CN113480262B - 一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及混凝土制备的技术领域，具体公开了一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土及其制备方法。含铁尾矿砂的机制砂混凝土包括如下的组分：水泥、砂、细石、碎石、水、外加剂、橡胶粉和增强剂，所述砂由以下重量百分比的组分组成：铁尾矿砂20‑30%、机制砂70‑80%，所述铁尾矿砂经过化学改性预处理；其制备方法为：S1：将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌30‑60s得到搅拌均匀的预拌混凝土；S2：将其他原料与预拌混凝土混合，搅拌得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。本申请的含铁尾矿砂的机制砂混凝土具有能有效增强铁尾矿的骨架作用从而提升混凝土强度的优点。

Description

一种含铁尾矿砂的机制砂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，它涉及一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土及其制备方法。
背景技术
铁矿经分选铁之后剩余的铁尾矿中矿物众多，因此在生产中会产生大量的尾矿渣，这些尾矿长期堆存占用了大量的土地，且有可能造成环境污染。若能合理的对这些尾矿渣加以利用，不仅能有效解决矿山尾矿堆存问题，变废为宝，还能创造巨大的经济效益。
目前，相关技术如申请号为202110162948.7的申请文件公开了一种铁尾矿混凝土及其制备方法，其包括如下的组分：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。够有效对铁尾矿进行利用，减少了铁尾矿堆存对环境造成的污染。
针对上述中的相关技术，发明人认为将铁尾矿用作混凝土矿物掺合料，虽然能够有效对铁尾矿进行利用，但由于铁尾矿的矿物组成差异较大，因此直接加入混凝土中的铁尾矿砂活性较低，铁尾矿砂不能发挥较佳的骨架作用，从而导致制得的混凝土的强度难以满足要求。
发明内容
为了增强铁尾矿砂的骨架作用从而提高混凝土的强度，本申请提供一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，采用如下的技术方案：
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，所述含铁尾矿砂的机制砂混凝土由包含以下重量份的原料制成：水泥300-320份、砂900-940份、细石180-200份、碎石750-795份、水145-155份、外加剂2.2-2.5份；
所述砂由以下重量百分比的组分组成：铁尾矿砂20-30％、机制砂70-80％，所述铁尾矿砂经过化学改性预处理。
通过采用上述技术方案，与机制砂相比，铁尾矿砂表观密度较大、松散堆积密度略大、空隙率符合建筑用砂要求标准，并且铁尾矿砂与胶凝材料之间的结合较好，在制备混凝土时用铁尾矿砂代替一部分机制砂作为细骨料使用，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，还能减少铁尾矿对土地的占用，减少了铁尾矿对环境的污染，另一方面铁尾矿砂的价格比机制砂便宜，用铁尾矿砂代替一部分机制砂可节约企业的生产成本。
铁尾矿砂的化学成分与粉煤灰相似，但矿物组成的差异较大，直接向混凝土原料中加入铁尾矿砂的活性较低，对铁尾矿砂进行化学改性预处理可以提高铁尾矿砂的活性，从而增强铁尾矿砂的骨架作用，进而提高制得的混凝土的强度。
由上述组分原料相结合制得的混凝土生产成本较低、强度高、稳定性好，工作性能参数完全能满足施工标准的要求。
优选的，所述铁尾矿砂的改性预处理过程为：将铁尾矿砂在氯化钙溶液中浸泡60-120min，浸泡完成后将铁尾矿砂捞出晾干。
通过采用上述技术方案，铁尾矿砂中含有大量的SiO2和较多的Fe2O3、Al2O3，铁尾矿砂中的SiO2和氯化钙溶液能反应产生结构较为稳定的硅酸钙结晶，硅酸钙结晶晾干后形成粘稠的保护膜，硅酸钙保护膜在晾干过程中形成质地坚硬且结构稳定的壳体，壳体附着与铁尾矿砂表面，从而增强铁尾矿砂自身的强度，进而能够增强铁尾矿砂在混凝土中的骨架作用。
优选的，所述氯化钙溶液的浓度为25-35％。
通过采用上述技术方案，将氯化钙溶液的浓度选择在上述范围内，有利于铁尾矿砂中的SiO2和氯化钙充分反应，从而提高硅酸钙晶体的析出量，使得铁尾矿砂保持较好使用强度，另一方面上述浓度范围内氯化钙能够减少钙离子向铁尾矿砂中的扩散，避免混凝土内发生碱骨料反应，从而提高改性预处理后的铁尾矿砂的耐久性。
