CN115321905B - 一种高强度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，具体公开了一种高强度金尾矿混凝土及其制备方法。一种高强度金尾矿混凝土的原料包括硅酸盐水泥200‑220份；石块850‑950份；河沙100‑200份；改性金尾矿颗粒120‑150份；纤维素纤维100‑110份；金属有机框架材料100‑110份；外加剂3‑7份；水200‑300份；其制备方法为：首先将硅酸盐水泥、石块、河沙、改性金尾矿颗粒、金属有机框架材料和纤维素纤维进行混合得到混合料A；其次向混合料A中缓慢加水搅拌，同时加入减水剂和早强剂继续搅拌，直到将水加完后拌合均匀即制得混凝土。其具有提高混凝土强度的优点。

Description

一种高强度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，它涉及一种高强度金尾矿混凝土及其制备方法。

背景技术

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，金尾矿拥有比石块更好的硬度并且颗粒更细小，无论是作为骨料还是作为掺合料都非常合适，有许多混凝土企业已然研制出金尾矿混凝土并在混凝土路面实现了应用，既分担了环境的压力，又提高了混凝土的性能。

目前，在混凝土领域，金尾矿会被当做掺合料少量的加入到混凝土中进行使用，从而解决尾矿堆积对环境的影响和尾矿填满造成的经济损失。但金尾矿在使用过程中一但用量过多会发生泥化现象，从而导致混凝土的坍落度变大；金尾矿的表面粗糙，在混凝土体系中流动性差。由于金尾矿存在泥化现象和表面粗糙的问题，进而导致混凝土的强度受到影响。

发明内容

为了提高混凝土的强度，本申请提供一种高强度金尾矿混凝土及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种高强度金尾矿混凝土，采用如下的技术方案：

一种高强度金尾矿混凝土，由包括如下重量份的原料制成：

硅酸盐水泥200-220份；

石块850-950份；

河沙100-200份；

改性金尾矿颗粒120-150份；

纤维素纤维100-110份；

金属有机框架材料100-110份；

外加剂3-7份；

水200-300份；

所述改性金尾矿砂通过将K⁺嵌入金尾矿砂的晶层中对金尾矿砂进行改性，再将金尾矿砂制成大颗粒。

通过采用上述技术方案，在K⁺对金尾矿改性后使得金尾矿具有疏水性，从而减少泥化现象的发生，并且当金尾矿砂制成颗粒后，表面变得光滑，进而使得流动性变好，由于金尾矿本身的硬度大于石块的硬度，因此改性后的金尾矿颗粒提高了混凝土的强度；纤维素纤维的表面富含大量的羟基，羟基与金属有机框架材料之间能生成配位键进行结合，同时，由于纤维素纤维是自然生长而成的纤维，具有很强的裹握力，在纤维素纤维的裹握力作用下，改性金尾矿和纤维素纤维以及金属有机框架结构之间的连接更为紧密，进一步的提高了混凝土的强度；金属有机框架结构中的金属具有延展性，框架结构的具有的韧性，从而还提高了混凝土的韧性。

优选的，所述改性金尾矿颗粒的制备方式如下：S1：常温下配置KCl溶液作为改性剂，将金尾矿砂加入改性剂中浸泡，搅拌，得到固液混合相；S2：将S1中的固液混合相放入离心机中离心，离心后过滤取沉淀，清洗沉淀，烘干得到改性金尾矿砂；S3：将S2得到的改性金尾矿砂放入制粒机中制成大颗粒金尾矿，得到改性金尾矿颗粒。

通过采用上述技术方案，金尾矿颗粒在混凝土中起骨料的作用，通过将K⁺嵌入金尾矿砂的晶层中，K⁺的水化能较低不容易水化，因此会使晶层间存在的水分子排出，从而晶层收到一定的挤压缩进，最终使得水化难以进行，能更充分的发挥出金尾矿硬度高的优点。

