CN110877968A - 一种利用铁尾砂的水泥基复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用铁尾砂的水泥基复合材料及其制备方法，由胶凝材料、骨料、减水剂及水组成，所述胶凝材料包括水泥及硅灰，胶凝材料中水泥的质量分数为75％～80％；所述骨料包括铁尾砂及机制石英砂，骨料中铁尾砂的质量分数为≤70％；所述水泥基复合材料的水胶比为0.16～0.2；所述减水剂为胶凝材料质量的2.0％～2.4％。本发明水泥基复合材料及其制备方法将尾矿库铁尾砂应用于生态可持续型超高性能建筑材料，实现了工业固废铁尾砂大掺量制备高附加值建筑材料的目标，不仅经济效益显著，也降低了尾矿库的维护成本。

Description

一种利用铁尾砂的水泥基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及铁尾矿回收利用领域，具体涉及一种利用铁尾砂的水泥基复合材料及其制备方法。
背景技术
我国尾矿排量逐年上升，占世界尾矿排出量的50％以上，尾矿目前已经成为我国排出量最大、综合利用率最低的固体废弃物。其中铁尾矿堆存量占全部尾矿总堆存量的近1/3，每年排出量近3亿吨，但其综合利用率很低，不足20％。尾矿常以自然堆积法储存于尾矿库中，不仅占用±地，耗费建库资金，而且由于颗粒一般较细，容易被风扬起，经常造成周围地区的局部沙尘暴，经遇洪水时，又经常由于库坝决口造成泥石流灾害，造成极其严重的经济损失。
近年来，超高强水泥基复合材料已广泛应用于高层建筑、预制构件、基础设施以及核废料储存容器等特殊设施中，构建体积的减小也提供了更广阔的使用空间。同时由于剔除了粗骨料，这种材料主要由水泥、硅灰、粉煤灰、河砂等组成，大量活性粉末以及高性能减水剂共同铸就了其内部均匀致密、孔隙率较低、高强、高耐久等优越性能。然而，高额的制备成本限制了它的广泛应用。因此，为了降低成本，一些企业研发了新的方法，利用工业副产品，如粉煤灰和矿渣粉等，在不牺牲超高强水泥基复合材料原有性能的基础上作为活性掺合料替代其中的部分水泥。然而由于我国建筑设施规模的庞大，活性掺合料的消耗量不断上升，已经出现供不应求的局面，导致其价格不断升高。同时由于对生态环境环保意识的增强，天然河砂在国内大部分地区已经禁止开采。与此带来机制砂的价格也不断飙升。原有耗材价格的不断上涨，势必引导我们急需寻找一种生态可持续的方法来制备这种性能优越的材料。
铁尾砂化学成分主要含有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO等以及少量的K2O、Na2O、S、P等元素，几乎没有活性，同时颗粒尺寸比水泥颗粒要大。虽然铁尾砂在一定条件下激发可以获得一定的活性，但活性普遍较低，无论是物理还是化学等激发方式都会带来高额的成本投入，因此精细化预处理铁尾砂并不是一种有效利用手段。目前我国铁矿资源趋于杂、贫、细，很多企业为了选出更多的铁精矿，增大铁矿石的粉磨程度，因而得到的铁尾砂也越来越细，这些细铁尾砂已经不适合应用到普通混凝土中。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，而提供一种利用铁尾砂的水泥基复合材料及其制备方法。
本发明一方面提供一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，由胶凝材料、骨料、减水剂及水组成，所述胶凝材料包括水泥及硅灰，胶凝材料中水泥的质量分数为75％～80％；所述骨料包括铁尾砂及机制石英砂，骨料中铁尾砂的质量分数为≤70％；所述水泥基复合材料的水胶比(即水与胶凝材料之比)为0.16～0.2；所述减水剂为胶凝材料质量的2.0％～2.4％。
优选，所述水泥基复合材料各原料配比如下：水泥750～800kg/m3、硅灰190～240kg/m3、铁尾砂600～700kg/m3、机制石英砂250～350kg/m3、减水剂20～24kg/m3、水160～200kg/m3。
优选，所述铁尾砂中SiO2质量分数≥70％。
优选，所述骨料中铁尾砂的质量分数为65％～70％，其余为机制石英砂。
优选，所述铁尾砂粒径范围为0～0.3mm，粒径为0.15mm～0.3mm和0～0.15mm的铁尾砂质量比为3:1，0～0.025mm与0.025～0.15mm的质量比是1:2。
优选，所述机制石英砂粒径范围为0～0.6mm，其中粒径为0.18mm～0.3mm与粒径为0.3mm～0.6mm的机制石英砂的质量比为4:1，粒径为0～0.18mm与粒径为0.18～0.6mm的机制石英砂的质量比为1:4。
优选，所述硅灰为白硅灰或灰硅灰，硅灰粒径DV(50)为12～14μm。
优选，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量为40％，减水效率大于30％。
本发明另一方面提供一种利用铁尾砂的水泥基复合材料制备方法，包括如下步骤：
(1)按配比称取各组分原料；将各原料放入温度为23±2℃干燥箱保温24小时；
