CN112777987B - 铁尾矿泡沫混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属泡沫混凝土与泡沫混凝土轻质材材料领域，具体涉及一种铁尾矿泡沫混凝土，包括如下原料：水泥270～380kg/m³；复合掺合料310～610kg/m³；水260～380kg/m³；环氧树脂1～5kg/m³；发泡剂1～5kg/m³；稳泡剂1～3kg/m³。复合掺合料的制备方法如下：对铁尾矿进行机械粉碎和细磨，加入碱性激发剂，再加入粉煤灰及矿渣。本发明目标产品热力学性能理想，致密性好，耐久性强，可防止塌模，具有更高的承重能力和抗冲击能力，环保效能显著。

Description

铁尾矿泡沫混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属泡沫混凝土与泡沫混凝土轻质材料领域，具体涉及一种铁尾矿泡沫混凝土及其制备方法。
背景技术
随着泡沫混凝土生产和应用的不断发展，各种各样的泡沫混凝土层出不穷，人们对泡沫混凝土的要求也越来越高，越来越多地关注到泡沫混凝土的热力学性能，既希望泡沫混凝土产品质量轻，又要求具有更高的承重能力和抗冲击能力。
目前我国产出量最大的固体废物就是尾矿，现有尾矿库12600座，尾矿堆存量超过200亿吨，每年新增6亿吨。尾矿堆存对环境造成重大影响，安全隐患极大，全国多地发生过尾矿库溃坝事件，造成大量人员伤亡。所以提高尾矿利用率，解决污染问题迫在眉睫，而使用尾矿代替天然砂制备混凝土来大量消耗尾矿是一项快速的处理方法。
泡沫混凝土的制备与拌制普通混凝土不同，它存在一个泡沫导入的过程，为了更好地在这个过程中将泡沫均匀引入到水泥浆料中并完好均匀地分布于泡沫混凝土体系，要求水泥浆料具有良好的流动性。
发明内容
一种铁尾矿泡沫混凝土，包括如下原料：
水泥 270～380kg/m³；
复合掺合料 310～610kg/m³；
水 260～380kg/m³；
环氧树脂 1～5kg/m³；
发泡剂 1～5kg/m³；
稳泡剂 1～3kg/m³。
本发明所述复合掺合料的制备方法如下：对铁尾矿进行机械粉碎和细磨，加入碱性激发剂（95%～98% NaOH与模数为1.3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液），再加入粉煤灰及矿渣制备的材料。
复合掺合料为通过采用由机械、化学活化得到的铁尾矿再辅以粉煤灰、矿渣制得的复合掺合料。机械活化是在铁尾矿粉碎和细磨过程中，因其受到机械冲击力、剪切力以及压力等的作用，使凝聚状态下矿物发生化学变化或物理化学变化，产生晶格畸变和局部破坏以及晶格缺陷，使其矿物内能增大，从而反应活性增强。化学活化是通过掺入一定量的有机或无机化学激发剂的方式来激发其活性的方法，碱性激发剂采用的是95%～98% NaOH与模数为1.3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液。
进一步地，本发明所述粉煤灰化学成分包括：57～60% SiO2、20～24% Al2O3、6～10% CaO、6～10% Fe2O3、1～3% MgO，粒径为26.5～29.5μm，密度为2.3～2.5g/cm3。
进一步地，本发明所述矿渣化学成分为：36～40% CaO、34～38% SiO2、14～17%Al2O3、8～10% MgO，比表面积为400～450m2/kg,密度为2.66～3.1g/cm3。
进一步地，本发明所述稳泡剂为羟甲基丙基纤维素醚。
由于羟甲基丙基纤维素醚具有引气作用，引入了均匀细小孔；另外羟甲基丙基纤维素醚的引入增加了浆体粘度，进而增大了浆体内部空气排出阻力，可保证泡沫的质量，在一定程度上也可提升混凝土强度。
