CN113461384B - 一种利用冶金固废制备纳米混凝土及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用冶金固废制备纳米混凝土及其方法，混凝土各组分为：胶凝材料100份(水泥50～75份，矿渣微粉16～9份，粉煤灰15～6份，铁尾矿粉19～10份)，粗骨料202～385份，细骨料137～348份，高效减水剂0.3～2.2份，纳米碳酸钙粉0.5～7份，絮凝剂，水32～62份。制备方法为：按照上述原料配比先将纳米碳酸钙粉分批次加入水中，以800～1200转/分钟的转速搅拌3～5分钟，之后加入预先溶解均匀的絮凝剂与减水剂，以800～1200转/分钟的转速搅拌2～4分钟，加入到混合好的骨料、胶凝材料中，搅拌均匀，制备好混凝土。本发明的混凝土具有制造成本低，有害孔数量少，强度高等特点，混凝土中冶金固废掺量≥75％，实现冶金固废的高值化利用，减少CO2排放。

Description

一种利用冶金固废制备纳米混凝土及其方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，特别涉及一种利用冶金固废制备纳米混凝土及其方法。
背景技术
近年来，研究人员通过不断探索掺加纳米材料改性混凝土的方法，发现纳米材料对混凝土力学和耐久性的提高主要由于其可促进水化，使水化产物均匀、晶体细化、密实，改善界面区，降低孔隙率及使荷载下微裂缝细化等机制。采用纳米组装技术，将纳米材料生长或嫁接到微米级矿物矿物掺合料和纤维上，形成微纳多尺度材料，一方面可以解决纳米材料在较大掺量下仍能均匀分散于混凝土中，另一方面可以通过纤维空间网络、微纳尺度效应和纳米材料对纤维表面的处理来显著改善混凝土的微观结构，变形能力和抗震性远优于普通高强混凝土。纳米材料对混凝土力学和耐久性的增强或改性主要由于其可促进水化，使水化产物均匀、晶体细化、密实，改善界面区，降低孔隙率及孔径，使荷载下微裂缝细化等机制。
纳米材料能够提高混凝土抗压强度、抗渗能力等性能指标，但由于含量、均匀程度等因素，相关指标提高程度有限。可以通过相应的方法，改善纳米材料在混凝土中的状态，进一步提高混凝土抗压强度、抗渗能力等性能指标。
1、一种纳米混凝土及其制作方法(授权号：CN 103979841B)在所述的制作方法中，利用城市道路废水泥路渣、萤石矿渣、废旧衣服等进行综合利用，制作具有抗压强度高、抗折强度明显提升、保温性能优良的混凝土，但其使用较高含量的纳米金刚石，需要将萤石矿渣重新煅烧，因此，制作成本高，不利于推广使用。
2、一种抗裂混凝土及其制备方法(申请号：CN202010964738.5)，需要纳米硼纤维、纤维素纤维、纳米碳酸氢铵、聚乙二醇水溶液、硅烷偶联剂等材料，需要对纤维素纤维、纳米硼纤维以及纳米碳酸氢铵均匀混合后进行球磨改性，提高了混凝土的抗裂性能，但混凝土的其他性能未得到改善。
发明内容
本发明目的是提供一种利用冶金固废制备纳米混凝土及其方法，利用絮凝剂吸附纳米碳酸钙粉，改善纳米碳酸钙粉在混凝土中的状态，显著提高以纳米碳酸钙为核心的晶须的长度，形成可以达到厘米长度级别的水化硅酸钙凝胶晶须纤维，提高混凝土的抗压强度和抗折强度；同时纳米碳酸钙能起到微集料作用，提高其紧密堆积密度，减少有害孔和多害孔数量，降低混凝土内部缺陷，使得混凝土更加密实，提高其力学性能；减少CO2的排放，有效降低生产成本。
本发明制备的混凝土所用砂石料可完全使用冶金固废，混凝土中冶金固废掺量≥75％。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种利用冶金固废制备纳米混凝土，各组分的质量份数为：胶凝材料100份；粗骨料202～385份，细骨料137～348份，纳米碳酸钙粉0.5～7份，包括聚丙烯酰胺(PAM)0.0015～0.012份、聚合氯化铝(PAC)0.01～0.05份、聚合硫酸铁(PFS)0.01～0.05份至少一种的絮凝剂，高效减水剂0.3～2.2份，水32～62份。