(2)将硅灰与水泥按照质量比同步放入搅拌机中，以140±5rpm的转速搅拌2～3min，得到均匀混合料；
(3)将铁尾砂和机制石英砂混合后加入到步骤(2)获得的均匀混合料中，以140±5rpm的转速搅拌2～3min，混合均匀；
(4)向所得混料中加入70％质量的水，以140±5rpm的转速搅拌2～3min，得到均匀混合浆体，静置30s；
(5)将减水剂及剩余30％的水加入到步骤(4)制得的混合浆体中，以140±5rpm的转速搅拌1～2min，然后提升转速至285±10rpm，继续搅拌2～3min，静置45s。
进一步地，所制备的水泥基复合材料的养护方式为标准养护，温度控制为20±2℃，相对湿度控制为＞95％。
本发明优化了铁尾砂的级配，提高了骨料中铁尾砂的掺量，掺量最高可达70％，粒径在25μm以上的铁尾砂颗粒主要替代机制石英砂充当细骨料，而粒径在25μm以下的铁尾砂颗粒具有“微集料填充效应”，可以填充未参与水化反应的水泥石间的孔隙，极大地改善了水泥石与骨料之间界面的过渡区域，从而使材料整体更均匀、致密，其中部分拥有“火山灰活性”的铁尾砂颗粒，内部含有活性二氧化硅，可以消耗水化反应形成的氢氧化钙，生成更多的C-S-H凝胶，从而改善了材料的均匀性和密实性。同时结合机制石英砂的级配优化设计，使堆叠后的材料空隙缺陷小，紧密堆积效果更好，强度更高。
与现有技术相比，本发明的优点为：
1.对比现有技术中铁尾砂的利用方法，重选铁精矿的方式依旧会有70％铁尾矿残余，利用率不高，同时这种方式依赖先进技术和高端设备，以及尾砂充填这种低附加值利用方式，本发明利用尾矿库铁尾砂制备的水泥基复合材料，具有超高强度，是一种生态可持续型超高性能建筑材料，实现了工业固废铁尾砂大掺量制备高附加值建筑材料的目标，同时铁尾砂热值波动小，均匀性较好，用作建筑材料不会因其质量波动影响产品生产质量；
2.由于铁尾砂取自尾矿库，属于工业固废，可以按无成本计算，所选机制砂价格约为800元/t，70％铁尾砂的替代率可以直接节约成本约为560元/m3，对于上百上千，甚至上万立方米的工程经济效益更加显著；
3.本发明所述制备方法流程简单，设备常规，无需额外购买设备；
4.本发明所述复合材料不再使用河砂，对生态环境起到了有力的保护作用，对于矿山来说，不仅减少了尾矿库的维护成本，也降低了高危尾矿库对于周边居民可能带来的风险，同时还解决了由于生产能力提升，尾矿库达到极限容量还需再征地造成的投入资金不足的问题。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，由胶凝材料、骨料、减水剂及水组成，所述胶凝材料包括水泥及硅灰，所述骨料包括铁尾砂及机制石英砂。
本发明所采用的铁尾砂中SiO2质量分数≥70％，密度为2.70g/cm3，莫氏硬度系数：6～7，所述铁尾砂粒径DV(10)为42.9μm，DV(50)为122μm，DV(90)为231μm，比表面积为118.5m2/kg，筛分处理后获得的铁尾砂原料中：粒径范围为0～0.3mm，粒径为0.15mm
～0.3mm和0～0.15mm的铁尾砂质量比为3:1，0～0.025mm与0.025～0.15mm的质量比是1:2。
其中，所述机制石英砂粒径范围为0～0.6mm，其中粒径为0.18mm～0.3mm与粒径为0.3mm～0.6mm的机制石英砂的质量比为4:1，粒径为0～0.18mm与粒径为0.18～0.6mm的机制石英砂的质量比为1:4。
其中，所述水泥为52.5水泥，水泥粒径DV(10)为3.58μm，DV(50)为15.8μm，DV(90)为35.8μm，比表面积为854m2/kg。
其中，所述硅灰为白硅灰或灰硅灰，硅灰粒径DV(10)为1.04μm，DV(50)为13.1μm，DV(90)为47.6μm，比表面积为1478m2/kg。
其中，所述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量为40％，减水效率大于30％。
实施例1
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
800 200 300 700 180 22 0.18 2.2％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按配比称取各组分原料；将各原料放入温度为23±2℃干燥箱保温24小时；
(2)将硅灰与水泥按照质量比同步放入JJ-5胶砂搅拌机中，以140±5rpm的转速搅拌2～3min，得到均匀混合料；
(3)将铁尾砂和机制石英砂混合后加入JJ-5塑料存砂容器内，以140±5rpm的转速开启搅拌机，同步开启进砂按钮，搅拌2～3min，混合均匀；
(4)向所得混料中加入70％质量的水，以140±5rpm的转速搅拌2～3min，得到均匀混合浆体，静置30s；
(5)将减水剂及剩余30％的水加入到所述混合浆体中，以140±5rpm的转速搅拌1～2min，然后提升转速至285±10rpm，继续搅拌2～3min，静置45s。