进一步地，本发明所述发泡剂包括YS-10型水泥发泡剂及铝粉；所述铝粉细度为200～250目，活性氧化铝含量在85～90%。
铝粉掺加在胶凝材料中，在拌合过程中可以起到二次发泡的效果。如下是铝粉发泡的反应方程式。
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进一步地，本发明所述铁尾矿为高硅铁尾矿砂，粒径为450～500目，成分含量为：65～70% SiO2、4～8% MgO、4～7% CaO、4～7% Al2O3、7～10% TFe。
进一步地，本发明所述水泥采用P.O 42.5 水泥。
上述铁尾矿泡沫混凝土的制备方法，可按如下步骤实施：
S11、根据目标产品铁尾矿泡沫混凝土的导热系数、强度等级、干密度的要求，确定胶凝材料的用量；所述胶凝材料包括：水泥、复合掺合料；所述干密度为ρ=SA（Mc+MFA），SA为形成水泥石后水泥所增加的质量系数，Mc为水泥用量，MFA为复合掺合料用量；
S12、根据胶凝材料用量，确定水泥浆的用水量；水泥浆的用水量为MW=φ（Mc+MFA），φ为基本水料比；
S13、根据胶凝材料用量及所述水泥浆的用水量，确定水泥浆总体积；水泥浆总体积为V1=（MFA/2.6+Mc/3.1+MW/1）/1000；
S14、水胶比确定的前提下调整用水量、复合掺合料用量、水泥浆总体积；
S15、通过水泥浆总体积，确定发泡剂体积；
S16、按泡沫体积、实测泡沫密度，确定泡沫质量 ；所用泡沫的质量MY=V2ρ泡，ρ泡为实测泡沫的密度；泡沫体积V2=K（1-V1），K为富余系数，取1.1～1.3；
S17、根据泡沫质量、发泡剂稀释倍数，确定发泡剂用量；发泡剂质量MP=MY/（β+1），β为发泡剂稀释倍数；
S18、具体制备过程包括如下步骤：
（1）将水泥、复合掺合料及稳泡剂混配形成干物料并搅拌；
（2）将环氧树脂分散到水中形成混合液，将所述混合液加入到步骤（1）所得产物中搅拌；
（3）将发泡剂与水混合并搅拌，进行发泡制成泡沫；
（4）将步骤（3）所得泡沫加入步骤（2）所得产物中并搅拌；
（5）搅拌达到要求后，测试验证硬化混凝土的各项指标。
进一步地，本发明所述步骤（2）中，将环氧树脂分散到水中形成混合液，将三分之二混合液加入到步骤（1）所得产物中搅拌1min，再加入剩下的混合液搅拌3～5min；所述步骤（3）中，发泡剂与水按照重量比1:（40～50）比例混合并搅拌均匀，然后使用发泡机进行发泡，最后将制备好的泡沫加入步骤（2）所得产物中搅拌4～5min。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、环氧树脂掺入混凝土后,由于水性胺类固化剂能在短时间内将水性环氧树脂内的环氧树脂与水分离,随着水化过程的进行,混凝土基体中的C-S-H和钙钒石晶体逐渐增多,而水性环氧树脂由于其分子结构中含有羟基(OH)和醚键(O)两种极性基团,使得水性环氧树脂分子易与相邻表面之间产生电磁和化学引力。而水性环氧树脂的环氧基与水泥混凝土的钙离子等发生作用,形成交联紧密的网状络合聚合物,最终水泥水化物和水性环氧树脂成膜形成了一个复合的胶链的胶凝材料相,使得水泥混凝土界面区粘结紧密。采用上述技术路线可以使得混凝土空隙和收缩率减小,使混凝土致密,从而改善了混凝土的韧性,使其变形能力得到提高，强度提升可达10%～15%。
2、羟甲基丙基纤维素醚掺入水泥浆体中时可在铁尾矿粉表面形成一层保护膜，防止铁尾矿粉棱角结构对泡沫产生破坏，由于羟甲基丙基纤维素醚具有引气作用，引入了均匀细小孔；另外羟甲基丙基纤维素醚的引入增加了浆体粘度，进而增大了浆体内部空气排出阻力，可保证泡沫的质量，在一定程度上也可提升混凝土强度。
