CN113620676A - 一种高抗折自密实金尾矿混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及混凝土领域，具体公开了一种高抗折自密实金尾矿混凝土及其制备方法，本申请中混凝土包括以下原料：胶凝材料、细集料、金尾矿、粗集料、水、抗折剂和减水剂，采用本申请的原料制得的混凝土和易性好，且抗折强度高；本申请中混凝土的制备方法包括以下步骤：将粗集料、细集料和金尾矿混合搅拌制得组分A；将胶凝材料混合拌制得组分B；将减水剂、水和抗折剂混合搅拌制得组分C；依次搅拌组分A和部分组分C，然后加入组分B后继续搅拌，最后加入剩余组分C，搅拌混合后即得产物。本申请中的混凝土制备方法操作简单，且有助于使各原料充分发挥作用，提高了混凝土的性能，且有助于工业化生产高抗折自密实混凝土。

Description

一种高抗折自密实金尾矿混凝土及其制备方法

技术领域

本申请涉及混凝土领域，更具体地说，它涉及一种高抗折自密实金尾矿混凝土及其制备方法。

背景技术

桥梁上路面的交通流量大，对混凝土的抗折强度要求高，当路面混凝土抗折强度较高时，在相同车辆荷载作用下，混凝土抗弯拉疲劳循环周次增加，从而使路面混凝土的使用寿命延长。而目前的混凝土路面使用情况表明，普通混凝土材料很难满足极重载交通的需要，因此，在一些对抗折强度要求较高的工程中，为了达到设计要求，不得不加大水泥用量，从而导致混凝土和易性较差，难以达到自密实状态，施工难度大。

我国大量的工业固废金尾矿难以处理，金尾矿的填埋占据土地资源，污染环境，填埋费用高；天然石料资源稀缺，成本高，开采难度大。面对资源、能源和环境的多重压力，在可持续发展的道路上，节能减排和资源的循环利用无疑是正确的选择，研究一种节能减排、绿色环保型的高抗折自密实混凝土已成为重中之重。

发明内容

为了提高混凝土的抗折强度，本申请提供一种高抗折自密实金尾矿混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供的一种高抗折自密实金尾矿混凝土，采用如下的技术方案：一种高抗折自密实金尾矿混凝土，包括以下按重量份计的原料组分：胶凝材料270-350份、细集料600-675份、金尾矿120-176份、粗集料1000-1040份、水144-160份、抗折剂8-12份和减水剂7.5-8.7份，所述抗折剂采用以下方法制备：

将硅藻土加入正已烷中，在搅拌条件下充分分散，然后加入正十三烷胺和三氯化铝，在40-50℃的温度下，持续搅拌，直至pH值稳定在7-8时，过滤、醇洗、离心后得目标产物。其中硅藻土、三氯化铝和正十三烷胺的质量比为(1-8)：(0.08-0.12)：1。

通过采用上述技术方案，胶凝材料、细集料和粗集料可初步形成级配效果，各成分相互结合形成混凝土的基本骨架，再向其中加入金尾矿，金尾矿富含二氧化硅、氧化钙及氧化铝等成分，结构致密、质地坚硬、耐酸碱、耐气候性好，因此金尾矿可作为辅助胶凝材料，加入混凝土后可以填充混凝土基本骨架中的较大孔隙，起到混凝土补强效果，使混凝土内部结构紧密而不易开裂，进而有助于改善混凝土的抗折强度及抗压强度等力学性能，也有助于使废弃金尾矿实现再利用，减少了混凝土的生产成本，使整个混凝土的制备过程更加绿色环保。

在混凝土制作过程中加入减水剂，有助于降低水灰比，使混凝土连接性能提高，在混凝土中加入自制的抗折剂，有助于提高混凝土的抗折强度，正十三烷胺是碱性物质，而硅藻土是酸性物质，在其表面分布着诸多游离H，在催化剂的作用下，正十三烷胺与硅藻土发生反应且分布在硅藻土的外表面，生成含长链的抗折剂，将抗折剂混合在混凝土中，长链之间相互叠摞，可以使混凝土内部形成相互穿插、缠结、交联的立体网络结构，大大增加了混凝土的抗压及抗折性能，使混凝土内部结构相互粘接而不易相互分离，从而高效提高混凝土和抗折强度；另外，硅藻土自身结构具有可变形性，且抗折剂中长链也具有变形性，因此抗折剂的加入有助于降低混凝土产生裂缝的可能性，使混凝土不易损坏，有助于提高混凝土的抗折强度。