优选的，所述原料中还包括有重量份数为20-40份的橡胶粉。
通过采用上述技术方案，橡胶粉是从废旧汽车轮胎加工而成的固体废弃物，在混凝土制备过程中加入橡胶粉能起到稳定胶合作用，使得铁尾矿砂与其他骨料之间结合更好，提高骨料之间的连接韧性，能更好的发挥铁尾矿砂的骨架作用，从而提高混凝土的强度。
优选的，所述原料中还包括有重量份数为15-25份的增强剂。
通过采用上述技术方案，增强剂是具有高活性的分子材料，在原料中加入增强剂能对有效改善铁尾矿砂自身的使用性能，从而更好的发挥铁尾矿砂的骨架作用，提高制得的混凝土的强度。
优选的，所述增强剂由如下重量百分比的组分组成：Na2SiO3 50％-75％、K2SO425％-50％。
通过采用上述技术方案，采用上述组分的增强剂，能使得混凝土体系中存在较多的SO4 2-,由于Na2SiO3提高了混凝土体系的pH值，水热条件下使得铁尾矿砂中的钙化矿物分解，解离出大量钙离子，SO4 2-与钙离子发生反应生成CaSO4·2H2O，再与铁尾矿中的Al2O3反应生成钙矾石，有利于提升混凝土的早期强度。
第二方面，本申请提供一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土的制备方法，包括包括如下的制备步骤：
S1：将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌30-60s得到搅拌均匀的预拌混凝土；
S2：将其他原料与预拌混凝土混合，搅拌得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。
通过采用上述技术方案，能够有效增强铁尾矿砂的骨架作用，制备得到的含铁尾矿砂的机制砂混凝土具有较佳的工作性能，强度符合施工要求，制备方法简单易操作，铁尾矿砂应用于混凝土中具有良好的经济效益，具有很好的推广性。
优选的，所述S2中的搅拌时间为60-120s。
通过采用上述技术方案，上述的搅拌时间能够使含铁尾矿砂的机制砂混凝土保持较好的和易性。
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一部分机制砂作细骨料使用，由于对铁尾矿砂进行改性预处理，有效提高了铁尾矿砂的活性，从而增强铁尾矿砂的骨架作用，进而提高制得的混凝土的强度。
2、本申请中优选采用Na2SiO3-K2SO4对铁尾矿砂进行增强处理，Na2SiO3促使铁尾矿砂的钙化矿物在水热条件下解离，K2SO4与解离出的钙离子结合成CaSO4·2H2O，CaSO4·2H2O再与铁尾矿中的Al2O3反应生成钙矾石，从而提升混凝土的早期强度，增强铁尾矿砂在混凝土体系中的骨架作用。
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。
水泥为标号为P.O42.5的普通硅酸盐水泥；
铁尾矿砂购自河北大白阳铁矿有限公司，铁尾矿砂的表观密度为2750kg/m3、松散堆积密度为1530kg/m3、石粉含量为19.2％、MB值为0.5、细度模数为0.6、空隙率为44％；
机制砂购自河北本格矿产品有限公司，机制砂的的表观密度为2650kg/m3、松散堆积密度为1510kg/m3、细度模数2.4、含水量为1.1％、含泥量1.0％；
细石购自陕西龙泽安工贸有限公司，细石的粒径为4.75-10mm；
碎石购自陕西龙泽安工贸有限公司，碎石的粒径为4.75-25mm；
外加剂购自山东同盛外加剂建材有限公司，外加剂为聚羧酸高效减水剂；
橡胶粉购自河北科旭建材有限公司，橡胶粉粒径为1-1.5mm；
硅酸钠购自上海启仁化工有限公司，硅酸钠的纯度为99.0％；
硫酸钾购自武汉肯能化工有限公司，硫酸钾的纯度为99.0％。
铁尾矿砂的制备例
制备例1
将铁尾矿砂在质量浓度25％的氯化钙溶液中浸泡120min，然后将铁尾矿砂捞出晾干。
制备例2
将铁尾矿砂在质量浓度30％的氯化钙溶液中浸泡90min，然后将铁尾矿砂捞出晾干
制备例3
将铁尾矿砂在质量浓度35％的氯化钙溶液中浸泡60min，然后将铁尾矿砂捞出晾干。
增强剂的制备例
制备例4
将50kg的Na2SiO3和50kg的K2SO4混合，搅拌均匀制得增强剂。
制备例5
将60kg的Na2SiO3和40kg的K2SO4混合，搅拌均匀制得增强剂。
制备例6
将75kg的Na2SiO3和25kg的K2SO4混合，搅拌均匀制得增强剂。
实施例
实施例1
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，由以下重量份的原料制成：
水泥300kg、铁尾矿砂235kg、机制砂705kg、细石180kg、碎石750kg、水145kg、外加剂2.2kg；铁尾矿砂选用制备例1制得的铁尾矿砂；铁尾矿砂占砂总体的重量百分比为25％。
