CN115010433A - 一种高硅含量铁尾矿混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土及制备方法，每方混凝土包括以下重量的原料：水泥200~250Kg、铁尾矿砂710~810Kg、矿渣粉50~80Kg、铁尾矿石粗骨料1100~1200Kg、化学活化剂5~8Kg、助磨剂2~4Kg、减水剂5~7Kg、水180~200Kg。所述铁尾矿的SiO₂含量＞65wt%，细度模数为1.4~1.6，属于超细砂。所述铁尾矿石粗骨料是5~30 mm连续级配的，针片状含量＜4wt%，压碎指数＜5%。本发明通过“机械‑化学‑等离子体”耦合作用激发铁尾矿表面活性基团，无序化非晶相和低聚合度[SiO₄]四面体的数量增多，其反应活性和胶凝活性大大改善，可以大量取代水泥形成胶凝材料，制得混凝土的强度性能满足等级要求。本发明所提出的高硅含量铁尾矿混凝土中，铁尾矿废料的使用率可以达到90%左右，为铁尾矿的改性和资源化利用提供一条经济、可行的绿色共性技术，且该制备工艺稳定，经济效益和环境效益好。

Description

一种高硅含量铁尾矿混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于工程建筑材料技术领域，尤其涉及一种高硅含量铁尾矿混凝土及其制备方法。

背景技术

随着钢铁产业的飞速发展，铁尾矿的数量正日益迅猛增长，但目前其利用率非常低，对环境造成污染程度也日益严重。一般情况下，铁尾矿采用的处理方式是将尾矿堆存在尾矿坝或尾矿库中，这种方式不但占用了大量的土地资源，污染破坏周围的环境，甚至会危及人身财产安全。在我国铁尾矿已成为堆积量最多但其利用率又是最低的一种固体废弃物。据统计，我国尾矿堆积总量已达到了146亿吨以上，其中铁尾矿的堆存量约为30亿吨，而其综合利用率却不到10%，绝大多数尾矿尚未被综合利用。铁尾矿的大量堆积不仅极大地浪费了有限的土地资源，增加了维护尾矿库所带来的成本压力，并造成了环境污染，同时对当地的生态环境带来非常严重的危害。因此，积极开展铁尾矿的大宗有效综合利用工作已迫在眉睫。

为了有效降低资源及能源的消耗进而实现建筑材料行业的可持续发展，利用铁尾矿制备大宗建筑材料混凝土是固废资源化有效利用的一种途径。以往对铁尾矿在建材行业中的研究及应用主要致力于将铁尾矿作为骨料制备混凝土的研究，这很大程度的限制了铁尾矿在混凝土中的掺量以及使用的价值。可将铁尾矿进一步研究开发为混凝土矿物掺合料，以此来提高其附加值，可进一步降低水泥混凝土的成本。铁尾矿可从其矿物组成以及化学组成来进行判断，主要是以非活性晶体矿物组成，本身并不具有胶凝活性。因此要实现铁尾矿作为矿物掺合料，能大掺量应用到混凝土当中，必须对其先进行活化处理。

目前，常用的机械、高温以及化学活化等方法均可以使铁尾矿的结晶程度降低，晶格缺陷变大，提高其潜在的火山灰胶凝活性。热活化效果较好，但能耗较高；单一的机械活化或化学活化工艺流程简单，但存在球磨极限或活性激发效率较低等问题，难以满足混凝土掺合料的需求。本项目拟通过“机械-化学-等离子体”耦合快速高效地激活铁尾矿砂表面的活性基团，提高尾铁矿表面的反应活性，进而进一步提高铁尾矿在混凝土中的掺杂量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铁尾矿活性较差的问题，提供一种高硅含量铁尾矿混凝土及其制备方法，通过“机械-化学-等离子体”耦合作用，在铁尾矿砂表面激发活性基团，其反应活性和胶凝活性大大改善，可以大量取代水泥形成胶凝材料，可以大大缓解水泥行业的高能耗和高碳排放问题。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于，所述混凝土每方包括以下重量的原料：水泥200~250Kg、铁尾矿砂710~810Kg、矿渣粉50~80Kg、铁尾矿石粗骨料1100~1200Kg、化学活化剂5~8Kg、助磨剂2~4Kg、减水剂5~7Kg、水180~200Kg。

