CN112479644A - 一种锆钛尾矿混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土制备的技术领域，具体公开了一种锆钛尾矿混凝土及其制备方法。锆钛尾矿混凝土包括如下的组分：水泥、矿粉、粉煤灰、锆钛尾矿砂、锆钛尾矿石屑、碎石、钡沸石粉、硫酸铵微粉、减水剂和水；其制备方法为：步骤一，将水泥、矿粉、粉煤灰、锆钛尾矿砂、锆钛尾矿石屑和碎石混合，搅拌40‑60s得到搅拌均匀的混合料；步骤二，将钡沸石粉、硫酸铵微粉、减水剂、水和混合料混合，搅拌90‑120s得到锆钛尾矿混凝土。本申请的锆钛尾矿混凝土可用于混凝土浇筑工程施工中，其具有工作性能稳定、强度符合施工要求、生产成本较低，同时能够有效对锆钛尾矿进行回收利用的优点。

Description

一种锆钛尾矿混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土制备的技术领域，更具体地说，它涉及一种锆钛尾矿混凝土及其制备方法。

背景技术

近年来，随着自然资源的大量开采，国家为保证生态环境，逐步开始限制河砂的开采，部分省市已开始禁止开采，目前可开采、利用的天然砂资源越来越少，不足以供应下游企业的需要。

在天然砂资源日益匮乏的同时，国内矿产资源在开发过程中排出大量的尾矿没有得到有效的利用。天然的锆钛矿除ZrSiO₄外，还含有约1/3的SiO₂成分，生产过程中，通常将ZrSiO₄通过比重法被筛出，剩余的尾矿则丢弃或填埋，资源浪费比较严重。

针对上述中的相关技术，发明人认为对锆钛尾矿进行单一的填埋或无害化堆存的处理方式，并没有将锆钛尾矿有效的利用，随意的将锆钛尾矿进行填埋或堆存，使得锆钛尾矿随风力吹扬或雨水冲刷极易转移扩散，导致对环境造成很大的污染。

发明内容

为了对锆钛尾矿进行有效回收利用，以减少资源浪费和环境污染，本申请提供一种锆钛尾矿混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种锆钛尾矿混凝土，采用如下的技术方案：

一种锆钛尾矿混凝土，所述锆钛尾矿骨料混凝土由包含以下重量份的原料制成：水泥280-320份、矿粉60-80份、粉煤灰60-100份、锆钛尾矿砂400-600份、锆钛尾矿石屑300-450份、碎石800-900份、减水剂5-8份、水140-180份。

通过采用上述技术方案，锆钛矿石在开采过程中产生的筛下物及低品位的矿石经过机械破碎、筛分加工以后制得锆钛尾矿砂，锆钛尾矿砂与天然砂相比，锆钛尾矿砂表观密度略大、堆积密度较低、硬度较高且使用成本较低，将锆钛尾矿砂作为混凝土细骨料使用，能满足混凝土对于细骨料的性能指标要求，同时能够改善传统的填埋和堆存的处理方式对环境造成污染的情况。

破碎锆钛石时产生的石屑和制备锆钛尾矿砂过程中产生的废料可代替混凝土中的粗砂使用，锆钛尾矿石屑多成不规则的方矩体，且表面粗糙、棱角尖锐，与天然粗砂相比，锆钛尾矿石屑的强度更高、锆钛尾矿石屑与胶凝材料之间的结合更为紧密，因此有助于提高混凝土的强度，并且能进一步提高对锆钛尾矿的利用率。

由上述组分相结合制得的混凝土工作性能稳定、强度符合施工要求，并且能够有效对锆钛尾矿进行回收利用，减少了资源浪费和环境污染。

优选的，所述锆钛尾矿砂的筛分要求为：标准套筛的正方形筛孔尺寸分别为：4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm；累计筛余分别为：1％、7％、11％、36％、82％、100％。

通过采用上述技术方案，将锆钛尾矿砂的连续级配标准选择在上述范围内，连续级配的锆钛尾矿砂可以减小混凝土浆体和粗骨料之间的密度差，使得混凝土骨料之间保持适宜的孔隙率，混凝土骨料之间可以容纳更多的拌合水，从而增强混凝土的流动性。

