CN115259725A - 一种铅锌尾矿混凝土复合掺合料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铅锌尾矿混凝土复合掺合料，由铅锌尾矿、锂渣、活性矿物掺合料和活性激发剂为原材料混合制备得到；所述的活性矿物掺合料为炉底灰、矿渣粉、硅灰中的一种或多种，且比表面积≥400m2/kg，28d活性指数≥85%。本发明科学有效的将各种工业废渣经粉磨混合，充分发挥各组分在水泥混凝土中的活性激发及复合叠加效应。本发明制备方法简单易行，可大量利用铅锌尾矿生产混凝土掺合料；所制备的铅锌尾矿复合掺合料可替代日益紧缺的粉煤灰配制不同强度等级的混凝土，并可满足混凝土各项性能指标要求，在建设工程中具有广阔的应用前景。大大提高铅锌尾矿的综合利用价值，具有很好的经济效益和环境效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种铅锌尾矿混凝土复合掺合料及其制备方法，属固体废弃物在混凝土中综合利用领域。
背景技术
铅锌尾矿是江西省大宗工业尾矿之一，主要分布于赣州、上饶、鹰潭等地区，年排放量高达600万吨，存量高达几千万吨，大量的铅锌尾矿占用土地、污染环境，综合利用率极低。大量研究表明，建材化是尾矿大规模资源化利用的一个有效途径，因此亟需开发铅锌尾矿建材化规模化消纳利用技术。
随着近年来国内基础设施的建设对混凝土需求量的增大，粉煤灰、矿渣粉等传统混凝土掺合料的消耗，也造成了传统建材资源的相对匮乏。目前粉煤灰作为混凝土矿物掺合料的最重要的品种已经获得学术界和工程界的认同，得到广泛使用。而随着国家加快推动绿色低碳发展，电厂燃煤将逐步减少，粉煤灰产量有限，正逐渐面临资源紧缺，已无法满足混凝土的需求量。而矿渣粉不仅成本高，而且混凝土水化温度高。于是在水泥不断涨价和粉煤灰资源出现短缺的情况下，需寻找新型矿物掺合料对粉煤灰进行必要补充。
遍查国内外研究文献，目前对铅锌尾矿的研究主要集中在制备水泥混合材、制备生产水泥熟料矿化剂、免烧砖、地聚物等方面，但是还未见有将其用作混凝土掺合料相关方面的研究报道。如若将铅锌尾矿粉磨后作混凝土掺合料替代粉煤灰，这样既可以解决铅锌尾矿堆积带来的环境问题又可以解决粉煤灰产量不足的问题。但是，由于铅锌尾矿活性、需水量比不够，因此在制备过程中，须加入活性矿物掺合料及活性激发剂混合后组成铅锌尾矿复合掺合料，才可以满足混凝土复合掺合料各项性能指标要求，制备出性能符合要求的混凝土。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铅锌尾矿混凝土用复合掺合料及其制备方法，替代日益紧缺的粉煤灰在混凝土中的应用。在开发一种新型混凝土掺合料的同时，也为铅锌尾矿工业废弃物寻求一种高附加值的利用。
本发明的上述目的通过以下方案实现：
首先，本发明提供一种铅锌尾矿混凝土复合掺合料，所述的混凝土复合掺合料由铅锌尾矿、锂渣、活性矿物掺合料和活性激发剂为原材料混合制备得到。所述的活性矿物掺合料为炉底灰、矿渣粉、硅灰中的一种或多种，且比表面积≥400m2/kg，28d活性指数≥85%。
本发明所述的方案中，按质量份计，所述的各原材料比例优选为：铅锌尾矿60～75份、锂渣7～22份、活性矿物掺合料10～25份、活性激发剂0.3～0.8份；更优选的比例为铅锌尾矿60～70份、锂渣7～22份、活性矿物掺合料10～18份。
本发明所述的方案中，所述的活性激发剂为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氢氧化钠、氧化钙中任意三种或以上的混合物；优选为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙的混合物，其中，按重量百分比计，所述四种激发剂分别占活性激发剂总质量的5%～15%、20%～40%、30%～45%和10%～20%，更优选分别占活性激发剂总质量的7%～13%、27%～36%、32%～40%、13%～20%。