综上所述，胶凝材料、细集料、金尾矿、粗集料以及抗折剂相互配合作用，有助于有效提高混凝土的抗折强度。

可选的，所述抗折剂的制备过程中，硅藻土采用粒度为600-800目的圆筛藻。

通过采用上述技术方案，当硅藻土的粒度合适时，有助于使制得的抗折剂能够与周围的粗集料及细集料能够紧密贴合，进一步使混凝土连接稳定而不易开裂。

可选的，所述抗折剂的制备过程中，搅拌速度为400-500r/min。

通过采用上述技术方案，通过合适的搅拌速度，可以使正十三烷胺与硅藻土充分接触且不易破坏长链结构，正十三烷胺能够尽可能连接在硅藻土上，使混凝土中有较多的长链结构，进而有助于提高混凝土的抗折强度；

可选的，所述原料还包括聚氨酯11-15重量份。

通过采用上述技术方案，聚氨酯有助于填充在混凝土各物料之间的缝隙，以增加混凝土的密实程度；另外，聚氨酯也有助于使混凝土不易因变形而折断，提高了混凝土的抗折强度。

可选的，金尾矿的粒度为100-300目。

通过采用上述技术方案，金尾矿处于合适粒度时，金尾矿与粗集料及细集料之间能够有效形成级配，有助于提高整个混凝土的承载性能，也有助于使混凝土不易出现裂缝，即使出现裂缝，裂缝也不易轻易加深而导致整个混凝土损坏。

可选的，所述胶凝材料包括水泥、矿粉和粉煤灰，水泥、矿粉和粉煤灰的质量比为(145-170):(55-70):(70-90)。

通过采用上述技术方案，矿粉是炼钢厂的高炉废渣经过冷淬后细磨到一定细度要求，且以氧化钙、氧化铝为主要成分的一种物质，添加到混凝土体系中可以改善混凝土的力学性能、耐久性能以及体积稳定性；粉煤灰是从电厂烟尘中收集的以活性二氧化硅、活性氧化铝和活性氧化钙为主要成分的一种物质，添加到混凝土体系中亦能改善混凝土的工作性能及耐久性能，因此矿粉、粉煤灰及金尾矿相互粘接，形成坚固的混凝土支撑结构，在混凝土中起到“骨骼”的作用，提升混凝土各方面的机械力学性能；且各料配比合适，有助于使制得的混凝土具有较好的和易性。

其次，将金尾矿与粉煤灰互掺，有助于提高混凝土的保水性能。由于矿粉、粉煤灰以及金尾矿均为难以处理的工业固废，因此将上述材料以合适的配比加入至混凝土中，有助于研发节能减排、绿色环保型的高抗折自密实混凝土。

另外，通过在混凝土制备过程中加入固废的方式可以节约混凝土的制备成本，达到一举两得的效果。

可选的，所述细集料为机制砂，粗集料为碎石。

通过采用上述技术方案，碎石可填充在混凝土中大的孔隙结构内，机制砂可有效填充在碎石之间形成的空隙中，混凝土中粉煤灰等其他原料充分填充，使整个混凝土结构致密、质地坚硬，有助于提高混凝土的抗折强度。

可选的，减水剂为聚羧酸类减水剂。

通过采用上述技术方案，聚羧酸类减水剂能够满足混凝土的和易性要求，进一步使混凝土达到自密实状态，便于施工。

综上所述，本申请通过采用胶凝材料、细集料、金尾矿、粗集料以及自制的抗折剂，变废为宝，能在尽可能降低成本的基础上制备高抗折自密实混凝土，使混凝土能够被广泛应用于各种场合。