所述水泥为符合国家标准GB8076-2008的P·I 42.5基准水泥，非早强型，3d抗压强度＞17.0 MPa，28d抗压强度＞42.5 MPa。

所述铁尾矿砂经过振动筛砂机过筛，筛去泥块和大粒径颗粒，其SiO₂含量＞65wt%，细度模数为1.4~1.6，属于超细砂。

所述矿渣粉等级为S95级，流动度比为103%，28d活性指数＞108%。

所述铁尾矿石粗骨料是采用多元化反击式破碎机制得连续级配骨料，尺寸为5~30mm之间，其SiO₂含量＞65wt%，针片状含量＜4wt%，压碎指数＜5%。

所述化学活化剂为CaSO₄∙2H₂O、Na₂SiO₃∙9H₂O中的一种或多种。

所述助磨剂为硬脂酸锌、硬脂酸中的一种或多种。

所述减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，固含量为30%，减水率为30%。

一种高硅含量铁尾矿混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1 铁尾矿的活化：将过筛后的铁尾矿置于105℃的鼓风烘箱中恒温干燥2h，将干燥后的铁尾矿置于等离子体球磨机中，并加入所述重量的化学活化剂和助磨剂后，混合球磨1~2h，球磨转速300~500rpm；

S2 计量配料与搅拌均匀：称量所述重量步骤S1中活化铁尾矿和矿渣粉，加入到混凝土搅拌机搅拌5~10min，进一步加入所述重量的水泥、铁尾矿石粗骨料混合搅拌5~10min，最后加入所述重量的水和减水剂搅拌均匀制得料浆，搅拌时间5~10min。

S3 料浆浇注：将搅拌均匀的料浆缓慢倒入模具中，模具尺寸为150mm×150mm×150mm；

S4 坯体静停养护：将料浆与模具一起放入标准恒温干燥箱中静停养护2~4h，使坯体中多余水分蒸发和继续完成稠化与硬化过程；静停养护结束后拆除模具，即可得到混凝土。

本发明具有的有益效果：

（1）本发明中在传统“机械-化学”耦合活化铁尾矿中引入等离子场，等离子体中高能离子、电子能够激发铁尾矿表面基态分子，打破结合能较高的硅氧键，从而对铁尾矿惰性表面进行改性，不仅可以促进铁尾矿表面产生较大的变形及位错，无序化非晶相增多，提高低聚合度[SiO₄]四面体的数量，进而大大提高尾铁矿表面的反应活性。

（2）本发明中采用CaSO₄∙2H₂O或Na₂SiO₃∙9H₂O作为表面活性剂，一方面碱性氧化物能够水解形成氢氧根离子，使原材料中的Ca-O键、Si-O键、Al-O键断裂，激发尾铁矿表面钙、硅、铝等离子的反应活性，另一方面，水解的SO₄ ^2-或SiO₃ ^2-能够促进水化过程中硅酸三钙的溶解，缩短凝结时间并提高早期强度。

（3）相比于传统机械活化，本发明中添加硬脂酸锌或硬脂酸添加剂，能够保证机械活化过程中铁尾矿的形状近球形，抑制铁尾矿的粗化和团聚现象，进而解决了传统机械活化铁尾矿流动度较差的难题。

（4）本发明中活化铁尾矿与矿渣复合掺杂，能够充分发挥各组分协同改性的微集料填充效应和火山灰效应，加快水泥水化加速作用，共同促进铁尾矿混凝土强度的提高，满足混凝土强度等级要求。

（5）本发明中采用的铁尾矿石粗骨料中总硅含量＞65wt%，在水化过程中骨料-浆体界面钙硅比低，从而有助于减少界面处孔隙率，大大提升界面区强度，可以解决传统碎石骨料界面处孔隙率较高的问题。因此，采用该铁尾矿石粗骨料取代传统碎石骨料制备所得混凝土具有较高的强度性能指标。

（6）本发明中铁尾矿的掺杂量可以达到90%，不仅可以大大减少水泥和沙石的使用量，极大地缓解天然资源紧张局势，减少尾矿固废的环境压力，而且可以显著地降低混凝土生产成本，其成本只有传统混凝土的40%左右。

附图说明

图1是本发明中所述铁尾矿的XRD图谱。

图2是本发明中所述原始铁尾矿和活化铁尾矿砂的显微形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一

本发明公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于，所述混凝土每方包括以下重量的原料：水泥200Kg、铁尾矿砂810Kg、矿渣粉80Kg、铁尾矿石粗骨料1100Kg、化学活化剂5Kg、助磨剂4Kg、减水剂7Kg、水200Kg。