本发明所述的方案中，优选的所述的铅锌尾矿是由氧化硅和氧化铝含量在70%以上、粒径为2.36mm以下的占90%以上、比表面积不低于130m2/kg且含水率在5%以内的铅锌尾矿渣制备得到的铅锌尾矿粉。优选的所述的锂渣是由主要矿物为锂辉石、氧化硅和氧化铝含量在65%以上、粒径为2.36mm以下的占98%以上、比表面积不低于315 m2/kg且含水率在8%以内的锂渣制备得到的锂渣粉。
本发明进一步优选的方案中，所述的铅锌尾矿粉是比表面积为400～500m2/kg、28d活性为65%～70%的磨细铅锌尾矿粉。
本发明进一步优选的方案中，所述的锂渣粉是比表面积550～650m2/kg、28d活性为80%～95%的磨细锂渣粉。
此外，本发明还提供所述的铅锌尾矿混凝土复合掺合料的制备方法，包括如下步骤：
1）将铅锌尾矿渣和锂渣干燥至水分≤1%；
2）将干燥后的铅锌尾矿渣和锂渣分别粉磨5～15min，得到比表面积为400～500m2/kg、28d活性为65%～70%的磨细铅锌尾矿粉，和比表面积550～650m2/kg、28d活性为80%～95%的磨细锂渣粉；
3）将步骤2）得到的磨细铅锌尾矿粉和磨细锂渣粉与活性矿物掺合料混合，使其中磨细铅锌尾矿粉、磨细锂渣粉和活性矿物掺合料的质量比为60～75份、锂渣7～22份、活性矿物掺合料10～25份，优选60～70份、7～22份、10～18份，再加入0.3～0.8份的活性激发剂得到原料混合物，将原料混合物共磨1～3min后得到比表面积为400～500m2/kg的铅锌尾矿复合掺合料。
本发明所述的方案中，步骤1）所述的干燥方式可以是自然风干或烘干。
本发明所述的方案中，步骤2）所述的粉磨可采用球磨或选粉立磨方式。
本发明所述的方案中，步骤3）所述的所述的活性矿物掺合料为炉底灰、矿渣粉、硅灰中的一种或多种，且比表面积≥400m2/kg，28d活性指数≥85%。
本发明所述的方案中，步骤3）所述的活性激发剂优选为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙四种分别以5%～15%、20%～40%、30%～45%、10%～20%质量比组成的混合物，更优选以7%～13%、27%～36%、32%～40%、13%～20%质量比组成的混合物。
本发明所述方法得到的铅锌尾矿复合掺合料产品，比表面积在400～500m2/kg，烧失量<8%，三氧化硫含量<3%，流动度比≥100%，活性指数为75%～90%。
本发明具有以下优点和积极效果：
1）本发明采用具有较高活性的地区特有的锂辉石锂渣和活性矿物掺合料与非活性的铅锌尾矿渣通过多元复配，通过复合叠加效应可提升复合掺合料的整体活性，并加入活性激发组分激发了铅锌尾矿的化学反应活性，由此得到的铅锌尾矿复合掺合料整体具有理想的活性，使其能够替代粉煤灰在混凝土中被大量利用。
2）本发明科学有效地将多种不同活性和粉体粒径的工业废弃物复合，充分发挥各组分对水泥和混凝土的活性和粒度协同作用；组分中的锂渣可增加水泥和混凝土的早期强度，活性矿粉掺合料的加入通过二次水化反应可降低混凝土的水化热、增加水泥和混凝土的后期强度。锂渣经单独粉磨和混合共磨后形成的超细粉体可在混凝土中发挥其微集料填充作用，从而改善混凝土的孔结构；铅锌尾矿和锂渣被粉磨至不同细度混合后可优化混合料颗粒级配，使其达到最紧密堆积。通过上述效应，从而提高该掺合料在混凝土中的使用性能，使其能较高比例的用于水泥和混凝土中。
3）本发明采用先单独粉磨再混合搅拌的制作制备铅锌尾矿复合掺合料，有利于各组分物料颗粒级配的控制和配方的调整，制作工艺简单，且本发明采用工业废渣为主要原料，所需材料来源广泛、成本低廉，有利于工业化生产。本发明大量利用铅锌尾矿制备混凝土掺合料，大大提高铅锌尾矿的综合利用价值，变废为宝，具有很好的经济效应和环境效应。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步说明本发明的内容，但本发明的范围不局限于以下实施例。
实施例1.一种铅锌尾矿复合掺合料，包括以下质量份的原料：