第二方面，本申请提供一种高抗折自密实金尾矿混凝土的制备方法，采用如下技术方案：

一种高抗折自密实金尾矿混凝土的制备方法包括以下步骤：

将粗集料、细集料和金尾矿混合搅拌制得组分A；

将胶凝材料混合拌制得组分B；

将减水剂、水和抗折剂混合搅拌制得组分C；

将组分A搅拌后加入50％的组分C，继续搅拌混合,然后加入组分B，搅拌混合后加入剩余组分C，搅拌2min即可得产物。

可选的，所述聚氨酯加入制备组分A的步骤中。

通过采用上述技术方案，各原料分批拌合，而非一次性拌制，首先有助于各原料之间的充分混合，其次也可依据各原料自身的性能分别混合，有助于使各原料充分发挥作用，共同配合使用，优势互补，以制得高抗折自密实混凝土；上述制备方法简单高效，有助于工业化生产。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、通过向胶凝材料中加入金尾矿及自制的抗折剂，金尾矿可作为辅助胶凝材料，使混凝土更加密实；抗折剂混合在混凝土中，长链之间相互叠摞，可以大大增加混凝土的抗压及抗折性能，从而高效提高混凝土抗折强度，合适配比原料的掺合也有助于混凝土保持优良的和易性；

2、通过控制抗折剂制备过程中的搅拌速度，可以使正十三烷胺与硅藻土充分接触，正十三烷胺能够尽可能连接在硅藻土上，使混凝土中有较多的长链结构，进而有助于提高混凝土的抗折强度；

3、通过向混凝土中加入聚氨酯，聚氨酯可填充在混凝土各物料之间的缝隙，使混凝土内部粘接牢固，起到进一步提高混凝土的密实程度和抗折强度的目的；

4、通过采用金尾矿、矿粉和粉煤灰等固废材料，有助于研发节能减排、绿色环保型的高抗折自密实混凝土。

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。

水泥购自陕西富平生态水泥有限责任公司生产的P.042.5级，物理性能见下表；

粉煤灰为华能铜川发电厂的II级粉煤灰，粉煤灰细度≤12％、需水量比≤105％、烧失量≤5％；

矿粉为韩城大唐盛龙科技实业有限责任公司的S95级矿粉，比表面积积≥350m²/kg；

碎石为银川石料厂的5mm-25mm碎石，碎石的针片状含量≤10％，含泥量≤1％；

机制砂为陕西商洛的机制砂，机制砂的细度模数为2.6～3.0，石粉含量为5％～8％，MB值≤1.0；

金尾矿表观密度为2750kg/m³,石粉含量为11％，MB值为0.5；

减水剂的减水率为27％。

实施例1-7和对比例1-8中的金尾矿的粒度均为100-300目。

制备例

制备例1–7为抗折剂的制备。

制备例1

将27g粒度为600-800目的圆筛藻加入300mL正已烷中，在搅拌条件下充分分散，然后加入9g正十三烷胺和0.72g三氯化铝，在40℃的温度下，持续搅拌，直至pH值稳定在7-8时，过滤、用80mL乙醇洗涤、离心后得目标产物。

制备例2

将9g粒度为600-800目的圆筛藻加入300mL正已烷中，在500r/min的搅拌条件下充分分散，然后加入9g正十三烷胺和1.08g三氯化铝，在40℃的温度下，持续搅拌，直至pH值稳定在7-8时，过滤、用80mL乙醇洗涤、离心后得目标产物。

制备例3

将12g粒度为600-800目的圆筛藻加入300mL正已烷中，在400r/min的搅拌条件下充分分散，然后加入4g正十三烷胺和0.48g三氯化铝，在50℃的温度下，持续搅拌，直至pH值稳定在7-8时，过滤、用80mL乙醇洗涤、离心后得目标产物。

制备例4

将12g粒度为600-800目的圆筛藻加入300mL正已烷中，在450r/min的搅拌条件下充分分散，然后加入6g正十三烷胺和0.6g三氯化铝，在45℃的温度下，持续搅拌，直至pH值稳定在7-8时，过滤、用80mL乙醇洗涤、离心后得目标产物。