优选的，所述锆钛尾矿石屑的筛分要求为：标准套筛的正方形筛孔尺寸分别为：19.0mm、16.0mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm；累计筛余分别为：23％、42％、65％、78％、92％、100％。

通过采用上述技术方案，将锆钛尾矿石屑的连续级配标准选择在上述范围内，连续级配的锆钛尾矿石屑可以充分填充于锆钛尾矿石屑和碎石之间，减少骨料之间的空隙率，节约水泥的用量，制得的混凝土具有较好的流动性且不容易发生离析现象。

优选的，所述原料中还包括有重量份数为25-50份的钡沸石粉。

通过采用上述技术方案，钡沸石的主要成分为Ba[Al₂Si₃O₁₀]·4H₂O，钡沸石具有硬度高、相对密度较小的特性，钡沸石粉由开采钡沸石过程中产生的废料制得，钡沸石粉来源广泛、成本较低，在混凝土中加入钡沸石粉，一方面可以增强混凝土的强度，另一方面能够有效利用资源，降低企业的生产成本。

优选的，所述钡沸石粉的粒径为5-8微米。

通过采用上述技术方案，将钡沸石粉的粒径选择在上述范围内，有利于钡沸石粉向混凝土浆体中渗透，使得钡沸石粉能够均匀分布于水泥颗粒之间，从而增强胶凝材料和混凝土骨料之间的结合力，达到增强混凝土抗压强度的目的。

优选的，所述原料中还包括有重量份数为5-10份的硫酸盐微粉。

通过采用上述技术方案，硫酸盐微粉中含有丰富的SO₄ ^2-，加入硫酸盐微粉能够在混凝土浆体中引入大量的SO₄ ^2-，SO₄ ^2-能够与钡沸石中的钡离子、铝离子发生反应产生水化硫酸铝钙和水化硫酸钡，水化硫酸铝钙和水化硫酸钡固结以后具有较高的硬度，从而可以进一步增强混凝土的抗压强度。

优选的，所述硫酸盐微粉为硫酸铵微粉。

通过采用上述技术方案，硫酸铵微粉成本较低，加入硫酸铵微粉能够与水泥水化产生的多余的Ca(OH)₂反应产生氨气，氨气能够改善混凝土中的气泡分布结构，引入新的气泡同时使得较大气泡破裂，减少混凝土硬化后产生缩孔和裂缝的问题，新的小气泡进入混凝土，使得混凝土中的气泡大小适中、分布均匀，有利于增强混凝土的流动性。

第二方面，本申请提供一种锆钛尾矿混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种锆钛尾矿混凝土的制备方法，包括如下的制备步骤：

S1：将水泥、矿粉、粉煤灰、锆钛尾矿砂、锆钛尾矿石屑和碎石混合，搅拌40-60s得到搅拌均匀的混合料；

S2：将减水剂、水和混合料混合，搅拌90-120s得到锆钛尾矿混凝土。

通过采用上述技术方案，将水泥、矿粉、粉煤灰、锆钛尾矿砂、锆钛尾矿石屑和碎石混合搅拌均匀后得到混合料，然后向混合料中加入减水剂和水至少搅拌90S即可完成锆钛尾矿混凝土的制备，制备出的混凝土工作性能优良，使用性能稳定，具有很好的推广性。

优选的，S2步骤中还加入了钡沸石粉和硫酸铵微粉。

通过采用上述技术方案，在S2中加入钡沸石和硫酸铵微粉，能够使硫酸铵微粉在混凝土中均匀分布，使得钡沸石和硫酸铵微粉充分反应，有利于混凝土保持良好的使用性能。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用锆钛尾矿砂代替普通混凝土中的天然砂，锆钛尾矿砂与天然砂相比表观密度略大、堆积密度较低、硬度较高，且具有较低的使用成本，因此将锆钛尾矿砂作为混凝土细骨料使用，能满足混凝土对于细骨料的性能指标要求，有效对锆钛尾矿进行回收利用的同时降低了锆钛尾矿对环境的污染。