铅锌尾矿60份、锂渣20份、活性矿物掺合料20份、活性激发剂0.5份。
所述的活性矿物掺合料为炉底灰、矿渣粉、硅灰按照质量比5:4:1混合。
所述的活性激发剂为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙的混合物，按重量百分比计，活性激发剂中甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙占比分别为13%、36%、32%、19%。
制备方法如下：
（1）将铅锌尾矿渣和锂渣烘干至含水率1%后，分别加入球磨机进行球磨，铅锌尾矿渣球磨7-9min比表面积控制在400m2/kg以上，锂渣球磨3-5min比表面积控制在600m2/kg以上。
（2）按照质量百分比称取磨细好的铅锌尾矿粉和锂渣粉、混合后的活性矿物掺合料，将称好后的上述原料混合得到混合料，加入球磨机，同时加入占混合料质量0.5%的上述活性激发剂。
（3）然后将所有原料共同粉磨1-3min，混合均匀得到铅锌尾矿复合掺合料，控制比表面积在400-500m2/kg左右。
实施例2.一种铅锌尾矿复合掺合料，包括以下质量份的原料：
铅锌尾矿65份、锂渣18份、活性矿物掺合料17份、活性激发剂0.5份。
所述的活性矿物掺合料为炉底渣粉、矿渣粉、硅灰按照质量比5:4:1混合。
所述的活性激发剂为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙的混合物，按重量百分比计，活性激发剂中甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙占比分别为10%、35%、40%和15%。
制备方法如下：
（1）将铅锌尾矿渣和锂渣烘干至含水率1%后，分别加入球磨机进行球磨，铅锌尾矿渣球磨7-9min比表面积控制在400m2/kg以上，锂渣球磨3-5min比表面积控制在600m2/kg以上。
（2）按照质量百分比称取磨细好的铅锌尾矿粉和锂渣粉、混合后的活性矿物掺合料，将称好后的上述原料混合得到混合料，加入球磨机，同时加入占混合料质量0.5%的上述活性激发剂。
（3）然后将所有原料共同粉磨1-3min，混合均匀得到铅锌尾矿复合掺合料，控制比表面积在400-500m2/kg左右。
实施例3.一种铅锌尾矿复合掺合料，包括以下质量份的原料：
铅锌尾矿65份、锂渣18份、活性矿物掺合料17份、活性激发剂0.5份。
所述的活性矿物掺合料为炉底渣粉、矿渣粉、硅灰按照质量比6:3:2混合。
所述的活性激发剂为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙的混合物，按重量百分比计，活性激发剂中甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙占比分别为13%、36%、38%、13%。
制备方法如下：
（1）将铅锌尾矿渣和锂渣烘干至含水率1%后，分别加入球磨机进行球磨，铅锌尾矿渣球磨7-9min比表面积控制在400m2/kg以上，锂渣球磨3-5min比表面积控制在600m2/kg以上。
（2）按照质量百分比称取磨细好的铅锌尾矿粉和锂渣粉、混合后的活性矿物掺合料，将称好后的上述原料混合得到混合料，加入球磨机，同时加入占混合料质量0.5%的上述活性激发剂。
（3）然后将所有原料共同粉磨1-3min，混合均匀得到铅锌尾矿复合掺合料，控制比表面积在400-500m2/kg左右。
实施例4.一种铅锌尾矿复合掺合料，包括以下质量份的原料：
铅锌尾矿70份、锂渣15份、活性矿物掺合料15份、活性激发剂0.8份。
所述的活性矿物掺合料为炉底渣粉、矿渣粉、硅灰按照质量比6:4:0混合。
所述的活性激发剂为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙的混合物，按重量百分比计，活性激发剂中甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙占比分别为13%、27%、40%、20%。