含铁尾矿砂的机制砂混凝土通过如下步骤制备获得：
将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌30s得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。
实施例2
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，由以下重量份的原料制成：
水泥310kg、铁尾矿砂180kg、机制砂720kg、细石190kg、碎石770kg、水150kg、外加剂2.4kg；铁尾矿砂选用制备例1制得的铁尾矿砂；铁尾矿砂占砂总体的重量百分比为20％。
含铁尾矿砂的机制砂混凝土通过如下步骤制备获得：
将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌45s得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。
实施例3
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，由以下重量份的原料制成：
水泥320kg、铁尾矿砂185kg、机制砂735kg、细石200kg、碎石795kg、水155kg、外加剂2.5kg；铁尾矿砂选用制备例1制得的铁尾矿砂；铁尾矿砂占砂总体的重量百分比为20％。
含铁尾矿砂的机制砂混凝土通过如下步骤制备获得：
将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌60s得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。
实施例4
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，由以下重量份的原料制成：
水泥320kg、铁尾矿砂275kg、机制砂645kg、细石200kg、碎石795kg、水155kg、外加剂2.5kg；铁尾矿砂选用制备例1制得的铁尾矿砂；铁尾矿砂占砂总体的重量百分比为30％。
含铁尾矿砂的机制砂混凝土通过如下步骤制备获得：
将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌60s得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。
实施例5
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例3的区别在于：本实施例选用制备例2制得的铁尾矿砂。
实施例6
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例3的区别在于：本实施例选用制备例3制得的铁尾矿砂。
实施例7
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例6的区别在于：本实施例中加入有20kg橡胶粉。
含铁尾矿砂的机制砂混凝土通过如下步骤制备获得：
S1：将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌60s得到搅拌均匀的预拌混凝土。
S2：将橡胶粉与预拌混凝土混合，搅拌60s得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。
实施例8
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例7的区别在于：本实施例中加入有30kg橡胶粉；S2中的搅拌时间为90s。
实施例9
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例7的区别在于：本实施例中加入有40kg橡胶粉；S2中的搅拌时间为120s。
实施例10
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例9的区别在于：本实施例还加入制备例4的增强剂15kg；增强剂在S2步骤中加入。
实施例11
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例9的区别在于：本实施例还加入制备例4的增强剂20kg；增强剂在S2步骤中加入。
实施例12
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例9的区别在于：本实施例还加入制备例4的增强剂25kg；增强剂在S2步骤中加入。
实施例13
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例12的区别在于：本实施例选用制备例5制得的增强剂。
