CN112694300B - 一种铁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，具体公开了一种铁尾矿混凝土及其制备方法。铁尾矿混凝土包括如下的组分：水泥、矿渣粉、粉煤灰、改性脱硫石膏粉、工业纯碱、铁尾矿砂、粗砂、碎石、水、减水剂；其制备方法为：步骤一，将水泥、矿渣粉、粉煤灰、改性脱硫石膏粉、工业纯碱、铁尾矿砂、粗砂和碎石混合，搅拌60‑90s得到搅拌均匀的预拌混凝土；步骤二，将其他原料和预拌混凝土混合搅拌90‑120s得到铁尾矿混凝土。本申请的一种铁尾矿混凝土可用于工程施工中；其具有工作性能稳定，抗压强度符合施工标准、生产成本较低，同时提高铁尾矿利用率的优点。

Description

一种铁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技术的领域，更具体地说，它涉及一种铁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，目前可开采、利用的天然砂资源越来越少，不足以供应混凝土企业的需要。

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。其中铁矿经分选铁之后剩余的铁尾矿中矿物众多，除含铁矿物外，还有菱镁矿等金属矿物，绿泥石等脉石矿物。由于地质及矿带等综合因素成因不同，铁尾矿矿物的组成成分各异，具有硬度大、性质稳定的特点；相关技术中，铁尾矿砂已可作为路基垫层和公路道渣使用。

针对上述中的相关技术，发明人认为相关技术中对铁尾矿的利用还停留在基础的无害化堆存的阶段，对铁尾矿的利用率不高，所以需要继续拓展铁尾矿的利用范围，以提高铁尾矿的利用率。

发明内容

为了提高铁尾矿的利用率，以减少资源浪费和环境污染，本申请提供一种铁尾矿混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种铁尾矿混凝土，采用如下的技术方案：

一种铁尾矿混凝土，所述铁尾矿混凝土由包含以下重量份的原料制成：水泥270-300份、矿渣粉20-40份、粉煤灰60-80份、脱硫石膏粉20-60 份、铁尾矿砂150-250份、粗砂350-500份、碎石900-1100份、水160-180 份、减水剂3-5份。

通过采用上述技术方案，在制备混凝土时用铁尾矿砂代替天然砂作为细骨料使用，与天然砂相比，铁尾矿砂表观密度略大、空隙率较大、堆积密度较低、吸水率略大；铁尾矿砂与胶凝材料之间的结合较好，有利于提高混凝土拌合物的力学性能，较高的吸水率能够加快水泥的水化速度，从而提高混凝土的早期强度。

在混凝土中加入矿渣粉可以降低水泥的水化热，因此可以提高混凝土硬化后的强度，然而矿渣粉单独存在时活性较低、水化速度慢，与脱硫石膏粉复合后,脱硫石膏粉发挥了明显的化学效应，由于脱硫石膏粉中含有大量钙离子和可溶性盐,钙离子和可溶性盐与矿渣粉中的氧化物复合反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，对水泥混凝土硬化后的抗压强度有显著提高。

将铁尾矿砂作为混凝土细骨料使用，一方面减少矿山开采时处理尾矿的开支，获得经济效益的同时，还能减少铁尾矿对场地的占用，降低了铁尾矿对环境的污染；另一方面对于混凝土生产企业而言，铁尾矿砂的价格约比天然砂便宜，用铁尾矿砂代替天然砂可节约企业的生产成本，并且制得的铁尾矿混凝土具有较佳的工作性能，完全能够达到施工标准对混凝土的要求。

优选的，所述铁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：0、1％、15％、35％、76％、100％。

通过采用上述技术方案，由于铁尾矿砂的表观密度大、孔隙率较大，因此将铁尾矿砂的连续级配标准选择在上述范围内，能够有效减小铁尾矿砂之间的孔隙率，从而使得水泥颗粒能够均匀扩散至铁尾矿砂表面，使得水泥浆体对铁尾矿砂骨料具有较好的包裹性，因此有利于混凝土拌合物保持较佳的流动性和自密实性能。

优选的，所述粗砂的筛分要求为：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： 33％、48％、73％、83％、94％、100％。

通过采用上述技术方案，将粗砂的连续级配标准选择在上述范围内，连续级配的粗砂可以最大限度的减小碎石与铁尾矿砂之间的间隙率，能够节约水泥，并且粗砂表面粗糙，因而能与胶凝材料粘结的更加稳固，增强了混凝土硬化后的抗压强度。