优选的，所述S1中的KCl浓度为25-45％。

通过采用上述技术方案，当KCl的浓度为25-45％时，K⁺的浓度对金尾矿改性的效果最佳。

优选的，所述S1中加热温度为45℃。

通过采用上述技术方案，烘干温度为45℃时能最大限度的保存K⁺在金尾矿的晶层中保存的稳定性，从而达到更好的疏水性。

优选的，所述纤维素纤维的直径为15-20μm，长度为2-3mm。

通过采用上述技术方案，纤维素纤维本身具有天然的亲水性，优良的握裹力，巨大的纤维比表面积，及较高的韧性和强度等，加入混凝土中后，在水的浸泡和外力作用下，形成大量均匀分布的细小纤维，可有效阻止混凝土塑性收缩、干缩和温度变化而引起裂缝的发生，同时，在对金属有机框架的连接也起到了非常重要的作用。

优选的，所述金属有机框架材料为黑色金属有机框架材料。

通过采用上述技术方案，黑色金属主要指铁及其合金，铁以及铁合金能与羟基之间生成配位键，从而能使得金属有机框架材料与纤维素纤维紧密连接，同时，有机框架材料是一种多孔材料，多孔材料在混凝土中能增强透水性，在混凝土路面的使用过程中能提高混凝土的使用年限。

优选的，所述外加剂以所述高强度金尾矿混凝土为基准，包括如下重量份的原料制成：三异丙醇胺早强剂1-3份；聚羧酸减水剂2-4份。。

通过采用上述技术方案，三异丙醇胺是通过促进早期凝结特性达到早强的效果。具体说就是三异丙醇胺通过促进较难水化的铁酸盐的水化及分散性达到提高水泥矿物的水化程度，从而提高早期强度，三异丙醇胺还可作为黑色金属防锈剂来使用，在增强混凝土强度的同时还增强了金属有机框架材料的使用年限；聚羧酸减水剂的掺入，为混凝土引入了聚羧酸分子，从而促进了水泥颗粒相互分散，释放出被包裹的水分子，进而大幅度减少用水量；且聚羧酸分子会通过吸附在水泥颗粒表面的方式使水泥颗粒表面带有负电荷，而改性金尾矿颗粒与河砂表面均显负电性，使得改性金尾矿颗粒、河砂、以及表面带有负电荷的水泥颗粒间形成静电排斥作用，从而提高混凝土的流动性。

第二方面，本申请提供一种高强度金尾矿混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：

一种高强度金尾矿混凝土的制备方法，制备步骤如下：

S1：将硅酸盐水泥、石块、河沙、改性金尾矿颗粒、金属有机框架材料和纤维素纤维进行混合得到混合料A；S2：向S1中的混合料A中缓慢加水搅拌，同时加入减水剂和早强剂继续搅拌，直到将水加完后拌合均匀即制得混凝土。

通过采用上述技术方案，首先将各种混凝土的配料混合，然后向混合料中缓慢加水搅拌，使得改性金尾矿颗粒、纤维素纤维和金属有机框架材料之间开始产生反应，生成配位键，并且在加水搅拌的同时向其中加入三异丙醇胺早强剂和聚羧酸减水剂，在此过程中能使得两种外加剂更充分的拌合在混凝土体系中，当拌合水加入完后继续搅拌，直至拌合均匀即可，如此拌合得到的混凝土中各组分混合的更均匀，外加剂混合的更充分，混凝土的优良效果体现的更加明显。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、在K⁺对金尾矿改性后使得金尾矿具有疏水性，从而减少泥化现象的发生，并且当金尾矿砂制成颗粒后，表面变得光滑，进而使得流动性变好，由于金尾矿本身的硬度大于石块的硬度，因此改性后的金尾矿颗粒提高了混凝土的强度；纤维素纤维的表面富含大量的羟基，羟基与金属有机框架材料之间能生成配位键进行结合，同时，由于纤维素纤维是自然生长而成的纤维，具有很强的裹握力，在纤维素纤维的裹握力作用下，改性金尾矿和纤维素纤维以及金属有机框架结构之间的连接更为紧密，进一步的提高了混凝土的强度；金属有机框架结构中的金属具有延展性，框架结构的具有的韧性，从而还提高了混凝土的韧性。

2、本申请中优选采用黑色金属主要指铁及其合金，如钢、生铁、铁合金、铸铁等，铁以及铁合金能与羟基之间生成配位键，从而能使得金属有机框架材料与纤维素纤维紧密连接，同时，有机框架材料是一种多孔材料，多孔材料在混凝土中能增强透水性，在混凝土路面的使用过程中能提高混凝土的使用年限。

