CN115849791B - 一种复掺型绿色高强混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及混凝土领域，具体公开了一种复掺型绿色高强混凝土及其制备方法。一种复掺型绿色高强混凝土的原料包括水泥15‑25份；赤泥20‑30份；金尾矿渣55‑75份；沸石45‑85份；硅酸钠3.2‑3.8份；石子37‑52份；河沙66‑90份；聚羧酸减水剂4‑7份；水78‑113份；其制备方法为：S1：将改性赤泥、改性金尾矿渣、沸石、水泥和硅酸钠混合制成中间胶凝材料；S2：向S1中的中间胶凝材料中加入石子、河沙和聚羧酸减水剂，分次加水搅拌，制得复掺型绿色高强混凝土。其具有减少水泥在混凝土中的用量的优点。
Description
技术领域
本申请涉及混凝土技术领域，更具体地说，它涉及一种复掺型绿色高强混凝土及其制备方法。
背景技术
赤泥是一种工业生产中产生的固体废弃物，它的强碱性会对土壤、空气、水造成极大的污染。赤泥堆积过的土地具有很强的盐碱性，因此无法用于植被的生长。正因为如此，土地直接裸露在空气中，在北方的大风环境下容易引起扬尘污染，造成更大范围的恶劣影响，甚至危害人体的健康。另一方面，强碱性的赤泥附着液会渗透到地下水中，其中含有的砷、铬等有害元素会使得水体具有毒性，并随着地下水的循环流动对整个环境造成极其严重的影响。
目前，由于我国目前缺乏既经济又可行的技术，赤泥的综合利用率一直处于较低水平，仅为4％左右，远低于中国工业固体废物65％的平均利用水平。排出的赤泥主要采取筑坝堆存处理，因而造成土地碱化，地下水受到污染，危害人们的健康。在相关技术中，人们利用赤泥制备成陶粒作为混凝土的骨料来使用，一方面减少了对河沙的开采，另一方面又提高了对赤泥的利用，对环境保护起到了极大的作用。
针对上述中的相关技术，在利用赤泥制备成陶粒来替代骨料时，混凝土的胶凝材料依旧为普通的硅酸盐水泥，普通的硅酸盐水泥在对骨料粘接时，骨料之间还是会存在一些缝隙，这种缝隙的存在会导致混凝土的强度降低，要解决这种问题就要增加水泥的用量，但增加了水泥的用量就会提高成本。
发明内容
为了减少水泥在混凝土中的用量，本申请提供一种复掺型绿色高强混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种复掺型绿色高强混凝土，采用如下的技术方案：
一种复掺型绿色高强混凝土，由包括如下重量份的原料制成：
水泥15-25份；
赤泥20-30份；
金尾矿渣55-75份；
沸石45-85份；
硅酸钠3.2-3.8份；
石子37-52份；
河沙66-90份；
聚羧酸减水剂4-7份；
水78-113份。
通过采用上述技术方案，其中赤泥、金尾矿渣和沸石均含有大量的硅、铝化合物，在硅酸钠的催化促进作用下，使其中的硅、铝化合物容易溶解，进而生成硅酸盐和偏铝酸盐，当硅酸盐和偏铝酸盐在碱性条件下分解时会产生[SiO4]4-四面体结构和[AlO4]4-四面体结构，而[SiO4]4-四面体结构和[AlO4]4-四面体结构通过共享氧桥连接形成三维网状结构的聚铝硅酸盐，使得内部结构变得更加紧凑，胶凝能力更强，从而能替代部分水泥，对混凝土的强度有很大的提升，同时，也消耗了金尾矿渣和赤泥，对保护环境也作出了贡献。
优选的，所述金金尾矿渣为改性金尾矿渣，所述改性金尾矿渣的制备包括如下步骤：
(1)将金金尾矿渣加入KCl溶液中进行搅拌制得固液混合相，将搅拌后得到的固液混合相进行离心，取离心后的沉淀进行清洗烘干制得疏水金金尾矿渣；
(2)将步骤(1)中制得的疏水金金尾矿渣与NaOH固体混合进行球磨，将球磨之后的改性金尾矿进行高温加热，冷却，将冷却之后的金尾矿进行破碎研磨，制得改性金尾矿渣。
通过采用上述技术方案，首先将K+嵌入金金尾矿渣的晶层中，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，从而晶层受到一定的挤压缩进，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并且能增强混凝土的耐水性。
将疏水金金尾矿渣和NaOH固体共同球磨，受氢氧根离子的作用，会使原先聚合度较高的玻璃态网络中的部分Si-O和Al-O键发生断裂，形成不饱和活性键，进而促使网络解聚及硅铝的溶解扩散，加速形成水化物。
在球磨的作用下，增大疏水金金尾矿渣的比表面积，即破坏其矿物结构，使其内部结构由不规则化转变为多相晶形，形成大量活性质点，使其对尾矿达到活化的作用，最终得到的改性金尾矿渣为具有火山灰活性的疏水金金尾矿渣，具有火山灰活性的金金尾矿渣能与氧化钙和氢氧化钙在常温下反应生成具有水硬性的凝胶水化物，从而提高混凝土的强度。