优选的，所述铁尾矿砂的细度模数为1.0-1.3。

通过采用上述技术方案，将铁尾矿砂的细度模数选择在上述范围内，可以使铁尾矿砂更充分的填充于水泥浆体和粗砂之间，能够减少水泥的用量，节约企业的生产成本；并且将铁尾矿砂的细度模数控制在上述范围内，可以使铁尾矿砂更好的悬浮于水泥浆体中，使混凝土硬化后不容易出现表面起粉、露砂现象。

优选的，所述脱硫石膏粉选用改性脱硫石膏粉，所述改性脱硫石膏粉的改性过程为：将脱硫石膏粉在浓度为10-20％的氢氧化钠溶液中浸泡 60-90分钟，浸泡完成后将脱硫石膏粉捞出烘干。

通过采用上述技术方案，脱硫石膏粉的主要成分为CaSO₄ · 2H₂O ,脱硫石膏粉在碱性溶液中能够水解出大量钙离子，钙离子与氢氧根负离子容易结合成氢氧化钙，氢氧化钙和水化铝酸钙以及K⁺、Na⁺等有利杂质形成结构更为稳定C-S-H凝胶，从而能增强骨料和水泥颗粒之间粘合力，因此有利于混凝土强度的提高。

优选的，所述改性脱硫石膏粉的粒径为60-80微米。

通过采用上述技术方案，将改性脱硫石膏粉的粒径选择在上述范围内，改性脱硫石膏粉能够更好的扩散于水泥颗粒之间，从而可以促进水泥颗粒的水化，水化产物填充于孔隙中或包裹在其它物相上,优化了混凝土孔隙结构，使得铁尾矿混凝土的结构更加密实,混凝土硬化后具有更高的抗压强度。

优选的，所述改性脱硫石膏粉的含水率为5％-10％。

通过采用上述技术方案，将改性脱硫石膏粉的含水率选择在上述范围内，改性脱硫石膏粉能够加快水泥的早期的水化速度，从而产生较多的水化物，大量的水化物在改性脱硫石膏粉内部的结合水的作用下快速扩散，能够封堵混凝土中的毛细孔，使得混凝土内部的水分能够被存储在浆体中，从而提高混凝土的保水性能。

优选的，所述原料还包括5-10份的工业纯碱。

通过采用上述技术方案，由于脱硫石膏粉中含有少量的三氧化硫杂质，三氧化硫受热后极易分解为二氧化硫和氧气，而二氧化硫有强烈的刺激性，在制备混凝土时加入工业纯碱可以与三氧化硫反应产生硫酸钠和二氧化碳，硫酸钠是一种无色透明的斜方晶体，硫酸钠位于水泥浆体中可以增强混凝土硬化后的强度，产生的二氧化碳气泡能够改善混凝土的流动性，从而增强混凝土的和易性。

第二方面，本申请提供一种铁尾矿混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种铁尾矿混凝土的制备方法，包括如下的制备步骤：

S1:将水泥、矿渣粉、粉煤灰、脱硫石膏粉、铁尾矿砂、粗砂和碎石混合，搅拌60-90s得到搅拌均匀的预拌混凝土；

S2：在预拌混凝土中加入水和减水剂，搅拌90-120s得到铁尾矿混凝土。

通过采用上述技术方案，制备得到的铁尾矿混凝土具有较佳的流动性、密实性及耐久性能，抗压强度符合施工要求，制备方法简单易操作，铁尾矿应用于混凝土中有良好的经济效益，具有很好的推广性。

优选的，S1步骤中加入有5-10份的工业纯碱。

通过采用上述技术方案，工业纯碱在干燥状态下够能够更充分扩散于改性脱硫石膏粉表面，制备得到的铁尾矿混凝土具有较佳的和易性和力学性能。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用铁尾矿砂代替普通混凝土中的天然砂，由于尾矿砂成本较低且与胶凝材料之间的结合较好，能够提高混凝土拌合物的力学性能，因此扩大了铁尾矿的利用范围，提高了铁尾矿的利用率。

2、本申请中优选采用铁尾矿砂代替普通混凝土中的天然砂，由于铁尾矿砂与天然砂相比，铁尾矿砂表观密度较大、吸水率较高，较高的吸水率能够夹块水泥的水化速度，从而使铁尾矿混凝土保持较高的早期强度和较佳的和易性。

