生的一种固体废弃物。近年来，金属锰作为我国国民经济发展中重要的战略资源之一，是钢铁行业和冶金行业常用的原料，绝大部分锰常用作添加剂来提高金属材料的耐磨性。金属锰一般是通过锰矿湿法冶金所得到，就我国而言，80％以上的锰矿资源主要分布在西南及中南地区，且低品位锰矿(15％～35％)占了90％以上，其中56％锰矿属于碳酸锰矿，优质矿不到10％，在电解锰的过程中产生大量的工业副产物-电解锰渣。近年来，由于产能产量的增加，矿石品位的降低，提取工艺和压滤工艺的限制，锰渣的排放更是剧增，据相关文献报道，1吨电解锰会产生9～11吨电解锰渣。电解锰渣中含有过量氨态氮、硫酸盐、以及超过国家环保排放标准的铬、镍、铜、锰等重金属离子，其属于第II类一般工业固体废物，在我国一般采用堆放、筑坝等方式来处理，随着时间的积累，这些堆放的电解锰渣的重金属离子随雨水流入江河及地下，将造成水体污染，危害农作物生长及人类健康。因此，对电解锰渣的资源化应用已迫在眉睫。
到目前为止，大量文献显示，电解锰渣主要用于制备水泥掺合料、缓凝剂、胶凝材料和多孔陶瓷等方面，由于电解锰渣成分复杂，有害元素多，在建筑行业掺入比例较低等问题，电解锰渣的资源化利用技术大都处于实验室阶段或理论阶段，在实际工业化生产中寥寥无几。还未发现利用电解锰渣来制备混凝土膨胀剂，因此，本专利利用电解锰过程中产生的电解锰渣来制备混凝土膨胀剂。
发明内容
电解锰渣作为中国的特色冶金渣，是第二类一般工业固体废物，由于其化学成分复杂，矿物组成因地而异，难以实现电解锰渣的工业化应用，而传统的处理方式是筑坝填埋等方式，随着时间的积累，电解锰渣对周边环境的破坏力也越来越严重。本发明以电解锰渣的资源化应用为目的，以电解锰渣、铝矾土、碳酸钙和石膏为原料，通过配方设计和烧结工艺优化，采用固相烧结法，在低温下烧制出以无水硫铝酸钙、铁相为主要成分的硫铁铝酸盐膨胀熟料，与石膏混合后获得混凝土膨胀剂。在具有较大膨胀量的同时也具有较高强度。为电解锰渣的资源化利用提供一种新颖的处理方法。
在本专利中所用的电解锰渣，来自四川金琛矿业有限公司，含铁量超过30％，电解锰渣含有较多的铁和硫元素，主要矿物相为赤铁矿、石英和二水石膏，在高温下，石膏与氧化铝、氧化钙反应生成硫铝酸钙，赤铁矿与氧化铝、氧化钙反应生成铁相，硫铝酸钙水化生成钙矾石，造成体积膨胀，而且，硫铝酸钙和铁相的烧结温度较低。因此，以电解锰渣为原料，采用固相烧结法，可在1100℃-1300℃获得硫铁铝酸盐膨胀熟料。
本发明属于混凝土膨胀剂领域，涉及一种工业废渣利用、较高膨胀量和较高抗压强度的硫铝酸盐型膨胀剂及制备方法。适用于大体积混凝土抗裂抗渗、抢漏抢修等工程中。
本发明的技术方案是：一种混凝土膨胀剂的制备方法，依次包括如下步骤：
A、将高铁废渣、钙源、铝源、石膏、矿化剂、辅助燃料混匀，并加入其总质量2倍的水进行球磨；
B、浆料烘干后放入电阻中进行焙烧，其中烧结温度为1100～1300℃，保温时间为0.5～2h；
C、将烧完的物质磨细至一定细度，比表面积在150～350m2/kg；
D、将磨完后的物质与15～30％的石膏混合均匀后获得混凝土膨胀剂。
本发明所述的高铁废渣为电解锰渣、钢渣或针铁矿渣；其Fe2O3≥30％；加入量为15～25％；所述的钙源为电石渣或石灰石；其CaO≥40％；加入量为40～50％；所述的石膏为磷石膏、脱硫石膏或氟石膏，加入量为1～10％；所述的矿化剂为含氟矿物，加入量为1～5％；所述的辅助燃料主要为废弃废矿物油或含矿物油废物，加入量为1～10％。
一种混凝土膨胀剂，它的组分及各组分的化学成分含量为：
A、Fe2O3：6～10％；
B、CaO：40～50％
C、Al2O3：18～25％；
D、SO3：6～10％；
E、SiO2：8～12％。
本发明制备的混凝土膨胀剂，在水中7d的限制膨胀率≥0.045％，28d的限制膨胀率≥-0.015％；7d的抗压强度≥27.5MPa，28d的抗压强度≥46.5MPa。
与现有技术相比，本发明的硫铁铝酸盐膨胀剂具有的特点是：相对于传统方法制备硫铝酸盐膨胀熟料，本方法所用的原料为高铁废渣、工业副产石膏等。高铁废渣包括电解锰渣、镍铁渣、炼铁厂尾渣、硫铁矿渣等含铁量较高的工业废渣，工业副产石膏包括磷石膏、脱硫石膏、氟石膏等工业副产品。具有资源再次利用，成本低等特点。
本专利所用石膏为磷石膏、脱硫石膏、钛石膏、氟石膏等的一种；这些物质均为工业固体废弃物，将其作为代替硬石膏的物质实现资源循环利用。