优选的，所述KCl溶液为饱和KCl溶液。
通过采用上述技术方案，采用饱和KCl溶液是为了使得溶液当中的K+。浓度变高，从而对金金尾矿渣的疏水改性更加的充分，使得改性之后的金金尾矿渣的疏水性能更好。
优选的，所述赤泥为改性赤泥，其改性方法为：将赤泥在200℃，0.8MPa的条件下，加入石灰和NaOH水溶液反应，制备出改性赤泥。
通过采用上述技术方案，赤泥中含有大量的硅、铝氧化物和难容的硅、铝酸盐，在石灰和NaOH的作用下加热反应，使得赤泥中的硅、铝氧化物和难容的硅、铝酸盐变成易容的硅、铝酸盐，进而在后期和水泥中的氧化钙和氢氧化钙能产生反应生成中间产物，从而提高混凝土的硬度。
优选的，所述NaOH为52％浓度的NaOH水溶液。
通过采用上述技术方案，在高浓度的NaOH水溶液的作用下加热反应。赤泥中的铝硅酸盐分解的更为充分。
优选的，所述沸石为沸石粉，所述沸石粉的颗粒尺寸为2-10μm，其比表面积为24000-26000m3/kg。
通过采用上述技术方案，沸石拥有大量的硅、铝酸盐，通过将沸石磨制成尺寸为2-10μm的沸石粉可有效地增大沸石的比表面积，从而在进行一系列的反应时，沸石能更充分的和各组分进行接触反应，进而增强混凝土当中的胶凝性能，使得混凝土的结构更加紧密，有效的降低了水泥的使用量，并且提高了混凝土的力学性能，增加了混凝土整体的强度。
优选的，所述硅酸钠模数为：SiO2/Na2O＝1:1。
通过采用上述技术方案，硅酸钠在混凝土中充当的是激发剂的作用，在硅酸钠的催化促进作用下，使其中的硅、铝化合物容易溶解，进而生成硅酸盐和偏铝酸盐，当硅酸钠的模数SiO2/Na2O＝1:1时，硅酸钠能在常温水中有较好的溶解性，从而拥有更好的激发效果。
第二方面，本申请提供一种复掺型绿色高强混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：
一种复掺型绿色高强混凝土的制备方法，制备步骤如下：
S1：将赤泥、金尾矿渣、沸石、水泥和硅酸钠混合制成中间胶凝材料；
S2：向S1中的中间胶凝材料中加入石子、河沙和聚羧酸减水剂，分次加水搅拌，制得复掺型绿色高强混凝土。
通过采用上述技术方案，首先将赤泥、金尾矿渣、沸石、水泥和硅酸钠混合制成中间胶凝材料，进一步加入河沙和石子后进行分次加水搅拌，加水之后，硅酸钠溶解，在体系中开始激发改性赤泥、金尾矿渣和沸石进行反应，促使水泥与改性赤泥、金尾矿渣、沸石发生反应，混合成为的胶凝材料的胶凝效果更好，对石头和河沙的连接效果更好，并且密实度高，能大大的提高混凝土的强度。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用赤泥、金尾矿渣和沸石，在硅酸钠的激发条件下将大量的硅、铝化合物转化成硅酸盐和偏铝酸盐，当硅酸盐和偏铝酸盐分解时会产生[SiO4]4-四面体结构和[AlO4]4-四面体结构，在共享氧桥的连接下形成三维网状结构，能替代一部分的水泥，作为胶凝材料，使得混凝土的内部结构更加紧凑，并且，在硅、铝化合物转化成硅酸盐和偏铝酸盐的过程中还会合成氢氧化钠，氢氧化钠同样也是激发剂，可以继续激发促进硅、铝化合物转化成硅酸盐和偏铝酸盐，产生跟多的[SiO4]4-四面体结构和[AlO4]4-四面体结构。
2、本申请中优选采用改性金尾矿渣，首先金金尾矿渣具有较好的硬度，通过将将K+嵌入金金尾矿渣的晶层中，以此来提高金尾矿的疏水性，金金尾矿渣粒径小于河沙，其不仅作为胶凝材料，同时也可作为填充料，疏水改性后的金金尾矿渣填充在河沙的缝隙之间，能提高混凝土的密度，进而使得混凝土的强度提高；其次，是用机械-化学的方法来活化金金尾矿渣，使得金金尾矿渣拥有火山灰活性，从而能与水化过程中产生的氧化钙和氢氧化钙结合形成中间产物C-S-H，进一步的提高混凝土的强度。
3、本申请的方法，改性赤泥、改性金尾矿渣、沸石互相混合，在硅酸钠的激发催化下搅拌形成中间胶凝材料，中间胶凝材料和水泥混合后，与水化反应中产生的氢氧化钙结合生成C-S-H中间产物，提高混凝土的强度。
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。
本申请中使用的原料来源如下所示：
改性金尾矿渣和改性赤泥的制备例
制备例1
改性金尾矿渣的制备方法：