制备例5

与制备例4的不同之处在于，正十三烷胺加入3g，三氯化铝加入0.6g。

制备例6

与制备例4的不同之处在于，在60℃的温度，350r/min的搅拌条件下持续搅拌，直至反应结束。

制备例7

与制备例4的不同之处在于，在45℃的温度，900r/min的搅拌条件下持续搅拌，直至反应结束。

实施例

实施例1-4

实施例1-4采用如下方法制备高抗折自密实金尾矿混凝土：

S1、将碎石、机制砂和金尾矿在60r/min的搅拌速度下混合搅拌制得组分A；

S2、将水泥、矿粉和粉煤灰，在60r/min的搅拌速度下混合搅拌制得组分B；；

S3、将聚羧酸类减水剂、水和抗折剂混合搅拌制得组分C；

S4、将上述组分A置于搅拌速度为60r/min的混凝土搅拌机中搅拌20s，再加入50％的组分C，搅拌混合20s,然后加入组分B后继续搅拌混合20s，最后加入剩余50％的组分C，搅拌2min即可得产物。

实施例1-4中各原料的配比见表1，其中，实施例1采用制备例1制得的抗折剂；实施例2采用制备例2制得的抗折剂；实施例3采用制备例3制得的抗折剂；实施例4采用制备例4制得的抗折剂。

表1.混凝土中各原料的配比

实施例5

高抗折自密实金尾矿混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，在S1步骤制备组分A的过程中加入聚氨酯15kg/m³。

实施例6

高抗折自密实金尾矿混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，在S2步骤制备组分B的过程中未加入粉煤灰。

实施例7

高抗折自密实金尾矿混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，在S2步骤制备组分B的过程中未加入矿粉。

对比例

对比例1

混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，S3步骤制备组分C的过程中未采用抗折剂。

对比例2

混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，S1步骤制备组分A的过程中未采用金尾矿。

对比例3

混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，S1步骤制备组分A的过程中未采用金尾矿，但加入620kg/m³机制砂。

对比例4

混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，采用制备例5制得的抗折剂。

对比例5

混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，采用制备例6制得的抗折剂。

对比例6

混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，采用制备例7制得的抗折剂。

对比例7

混凝土的制备方法如下：

S1、将2000kg/m³碎石、580份机制砂和186kg/m³金尾矿在60r/min的搅拌速度下混合搅拌制得组分A；

S2、将172kg/m³水泥、60kg/m³矿粉和80kg/m³粉煤灰，在60r/min的搅拌速度下混合搅拌制得组分B；；

S3、将10kg/m³聚羧酸类减水剂、160kg/m³水和7kg/m³抗折剂在60r/min的搅拌速度下混合搅拌制得组分C；；

S3、将上述组分A置于搅拌速度为60r/min的混凝土搅拌机中搅拌20s，再加入50％的组分C，搅拌混合20s,然后加入组分B后继续搅拌混合20s，最后加入剩余50％的组分C，搅拌2min即可得产物。

对比例8

混凝土的制备方法如下：

与实施例5的不同之处在于，步骤S4中，将组分A置于混凝土搅拌机中搅拌30s，再加入40％的组分C，搅拌混合30s,然后加入组分B后继续搅拌混合10s，最后加入剩余60％的组分C，搅拌1min即可得产物。

性能检测试验

1.扩展度检测

对实施例1-7及对比例1-8制得的混凝土进行扩展度测试，混凝土的扩展度按照中华人民共和国行业标准JGJ/T283-2012《自密实混凝土应用技术规程》中的测定方法进行测定。混凝土的扩展度数据如表2所示，扩展度可用以表示混凝土的和易性；记录扩展度为500mm时的时间，记为T₅₀₀，T₅₀₀的数据见表2。

2.28d抗压强度和28d抗折强度检测

对实施例1-7及对比例1-8制得的混凝土进行28d抗压强度和28d抗折强度测试，测试方法根据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》。