制备方法如下：
（1）将铅锌尾矿渣和锂渣烘干至含水率1%后，分别加入球磨机进行球磨，铅锌尾矿渣球磨7-9min比表面积控制在400m2/kg以上，锂渣球磨3-5min比表面积控制在600m2/kg以上。
（2）按照质量百分比称取磨细好的铅锌尾矿粉和锂渣粉、混合后的活性矿物掺合料，将称好后的上述原料混合得到混合料，加入球磨机，同时加入占混合料质量0.8%的上述活性激发剂。
（3）然后将所有原料共同粉磨1-3min，混合均匀得到铅锌尾矿复合掺合料，控制比表面积在400-500m2/kg左右。
实施例5.一种铅锌尾矿复合掺合料，包括以下质量份的原料：
铅锌尾矿70份、锂渣15份、活性矿物掺合料15份、活性激发剂0.8份。
所述的活性矿物掺合料为炉底渣粉、矿渣粉、硅灰按照质量比6:3:1混合。
所述的活性激发剂为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙的混合物，按重量百分比计，活性激发剂中甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙占比分别为10%、36%、40%、14%。
制备方法如下：
（1）将铅锌尾矿渣和锂渣烘干至含水率1%后，分别加入球磨机进行球磨，铅锌尾矿渣球磨7-9min比表面积控制在400m2/kg以上，锂渣球磨3-5min比表面积控制在600m2/kg以上。
（2）按照质量百分比称取磨细好的铅锌尾矿粉和锂渣粉、混合后的活性矿物掺合料，将称好后的上述原料混合得到混合料，加入球磨机，同时加入占混合料质量0.8%的上述活性激发剂。
（3）然后将所有原料共同粉磨1-3min，混合均匀得到铅锌尾矿混凝土复合掺合料，控制比表面积在400-500m2/kg左右。
表1.实施例1-5及对比例的掺合料原料组成
表2. 实施例1-5及对比例的掺合料性能
| 对比例1 | 对比例2 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | |
| 7d抗压强度/MPa | 26.1 | 28.5 | 33.2 | 32.0 | 31.6 | 30.1 | 30.4 |
| 28d抗压强度/MPa | 36.9 | 38.6 | 47.3 | 45.6 | 45.7 | 42.3 | 44.1 |
| 7d活性指数/% | 66 | 72 | 84 | 81 | 80 | 76 | 77 |
| 28d活性指数/% | 67 | 70 | 86 | 83 | 83 | 77 | 80 |
对比例2是在对比例1磨细铅锌尾矿粉的基础上，复合添加活性较高的磨细锂渣粉，可实现铅锌尾矿掺合料的多元复配，从对比例2可以看出复合叠加效应可提升复合掺合料的整体活性。
本发明用制备好的铅锌尾矿复合掺合料应用在混凝土中，以本发明实施例2为例，实施例2所制备的复合料应用于C30混凝土中与常规混凝土性能进行对比，结果如表3所示：
表3. 实施例2混凝土性能与常规混凝土性能对比
| 水泥 | 矿粉 | 粉煤灰 | 铅锌尾矿复合掺合料 | 砂 | 石子 | 外加剂 | 水 | 初始坍落度/mm | 1h坍落度/mm | 初始扩展度/mm | 7d抗压强度/MPa | 28d抗压强度/MPa |
| 230 | 70 | 80 | / | 880 | 1020 | 6.8 | 168 | 220 | 185 | 550 | 24.3 | 36.7 |
| 230 | 70 | / | 80 | 880 | 1020 | 6.8 | 168 | 215 | 180 | 550 | 26.7 | 38.8 |
从上述测试结果可以看出，采用本发明所述铅锌尾矿复合掺合料全部替代配合比中的粉煤灰应用于混凝土中，混凝土工作性与常规混凝土基本相当，混凝土的7d和28d抗压强度要高于常规混凝土，说明本发明所述的铅锌尾矿复合掺合料可完全替代粉煤灰在混凝土中使用。
