CN112851182A - 铁尾矿砂专用抗吸附剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁尾矿砂专用抗吸附剂及其制备方法，属于建筑材料技术领域，按质量百分比配比，包括：主料80‑85％、流动度调整组分10‑15％、胀稳定组分5‑10％和抗吸附剂，抗吸附剂掺量为胶凝材料与铁尾矿石粉掺量的0.5‑1％。本发明提供的铁尾矿砂专用抗吸附剂，直接加水与铁尾矿砂混合，搅拌均匀就能发挥抗吸附作用，减小了减水剂的吸附，在静电斥力的作用，可以有效的使水泥、石粉分散开，减少颗粒之间的团聚，减少颗粒之间的水的存在，使得混凝土的和易性变好，坍落度损失较小。

Description

铁尾矿砂专用抗吸附剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，更具体地说，是涉及一种铁尾矿砂专用抗吸附剂及其制备方法。

背景技术

我国铁矿资源丰富，多年开采积累了大量铁尾矿。目前，全国铁尾矿总堆存量超过100亿吨，其中当年总产生量7.98亿吨。大量铁尾矿堆给人类生产生活带来了严重的污染与危害，耗费大量的维护成本与治理费用。铁尾矿砂是铁矿石经磨细、分选后产生的粒径小于4.75mm的废渣颗粒。目前能大宗消纳铁尾矿砂，处理工艺成熟又不产生二次污染最佳利用途径就是将其应用在预拌混凝土中作细集料。

如果将铁尾矿砂利用与大规模的预拌混凝土生产结合起来，既解决了铁尾矿砂的综合利用问题，又缓解了混凝土行业天然砂资源的匮乏压力，存在很大的研究利用价值。

虽然国家已经开始力推铁尾矿砂资源的循环再利用，但因不同地区不同类型矿床产生的尾矿成分及含量差异较大，且铁尾矿砂颗粒很细、石粉含量偏高、有些矿物对减水剂吸附能力强，使其在体系中的分散性收到限制，导致减水剂起不到应有效果，出现减水率不足，坍落度、扩展度损失大等问题，严重影响混凝土的工作性能；另一方面，铁尾矿砂颗粒很细、石粉含量偏高，对混凝土强度影响大，这些问题均限制了铁尾矿砂在混凝土中的应用。本发明提供一种铁尾矿砂专用吸附剂，可以减少石粉对减水剂的吸附，大大降低其对混凝土的工作性和强度等性能造成的负面影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁尾矿砂专用抗吸附剂，旨在解决由于铁尾矿砂颗粒细、石粉含量高、一些矿物对减水剂吸附能力强，导致制备的混凝土存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种铁尾矿砂专用抗吸附剂，按质量百分比配比，包括：主料80-85％、流动度调整组分10-15％,、胀稳定组分5-10％和抗吸附剂；所述主料的分子式为：

所述抗吸附剂掺量为胶凝材料与铁尾矿石粉掺量的0.5-1％。

作为本申请另一实施例，所述主料包括两种基团，所述两种基团的数量相等。

作为本申请另一实施例，所述主料的分子量在1000-1500之间。

作为本申请另一实施例，所述流动度调整组分包括葡萄糖酸钠、氯化-N，N，N-三甲基-1-十二铵、木质素磺酸钙，三者比例为2:5:3。

作为本申请另一实施例，所述稳定组分包括纤维素醚与和β-环糊精，所述纤维素醚分子在1500-2500之间。

作为本申请另一实施例，所述纤维素醚和所述β-环糊精的比例为：1:9。

本发明还提供一种铁尾矿砂专用抗吸附剂的制备方法，包括：

主料制备：

称等摩尔比例的聚琥珀酰亚胺、亚氨基二乙酸和亚氨基二(甲基磷酸)至反应釜中；

加入适量的水，在50℃-60℃温度下搅拌反应1h-1.5h，充分混合；

加入10％的氢氧化钠溶液，调节pH为9-11，反应24h，结束后调节pH为7～8；

用无水乙醇进行沉降，静置12h，倾去上层液体，在60℃条件下真空干燥，得到主料；

按质量百分比配比，将主料、流动度调整组分、胀稳定组分和抗吸附剂混合均匀。

本发明提供的铁尾矿砂专用抗吸附剂的有益效果在于：与现有技术相比，本发明铁尾矿砂专用抗吸附剂，其主体组分中，结构①中大量的N元素靠静电引力和H键吸附于铁尾矿砂石粉表面，形成稳定的化学键与物理键，由于空间位阻效应，使之无法再吸附减水剂；结构②中的磷酸盐聚合结构与Ca²⁺、Mg²⁺离字具有良好的螯合能力，可吸附于水泥和铁尾矿砂石粉表面，一方面靠静电斥力作用使水泥分散，另一方面阻止石粉对其他外加剂的吸附。