表2.实施例1-7及对比例1-8制得的混凝土的性能数据表

根据表2中的数据可知，对比实施例1-7和对比例1-8可以看出，采用本申请中的原料，并采用本申请范围内的制备方法均可制备得到高抗折自密实混凝土，且采用本申请中的方法制备得到的混凝土性能稳定，有助于后续推广使用。而对比例1-8不是通过本申请范围内的方法制备得到的，混凝土的扩展度、T₅₀₀、28d抗压强度、28d抗折强度不能满足C40高抗折自密实混凝土技术指标。

通过比较实施例5和实施例4的数据可知，加入聚氨酯也有助于提高混凝土的自密实度，说明聚氨酯可以使混凝土内部结够粘接紧密，使混凝土自密实度高，混凝土在合适的和易性基础上不易开裂，进而提升了混凝土的抗折强度。

通过实施例5和实施例6-7可知，粉煤灰与矿粉对混凝土的各方面性能均有影响，当不加入粉煤灰或者矿粉时，制得的混凝土抗折强度及抗压强度均有所下降，尤其是粉煤灰，对混凝土的影响更大，这可能是由于粉煤灰与抗折剂之间存在相互配合作用。

比较对比例1和实施例5的数据可知，抗折剂对制备高抗折自密实混凝土很重要，当没有抗折剂时，混凝土各方面的性能均急剧下降，再结合对比例4-6的数据可知，抗折剂自身的结构对混凝土性能影响很大，因为当不按本申请范围内的制备方法制备抗折剂时，制得的抗折剂结构不能在混凝土中充分发挥作用，不利于制备高抗折自密实混凝土。通过分析对比实施例5和对比例7-8的数据可知，制备混凝土的过程中，混凝土中各原料之间的配比及生产工艺参数也对混凝土有影响。

值得一提的是，本申请通过采用金尾矿、矿粉和粉煤灰等固废材料制备高抗折自密实混凝土，变废为宝，有助于节能减排和绿色环保。

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 (10)

1.一种高抗折自密实金尾矿混凝土，其特征在于，按重量份计包括如下原料，胶凝材料270-350份、细集料600-675份、金尾矿120-176份、粗集料1000-1040份、水144-160份、抗折剂8-12份和减水剂7.5-8.7份，所述抗折剂采用以下方法制备，

将硅藻土加入正已烷中，在搅拌条件下充分分散，然后加入正十三烷胺和三氯化铝，在40-50℃的温度下，持续搅拌，直至pH值稳定在7-8时，过滤、醇洗、离心后得目标产物；

其中硅藻土、三氯化铝和正十三烷胺的质量比为（1-8）：（0.08-0.12）：1。

2.根据权利要求1所述的一种高抗折自密实金尾矿混凝土，其特征在于：所述抗折剂的制备过程中，硅藻土采用粒度为600-800目的圆筛藻。

3.根据权利要求1所述的一种高抗折自密实金尾矿混凝土，其特征在于：所述抗折剂的制备过程中，搅拌速度为400-500r/min。

4.根据权利要求2所述的一种高抗折自密实金尾矿混凝土，其特征在于：所述原料还包括聚氨酯11-15重量份。

5.根据权利要求2所述的一种高抗折自密实金尾矿混凝土，其特征在于：所述金尾矿的粒度为100-300目。

6.根据权利要求4所述的一种高抗折自密实金尾矿混凝土，其特征在于：所述胶凝材料包括水泥、矿粉和粉煤灰，水泥、矿粉和粉煤灰的质量比为（145-170）:（55-70）:（70-90）。

7.根据权利要求5所述的一种高抗折自密实金尾矿混凝土，其特征在于：所述细集料为机制砂，粗集料为碎石。

8.根据权利要求1所述的一种高抗折自密实金尾矿混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸类减水剂。

9.一种权利要求1-8任一所述的高抗折自密实金尾矿混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

将粗集料、细集料和金尾矿混合搅拌制得组分A；

将胶凝材料混合拌制得组分B；

将减水剂、水和抗折剂混合搅拌制得组分C；

将组分A搅拌后加入50%的组分C，继续搅拌混合,然后加入组分B，搅拌混合后加入剩余组分C，搅拌2min即可得产物。

10.根据权利要求9所述的一种高抗折自密实金尾矿混凝土的制备方法，其特征在于：所述聚氨酯加入制备组分A的步骤中。