3、本申请的方法，通过三异丙醇胺是通过促进早期凝结特性达到早强的效果。具体说就是三异丙醇胺通过促进较难水化的铁酸盐的水化及分散性达到提高水泥矿物的水化程度，从而提高早期强度，三异丙醇胺还可作为黑色金属防锈剂来使用，在增强混凝土强度的同时还增强了金属有机框架材料的使用年限；聚羧酸减水剂的掺入，为混凝土引入了聚羧酸分子，从而促进了水泥颗粒相互分散，释放出被包裹的水分子，进而大幅度减少用水量；且聚羧酸分子会通过吸附在水泥颗粒表面的方式使水泥颗粒表面带有负电荷，而改性金尾矿颗粒与河砂表面均显负电性，使得改性金尾矿颗粒、河砂、以及表面带有负电荷的水泥颗粒间形成静电排斥作用，从而提高混凝土的流动性。

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。

改性金尾矿颗粒的制备例

制备例1

改性金尾矿颗粒的制备步骤如下：

S1：在常温下配置浓度为40％的KCl溶液120L，将金尾矿砂进行筛选，将金尾矿砂中的泥块筛出后，称取15kg的金尾矿砂加入KCl溶液中浸泡48h，浸泡完成后在1000r/min的转速下搅拌15min得到固液混合相；S2：将S1中得到的固液混合相放入离心机中，将转速调为5000r/min离心10min，离心完成后将上清液倒掉，取出沉淀用去离子水进行清洗，清洗之后的金尾矿砂放入烘箱中，烘箱温度调为45℃，烘干10h，烘干后得到改性金尾矿砂；S3：将S2中得到的改性金尾矿砂加入造粒机中进行造粒，得到粒径范围为5-10mm的改性金尾矿颗粒。

制备例2

改性金尾矿颗粒的制备步骤如下：

S1：在常温下配置浓度为35％的KCl溶液100L，将金尾矿砂进行筛选，将金尾矿砂中的泥块筛出后，称取10kg的金尾矿砂加入KCl溶液中浸泡48h，浸泡完成后在1000r/min的转速下搅拌15min得到固液混合相；S2：将S1中得到的固液混合相放入离心机中，将转速调为5000r/min离心10min，离心完成后将上清液倒掉，取出沉淀用去离子水进行清洗，清洗之后的金尾矿砂放入烘箱中，烘箱温度调为45℃，烘干10h，烘干后得到改性金尾矿砂；S3：将S2中得到的改性金尾矿砂加入造粒机中进行造粒，得到粒径范围为5-10mm的改性金尾矿颗粒。

制备例3

改性金尾矿颗粒的制备步骤如下：

S1：在常温下配置浓度为45％的KCl溶液140L，将金尾矿砂进行筛选，将金尾矿砂中的泥块筛出后，称取20kg的金尾矿砂加入KCl溶液中浸泡48h，浸泡完成后在1000r/min的转速下搅拌15min得到固液混合相；S2：将S1中得到的固液混合相放入离心机中，将转速调为5000r/min离心10min，离心完成后将上清液倒掉，取出沉淀用去离子水进行清洗，清洗之后的金尾矿砂放入烘箱中，烘箱温度调为45℃，烘干10h，烘干后得到改性金尾矿砂；S3：将S2中得到的改性金尾矿砂加入造粒机中进行造粒，得到粒径范围为5-10mm的改性金尾矿颗粒。

实施例

实施例1

一种高强度金尾矿混凝土的制备方式：

S1：将硅酸盐水泥、石块、河沙、改性金尾矿颗粒、金属有机框架材料和纤维素纤维进行混合5min，使得各组分都混合均匀得到混合物A；

S2：向S1中的混合料A中缓慢加水搅拌，同时加入减水剂和早强剂继续搅拌10min，直到将水加完后拌合均匀即制得混凝土。

本实施例中，原料采用制备例1制得的改性金尾矿颗粒。

实施例2-3

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，其原料各组分及其相应的重量份数如表2所示。

表2实施例1-3中各原料及其重量(kg)