进一步的，所述胶凝材料包括水泥50～75份，矿渣微粉16～9份，粉煤灰15～6份，铁尾矿粉19～10份；高效减水剂为聚羧酸类、萘基中的一种或两种混合；水为混凝土配比用水，包括对纳米碳酸钙粉分散用水和补充用水。
水泥采用硅酸盐水泥(P.Ⅰ，P.Ⅱ)、普通硅酸盐水泥(P.O)、复合硅酸盐水泥(P.C)，42.5、52.5。矿渣微粉、钢渣微粉细度在400目以上，推荐使用S75及以上级别。粉煤灰要达到Ⅱ级以上，粒度达400目以上。铁尾矿粉由铁尾矿粉磨加工而成，粒度达400目以上。所用水泥、矿渣微粉、钢渣微粉具有水硬活性；粉煤灰中玻璃微珠能改善和增强混凝土的结构强度，提高均质性和致密性，大量活性二氧化硅和氧化铝与碱性物质生成水化硅酸钙及水化铝酸钙等胶凝物质，堵塞混凝土的毛细组织，提高抗渗性；铁尾矿粉具有界面活性高的特点，上述材料均能参与或促进水化产物形成，增强混凝土的抗压强度和抗折强度。
进一步的，所述粗骨料为连续级配的矿山废石石子，粒度范围在5～20mm；细骨料为矿山废石人工砂和铁尾矿砂，其中矿山废石人工砂占比90％～10％，铁尾矿砂占比10％～90％，二者混合形成连续级配，粒径≤5mm。
矿山废石为矿山开采过程排放的剥岩和矿石加工处理后废弃的石块，莫氏硬度为5～7，碎石强度达到石灰岩和玄武岩硬度，强度高，在混凝土中起到骨架和支撑作用。
将矿山废石加工粉碎成20mm及以下尺寸，其中≤5mm的废石人工砂作细骨料；矿山废石石子尺寸在5～20mm作粗骨料，压碎值≤10％，为连续级配，有利于强度提高和泵送。
按照相关行业标准，细骨料按照细度模数分：粗砂3.1～3.7，中砂2.3～3.0，细砂1.6～2.2。本发明细骨料压碎值≤25％，其中矿山废石人工砂细度模数为2.2～3.6，属中砂或粗砂范围；细骨料中铁尾矿砂分粗细两种，其中粗铁尾矿砂为预选工艺分选出来的废砂石，细度模数为2.1～3.5，达到中砂甚至粗砂范围；细铁尾矿砂为磁铁矿经过磨细通过磁选工艺选铁后的矿石废料，与水搅拌混合经管道排往尾矿库，沉降下来的砂石，细度模数为0.7～1.8，其细度模数小于细砂模数，属极细砂，粒径d≤0.16mm的量占细铁尾矿砂量的8％～20％。细铁尾矿砂界面活性高，促进与胶凝材料的水化反应。
进一步的，纳米碳酸钙粉粒径为10～100nm，为亲水型材料，掺入纳米碳酸钙粉后，由于纳米粒子的表面效应，C-S-H凝胶可以以纳米碳酸钙为晶核生长，使水化硅酸钙凝胶形成以纳米碳酸钙为核心的簇状、网状结构，在混凝土中各个方向起到“钉扎”作用，增加混凝土的抗压强度和抗拉强度。
特别地，当在分散有纳米碳酸钙粉的水中加入有机或者无机高分子絮凝剂(聚丙烯酰胺、聚合氯化铝、聚合硫酸铁等)时，带有一定电荷的絮凝剂利用吸附架桥、网捕作用沿着高分子絮凝剂纤维表面吸附一层纳米碳酸钙颗粒。进入混凝土后，以絮凝剂表面的纳米碳酸钙为核心的水化硅酸钙凝胶交叉生长，形成沿絮凝剂纤维方向、长度可以达到厘米级、具有很高强度的、连接浆体和骨料之间界面的水化硅酸钙纤维。该水化硅酸钙纤维相互交错生长，可以沿絮凝剂方向使硅酸钙纤维长度大幅增加，形成相互连接的网状立体结构，将骨料和浆体利用水化硅酸钙网成一体，大大提高了混凝土的抗折强度和抗拉强度。
同时，纳米碳酸钙粉能起到微集料作用，填充在水泥和其他矿物微粉的颗粒之间，提高其堆积密实度，减少有害孔和多害孔数量，减小孔隙率，降低混凝土内部缺陷，使得混凝土更加密实，提高其力学性能。