综上所述，本发明大量利用铅锌尾矿生产混凝土掺合料，大大提高铅锌尾矿的综合利用价值，变废为宝，具有很好的经济效益和环保效应。本发明的铅锌尾矿复合掺合料，在一定程度上改善混凝土的抗压强度，保证混凝土的质量。
Claims (10)
1.一种铅锌尾矿混凝土复合掺合料，由铅锌尾矿、锂渣、活性矿物掺合料和活性激发剂为原材料混合制备得到；所述的活性矿物掺合料为炉底灰、矿渣粉、硅灰中的一种或多种，且比表面积≥400m2/kg，28d活性指数≥85%。
2.权利要求1所述的复合掺合料，其特征在于：所述的各原材料比例为：铅锌尾矿60～75份、锂渣7～22份、活性矿物掺合料10～25份、活性激发剂0.3～0.8份。
3.权利要求1所述的复合掺合料，其特征在于：所述的各原材料比例为：铅锌尾矿60～70份、锂渣7～22份、活性矿物掺合料10～18份、活性激发剂0.3～0.8份。
4.权利要求1所述的复合掺合料，其特征在于：所述的活性激发剂为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氢氧化钠、氧化钙中任意三种或以上的混合物；优选为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠和氧化钙四种激发剂的混合物，按重量百分比计，所述四种激发剂分别占活性激发剂总质量的5%～15%、20%～40%、30%～45%和10%～20%，更优选分别占活性激发剂总质量的7%～13%、27%～36%、32%～40%、13%～20%。
5.权利要求1所述的复合掺合料，其特征在于：所述的铅锌尾矿是由氧化硅和氧化铝含量在70%以上、粒径为2.36mm以下的占90%以上、比表面积不低于130m2/kg且含水率在5%以内的铅锌尾矿渣制备得到的铅锌尾矿粉；所述的锂渣是由主要矿物为锂辉石、氧化硅和氧化铝含量在65%以上、粒径为2.36mm以下的占98%以上、比表面积不低于315 m2/kg且含水率在8%以内的锂渣制备得到的锂渣粉。
6.权利要求5所述的复合掺合料，其特征在于：所述的铅锌尾矿粉是比表面积为400～500m2/kg、28d活性为65%～70%的磨细铅锌尾矿粉。
7.权利要求5所述的复合掺合料，其特征在于：所述的锂渣粉是比表面积550～650m2/kg、28d活性为80%～95%的磨细锂渣粉。
8.制备权利要求1-7任意一项所述的铅锌尾矿混凝土复合掺合料的方法，包括如下步骤：
1）将铅锌尾矿渣和锂渣干燥至水分≤1%；
2）将干燥后的铅锌尾矿渣和锂渣分别粉磨5～15min，得到比表面积为400～500m2/kg、28d活性为65%～70%的磨细铅锌尾矿粉，和比表面积550～650m2/kg、28d活性为80%～95%的磨细锂渣粉；
3）将第步骤2）得到的磨细铅锌尾矿粉和磨细锂渣粉与活性矿物掺合料混合，使其中磨细铅锌尾矿粉、磨细锂渣粉和活性矿物掺合料的质量比为60～75份、锂渣7～22份、活性矿物掺合料10～25份，优选60～70份、7～22份、10～18份，再加入0.3～0.8份的活性激发剂得到原料混合物，将原料混合物共磨1～3min后得到比表面积为400～500m2/kg的铅锌尾矿复合掺合料。
9.权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤3）所述的所述的活性矿物掺合料为炉底灰、矿渣粉、硅灰中的一种或多种，且比表面积≥400m2/kg，28d活性指数≥85%。
10.权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤3）所述的活性激发剂为甲酸钙、偏铝酸钠、硅酸钠、氧化钙四种分别以5%～15%、20%～40%、30%～45%、10%～20%质量百分比组成的混合物，优选以7%～13%、27%～36%、32%～40%、13%～20%质量百分比组成的混合物。
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