3、铝粉粒径在200～250目，可确保有更多的活性，当铝粉加入到水泥浆体后，可以再浆体成形到养护期间二次发泡，对浆体搅拌过程中损失泡沫的补充，亦可以防止塌模，提高混凝土的质量。
4、复合掺合料为通过采用由机械，高温，化学活化得到的铁尾矿在辅以粉煤灰、矿渣等材料制得的复合掺合料。可大量代替水泥。本发明采用的铁尾矿是高硅型铁尾矿，粒径在450～500目，可使铁尾矿具有一部分活性，从而代替一部分水泥，不仅节省水泥，也可以提高混凝土的耐久性能。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。本发明的保护范围不仅局限于下列内容的表述。
图1为本发明制备方法流程框图。
具体实施方式
在泡沫混凝土中，所述泡沫混凝土的配合比重如下：700kg/m³，强度等级为2MPa时，水泥含量为350～380kg/m³，复合掺合料含量为310～340kg/m³，稳泡剂含量为1～3kg/m³，水含量为260～290kg/m³，环氧树脂含量为1～3kg/m³，碱性激发剂含量为12～18kg/m³，发泡剂含量为1～5kg/m³；按照上述比重水胶比控制在0.38～0.45。
在泡沫混凝土中，所述泡沫混凝土的容重为800kg/m³，强度等级为3MPa时，其配合比重如下：水泥含量为300～330kg/m³，复合掺合料含量为450～480kg/m³，稳泡剂含量为1～3kg/m³，水含量为300～330kg/m³，环氧树脂含量为2～4kg/m³，碱性激发剂含量为12～18kg/m³，发泡剂含量为3～5kg/m³；按照上述比重水胶比控制在0.38～0.45。
在泡沫混凝土中，所述泡沫混凝土的容重为900kg/m³，强度等级为4MPa时，其配合比如下：水泥含量为270～300kg/m³，复合掺合料含量为590～610kg/m³，稳泡剂含量为1～3kg/m³，水含量为350～380kg/m³，环氧树脂含量为3～5kg/m³，碱性激发剂含量为16～20kg/m³，发泡剂含量为2～4kg/m³；按照上述比重水胶比控制在0.38～0.45。
实施例1
在本实施例中，所述泡沫混凝土的容重为700kg/m3时，其配合比重如下：水泥为360kg/m³，复合掺合料含量为326kg/m³，稳泡剂含量为2.1kg/m³，水含量为280kg/m³，环氧树脂含量为2.1kg/m³，碱性激发剂含量为14kg/m³，发泡剂（YS-10型水泥发泡剂与铝粉1:1掺入；所述铝粉细度为200～250目，活性氧化铝含量在85～90%）含量为4.7kg/m³；复合掺合料的制备方法：对铁尾矿进行机械粉碎和细磨，加入碱性激发剂（采用95%～98% NaOH与模数为1.3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液），再加入粉煤灰及矿渣；以重量百分含量计，其中含50%铁尾矿,18%矿渣，30%粉煤灰,2%碱性激发剂。铁尾矿为辽宁省本溪市高硅铁尾矿，粉煤灰为营口地区二级粉煤灰，矿渣来自河南鼎诺净化材料有限公司。
按照上述比重水胶比控制在0.40,强度等级为2MPa，抗折强度为1.1MPa，导热系数为0.18W/（m·k）,50次冻融循环后的强度损失率为5.3%，抗渗性能与普通泡沫混凝土相差不大。
图1是本发明实施例的泡沫混凝土的配制方法的步骤流程示意图。参照图1，泡沫混凝土的配制方法，包括：
S11、根据目标产品铁尾矿泡沫混凝土的导热系数、强度等级、干密度的要求，确定胶凝材料的用量；所述胶凝材料包括：水泥、复合掺合料；所述干密度为ρ=SA（Mc+MFA），SA为形成水泥石后水泥所增加的质量系数，普通硅酸盐水泥取1.2，Mc为水泥用量，MFA为复合掺合料用量；