一种利用冶金固废制备纳米混凝土的方法，按照原料配比，将纳米碳酸钙粉分3～5份分批次加入水量1/3～1/2的水中，以800～1200转/分钟的转速搅拌3～5分钟，之后加入预先溶解均匀的絮凝剂(PAM浓度0.1％～0.3％；PAC或PFS浓度5％～10％)与减水剂，以800～1200转/分钟的转速搅拌2～4分钟后，立即加入到混合好的骨料、胶凝材料中搅拌均匀，之后加入补充水持续搅拌均匀，制备出纳米混凝土。
按上述方案利用冶金固废制备的纳米混凝土具有以下有益效果：
1、制备C20～C60强度混凝土时，常温、常湿条件下养护，制成的混凝土试件标准养护28d抗压强度26.9MPa～83.7MPa；28d抗折强度3.6～8.8MPa。
2、利用絮凝剂来大幅度提高以纳米碳酸钙为核心的簇状、网状立体结构晶须的长度，形成可以达到厘米长度级别的水化硅酸钙晶须纤维，将骨料和浆体利用水化硅酸钙网成一体，大幅提高了混凝土的抗压强度和抗折强度。
3、整体技术方案制备出的混凝土结构更加致密，增强其抗渗性能，耐腐蚀提高，同时提高了抗压强度和抗折强度，整体性能得以提高。
4、混凝土中冶金固废掺量≥75％，同时增加了粒度d≤0.16mm占比8％～20％的细铁尾矿砂的使用量；混凝土制造成本降低20～70元/m3。
具体实施方式
1、本发明所使用原料成分
表1矿山废石成分范围(单位：％)：
成分 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> FeO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TFe CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O
数据 50～78 5～18 0.5～8 1～8 0.3～6 2～10 1～5 0～4 0～4
莫氏硬度为5～7。
表2铁尾矿(含磁选尾矿及预选工艺尾矿砂)成分范围(单位：％)：
成分 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> FeO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TFe CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O
数据 55～82 0.2～9 0.5～12 2～22 5～15 0～8 0～4 0～1.8 0～1.8
2、本发明工艺参数
1)本发明需要将聚丙烯酰胺(PAM)制作为浓度0.1％～0.3％的溶液，或者聚合氯化铝(PAC)或聚合硫酸铁(PFS)制作为浓度5％～10％的溶液。将纳米碳酸钙粉分3～5份分批次加入水量1/3～1/2的水中，快速搅拌(800～1200转/分钟)3～5分钟，之后加入预先溶解均匀的絮凝剂(PAM 0.0015～0.012份，或PAC 0.01～0.05份，或PFS 0.01～0.05份)与减水剂，快速搅拌(800～1200转/分钟)2～4分钟后(详细工艺参数见表3)。立即加入到混合好的骨料、胶凝材料中，搅拌均匀，制备出混凝土。
表3纳米碳酸钙的分散处理工艺参数
Figure BDA0003173781970000051
4)细骨料配比方案见表4
表4细骨料配比方案(单位：％)
Figure BDA0003173781970000052
5)各部分水量
水量＝纳米材料分散用水+絮凝剂分散用水+补充水(见表5)
表5各部分水量(单位：份数)
类别 C20 C30 C40 C50 C55 C60
纳米碳酸钙 0.5 1 3 6 6 7
PAM 0.001 0.003 0.005 0.008 - -
PAC - - - - 0.05 -
PFS - - - - - 0.05
纳米材料分散用水 21.7 19 14.7 17 16.5 16
絮凝剂分散用水 3 6 7.5 8 1 0.5