2、本申请中优选采用锆钛尾矿石屑代替普通混凝土中的粗砂，由于锆钛尾矿石屑与天然砂相比具有更高的强度和硬度，并且锆钛尾矿石屑表面粗糙、棱角尖锐，因此与胶凝材料之间的结合更为紧密，从而有助于提高混凝土的强度，同时进一步提高了对锆钛尾矿的利用率。

2、本申请中优选采用硫酸铵微粉，硫酸铵微粉中的SO₄ ^2-和钡沸石中的钡离子、铝离子发生反应产生水化硫酸铝钙和水化硫酸钡，水化硫酸铝钙和水化硫酸钡固结以后可以提高混凝土的强度；硫酸铵微粉能够与水泥水化产生的多余的Ca(OH)₂反应产生氨气，氨气能够改善混凝土中的气泡分布结构，从而增强混凝土的流动性。

具体实施方式

制备例、实施例及对比例中使用的材料规格如下：

水泥为标号为P.O.42.5的硅酸盐水泥；矿粉的比表面积为350～500m²/kg，烧失量不大于2％；粉煤灰的比表面积为300～500m²/kg，烧失量不大于2％；锆钛尾矿砂购自汕头市国富锆钛实业有限公司，锆钛尾矿砂的含水量为1.2％、含泥量为1.5％；锆钛尾矿石屑购自河源市万川石英发展有限公司，锆钛尾矿石屑的含水量为1.5％、含泥量为1.8％；钡沸石粉购自灵寿县奥太矿产品加工厂；硫酸铵微粉购自济南山海化工科技有限公司；硫酸钠微粉购自山东汇晶科技有限公司；碎石的粒径为10-20mm连续级配、含水量为1.5％；减水剂购自盘锦富隆化工有限公司，减水剂为聚羧酸高效减水剂。

实施例

实施例1

一种锆钛尾矿混凝土，由以下重量份的原料制成：

水泥280kg、矿粉60kg、粉煤灰100kg、锆钛尾矿砂400kg、锆钛尾矿石屑450kg、碎石800kg、减水剂5kg、水140kg。

锆钛尾矿混凝土通过如下步骤制备获得：

S1：将水泥、矿粉、粉煤灰、锆钛尾矿砂、锆钛尾矿石屑和碎石混合，搅拌40s，得到混合料；

S2：将减水剂、水和混合料混合，搅拌120s得到锆钛尾矿混凝土。

实施例2

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例1的区别在于：组分含量的不同，具体的含量见表1；搅拌时间的不同，其中S1搅拌50s、S2搅拌110s。

实施例3

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例1的区别在于：组分含量的不同，具体的含量见表1；搅拌时间的不同，其中S1搅拌60s、S2搅拌120s。

表1实施例1-3的混凝土的各组分含量

实施例4

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例3的区别在于：本实施例加入粒径为3微米的钡沸石粉25kg。

实施例5

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例3的区别在于：本实施例加入粒径为3微米的钡沸石粉35kg。

实施例6

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例3的区别在于：本实施例加入粒径为3微米的钡沸石粉50kg。