S12、根据胶凝材料用量，确定水泥浆的用水量；水泥浆的用水量为MW=φ（Mc+MFA），φ为基本水料比，视复合掺合料用量和发泡剂质量作适当调整，在本实施例中取0.40；在本实施例中MFA为干粉料的45～70%，单位为kg/m3。
S13、根据胶凝材料用量及所述水泥浆的用水量，确定水泥浆总体积；水泥浆总体积为V1=（MFA/2.6+Mc/3.1+MW/1）/1000；
S14、水胶比确定的前提下调整水泥浆的用水量、复合掺合料用量、水泥浆总体积；
S15、通过水泥浆总体积，确定发泡剂体积；
S16、按泡沫体积、实测泡沫密度，确定泡沫质量 ；所用泡沫的质量MY=V2ρ泡，ρ泡为实测泡沫的密度；泡沫体积V2=K（1-V1），K为富余系数，取1.1～1.3；
S17、根据泡沫质量、发泡剂稀释倍数，确定发泡剂用量；发泡剂质量MP=MY/（β+1），β为发泡剂稀释倍数；
S18、具体制备过程包括如下步骤：
先加入水泥，复合掺合料，羟甲基丙基纤维素醚形成干物料并搅拌1～2min，然后将环氧树脂分散到水中形成混合液，将三分之二的混合液加入到干物料中搅拌1min，再加入剩下的混合液搅拌3～5min，在此过程中将发泡剂与水按照重量比1:40比例混合并搅拌均匀，然后使用发泡机进行发泡，最后将制备好的泡沫加入到水泥浆中并搅拌4～5min。搅拌后的泡沫混凝土达到要求后，测试验证硬化混凝土的各项指标，当不符合要求时，对配合比进行适当调整后重新试拌并验证搅拌后的泡沫混凝土和硬化混凝土。
实施例2
在泡沫混凝土中，所述泡沫混凝土的容重为800kg/m³时，其配合比重如下：水泥含量为320kg/m³，复合掺合料含量为464kg/m³，稳泡剂含量为2.1kg/m³，水含量为320kg/m³，环氧树脂含量为3.4kg/m³，碱性激发剂（采用95%～98% NaOH与模数为1.3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液）含量为16kg/m³，发泡剂（YS-10型水泥发泡剂与铝粉1:1掺入；所述铝粉细度为200～250目，活性氧化铝含量在85～90%）含量为4kg/m³；复合掺合料的制备方法：对铁尾矿进行机械粉碎和细磨，加入碱性激发剂（采用95%～98% NaOH与模数为1.3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液），再加入粉煤灰及矿渣；以重量百分含量计，其中含其中含50%铁尾矿,18%矿渣，30%粉煤灰,2%碱性激发剂。铁尾矿为辽宁省本溪市高硅铁尾矿，粉煤灰为营口地区二级粉煤灰，矿渣来自河南鼎诺净化材料有限公司。
按照上述比重水胶比控制在0.40，强度等级为3MPa，抗折强度为1.5MPa，导热系数为0.21W/（m·k），50次冻融循环后的强度损失率为5.5%，抗渗性能与普通泡沫混凝土相比相差不大。
制备方法同实施例1。
实施例3
在泡沫混凝土中，所述泡沫混凝土的容重为900kg/m³，其配合比重如下：水泥含量为280kg/m³，复合掺合料含量为602kg/m³，稳泡剂含量为2.1kg/m³，水含量为360kg/m³，环氧树脂含量为4.3kg/m³，碱性激发剂（采用95%～98% NaOH与模数为1.3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液）含量为18kg/m³；发泡剂（YS-10型水泥发泡剂与铝粉1:1掺入；所述铝粉细度为200～250目，活性氧化铝含量在85～90%）含量为3.4kg/m³；复合掺合料的制备方法：对铁尾矿进行机械粉碎和细磨，加入碱性激发剂（采用95%～98% NaOH与模数为1.3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液），再加入粉煤灰及矿渣。以重量百分含量计，其中含50%铁尾矿,18%矿渣，30%粉煤灰,2%碱性激发剂。铁尾矿为辽宁省本溪市高硅铁尾矿，粉煤灰为营口地区二级粉煤灰，矿渣来自河南鼎诺净化材料有限公司。