为了降低烧结温度和提高硫铝酸盐膨胀熟料的性能，本方法加入铁等金属氧化物，一方面可降低膨胀熟料的烧结温度，另一方面，生料中的氧化铁在高温下与氧化铝、氧化钙反应生成铁相，提高膨胀剂混合材料中后期的强度。
附图说明
说明书附图是本发明的一个实施例。图1为实施例1固相烧结处理后膨胀熟料的XRD图谱；图2为实施例1固相烧结处理后膨胀熟料的SEM图谱。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。
硫铁铝酸盐膨胀剂制备：按照设计好的配方称取各原料，选择料:球:无水乙醇为1:2:1采用行星球磨机将原料混合均匀并且磨细.球磨转速为350r/min,球磨1h后取出浆料并烘干，过200目筛网。将烘干浆料称取适量放入高温烧结炉按设定好的程序升温，随炉降温到室温。取出已烧结样品。将烧结后的样品磨细过200目筛网，按照设计好的石膏与膨胀熟料的比例加入石膏，混合均匀后获得硫铁铝酸盐膨胀剂。
性能测试：将制备好的膨胀剂参照GB/T23439-2017《混凝土膨胀剂》标准方法进行性能测试。膨胀剂与基准水泥的混合比例为1:9，水灰比为0.3，按照GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间。安定性检验方法》进行凝结时间测定；膨胀剂与基准水泥的混合比例为1:9,胶凝材料与标准砂的混合比例为1:3，水灰比为0.5，成型后在20℃下水养7d，空养21d，到指定龄期后进行抗压抗折强度测定；膨胀剂与基准水泥的混合比例为1:9,胶凝材料与标准砂的混合比例为1:2，水灰比为0.4，成型后在20℃下水养7d，空养21d，利用数显比长仪进行限制膨胀率测定。
从实施例1～20可以看出，高铁硫铝酸盐膨胀剂的限制膨胀率和抗压强度均达到国家标准GB/T 23439-2017Ⅰ型膨胀剂(水中7d的限制膨胀率大于等于0.045％，28d的限制膨胀率大于等于-0.015％；7d的抗压强度大于等于27.5MPa，28d的抗压强度大于等于46.5MPa)的性能要求，适用于抗渗补漏等修补工程。
本发明所涉及的百分含量，除有具体指明的以外均为重量百分含量。

Claims (8)

1.一种混凝土膨胀剂的制备方法，依次包括如下步骤：
A、将高铁废渣、钙源、铝源、石膏、矿化剂、辅助燃料混匀，并加入其总质量2倍的水进行球磨；
B、浆料烘干后放入电阻中进行焙烧，其中烧结温度为1100~1300℃，保温时间为0.5~2h；
C、将烧完的物质磨细至一定细度，比表面积在150~350m2/kg；
D、将磨完后的物质与15~30%的石膏混合均匀后获得混凝土膨胀剂。
2.根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于，所述的高铁废渣为电解锰渣、钢渣或针铁矿渣；其Fe2O3≥30%；加入量为15~25%。
3.根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于，所述的钙源为电石渣或石灰石；其CaO≥40%；加入量为40~50%。
4.根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于，所述的石膏为磷石膏、脱硫石膏或氟石膏；加入量为1~10%。
5.根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于，所述的矿化剂为含氟矿物，加入量为1~5%。
6.根据权利要求1所述的混凝土膨胀剂的制备方法，其特征在于，所述的辅助燃料主要为废弃废矿物油或含矿物油废物，加入量为1~10%。
7.一种权利要求1所述的方法制备的混凝土膨胀剂，混凝土膨胀熟料的组分及各组分的化学成分含量为：
A、Fe2O3：6~10%；
B、CaO：40~50%；
C、Al2O3：18~25%；
D、SO3：6～10％；
E、SiO2：8～12％。
8.根据权利要求7所述的混凝土膨胀剂，其特征在于：它在水中7d的限制膨胀率≥0.045%，28d的限制膨胀率≥-0.015%；7d的抗压强度≥27.5MPa，28d的抗压强度≥46.5MPa。
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