实施例4

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，原料采用制备例2制得的改性金尾矿颗粒。

实施例5

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，原料采用制备例3制得的改性金尾矿颗粒。

实施例6

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，外加剂只选择2kg三异丙醇胺早强剂。

实施例7

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，外加剂只选择3kg聚羧酸减水剂。

对比例

对比例1

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，将改性金尾矿颗粒换为改性金尾矿砂。

S1：将硅酸盐水泥、石块、河沙、改性金尾矿砂、金属有机框架材料和纤维素纤维进行混合5min，使得各组分都混合均匀得到混合物A；

S2：向S1中的混合料A中缓慢加水搅拌，同时加入减水剂和早强剂继续搅拌10min，直到将水加完后拌合均匀即制得混凝土。

对比例2

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，将改性金尾矿颗粒换为普通金尾矿砂。

S1：将硅酸盐水泥、石块、河沙、普通金尾矿砂、金属有机框架材料和纤维素纤维进行混合5min，使得各组分都混合均匀得到混合物A；

S2：向S1中的混合料A中缓慢加水搅拌，同时加入减水剂和早强剂继续搅拌10min，直到将水加完后拌合均匀即制得混凝土。

对比例3

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，将黑色金属有机框架材料换为普通有机框架材料。

S1：将硅酸盐水泥、石块、河沙、改性金尾矿颗粒、普通有机框架材料和纤维素纤维进行混合5min，使得各组分都混合均匀得到混合物A；

S2：向S1中的混合料A中缓慢加水搅拌，同时加入减水剂和早强剂继续搅拌10min，直到将水加完后拌合均匀即制得混凝土。

对比例4

一种高强度金尾矿混凝土，与实施例1的不同之处在于，将纤维素纤维换为普通竹子纤维。

S1：将硅酸盐水泥、石块、河沙、改性金尾矿颗粒、金属有机框架材料和普通竹子纤维进行混合5min，使得各组分都混合均匀得到混合物A；

S2：向S1中的混合料A中缓慢加水搅拌，同时加入减水剂和早强剂继续搅拌10min，直到将水加完后拌合均匀即制得混凝土。

性能检测试验

1.抗压强度测试方法

首先检查试件外观。测量试件的尺寸，并计算试件的受压面积。其次将试件放在材料试验机的下压板的中心位置,试件的受压方向应垂直于制品的膨胀方向。开动试验机,当上压板与试件接近时，调整球座,使接触均衡。以(2.0±0.5)kN/s的速度连续而均匀地加荷,直至试件破坏,记录破坏荷载(p1)，设定多组试块，通过如下公式计算抗压强度，求取平均值。

抗压强度计算公式：

f_∝——试件抗压强度(MPa)

p1——破坏荷载(N)

A1——试件受压面积(mm²)

设定试块的长、宽、高均为100mm。

2.抗折强度测试方法

首先检查试件外观，在试件的中部测量其宽度和高度，精确至1mm，将试件放在抗弯支座辊轮上，指支点间距300mm，开动试验机，当加压辊轮与试件快接近时，调整加压辊轮及支座滚轮，时接触均衡，其所有间距的尺寸偏差应不大于±1mm。试验机与试件接触的两个支座辊轮和两个加压辊轮应具有直径为30mm的弧形顶面，并应至少比试件的宽度长10mm。其中3个(1个支座辊轮及两个加压辊轮)尽量做到能滚动并前后倾斜。以(0.20±0.05)kN/s的速度连续均匀的加荷，直至试件破坏，记录破坏荷载(p)及破坏位置，设定多组试块，通过如下公式计算抗折强度，求取平均值。：

抗折强度计算公式：

f_f——试件的抗折强度(MPa)

p——破坏荷载(N)

b——试件宽度(mm)

h——试件高度(mm)

L——支座间距即跨度(mm)，精确至1mm。

设定试块的长、宽、高分别为400mm、100mm、100mm。

表3

	28d抗压强度(MPa)	28d抗折强度(MPa)
			实施例1	12.9	1.73
实施例2	12.6	1.73
			实施例3	12.7	1.72
实施例4	12.7	1.70
			实施例5	12.6	1.71
实施例6	11.8	1.53
			实施例7	12.0	1.57
对比例1	10.3	1.15
			对比例2	9.6	1.12
对比例3	10.0	1.07
			对比例4	10.2	1.18