流动度调整组分做作用机理同主体组分类似，协同主体组分使用，提升效能，主要作用为分散水泥，减少用水量；胀稳定组分疏水主链通过氢键螯合周围水分子，使体积增大，限制自身活动空间，提高体系粘度，进而增强体系和易性，防止泌水现象的发生；抗吸附剂作用机理同主体组分类似，协同主体组分使用，提升效能，主要作用为抗吸附。

按质量百分比混合各组分，配置成抗吸附剂，使用时，直接加水与铁尾矿砂混合，搅拌均匀就能发挥抗吸附作用，三组分在机理上协同发挥作用，可有效降低铁尾矿砂石粉对减水剂的吸附，在静电斥力的作用下，可以有效的使水泥、石粉分散开，减少颗粒之间的团聚，减少颗粒之间水的存在，使得混凝土的和易性变好，坍落度损失较小。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现对本发明提供的铁尾矿砂专用抗吸附剂进行说明。所述铁尾矿砂专用抗吸附剂，按质量百分比配比，包括：主料80-85％、流动度调整组分10-15％,、稳定组分5-10％和抗吸附剂；所述主料的分子式为：

所述抗吸附剂掺量为胶凝材料与铁尾矿石粉掺量的0.5-1％。

本发明提供的铁尾矿砂专用抗吸附剂，与现有技术相比，其主体组分中，结构①中大量的N元素靠静电引力和H键吸附于铁尾矿砂石粉表面，形成稳定的化学键与物理键，由于空间位阻效应，使之无法再吸附减水剂；结构②中的磷酸盐聚合结构与Ca²⁺、Mg²⁺离字具有良好的螯合能力，可吸附于水泥和铁尾矿砂石粉表面，一方面靠静电斥力作用使水泥分散，另一方面阻止石粉对其他外加剂的吸附。

流动度调整组分做作用机理同主体组分类似，协同主体组分使用，提升效能，主要作用为分散水泥，减少用水量；胀稳定组分疏水主链通过氢键螯合周围水分子，使体积增大，限制自身活动空间，提高体系粘度，进而增强体系和易性，防止泌水现象的发生；抗吸附剂作用机理同主体组分类似，协同主体组分使用，提升效能，主要作用为抗吸附。

按质量百分比混合各组分，配置成抗吸附剂，使用时，直接加水与铁尾矿砂混合，搅拌均匀就能发挥抗吸附作用，三组分在机理上协同发挥作用，可有效降低铁尾矿砂石粉对减水剂的吸附，在静电斥力的作用，可以有效的使水泥、石粉分散开，减少颗粒之间的团聚，减少颗粒之间的水的存在，使得混凝土的和易性变好，坍落度损失较小。

作为本发明提供的铁尾矿砂专用抗吸附剂的一种具体实施方式，所述主料包括两种基团，由分子式可推出所述两种基团的数量相等。两种基团为为聚丙烯酰胺类及聚丙烯酰胺类的衍生物。

聚丙烯酰胺(PAM)是丙烯酰胺均聚物或与其他单体共聚而得聚合物的统称，是水溶性高分子中应用最广泛的品种之一。由于聚丙烯酰胺结构单元中含有酰胺基、易形成氢键、使其具有良好的水溶性和很高的化学活性。

实施例一：主料82％、流动度调整组分13％,、稳定组分8％，抗吸附剂为胶凝材料与铁尾矿石粉掺量的0.8％。

根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)中坍落度和坍落度经时损失、扩展度和扩展度经时损失实验方法，考察以铁尾矿砂作为细骨料的混凝土体系中加入抗吸附剂后的坍落度(mm)、扩展度(mm)以及1h坍落度(mm)、1h扩展度(mm)。试验采用P·O 42.5普通硅酸盐，水泥石子为5-10mm和10-20mm连续级配，减水剂减水率20％-25％，固含量为20.1％。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)中抗压强度试验方法，测试以铁尾矿砂作为细骨料的混凝土体系中加入抗吸附剂后的3d、7d和28d的抗压强度(MPa)，设计强度为30MPa，所用材料同坍落度和扩展度试验，配合比如表1所示。