所述水泥为符合国家标准GB8076-2008的P·I 42.5基准水泥，非早强型，3d抗压强度＞17.0 MPa，28d抗压强度＞42.5 MPa。

所述铁尾矿砂经过振动筛砂机过筛，筛去泥块和大粒径颗粒，其SiO₂含量＞65wt%，细度模数为1.4~1.6，属于超细砂。

所述矿渣粉等级为S95级，流动度比为103%，28d活性指数＞108%。

所述铁尾矿石粗骨料是采用多元化反击式破碎机制得连续级配骨料，尺寸为5~30mm之间，其SiO₂含量＞65wt%，针片状含量＜4wt%，压碎指数＜5%。

所述化学活化剂为CaSO₄∙2H₂O、Na₂SiO₃∙9H₂O中的一种或多种。

所述助磨剂为硬脂酸锌、硬脂酸中的一种或多种。

所述减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，固含量为30%，减水率为30%。

本发明还公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1 铁尾矿的活化：将过筛后的铁尾矿置于105℃的鼓风烘箱中恒温干燥2h，将干燥后的铁尾矿置于等离子体球磨机中，并加入所述重量的化学活化剂和助磨剂后，混合球磨1h，球磨转速500rpm；

S2 计量配料与搅拌均匀：称量所述重量步骤S1中活化铁尾矿和矿渣粉，加入到混凝土搅拌机搅拌10min，进一步加入所述重量的水泥、铁尾矿石粗骨料混合搅拌10min，最后加入所述重量的水和减水剂搅拌均匀制得料浆，搅拌时间10min。

S3 料浆浇注：将搅拌均匀的料浆缓慢倒入模具中，模具尺寸为150mm×150mm×150mm；

S4 坯体静停养护：将料浆与模具一起放入标准恒温干燥箱中静停养护4h，使坯体中多余水分蒸发和继续完成稠化与硬化过程；静停养护结束后拆除模具，即可得到混凝土。

实施例二

本发明公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于，所述混凝土每方包括以下重量的原料：水泥250Kg、铁尾矿砂710Kg、矿渣粉50Kg、铁尾矿石粗骨料1200Kg、化学活化剂5Kg、助磨剂2Kg、减水剂5Kg、水180Kg。

所述水泥为符合国家标准GB8076-2008的P·I 42.5基准水泥，非早强型，3d抗压强度＞17.0 MPa，28d抗压强度＞42.5 MPa。

所述铁尾矿砂经过振动筛砂机过筛，筛去泥块和大粒径颗粒，其SiO₂含量＞65wt%，细度模数为1.4~1.6，属于超细砂。

所述矿渣粉等级为S95级，流动度比为103%，28d活性指数＞108%。

所述铁尾矿石粗骨料是采用多元化反击式破碎机制得连续级配骨料，尺寸为5~30mm之间，其SiO₂含量＞65wt%，针片状含量＜4wt%，压碎指数＜5%。

所述化学活化剂为CaSO₄∙2H₂O、Na₂SiO₃∙9H₂O中的一种或多种。

所述助磨剂为硬脂酸锌、硬脂酸中的一种或多种。

所述减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，固含量为30%，减水率为30%。

本发明还公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1 铁尾矿的活化：将过筛后的铁尾矿置于105℃的鼓风烘箱中恒温干燥2h，将干燥后的铁尾矿置于等离子体球磨机中，并加入所述重量的化学活化剂和助磨剂后，混合球磨2h，球磨转速300rpm；

S2 计量配料与搅拌均匀：称量所述重量步骤S1中活化铁尾矿和矿渣粉，加入到混凝土搅拌机搅拌5min，进一步加入所述重量的水泥、铁尾矿石粗骨料混合搅拌5min，最后加入所述重量的水和减水剂搅拌均匀制得料浆，搅拌时间5min。

S3 料浆浇注：将搅拌均匀的料浆缓慢倒入模具中，模具尺寸为150mm×150mm×150mm；

S4 坯体静停养护：将料浆与模具一起放入标准恒温干燥箱中静停养护2h，使坯体中多余水分蒸发和继续完成稠化与硬化过程；静停养护结束后拆除模具，即可得到混凝土。

实施例三

本发明公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于，所述混凝土每方包括以下重量的原料：水泥230Kg、铁尾矿砂750Kg、矿渣粉70Kg、铁尾矿石粗骨料1150Kg、化学活化剂7Kg、助磨剂3Kg、减水剂6Kg、水190Kg。