3、本申请中对添加的脱硫石膏粉进行改性处理，得到的改性脱硫石膏粉能够与矿渣粉产生结构稳定的C-S-H凝胶，使得铁尾矿混凝土的结构更加密实，铁尾矿混凝土硬化后具有更好的抗压强度。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

水泥为普通硅酸盐水泥；矿渣粉比表面积350～500m²/kg，烧失量不大于3％；粉煤灰比表面积300～500m²/kg，烧失量不大于2％；脱硫石膏粉购自石家庄恒鑫矿产品加工有限公司；铁尾矿砂购自辽宁连山铁业(集团)上兰采矿有限公司，铁尾矿砂含水量1.3％、含泥量1.0％；减水剂购自山东同盛外加剂建材有限公司；工业纯碱购自上海启仁化工有限公司，工业纯碱的纯度为99％。

改性脱硫石膏粉的制备例

制备例1

将脱硫石膏粉在质量浓度10％的氢氧化钠溶液中浸泡90分钟，然后通过滚筒回转烘干机以80摄氏度的温度进行烘干处理，制得含水率为5％的改性脱硫石膏粉。

制备例2

将脱硫石膏粉在质量浓度15％的氢氧化钠溶液中浸泡75分钟，然后通过滚筒回转烘干机以70摄氏度的温度进行烘干处理，制得含水率为8％的改性脱硫石膏粉。

制备例3

将脱硫石膏粉在质量浓度20％的氢氧化钠溶液中浸泡60分钟，然后通过滚筒回转烘干机以60摄氏度的温度进行烘干处理，制得含水率为10％的改性脱硫石膏粉。

实施例

实施例1

一种铁尾矿混凝土，由以下重量份的原料制成：

水泥270kg、矿渣粉20kg、粉煤灰60kg、脱硫石膏粉20kg、铁尾矿砂150kg、粗砂350kg、碎石1100kg、减水剂3kg、水160kg；脱硫石膏粉的粒径为60微米，铁尾矿砂的细度模数为1.0。

铁尾矿混凝土通过如下步骤制备获得：

S1：将水泥、矿渣粉、粉煤灰、脱硫石膏粉、铁尾矿砂、粗砂和碎石混合，搅拌60s得到搅拌均匀的预拌混凝土；

S2：在预拌混凝土加入水和减水剂，搅拌90s得到铁尾矿混凝土。

实施例2

一种铁尾矿混凝土，由以下重量份的原料制成：

水泥285kg、矿渣粉30kg、粉煤灰70kg、脱硫石膏粉40kg、铁尾矿砂 200kg、粗砂420kg、碎石1000kg、减水剂4kg、水170kg；脱硫石膏粉的粒径为60微米，铁尾矿砂的细度模数为1.0。

铁尾矿混凝土通过如下步骤制备获得：

S1：将水泥、矿渣粉、粉煤灰、脱硫石膏粉、铁尾矿砂、粗砂和碎石混合，搅拌75s得到搅拌均匀的预拌混凝土；

S2：在预拌混凝土加入水和减水剂，搅拌100s得到铁尾矿混凝土。

实施例3

一种铁尾矿混凝土，由以下重量份的原料制成：

水泥300kg、矿渣粉40kg、粉煤灰80kg、脱硫石膏粉60kg、铁尾矿砂 250kg、粗砂500kg、碎石800kg、减水剂5kg、水180kg；脱硫石膏粉的粒径为60微米，铁尾矿砂的细度模数为1.0。