表1 C30混凝土配合比

实施例二：主料80％、流动度调整组分15％,、稳定组分6％，抗吸附剂为胶凝材料与铁尾矿石粉掺量的0.6％。

根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)中坍落度和坍落度经时损失、扩展度和扩展度经时损失实验方法，考察以铁尾矿砂作为细骨料的混凝土体系中加入抗吸附剂后的坍落度(mm)、扩展度(mm)以及1h坍落度(mm)、1h扩展度(mm)。试验采用P·O 42.5普通硅酸盐，水泥石子为5-10mm和10-20mm连续级配，减水剂减水率20％-25％，固含量为20.1％。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)中抗压强度试验方法，测试以铁尾矿砂作为细骨料的混凝土体系中加入抗吸附剂后的3d、7d和28d的抗压强度(MPa)，设计强度为30MPa，所用材料同坍落度和扩展度试验，配合比如表2所示。

表2 C30混凝土配合比

作为本发明实施例的一种具体实施方式，所述主料的分子量在1000-1500之间，分子量过小则无法起到空间位阻效应。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，所述流动度调整组分可吸附在水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面显示电性，进而因静电斥力而分散，释放水泥间包裹的水分子，减少用水量。包括葡萄糖酸钠、氯化-N，N，N-三甲基-1-十二铵、木质素磺酸钙，三者比例为2:5:3。它能延缓水泥的凝结硬化，可以使混凝土拌合物在较长时间保持塑性，在黏土-水系统中，由于吸附层和扩散层存在ZETA电位(剪切面的电位)，离子络合剂能增厚扩散层，加大ZETA电位，使胶团斥力增加，能长期悬浮水中减弱黏土胶团由于布朗运动产生的吸引力，使泥浆黏度大为降低，同时离子络合剂具有较强的络合能力，生成的钙、镁盐络合物难溶于水，使泥浆中的Ca²⁺、Mg²⁺浓度减小，起着反凝聚的作用，促进浆体稀释。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，所述稳定组分包括纤维素醚和β-环糊精，所述纤维素醚分子在1500-2500之间，分子量过大或过小会使体系过于粘稠或起不到提高体系粘度的效果。

纤维素醚在砂浆中的作用机理如下：

(1)砂浆内的纤维素醚在水中溶解后，由于表面活性作用保证了胶凝材料在体系中有效地均匀分布，而纤维素醚作为一种保护胶体，“包裹”住固体颗粒，并在其外表面形成一层润滑膜，使砂浆体系更稳定，也提高了砂浆在搅拌过程的流动性和施工的滑爽性。

(2)纤维素醚溶液由于自身分子结构特点，使砂浆中的水分不易失去，并在较长的一段时间内逐步释放，赋予砂浆良好的保水性和工作性。

β-环糊精是一种化学物质，英文叫β-cyclodextrin crystalline，分子式是C₄₂H₇₀O₃₅。是一种白色结晶，在水中比较容易结晶。能够增加相容性，还起到了缓释的作用。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，所述纤维素醚与和所述β-环糊精的比例为：1:9。

本发明还提供一种铁尾矿砂专用抗吸附剂的制备方法，其特征在于，包括：

步骤一，主料制备：

S1，称等摩尔比例的聚琥珀酰亚胺、亚氨基二乙酸和亚氨基二(甲基磷酸)至反应釜中；

S2，加入适量的水，在50℃-60℃温度下搅拌反应1h-1.5h，充分混合；

S3，加入10％的氢氧化钠溶液，调节pH为9-11，反应24h，结束后调节pH为7～8；

S4，用无水乙醇进行沉降，静置12h，倾去上层液体，在60℃条件下真空干燥，得到主料；

步骤二，按质量百分比配比，将主料、流动度调整组分、胀稳定组分和抗吸附剂混合均匀。

本实施例S2，加入适量的水，在55℃温度下搅拌反应1.2h，充分混合。

S3，加入10％的氢氧化钠溶液，调节pH为10，反应24h，结束后调节pH为7～8。

反应机理：聚琥珀酰亚胺聚合作为主体长链，其羧基与亚氨基二乙酸和亚氨基二(甲基磷酸)中的亚氨基发生反应形成支链，羧基与亚酰基化学反应式见式①；加入氢氧化钠溶液后，与支链上的亚氨基二乙酸和亚氨基二(甲基磷酸)发生中和反应形成主料水溶液；最后引入无水乙醇进行沉降，其原理是：主料在溶液中以水合状态稳定存在，当引入乙醇后会夺去主料周围的水分子，使其易于聚合，从而沉降下来。