所述水泥为符合国家标准GB8076-2008的P·I 42.5基准水泥，非早强型，3d抗压强度＞17.0 MPa，28d抗压强度＞42.5 MPa。

所述铁尾矿砂经过振动筛砂机过筛，筛去泥块和大粒径颗粒，其SiO₂含量＞65wt%，细度模数为1.4~1.6，属于超细砂。

所述矿渣粉等级为S95级，流动度比为103%，28d活性指数＞108%。

所述铁尾矿石粗骨料是采用多元化反击式破碎机制得连续级配骨料，尺寸为5~30mm之间，其SiO₂含量＞65wt%，针片状含量＜4wt%，压碎指数＜5%。

所述化学活化剂为CaSO₄∙2H₂O、Na₂SiO₃∙9H₂O中的一种或多种。

所述助磨剂为硬脂酸锌、硬脂酸中的一种或多种。

所述减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，固含量为30%，减水率为30%。

本发明还公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1 铁尾矿的活化：将过筛后的铁尾矿置于105℃的鼓风烘箱中恒温干燥2h，将干燥后的铁尾矿置于等离子体球磨机中，并加入所述重量的化学活化剂和助磨剂后，混合球磨1.5h，球磨转速400rpm；

S2 计量配料与搅拌均匀：称量所述重量步骤S1中活化铁尾矿和矿渣粉，加入到混凝土搅拌机搅拌8min，进一步加入所述重量的水泥、铁尾矿石粗骨料混合搅拌8min，最后加入所述重量的水和减水剂搅拌均匀制得料浆，搅拌时间8min。

S3 料浆浇注：将搅拌均匀的料浆缓慢倒入模具中，模具尺寸为150mm×150mm×150mm；

S4 坯体静停养护：将料浆与模具一起放入标准恒温干燥箱中静停养护3h，使坯体中多余水分蒸发和继续完成稠化与硬化过程；静停养护结束后拆除模具，即可得到混凝土。

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019中相关规定测试150mm×150mm×150mm立方体试件的抗压强度。上述实施例制备所得铁尾矿混凝土的性能如下：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.本发明公开了一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于，所述混凝土每方包括以下重量的原料：水泥200~250Kg、铁尾矿砂710~810Kg、矿渣粉50~80Kg、铁尾矿石粗骨料1100~1200Kg、化学活化剂5~8Kg、助磨剂2~4Kg、减水剂5~7Kg、水180~200Kg。

2.根据权利要求1所述的所述一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于：所述水泥为符合国家标准GB8076-2008的P·I 42.5基准水泥，非早强型，3d抗压强度＞17.0 MPa，28d抗压强度＞42.5 MPa。

3.根据权利要求1所述的所述一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于：所述铁尾矿砂经过振动筛砂机过筛，筛去泥块和大粒径颗粒，其SiO₂含量＞65wt%，细度模数为1.4~1.6，属于超细砂。

4.根据权利要求1所述的所述一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于：所述矿渣粉等级为S95级，流动度比为103%，28d活性指数＞108%。

5.根据权利要求1所述的所述一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于：所述铁尾矿石粗骨料是采用多元化反击式破碎机制得连续级配骨料，尺寸为5~30 mm之间，其SiO₂含量＞65wt%，针片状含量＜4wt%，压碎指数＜5%。

6.根据权利要求1所述的所述一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于：所述化学活化剂为CaSO₄∙2H₂O、Na₂SiO₃∙9H₂O中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的所述一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于：所述助磨剂为硬脂酸锌、硬脂酸中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的所述一种高硅含量铁尾矿混凝土，其特征在于：所述减水剂采用聚羧酸系高性能减水剂，固含量为30%，减水率为30%。

9.一种高硅含量铁尾矿混凝土的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

S1 铁尾矿的活化：将过筛后的铁尾矿置于105℃的鼓风烘箱中恒温干燥2h，将干燥后的铁尾矿置于等离子体球磨机中，并加入所述重量的化学活化剂和助磨剂后，混合球磨1~2h，球磨转速300~500rpm；

S2 计量配料与搅拌均匀：称量所述重量步骤S1中活化铁尾矿和矿渣粉，加入到混凝土搅拌机搅拌5~10min，进一步加入所述重量的水泥、铁尾矿石粗骨料混合搅拌5~10min，最后加入所述重量的水和减水剂搅拌均匀制得料浆，搅拌时间5~10min；

S3 料浆浇注：将搅拌均匀的料浆缓慢倒入模具中，模具尺寸为150mm×150mm×150mm；

S4 坯体静停养护：将料浆与模具一起放入标准恒温干燥箱中静停养护2~4h，使坯体中多余水分蒸发和继续完成稠化与硬化过程；静停养护结束后拆除模具，即可得到混凝土。

Images