铁尾矿混凝土通过如下步骤制备获得：

S1：将水泥、矿渣粉、粉煤灰、脱硫石膏粉、铁尾矿砂、粗砂和碎石混合，搅拌90s得到搅拌均匀的预拌混凝土；

S2：在预拌混凝土加入水和减水剂，搅拌120s得到铁尾矿混凝土。

实施例4

一种铁尾矿混凝土，与实施例3的区别在于：本实施例选用的尾矿砂的细度模数为1.2。

实施例5

一种铁尾矿混凝土，与实施例3的区别在于：本实施例选用的尾矿砂的细度模数为1.3。

实施例6

一种铁尾矿混凝土，与实施例4的区别在于：本实施例加入制备例1 的改性脱硫石膏粉20kg；本实施例的改性脱硫石膏粉的粒径为60微米。

实施例7

一种铁尾矿混凝土，与实施例4的区别在于：本实施例加入制备例1 的改性脱硫石膏粉40kg；本实施例的改性脱硫石膏粉的粒径为60微米。

实施例8

一种铁尾矿混凝土，与实施例4的区别在于：本实施例加入制备例1 的改性脱硫石膏粉60kg；本实施例的改性脱硫石膏粉的粒径为60微米。

实施例9

一种铁尾矿混凝土，与实施例8的区别在于：本实施例的改性脱硫石膏粉的粒径为70微米。

实施例10

一种铁尾矿混凝土，与实施例8的区别在于：本实施例的改性脱硫石膏粉的粒径为80微米。

实施例11

一种铁尾矿混凝土，与实施例10的区别在于：本实施例选用制备例2 的改性脱硫石膏粉。

实施例12

一种铁尾矿混凝土，与实施例10的区别在于：本实施例选用制备例3 的改性脱硫石膏粉。

实施例13

一种铁尾矿混凝土，与实施例12的区别在于：本实施例原料中还加入有工业纯碱5kg；工业纯碱在制备铁尾矿混凝土时的S1步骤中加入。

实施例14

一种铁尾矿混凝土，与实施例12的区别在于：本实施例原料中还加入有工业纯碱7kg；工业纯碱在制备铁尾矿混凝土时的S1步骤中加入。

实施例15

一种铁尾矿混凝土，与实施例12的区别在于：本实施例原料中还加入有工业纯碱10kg；工业纯碱在制备铁尾矿混凝土时的S1步骤中加入。

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250kg、粉煤灰100kg、矿渣粉60kg、天然砂100kg、中砂800kg、碎石850kg、减水剂2kg、水170kg。

混凝土通过如下步骤制备获得：

S1：将水泥、粉煤灰、矿渣粉、天然砂、中砂和碎石混合，搅拌80s 得到搅拌均匀的预拌混凝土；

S2：在预拌混凝土加入水和减水剂，搅拌100s得到普通砂石骨料混凝土。

对比例2

对比例2与实施例1的区别在于：未加入脱硫石膏粉。

对比例3

对比例3与实施例6的区别在于：本对比例加入制备例1的改性脱硫石膏粉10kg。

对比例4

对比例4与实施例6的区别在于：本对比例加入制备例1的改性脱硫石膏粉80kg。

性能检测试验

试验一坍落度测试

试验样品：采用实施例1-15中获得的混凝土拌合物作为试验样品1-15，采用对比例1-6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1-15和对照样品1-6，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1-15的测试结果如表1所示，对照样品1-4的测试结果如表2所示。

试验二抗压强度测试

试验样品：采用实施例1-15中获得混凝土拌合物作为试验样品1-15，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1-15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1-15的测试结果如表1所示，对照样品1-4的测试结果如表2所示。

表1 试验样品1-15坍落度和抗压强度的测试结果

由表1可知，将试验样品1、试验样品2和试验样品3进行比较，本申请实施例1-3制备得到的铁尾矿混凝土各项性能均满足《普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T50080-2016》的要求，且试验样品3比试验样品1和试验样品2具有更好的流动性和抗压强度。

由表1可知，将试验样品4、试验样品5和试验样品3进行比较，在制备铁尾矿混凝土时加入的铁尾矿砂的细度模数对混凝土工作性能有一定影响，当铁尾矿砂的细度模数为1.2时，铁尾矿砂在拌合时能够更好的悬浮于水泥浆体中，制得的铁尾矿混凝土的流动性和抗压强度较佳。

由表1可知，将试验样品6、试验样品7、试验样品8和试验样品4进行比较，在制备铁尾矿混凝土时加入改性脱硫石膏粉能够有效提高铁尾矿混凝土的抗压强度，脱硫石膏粉经改性处理后易形成氢氧化钙，氢氧化钙水化氯酸钙及Na+、K+杂质能形成更稳定的C-S-H凝胶，从而增强骨料和水泥颗粒之间粘合力，因此能够提高混凝土的抗压强度。

由表1可知，将试验样品9、试验样品10和试验样品8进行比较，在制备铁尾矿混凝土时，加入的改性脱硫石膏粉的粒径对混凝土的抗压强度有较大影响，粒径为80微米的改性脱硫石膏粉能够更好的扩散于水泥颗粒之间，从而促进C3S的水化，水化产物使得铁尾矿混凝土的结构更加密实，从而提高混凝土的抗压强度；但较大粒径的改性脱硫石膏粉会吸收更多的拌合水，从而降低混凝土的流动性。