(6)将所制备的浆体按每次每个模具槽内装1/2料浆，依次装入三联胶砂试模中，共装2次，之后将其放置·水泥胶砂振实台振动90～120s。
其中，所制备的水泥基复合材料的养护方式为标准养护，温度控制为20±2℃，相对湿度控制为＞95％。
其中，向搅拌机中加入水或减水剂时，剩余液体需要用胶头滴管注入搅拌锅内，以免引起水与减水剂损失。
实施例2
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
800 200 1000 0 180 22 0.18 2.2％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例3
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
800 200 600 400 180 22 0.18 2.2％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例4
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
750 190 350 650 168 22 0.18 2.3％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例5
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
760 190 340 660 162 21 0.17 2.2％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例6
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
780 195 330 670 175 23 0.18 2.4％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例7
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
800 200 320 680 160 23 0.16 2.3％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例8
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
800 200 310 690 160 23 0.16 2.3％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例9
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
760 190 300 700 162 21 0.17 2.2％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例10
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
780 195 300 700 175 23 0.18 2.4％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
实施例11
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
770 230 340 660 180 22 0.18 2.2％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
实施例12
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
760 240 330 670 175 23 0.18 2.3％
胶凝材料中水泥的质量分数为75％～80％；所述骨料包括铁尾砂及机制石英砂，骨料中铁尾砂的质量分数为≤70％；所述水泥基复合材料的水胶比(即水与胶凝材料之比)为0.16～0.2；所述减水剂为胶凝材料质量的2.0％～2.4％。
对比例
原料配比为：
水泥 硅灰 机制砂 铁尾砂 水 减水剂 W/B SP/B
800 200 0 1000 180 22 0.18 2.2％
注：单位为kg/m3；W表示水；B表示胶凝材料；SP表示减水剂。
基于上述组分的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法同实施例1。
本发明实施例中制备的水泥基复合材料，所讨论的强度是材料基体的强度(即无任何纤维材料加入)。因此，综合考虑铁尾砂大掺量、材料原优越性能尽可能小损失等方面问题，铁尾砂的最优掺量为70％(即铁尾砂质量占细骨料质量的百分比)。各实施例应用WHY-300水泥抗压抗折试验机检测强度，结果如下：
实施例 7天抗折强度 7天抗压强度 28天抗折强度 28天抗压强度