按照上述比重水胶比控制在0.40，强度等级为4MPa，抗折强度为2.2MPa，导热系数为0.24W/（m·k）,50次冻融循环后的强度损失率为5.7%，抗渗性能与普通泡沫混凝土相比相差不大。
制备方法同实施例1。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种铁尾矿泡沫混凝土，其特征在于，所述泡沫混凝土的容重为700kg/m3时，其配合比重如下：水泥为360kg/m³，复合掺合料含量为326kg/m³，稳泡剂含量为2 .1kg/m³，水含量为280kg/m³，环氧树脂含量为2 .1kg/m³，碱性激发剂含量为14kg/m³，发泡剂含量为4.7kg/m³；
复合掺合料的制备方法：对铁尾矿进行机械粉碎和细磨，加入碱性激发剂，再加入粉煤灰及矿渣；以重量百分含量计，其中含50%铁尾矿，18%矿渣，30%粉煤灰，2%碱性激发剂；
所述粉煤灰化学成分包括：57～60% SiO2、20～24% Al2O3、6～10% CaO、6～10% Fe2O3、1～3% MgO，粒径为26.5～29.5μm，密度为2.3～2.5g/cm3；
所述矿渣化学成分为：36～40% CaO、34～38% SiO2、14～17% Al2O3、8～10% MgO，比表面积为400～450m2/kg , 密度为2.66～3.1g/cm3；所述稳泡剂为羟甲基丙基纤维素醚；所述水泥采用P.042.5水泥；
所述铁尾矿为高硅铁尾矿砂，粒径为450～500目，成分含量为：65～70% SiO2、4～8%MgO、4～7% CaO、4～7% Al2O3、7～10% Tfe；
所述发泡剂包括YS-10型水泥发泡剂及铝粉；所述YS-10型水泥发泡剂及铝粉质量比1：1;所述铝粉细度为200～250目，活性氧化铝含量在85～90%；所述碱性激发剂采用95～98%NaOH与模数为1 .3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液。
2.根据权利要求1所述铁尾矿泡沫混凝土的制备方法，其特征在于，按如下步骤实施：
S11、根据目标产品铁尾矿泡沫混凝土的导热系数、强度等级、干密度的要求，确定胶凝材料的用量；所述胶凝材料包括：水泥、复合掺合料；所述干密度为ρ=SA（Mc+MFA），SA为形成水泥石后水泥所增加的质量系数，普通硅酸盐水泥取1 .2，Mc为水泥用量，MFA为复合掺合料用量；
S12、根据胶凝材料用量，确定水泥浆的用水量；水泥浆的用水量为MW=φ（Mc+MFA），φ=0.40，为基本水料比；MFA为干粉料的45～70%，单位为kg/m3；
S13、根据胶凝材料用量及所述水泥浆的用水量，确定水泥浆总体积；水泥浆总体积为V1=（MFA/2 .6+Mc/3 .1+MW/1）/1000；
S14、水胶比确定的前提下调整水泥浆的用水量、复合掺合料用量、水泥浆总体积；
S15、通过水泥浆总体积，确定发泡剂体积；
S16、按泡沫体积、实测泡沫密度，确定泡沫质量；所用泡沫的质量MY=V2ρ泡，ρ泡为实测泡沫的密度；泡沫体积V2=K（1-V1），K为富余系数，取1 .1～1 .3；
S17、根据泡沫质量、发泡剂稀释倍数，确定发泡剂用量；发泡剂质量MP=MY/（β+1），β为发泡剂稀释倍数；
S18、具体制备过程包括如下步骤：