S1：在常温下配置饱和KCl溶液120L，将金金尾矿渣进行筛选，将金金尾矿渣中的泥块筛出后，称取15kg的金金尾矿渣加入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，清洗之后的金金尾矿渣放入烘箱中，烘箱温度调为45℃，烘干10h，烘干后得到疏水金金尾矿渣；S3：将S2中制得的疏水金金尾矿渣和10kg的NaOH固体混合放入球磨机球磨5h，将球磨后的疏水金金尾矿渣取出，在700℃的电炉中加热3h，冷却至室温，再加入密封锤式破碎机中破碎，将疏水金金尾矿渣的粒径破碎到小于1mm即制得改性金尾矿渣。
制备例2
改性赤泥的制备方法：
取20kg赤泥在200℃，0.8MPa的条件下，加入5kg石灰和100L，52％浓度的NaOH溶液，搅拌均匀后反应3.5h，得到改性赤泥。
实施例
实施例1
复掺型绿色高强混凝土的制备方法：
S1：取20kg水泥，25kg赤泥，65kg金尾矿渣，65kg沸石粉、和6.5kg的硅酸钠混合拌匀，制成中间胶凝材料；
S2：向S1中制得的中间胶凝材料中加入43kg石子、78kg河沙以及5.5kg的聚羧酸减水剂，分次加水搅拌，直至加完96kg水，经过搅拌后制得复掺型绿色高强度混凝土。
实施例2-3
一种复掺型绿色高强混凝土，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1所示。
表1实施例1-3中各原料及其重量(kg)
| 组分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
| 水泥 | 20 | 15 | 25 |
| 赤泥 | 25 | 30 | 20 |
| 金尾矿渣 | 65 | 55 | 75 |
| 沸石粉 | 65 | 85 | 45 |
| 硅酸钠 | 3.6 | 3.2 | 3.8 |
| 石子 | 43 | 37 | 52 |
| 河沙 | 78 | 90 | 66 |
| 聚羧酸减水剂 | 5.5 | 7 | 4 |
| 水 | 96 | 78 | 113 |
实施例4
一种复掺型绿色高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，所述沸石粉的颗粒尺寸为15-20μm。
实施例5-7
一种复掺型绿色高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，所述硅酸钠模数分别为：1.5、2.5、3.5。
实施例8
一种复掺型绿色高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，原料采用制备例1中制备的改性金尾矿渣和制备例2中制备的改性赤泥。
对比例
对比例1
一种复掺型绿色高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，组分中不添加改性赤泥。
对比例2
一种复掺型绿色高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，组分中不添加改性金尾矿渣。
对比例3
一种复掺型绿色高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，组分中不添加沸石粉。
对比例4
一种复掺型绿色高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，组分中不添加硅酸钠。
对比例5
一种复掺型绿色高强混凝土，与实施例1的不同之处在于，组分中不添加改性赤泥、改性金尾矿渣、沸石粉和硅酸钠。
性能检测试验
试件尺寸：100mm×150mm×200mm。
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)。
2、耐水性检测方法
逐级加压法
逐级加压法适用于通过逐级施加水压力来测定以抗渗等级来表示的混凝土的抗水渗透性能，具体步骤如下：
①试验时，水压应从0.1MPa开始，以后应每隔8h增加0.1MPa水压，并应随时观察试件端面渗水情况。当6个试件中有3个试件表面出现渗水时，或加至规定压力(设计抗渗等级)在8h内6个试件中表面渗水试件少于3个时，可停止试验，并记下此时的水压力。在试验过程中，当发现水从试件周边渗出时，应重新进行密封。
②混凝土的抗渗等级应以每组6个试件中有4个试件未出现渗水时的最大水压力乘以10来确定。
混凝土的抗渗等级应按下式计算：
P＝10H-1
P——混凝土抗渗等级；
H——6个试件中有3个试件渗水时的水压力(MPa)。
表3
| 抗压强度(MPa) | 混凝土抗渗等级(MPa) | |
| 实施例1 | 18.3 | 1.2 |
| 实施例2 | 17.7 | 1.2 |
| 实施例3 | 17.2 | 1.2 |