由表1可知，将试验样品11、试验样品12和试验样品10进行比较，在制备铁尾矿混凝土时加入的改性脱硫石膏粉的含水率对混凝土的流动性有较大影响，改性脱硫石膏粉的含水率越高，越有利于水化物在石膏粉内部的结合水作用下快速扩散，从而提高混凝土的流动性；水化物快速扩散能够快速封堵混凝土中的毛细孔，能够提高混凝土的保水性能。

由表1可知，将试验样品13、试验样品14、试验样品15和试验样品 12进行比较，在制备铁尾矿混凝土时加入工业纯碱，工业纯碱能够与改性脱硫石膏粉中的三氧化硫杂质反应产生硫酸钠和二氧化碳，二氧化碳气泡夹杂与水泥浆体中能够提高混凝土的流动性，产生的硫酸钠是一种无色透明的斜方晶体，硫酸钠位于混凝土中能够增强混凝土硬化后的强度。

表2 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	105	115	110
28d抗压强度/MPa	43.6	40.2	45.2	52.2

由表1和表2可知，将试验样品1、试验样品2、试验样品3和对照样品1进行比较，本申请制备的铁尾矿混凝土和普通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；但本申请制备的铁尾矿混凝土的细骨料全部采用铁尾矿砂，提高了对铁尾矿的利用率，减少了固废尾矿对环境的污染，同时也降低了企业的生产成本。

由表1和表2可知，将试验样品1、试验样品2、试验样品3和对照样品2进行比较，脱硫石膏粉对铁尾矿混凝土的抗压强度有较大影响，脱硫石膏粉能够与矿渣粉中的氧化物反应产生水化硅酸钙和水化铝酸钙，水化物硬化后能够显著提高铁尾矿混凝土的抗压强度。

由表1和表2可知，将对照样品3、对照样品4和试验样品6进行比较，在制备尾矿骨料混凝土时加入20-60kg的改性脱硫石膏粉对铁尾矿混凝土能产生较好的效果，当加入改性脱硫石膏粉的重量不足20kg时，改性脱硫石膏粉不能充分的与矿渣粉进行反应，因此对混凝土强度的提高作用效果微弱；当加入的改性脱硫石膏粉的重量超过60kg时，改性脱硫石膏粉会与水化产物及杂质金属离子复合反应，产生大量的稳定致密的C-S-H凝胶，使得混凝土的强度大幅提高，但同时也降低了混凝土的流动性。

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 (7)

1.一种铁尾矿混凝土，其特征在于，所述铁尾矿混凝土由包含以下重量份的原料制成：水泥270-300份、矿渣粉20-40份、粉煤灰60-80份、改性脱硫石膏粉20-60份、铁尾矿砂150-250份、粗砂350-500份、碎石900-1100份、水160-180份、减水剂3-5份、工业纯碱5-10份；

所述改性脱硫石膏粉的改性过程为：将脱硫石膏粉在浓度为10-20%的氢氧化钠溶液中浸泡60-90分钟，浸泡完成后将脱硫石膏粉捞出烘干。

2.根据权利要求1所述的一种铁尾矿混凝土，其特征在于：所述铁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：0、1%、15%、35%、76%、100%。

3.根据权利要求1所述的一种铁尾矿混凝土，其特征在于：所述粗砂的筛分要求为：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：33%、48%、73%、83%、94%、100%。

4.根据权利要求2所述的一种铁尾矿混凝土，其特征在于：所述铁尾矿砂的细度模数为1.0-1.3。

5.根据权利要求1所述的一种铁尾矿混凝土，其特征在于：所述改性脱硫石膏粉的粒径为60-80微米。

6.根据权利要求1所述的一种铁尾矿混凝土，其特征在于：所述改性脱硫石膏粉的含水率为5%-10%。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的铁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、矿渣粉、粉煤灰、改性脱硫石膏粉、工业纯碱、铁尾矿砂、粗砂和碎石混合，搅拌60-90s得到搅拌均匀的预拌混凝土；

S2：在预拌混凝土中加入水和减水剂，搅拌90-120s得到铁尾矿混凝土。