结合实施例1和实施例6和7并结合表3可以看出，当混凝土外加剂只选择不使用三异丙醇胺时，水泥水化的程度会降低，从而影响到混凝土的强度受到影响而降低；当不使用聚羧酸减水剂时，混凝土体系中的水泥颗粒表面将没有负电荷，从而在混凝土体系当中的分散性回收到影响，进而影响到混凝土的后期强度。

结合实施例1和对比例1和2并结合表3可以看出，改性金尾矿颗粒通过将K⁺嵌入金尾矿砂的晶层中达到疏水的目的，再通过将金尾矿砂通过造粒机制造成大颗粒改性金尾矿，从而改变其粗糙的表面。当将改性金尾矿颗粒换为改性金尾矿砂后，金尾矿砂表面粗糙，在混凝土当中会影响流动性，因此对后期的抗压强度和抗折强度均有影响，当使用普通金尾矿砂时，由于金尾矿砂具有黏土性质，从而在拌合的过程中会消耗大量的水，并且金尾矿砂会产生泥化反应，使得拌合后的金尾矿砂难以成型并且表面粗糙使其流动性差，从而对后期的抗压强度和抗折强度的影响十分明显。

结合实施例1和对比例3和4并结合表3可以看出，黑色金属与纤维素纤维上的羟基之间会生成配位键，从而使得纤维素纤维将黑色金属有机框架材料牢固的连接在一起，同时纤维素纤维的裹握力还将改性金尾矿牢牢地固定住，因此混凝土的后期抗压强度和抗折强度才会得到提升；若将黑色金属有机框架材料换为普通有机框架材料后，混凝土失去了金属的延展性和抗弯折作用，混凝土中首先受到影响的是抗折强度，其次与纤维素纤维之间的连接将变得不再牢固，从而影响到抗压强度。若将纤维素纤维换为竹子纤维，则与金属有机框架材料之间的配位键将丢失，从而纤维与金属有机框架材料之间的连接效果将大打折扣，直接影响到混凝土的抗压强度。

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 (7)

1.一种高强度金尾矿混凝土，其特征在于，由包括如下重量份的原料制成：

硅酸盐水泥200-220份；

石块850-950份；

河沙100-200份；

改性金尾矿颗粒120-150份；

纤维素纤维100-110份；

金属有机框架材料100-110份；

外加剂3-7份；

水200-300份；

所述改性金尾矿颗粒通过将K⁺嵌入金尾矿砂的晶层中对金尾矿砂进行改性，再将金尾矿砂制成大颗粒；

所述外加剂以所述高强度金尾矿混凝土为基准，包括如下重量份的原料制成：

三异丙醇胺早强剂1-3份；

聚羧酸减水剂2-4份。

2.根据权利要求1所述的一种高强度金尾矿混凝土，其特征在于：所述改性金尾矿颗粒的制备方式如下： S1：常温下配置KCl溶液作为改性剂，将金尾矿砂加入改性剂中浸泡，搅拌，得到固液混合相； S2：将S1中的固液混合相放入离心机中离心，离心后过滤取沉淀，清洗沉淀，烘干得到改性金尾矿砂； S3：将S2得到的改性金尾矿砂放入制粒机中制成大颗粒金尾矿，得到改性金尾矿颗粒。

3.根据权利要求2所述的一种高强度金尾矿混凝土，其特征在于：所述S1中的KCl浓度为25-45％。

4.根据权利要求2所述的一种高强度金尾矿混凝土，其特征在于：所述S2中烘干温度为45℃。

5.根据权利要求1所述的一种高强度金尾矿混凝土，其特征在于：所述纤维素纤维的直径为15-20μm，长度为2-3mm。

6.根据权利要求1所述的一种高强度金尾矿混凝土，其特征在于：所述金属有机框架材料为黑色金属有机框架材料。

7.如权利要求1-6任一所述的一种高强度金尾矿混凝土的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：

S1：将硅酸盐水泥、石块、河沙、改性金尾矿颗粒、金属有机框架材料和纤维素纤维进行混合得到混合料A；S2：向S1中的混合料A中缓慢加水搅拌，同时加入聚羧酸减水剂和三异丙醇胺早强剂继续搅拌，直到将水加完后拌合均匀即制得混凝土。