实施例14
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例12的区别在于：本实施例选用制备例6制得的增强剂。
实施例15
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例14的区别在于：本对比例中的增强剂采用单一的硅酸钠增强剂。
实施例16
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例14的区别在于：本对比例中的增强剂采用单一的硫酸钾增强剂。
对比例
对比例1
一种用铁尾矿砂配置的混凝土，铁尾矿砂的重量占配合比总重量77％，水和胶凝材料的重量比为0.5。
铁尾矿砂采用不同粒度级配，其中40-60目：20-40目：1-2mm：2-4mm：4mm以上＝21:14:18:18:97。混凝土的配合比为：水泥：铁尾矿砂：水＝34:17:168。混凝土制作过程中加入占胶凝材料总重量的1.2％聚羧酸的减水剂。
对比例2
一种C30基准混凝土，由以下重量份的原料制成：
水泥320kg、石屑400kg、机制砂515kg、细石200kg、碎石800kg、水160kg、外加剂2.4kg；
C30基准混凝土通过如下步骤制备获得：
将水泥、石屑、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌30s得到C30基准混凝土。
对比例3
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，由以下重量份的原料制成：
水泥320kg、铁尾矿砂370kg、机制砂550kg、细石200kg、碎石795kg、水165kg、外加剂2.8kg；铁尾矿砂选用制备例1制得的铁尾矿砂，铁尾矿砂占砂总体的重量百分比为40％。
含铁尾矿砂的机制砂混凝土通过如下步骤制备获得：
S1：将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌30s得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。
对比例4
一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，与实施例4的区别在于：本实施例中选用未经改性预处理的铁尾矿砂。
性能检测试验
试验一抗压强度测试
试验样品：采用实施例1-16中获得混凝土拌合物作为试验样品1-16，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1-16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，检测含铁尾矿砂的机制砂混凝土的7d抗压强度(MPa)。
试验仪器：压力试验机
试验结果：试验样品1-16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1-17的抗压强度的测试结果
Figure BDA0003178552190000111
Figure BDA0003178552190000121
由表1可知，将试验样品1、试验样品2、试验样品3、试验样品4进行比较，本申请实施例1-4制备得到的含铁尾矿砂的机制砂混凝土的抗压强度均满足《混凝土强度检验评定标准GB/T50107-2010》的要求，并且原料配比在本申请提供的范围内，试验样品2和试验样品3相比于试验样品1和试验样品4明显具有更高的抗压强度，说明当铁尾矿砂的掺量为砂总重量的20％时，制得的含铁尾矿砂的机制砂混凝土具有更高的抗压强度。
由表1可知，将试验样品3、试验样品5和试验样品6进行比较，在制备含铁尾矿砂的机制砂混凝土时加入的铁尾矿砂的改性预处理过程对含铁尾矿砂的机制砂混凝土的强度有一定影响，铁尾矿砂在质量浓度为35％的氯化钙溶液中浸泡，能够更加高效而充分的与氯化钙反应，从而提高硅酸钙晶体的析出量，硬化后的硅酸钙有利于增强铁尾矿砂自身的强度，进而能够增强铁尾矿砂在混凝土中的骨架作用。
由表1可知，将实验样品7、试样样品8、实验样品9与试验样品6进行比较，在制备含铁尾矿砂的机制砂混凝土时加入橡胶粉，橡胶粉能起到稳定胶合作用，使得铁尾矿砂和其他骨料之间的结合更稳定，从而提高混凝土的抗压强度。
由表1可知，将试验样品10和试验样品9进行比较，在制备含铁尾矿砂的机制砂混凝土时加入Na2SiO3-K2SO4增强剂，Na2SiO3能提高混凝土体系的pH值，促进钙化矿物分解，使得钙离子与硫酸根离子结合为二水合硫酸钙，然后与铁尾矿砂中的Al2O3结合生成钙矾石，有利于提高混凝土的早期强度。