先加入水泥，复合掺合料，羟甲基丙基纤维素醚形成干物料并搅拌1～2min，然后将环氧树脂分散到水中形成混合液，将三分之二的混合液加入到干物料中搅拌1min，再加入剩下的混合液搅拌3～5min，在此过程中将发泡剂与水按照重量比1:40比例混合并搅拌均匀，然后使用发泡机进行发泡，最后将制备好的泡沫加入到水泥浆中并搅拌4～5min；搅拌后的泡沫混凝土达到要求后，测试验证硬化混凝土的各项指标，当不符合要求时，对配合比进行适当调整后重新试拌并验证搅拌后的泡沫混凝土和硬化混凝土。
3.一种铁尾矿泡沫混凝土，其特征在于，所述泡沫混凝土的容重为800kg/m³时，其配合比重如下：水泥含量为320kg/m³，复合掺合料含量为464kg/m³，稳泡剂含量为2 .1kg/m³，水含量为320kg/m³，环氧树脂含量为3 .4kg/m³，碱性激发剂含量为16kg/m³，发泡剂含量为4kg/m³；
复合掺合料的制备方法：对铁尾矿进行机械粉碎和细磨，加入碱性激发剂，再加入粉煤灰及矿渣；以重量百分含量计，其中含50%铁尾矿 ,18%矿渣，30%粉煤灰，2%碱性激发剂；
所述粉煤灰化学成分包括：57～60% SiO2、20～24% Al2O3、6～10% CaO、6～10% Fe2O3、1～3% MgO，粒径为26.5～29.5μm，密度为2.3～2.5g/cm3；
所述矿渣化学成分为：36～40% CaO、34～38% SiO2、14～17% Al2O3、8～10% MgO，比表面积为400～450m2/kg , 密度为2.66～3.1g/cm3；所述稳泡剂为羟甲基丙基纤维素醚；所述水泥采用P.042.5水泥；
所述铁尾矿为高硅铁尾矿砂，粒径为450～500目，成分含量为：65～70% SiO2、4～8%MgO、4～7% CaO、4～7% Al2O3、7～10% Tfe；
所述发泡剂包括YS-10型水泥发泡剂及铝粉；所述YS-10型水泥发泡剂与铝粉质量比为1:1；所述铝粉细度为200～250目，活性氧化铝含量在85～90%；所述碱性激发剂采用95～98% NaOH与模数为1 .3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液。
4.一种铁尾矿泡沫混凝土，其特征在于，所述泡沫混凝土的容重为900kg/m³，其配合比重如下：水泥含量为280kg/m³，复合掺合料含量为602kg/m³，稳泡剂含量为2 .1kg/m³，水含量为360kg/m³，环氧树脂含量为4 .3kg/m³，碱性激发剂含量为18kg/m³；发泡剂含量为3.4kg/m³；
复合掺合料的制备方法：对铁尾矿进行机械粉碎和细磨，加入碱性激发剂，再加入粉煤灰及矿渣，以重量百分含量计，其中含50%铁尾矿，18%矿渣，30%粉煤灰，2%碱性激发剂；
所述粉煤灰化学成分包括：57～60% SiO2、20～24% Al2O3、6～10% CaO、6～10% Fe2O3、1～3% MgO，粒径为26.5～29.5μm，密度为2.3～2.5g/cm3；
所述矿渣化学成分为：36～40% CaO、34～38% SiO2、14～17% Al2O3、8～10% MgO，比表面积为400～450m2/kg , 密度为2.66～3.1g/cm3；所述稳泡剂为羟甲基丙基纤维素醚；所述水泥采用P.042.5水泥；
所述铁尾矿为高硅铁尾矿砂，粒径为450～500目，成分含量为：65～70% SiO2、4～8%MgO、4～7% CaO、4～7% Al2O3、7～10% Tfe；
所述发泡剂包括YS-10型水泥发泡剂及铝粉；所述YS-10型水泥发泡剂与铝粉质量比为1:1；所述铝粉细度为200～250目，活性氧化铝含量在85～90%；所述碱性激发剂采用95～98% NaOH与模数为1 .3的Na2SiO3混合而成的碱性溶液。
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