| 实施例4 | 13.7 | 0.8 |
| 实施例5 | 8.3 | 0.8 |
| 实施例6 | 8.9 | 0.8 |
| 实施例7 | 8.1 | 0.8 |
| 实施例8 | 20.2 | 1.2 |
| 对比例1 | 7.2 | 0.6 |
| 对比例2 | 7.1 | 0.4 |
| 对比例3 | 7.7 | 0.6 |
| 对比例4 | 6.7 | 0.6 |
| 对比例5 | 4.6 | 0.4 |
结合实施例1和实施例4并结合表3可以看出，沸石的粒径范围决定了沸石的比表面积，当沸石的粒径增大，沸石的比表面积相应的会减小，沸石和硅酸钠以及水泥等的结合减弱，从而沸石中的硅铝酸盐和水泥无法充分反应，进而在对骨料的粘接效果就会降低，混凝土的密实度降低，从而导致混凝土的抗压强度降低，抗渗能力也会降低。
结合实施例1和实施例5-7并结合表3可以看出，硅酸钠的主要作用是作为激发剂来使组分当中的赤泥、金尾矿渣和沸石中的硅、铝化合物分解并生成硅酸盐和偏铝酸盐，当模数升高，则意味着硅酸钠中的SiO2含量升高，从而在常温水中，硅酸钠的溶解效果变差，因此会导致在混凝土拌合过程中，硅酸钠对硅、铝化合物的分解效率降低，从而在结合氢氧化钙的时候效率降低，最终影响到混凝土的抗压强度降低。
结合实施例8和对比例1-4并结合表3可以看出，赤泥中含有的大量
β型硅酸二钙是水泥的主要物相之一，在生产水泥熟料的过程中能起晶种的作用，因此添加一定量的赤泥可以提高水泥的早期强度和抗硫酸盐侵蚀能力，从而在不添加赤泥的时候，混凝土的抗压强度和耐水性都会降低，金尾矿渣本身具有一定的硬度，并且在疏水改性之后减少了泥化现象的发生，从而在不添加改性金尾矿渣后，各掺和组分之间的作用减弱，并且对混凝土的耐水性影响最大，沸石能促进硅酸钠进行激发反应，生成更多的氢氧化钠，进而促进对改性赤泥和改性金尾矿渣的进一步激发反应，并且沸石粉和赤泥以及金金尾矿渣除了作为胶凝材料的同时还作为填充物存在，从而进一步的增加沪宁图的密度，增强强度和耐水性，当组分中缺少改性赤泥、改性金尾矿渣、沸石和硅酸钠时，剩余的组分依然是完成的混凝土配方，但强度和耐水性则会大幅度降低。
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)
1.一种复掺型绿色高强混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料制成：
水泥15-25份；
赤泥20-30份；
金尾矿渣55-75份；
沸石45-85份；
硅酸钠3.2-3.8份；
石子37-52份；
河沙66-90份；
聚羧酸减水剂4-7份；
水78-113份；
所述金尾矿渣为改性金尾矿渣，所述改性金尾矿渣的制备包括如下步骤：
S1：在常温下配置饱和KCl溶液120L，将金尾矿渣进行筛选，将金尾矿渣中的 泥块筛出后，称取15kg的金尾矿渣加入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 的金尾矿渣放入烘箱中，烘箱温度调为45℃，烘干10h，烘干后得到疏水金尾矿渣；S3： 将S2中制得的疏水金尾矿渣和10kg的NaOH固体混合放入球磨机球磨5h，将球磨后的疏水金尾矿渣取出，在700℃的电炉中加热3h，冷却至室温，再加入密封锤式破碎机中破碎，将疏水金尾矿渣的粒径破碎到小于1mm即制得改性金尾矿渣；
所述沸石为粉状，所述沸石的颗粒尺寸为2-10μm，其比表面积为24000-26000m³/kg；
所述硅酸钠模数为：SiO2/Na2O=1:1。
2.根据权利要求1所述的一种复掺型绿色高强混凝土，其特征在于：所述赤泥为改性赤泥，其改性方法为：将赤泥在200℃，0.8MPa的条件下，加入石灰和NaOH水溶液反应，制备出改性赤泥。
3.根据权利要求2所述的一种复掺型绿色高强混凝土，其特征在于：所述NaOH为52%的NaOH水溶液。
4.如权利要求1-3任一所述的一种复掺型绿色高强混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将赤泥、金尾矿渣、沸石、水泥和硅酸钠混合制成中间胶凝材料；
S2：向S1中的中间胶凝材料中加入石子、河沙和聚羧酸减水剂，分次加水搅拌，制得复掺型绿色高强混凝土。
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| 激发剂对赤泥地聚物砂浆力学性能的影响;刘俊霞等;《无机盐工业》;72-75 * |
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