实施例7

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例5的区别在于：本实施例加入的钡沸石粒径为5微米。

实施例8

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例5的区别在于：本实施例加入的钡沸石粒径为7微米。

实施例9

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例5的区别在于：本实施例加入的钡沸石粒径为8微米。

实施例10

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例7的区别在于：本实施例加入5kg的硫酸铵微粉。

实施例11

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例7的区别在于：本实施例加入7kg的硫酸铵微粉。

实施例12

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例7的区别在于：本实施例加入10kg的硫酸铵微粉。

实施例13

一种锆钛尾矿混凝土，与实施例7的区别在于：本实施例加入10kg的硫酸钠微粉。

对比例

对比例1

一种混凝土，由以下重量份的原料制成：

水泥280kg、粉煤灰100kg、矿粉60kg、天然砂500kg、中砂700kg、碎石1000kg、减水剂24kg、水170kg。

混凝土通过如下步骤制备获得：

S1：将水泥、粉煤灰、矿粉、天然砂、中砂和碎石混合，搅拌30s得到搅拌均匀的混合料；

S1：将减水剂、水和混合料混合，搅拌90s得到混凝土。

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于：本对比例采用粗砂代替锆钛尾矿石屑。

对比例3

对比例3与实施例10的区别在于：本对比例未加入钡沸石粉。

对比例4

对比例4与实施例10的区别在于：本实施例加入20kg的硫酸铵微粉。

性能检测试验

试验一坍落度测试

试验样品：采用实施例1-13中获得的混凝土拌合物作为试验样品1-13，采用对比例1-4中获得的混凝土拌合物作为对照样品1-4。

试验方法：用一个上口100mm、下口200mm、高300mm喇叭状的坍落度桶，分别灌入试验样品1-13和对照样品1-4，每个样品分三次填装，每次填装后用捣锤沿桶壁均匀由外向内击25下，捣实后，抹平。然后拔起坍落度桶，用桶高(300mm)减去塌落后混凝土最高点的高度，得到的差值即为坍落度。

试验结果：试验样品1-13的测试结果如表2所示，对照样品1-4的测试结果如表3所示。

试验二抗压强度测试

试验样品：采用实施例1-13中获得混凝土拌合物作为试验样品1-13，采用对比例1-4中获得混凝土拌合物作为对照样品1-4。

试验方法：将试验样品1-13的混凝土拌合物制成混凝土试块，将对照样品1-4的混凝土拌合物制成混凝土试块，根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中的抗压强度试验，检测铁尾矿混凝土的28d抗压强度(MPa)。

试验仪器：压力试验机

试验结果：试验样品1-13的测试结果如表2所示，对照样品1-4的测试结果如表3所示。

表2试验样品1-13坍落度和抗压强度的测试结果

由表2可知，将试验样品1-3进行比较，本申请实施例1-3制备得到的锆钛尾矿混凝土的各项性能均满足《普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T50080-2016》的要求，并且试验样品3的配合比制得的混凝土具有更好的流动性和抗压强度。

由表2可知，将试验样品4-6与试验样品3进行比较，在制备锆钛尾矿混凝土时加入钡沸石粉能有效提高锆钛尾矿混凝土的抗压强度，由于钡沸石中含有铝离子和钡离子，能够与水泥水化产物生成稳定的凝胶，从而提高混凝土的抗压强度；试验样品5相比于试验样品4和试验样品6具有更高的强度，试验样品6由于加入过量的钡沸石粉，向混凝土浆体中引入大量的钡离子，导致浆体产生碱骨料反应，因此试验样品6的抗压强度有所下降。

由表2可知，将试验样品7-9与试验样品5进行比较，加入的钡沸石粉的粒径对锆钛尾矿混凝土的强度有一定影响，加入的钡沸石的粒径在5-8mm范围内时，钡沸石粉的粒径越小越有利于混凝土抗压强度的提高，较小的粒径有利于钡沸石粉向混凝土浆体中渗透，使得钡沸石粉均匀分布于水泥颗粒之间，从而增强骨料和胶凝材料之间的结合力，进而增强混凝土的抗压强度。

由表2可知，将试验样品10-12与试验样品7进行比较，在制备锆钛尾矿混凝土时加入硫酸铵微粉能大幅改善锆钛尾矿混凝土的工作性能，硫酸铵微粉能够与钡沸石粉中的金属离子反应产生金属离子水化物，金属离子水化物固结以后具有较高的硬度，因此可以增强混凝土的抗压强度；硫酸铵微粉中的NH4^-与水泥浆体中的OH^-反应产生氨气，氨气能够改善混凝土内的气泡结构，从而增强混凝土的流动性。

由表2可知，将试验样品13与试验样品12进行比较，在制备锆钛尾矿混凝土时加入硫酸钠微粉对混凝土的流动性没有明显影响，因此在制备锆钛尾矿混凝土时加入硫酸铵微粉比加入硫酸钠微粉具有更好的性能增强效果。