对比例：根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)中坍落度和坍落度经时损失、扩展度和扩展度经时损失实验方法，考察直接以河砂作为细骨料的混凝土体系中而不加抗吸附剂时的坍落度(mm)、扩展度(mm)以及1h坍落度(mm)、1h扩展度(mm)。试验采用P·O 42.5普通硅酸盐，水泥石子为5-10mm和10-20mm连续级配，减水剂减水率20％-25％，固含量为20.1％。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)中抗压强度试验方法，考察直接以河砂作为细骨料的混凝土体系的3d、7d和28d的抗压强度(MPa)，设计强度为30MPa，所用材料同坍落度和扩展度试验，配合比如表3所示。

表3 C30混凝土配合比

空白例：根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)中坍落度和坍落度经时损失、扩展度和扩展度经时损失实验方法，考察抗吸附剂掺量为0，直接以铁尾矿砂作为细骨料的混凝土体系中时的坍落度(mm)、扩展度(mm)以及1h坍落度(mm)、1h扩展度(mm)。试验采用P·O 42.5普通硅酸盐，水泥石子为5-10mm和10-20mm连续级配，减水剂减水率20％-25％，固含量为20.1％。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2016)中抗压强度试验方法，考察抗吸附剂掺量为0，直接以铁尾矿砂作为细骨料的混凝土体系的3d、7d和28d的抗压强度(MPa)，设计强度为30MPa，所用材料同坍落度和扩展度试验，配合比如表4所示。

表4 C30混凝土配合比

实施例、对比例与空白例的坍落度、扩展度试验结果如表5所示，抗压强度试验结果见表6。

表5坍落度与扩展度试验结果对比

表6抗压强度试验结果对比

结合表5可知，在加入铁尾矿砂专用抗吸附剂以后的混凝土，其坍落度和扩展度远优于空白组，并且略高于河砂作为细骨料的混凝土；而1h的坍落度和扩展度则优于河砂与空白组。对于抗压强度而言，由表6可知，加入铁尾矿砂专用抗吸附剂以后，混凝土强度有所升高，说明本发明不仅不会对混凝土强度造成负面影响，反而会对其有所提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.铁尾矿砂专用抗吸附剂，其特征在于，按质量百分比配比，包括：主料80-85％、流动度调整组分10-15％,、胀稳定组分5-10％和抗吸附剂；所述主料的分子式为：

所述抗吸附剂掺量为胶凝材料与铁尾矿石粉掺量的0.5-1％。

2.如权利要求1所述的铁尾矿砂专用抗吸附剂，其特征在于，所述主料包括两种基团，所述两种基团的数量相等。

3.如权利要求1所述的铁尾矿砂专用抗吸附剂，其特征在于，所述主料的分子量在1000-1500之间。

4.如权利要求1所述的铁尾矿砂专用抗吸附剂，其特征在于，所述流动度调整组分包括葡萄糖酸钠、氯化-N，N，N-三甲基-1-十二铵、木质素磺酸钙，三者比例为2:5:3。

5.如权利要求1所述的铁尾矿砂专用抗吸附剂，其特征在于，所述稳定组分包括纤维素醚和β-环糊精，所述纤维素醚分子在1500-2500之间。

6.如权利要求1所述的铁尾矿砂专用抗吸附剂，其特征在于，所述纤维素醚与和所述β-环糊精的比例为：1:9。

7.铁尾矿砂专用抗吸附剂的制备方法，其特征在于，包括：

主料制备：

称等摩尔比例的聚琥珀酰亚胺、亚氨基二乙酸和亚氨基二(甲基磷酸)至反应釜中；

加入适量的水，在50℃-60℃温度下搅拌反应1h-1.5h，充分混合；

加入10％的氢氧化钠溶液，调节pH为9-11，反应24h，结束后调节pH为7～8；

用无水乙醇进行沉降，静置12h，倾去上层液体，在60℃条件下真空干燥，得到主料；

按质量百分比配比，将主料、流动度调整组分、胀稳定组分和抗吸附剂混合均匀。