补充水 37.3 25 12.8 9 15.5 15.5
水量 62 50 35 34 33 32
6)各原料的加入方式：粗骨料、细骨料、胶凝材料按照混凝土正常搅拌方式混匀。坍落度≥160mm。
3、本发明混凝土配比及性能
实施例1：C20(混凝土配比方案中单位：份；28d强度单位：MPa)
Figure BDA0003173781970000061
实施例2：C30(混凝土配比方案中单位：份；28d强度单位：MPa)
Figure BDA0003173781970000062
实施例3：C40(混凝土配比方案中单位：份；28d强度单位：MPa)
Figure BDA0003173781970000063
实施例4：C50(混凝土配比方案中单位：份；28d强度单位：MPa)
Figure BDA0003173781970000064
实施例5：C55(混凝土配比方案中单位：份；28d强度单位：MPa)
Figure BDA0003173781970000065
实施例6：C60(混凝土配比方案中单位：份；28d强度单位：MPa)
Figure BDA0003173781970000066
对比例：C60(混凝土配比方案中单位：份；28d强度单位：MPa)
Figure BDA0003173781970000067
Figure BDA0003173781970000071
注：C20～C60混凝土人工碎石指矿山废石石子(5～20mm)；人工砂指矿山废石人工砂(≤5mm)；尾矿粉指铁尾矿粉；铁尾矿砂由粗尾矿砂和细尾矿砂按比例混合而成。
通过实施例6与对比例对比，抗压强度提高16.51％，抗折强度提高26.0％。

Claims (4)

1.一种利用冶金固废制备纳米混凝土，其特征在于，各组分的质量份数为：胶凝材料100份；粗骨料202~385份，细骨料137~348份，纳米碳酸钙粉0.5~7份，包括聚丙烯酰胺0.0015~0.012份、聚合氯化铝0.01~0.05份、聚合硫酸铁0.01~0.05份至少一种的絮凝剂，高效减水剂0.3~2.2份，水32~62份；纳米碳酸钙粉粒径为10~100nm，为亲水型材料。
2.根据权利要求1所述的一种利用冶金固废制备纳米混凝土，其特征在于，胶凝材料包括水泥50~75份，矿渣微粉16~9份，粉煤灰15~6份，铁尾矿粉19~10份；高效减水剂为聚羧酸类、萘基中的一种或两种混合；水为混凝土配比用水，包括对纳米碳酸钙粉分散用水和补充用水。
3.根据权利要求1所述的一种利用冶金固废制备纳米混凝土，其特征在于，粗骨料为连续级配的矿山废石石子，粒度范围在5~20mm，莫氏硬度为5~7，压碎值≤10%；细骨料为矿山废石人工砂和铁尾矿砂，压碎值≤25%，矿山废石人工砂占比90%~10%，铁尾矿砂占比10%~90%，二者混合形成连续级配，粒径≤5mm；细骨料中矿山废石人工砂细度模数为2.2~3.6，铁尾矿砂分粗细两种，粗铁尾矿砂细度模数为2.1~3.5，细铁尾矿砂细度模数为0.7~1.8，粒径d≤0.16mm的量占细铁尾矿砂量的8%~20%。
4.一种权利要求1~3任意一项所述的利用冶金固废制备纳米混凝土的方法，其特征在于，按照上述原料配比，将纳米碳酸钙粉分3~5份分批次加入水量1/3~1/2的水中，以800~1200转/分钟的转速搅拌3~5分钟，之后加入预先溶解均匀的絮凝剂与减水剂，以800~1200转/分钟的转速搅拌2~4分钟后，立即加入到混合好的骨料、胶凝材料中搅拌均匀，之后加入补充水持续搅拌均匀，制备出纳米混凝土；所述絮凝剂为浓度0.1%~0.3%的聚丙烯酰胺，浓度5%~10%的聚合氯化铝或聚合硫酸铁。
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