表3对照样品1-4坍落度和抗压强度的测试结果

测试项目	对照样品1	对照样品2	对照样品3	对照样品4
					坍落度/mm	105	110	120	120
28d抗压强度/MPa	39.8	40.2	40.8	41.2

由表2和表3可知，将试验样品1-3与对照样品1进行比较，本申请制备的锆钛尾矿混凝土和普通砂石骨料混凝土的各项性能指标均满足《普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T50080-2016》的要求；本申请制备的锆钛尾矿混凝土的细骨料采用锆钛尾矿砂和锆钛尾矿石屑，能够有效对废弃的锆钛尾矿进行回收利用，提高了资源利用率并且减少了固废尾矿对环境的污染。

由表2和表3可知，将试验样品1-3与对照样品2进行比较，对照样品2在制备过程中只加入锆钛尾矿砂，制得的混凝土的各项性能均满足要求，对照样品2由于没有加入锆钛尾矿石屑，不能发挥锆钛尾矿石屑的骨料增强效果，因此对照样品2的抗压强度有所下降。

由表2和表3可知，将对照样品1与对照样品2进行比较，对照样品2在制备过程中加入了锆钛尾矿砂，制得的混凝土的流动性和抗压强度均有所提高。

由表2和表3可知，将对照样品3与试验样品10进行比较，由于对照样品3在制备过程中单独加入硫酸铵微粉，硫酸铵微粉无法与钡沸石粉发生反应，单独的硫酸铵微粉对混凝土的抗压强度没有明显的增强效果，因此制得的混凝土的抗压强度下降。

由表2和表3可知，将对照样品4与试验样品10进行比较，对照样品4在制备锆钛尾矿混凝土时加入过量的硫酸铵微粉会导致产生过多的氨气，大量的氨气在浆体内产生较大气泡，导致硬化后的混凝土内部产生缩孔和裂缝，因此混凝土的抗压强度下降。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种锆钛尾矿混凝土，其特征在于，所述锆钛尾矿骨料混凝土由包含以下重量份的原料制成：水泥280-320份、矿粉60-80份、粉煤灰60-100份、锆钛尾矿砂400-600份、锆钛尾矿石屑300-450份、碎石800-900份、减水剂5-8份、水140-180份。

2.根据权利要求1所述的一种锆钛尾矿混凝土，其特征在于：所述锆钛尾矿砂的筛分要求为：标准套筛的正方形筛孔尺寸分别为：4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm；累计筛余分别为：1%、7%、11%、36%、82%、100%。

3.根据权利要求1所述的一种锆钛尾矿混凝土，其特征在于：所述锆钛尾矿石屑的筛分要求为：标准套筛的正方形筛孔尺寸分别为：19.0mm、16.0mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm；累计筛余分别为：23%、42%、65%、78%、92%、100%。

4.根据权利要求1所述的一种锆钛尾矿混凝土，其特征在于：所述原料中还包括有重量份数为25-50份的钡沸石粉。

5.根据权利要求4所述的一种锆钛尾矿混凝土，其特征在于：所述钡沸石粉的粒径为5-8微米。

6.根据权利要求5所述的一种锆钛尾矿混凝土，其特征在于：所述原料中还包括有重量份数为5-10份的硫酸盐微粉。

7.根据权利要求6所述的一种锆钛尾矿混凝土，其特征在于：所述硫酸盐微粉为硫酸铵微粉。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的锆钛尾矿混凝土的制备方法，其特征在于：包括如下的制备步骤：

S1：将水泥、矿粉、粉煤灰、锆钛尾矿砂、锆钛尾矿石屑和碎石混合，搅拌40-60s得到搅拌均匀的混合料；

S2：将减水剂、水和混合料混合，搅拌90-120s得到锆钛尾矿混凝土。

9.根据权利要求8所述的一种锆钛尾矿混凝土的制备方法，其特征在于：S2步骤中还加入了钡沸石粉和硫酸铵微粉。