由表1可知，将试验样品10、试验样品11、试验样品12进行比较，在本申请提供的重量范围内，在制备含铁尾矿砂的机制砂混凝土过程中加入的增强剂的量越多越有助于含铁尾矿砂的机制砂混凝土抗压强度的提升。
由表1可知，将试验样品12、试验样品13、试验样品14进行比较，Na2SiO3—K2SO4增强剂中Na2SiO3对提升混凝土的抗压强度起主要作用，因为Na2SiO3在水泥水化放热条件下有助于铁尾矿砂中的钙化矿物分解，有助于增强混凝土体系中钙离子的浓度，从而增强混凝土的抗压强度。
由表1可知，将试验样品15、试验样品16与试验样品14进行比较，采用单一的硅酸钠增强剂对含铁尾矿砂的机制砂混凝土的抗压强度没有显著的影响，采用单一的硅酸钠增强剂虽然能够解离出铁尾矿砂中的钙离子，但钙离子无法与硫酸根离子结合，因此对含铁尾矿砂的机制砂混凝土的抗压强度没有增强的效果。
由表1可知，将试验样品16、试验样品6和试验样品10进行比较，采用单一的硫酸钾增强剂对混凝土的抗压强度非但没有增强效果，反而还会引起混凝土抗压强度的下降，是由于加入硫酸钾无法与钙离子结合，并且在混凝土体系中引入较多的钾离子，引起混凝土内发生碱骨料反应，因此降低混凝土的抗压强度，降低混凝土了耐久性
表2对照样品1-4的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
7d抗压强度/MPa 22.5 31.0 28.9 25.3
由表1和表2可知，将对照样品1和试验样品1-4进行比较，由于对照样品1中的铁尾矿重量占配合比总重量的77％，并且对照样品1中的铁尾矿未经任何处理，结果对照样品1的抗压强度明显低于试验样品1-4的抗压强度，说明骨料全部采用铁尾矿制得的混凝土的抗压强度远低于部分骨料采用铁尾矿制得的混凝土，并且在指定范围内降低铁尾矿砂的掺量有利于混凝土抗压强度的提升。
由表1和表2可知，将对照样品2与试验样品4进行比较，加入与C30基准混凝土相比，在制备混凝土时加入占总砂量30％的铁尾矿砂能够有效提升混凝土的抗压强度，有效减少了天然机制砂的用量，降低了混凝土的生产成本。
由表2可知，对对照样品2与对照样品3进行比较，在制备混凝土时加入占总砂量40％的铁尾矿砂时，制备得到的含铁尾矿砂的机制砂混凝土与C30基础混凝土相比抗压强度有所下降，说明控制铁尾矿砂的掺量对含铁尾矿砂的机制砂混凝土的强度有较大的影响。
由表1和表2可知，将对照样品4和试验样品1-4进行比较，加入未经改性预处理的铁尾矿砂制得的混凝土与加入经过改性预处理的铁尾矿砂制得的混凝土相比，抗压强度显著降低，未经改性预处理的铁尾矿砂的活性较低，在混凝土体系中发挥的骨架作用较弱，因此制得的混凝土的强度有所降低。
由表2可知，将对照样品4和对照样品1进行比较，虽然二者的铁尾矿均未经改性预处理，但由于对照样品4中的铁尾矿掺量为25％，铁尾矿砂的掺量处于更合理的配比范围，因此对照样品4制得的混凝土的抗压强度仍要高于对照样品1。
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 (4)

1.一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，其特征在于，所述含铁尾矿砂的机制砂混凝土由包含以下重量份的原料制成：水泥300-320份、砂900-940份、细石180-200份、碎石750-795份、水145-155份、外加剂2.2-2.5份、增强剂15-25份；
所述砂由以下重量百分比的组分组成：铁尾矿砂20-30%、机制砂70-80%，所述铁尾矿砂经过化学改性预处理；
所述铁尾矿砂的化学改性预处理过程为：将铁尾矿砂在浓度为25-35%的氯化钙溶液中浸泡60-120min，浸泡完成后将铁尾矿砂捞出晾干；
所述增强剂由如下重量百分比的组分组成：Na2SiO3 50%-75%、K2SO4 25%-50%。
2.根据权利要求1所述的一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土，其特征在于：所述原料中还包括有重量份数为20-40份的橡胶粉。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的含铁尾矿砂的机制砂混凝土的制备方法，其特征在于：包括如下的制备步骤：
S1：将水泥、铁尾矿砂、机制砂、细石、碎石、外加剂和水混合，搅拌30-60s得到搅拌均匀的预拌混凝土；
S2：将其他原料与预拌混凝土混合，搅拌均匀后得到含铁尾矿砂的机制砂混凝土。
4.根据权利要求3所述的一种含铁尾矿砂的机制砂混凝土的制备方法，其特征在于：所述S2中的搅拌时间为60-120s。
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