1 21.3MPa 88.6MPa 23.1MPa 116.2MPa
2 19.1MPa 90.4MPa 22.3MPa 120.5MPa
3 22.7MPa 96.3MPa 25.4MPa 125.6MPa
4 22.6MPa 90.4MPa 23.9MPa 118.2MPa
5 22.3MPa 90.2MPa 23.8MPa 117.8MPa
6 22.0MPa 89.8MPa 23.6MPa 117.5MPa
7 21.7MPa 89.6MPa 23.4MPa 117.1MPa
8 21.5MPa 89.2MPa 23.2MPa 116.8MPa
9 20.6MPa 88.0MPa 22.6MPa 115.2MPa
10 20.9MPa 88.2MPa 22.8MPa 115.8MPa
11 22.5MPa 90.5MPa 23.9MPa 118.3MPa
12 21.8MPa 89.6MPa 23.4MPa 117.2MPa
对比例 17.3MPa 85.4MPa 19.6MPa 110.2MPa
注：试验的试块尺寸为40mm×40mm×160mm；试验机为WHY-300水泥胶砂抗折、抗压试验机；不同掺量下的每组试块为三块，取三者平均值作为最后结果。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，由胶凝材料、骨料、减水剂及水组成，所述胶凝材料包括水泥及硅灰，胶凝材料中水泥的质量分数为75％～80％；所述骨料包括铁尾砂及机制石英砂，骨料中铁尾砂的质量分数为≤70％；所述水泥基复合材料的水胶比为0.16～0.2；所述减水剂为胶凝材料质量的2.0％～2.4％。
2.根据权利要求1所述的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，其特征在于：所述水泥基复合材料各原料配比如下：水泥750～800kg/m3、硅灰190～240kg/m3、铁尾砂600～700kg/m3、机制石英砂250～350kg/m3、减水剂20～24kg/m3、水160～200kg/m3。
3.根据权利要求1所述的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，其特征在于：所述骨料中铁尾砂的质量分数为65％～70％，其余为机制石英砂。
4.根据权利要求1所述的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，其特征在于：所述铁尾砂中SiO2质量分数≥70％。
5.根据权利要求1所述的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，其特征在于：所述铁尾砂粒径范围为0～0.3mm，粒径为0.15mm～0.3mm和0～0.15mm的铁尾砂质量比为3:1，0～0.025mm与0.025～0.15mm的质量比是1:2。
6.根据权利要求1所述的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，其特征在于：所述机制石英砂粒径范围为0～0.6mm，其中粒径为0.18mm～0.3mm与粒径为0.3mm～0.6mm的机制石英砂的质量比为4:1，粒径为0～0.18mm与粒径为0.18～0.6mm的机制石英砂的质量比为1:4。
7.根据权利要求1所述的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，其特征在于：所述硅灰为白硅灰或灰硅灰，硅灰粒径DV(50)为12～14μm。
8.根据权利要求1所述的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂，固含量为40％，减水效率大于30％。
9.一种根据权利要求1～8任意一项所述的利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：
包括如下步骤：
(1)按配比称取各组分原料；将各原料放入温度为23±2℃干燥箱保温24小时；
(2)将硅灰与水泥按照质量比同步放入搅拌机中，以140±5rpm的转速搅拌2～3min，得到均匀混合料；
(3)将铁尾砂和机制石英砂混合后加入到步骤(2)获得的均匀混合料中，以140±5rpm的转速搅拌2～3min，混合均匀；
(4)向所得混料中加入70％质量的水，以140±5rpm的转速搅拌2～3min，得到均匀混合浆体，静置30s；
(5)将减水剂及剩余30％的水加入到步骤(4)制得的混合浆体中，以140±5rpm的转速搅拌1～2min，然后提升转速至285±10rpm，继续搅拌2～3min，静置45s。
10.根据权利要求9所述的一种利用铁尾砂的水泥基复合材料的制备方法，其特征在于：所制备的水泥基复合材料的养护方式为标准养护，温度控制为20±2℃，相对湿度控制为＞95％。
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