CN116239346A - 一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,涉及铸造废砂回收利用技术领域。本发明制备细集料的方法包括如下步骤:A1:将调节剂、N,N‑二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至8‑9,加入铸造废砂回收料,升温至40‑60℃,保温反应3‑6h,洗涤、干燥,得到组分一;A2:将组分一和河沙混合,得到细集料。本申请制备的细集料作为细骨料加入水泥中,具有吸水少、吸附减水剂少的优点,提升水泥抗折强度、抗压强度的优点,实现废料再利用的环保理念,且制备出的水泥符合行业标准,适用于建筑行业。
Description
技术领域
本发明涉及铸造废砂回收利用技术领域,具体涉及一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法。
背景技术
近些年来,我国铸造行业得到了较快发展,但随之而来带来了许多环境污染的难题。在冶炼和铸造有色金属制品的过程中,需要在铸造中掺入粘土等胶结材料来制备有色金属制品的末子和核,待有色金属制品冷却成型后,通过振动的方式使模子和核脱离有色金属制品,回收破碎的铸砂,继续参加胶结材料,多次铸造冷热循环后,铸造的颗粒质量不再满足制模的工艺要求,即形成工业中常见的固体废弃铸造废砂。在铸造过程中产生的铸造废砂,作为顽固的固体废弃物,存在土地占用、扬尘污染以及破坏生态环境等问题。
细集料是配制混凝土、干混砂浆等材料的基本组成,也是消耗自然资源较大的材料,河沙和江沙的大量挖采造成天然砂资源日渐匮乏,短期内不可再生。而且河沙和江沙的无序开采严重破坏水体生态,对水生植物、动物资源带来灾难性后果。现有技术中,将铸造废砂作为一种细集料来部分或全部替代水泥混凝土中的相似级配的细集料。细集料对混凝土强度和抗折等指标都具有较大的影响,用砂要求具有较高的密度和较小的比表面积,以满足新拌混凝土等水泥凝胶材料的工作性、硬化后强度以及耐久性的要求。然而,铸造废砂作为细骨料制备混凝土过程中,铸造废砂颗粒比混凝土常用的细集料河砂尺寸小,存在颗粒范围狭窄、级配不好,不利于填充密实骨料空隙的缺陷,直接将铸造废砂完全或部分取代常规水泥细集料制备混凝土,制备得的的混凝土的力学性能较差,极大地限制了铸造废砂在混凝土制备领域的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,解决以下技术问题:
现有的铸造废砂替代常规细集料直接添加在水泥组分中,制备的混凝土力学性能差。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:将调节剂、N,N-二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至8-9,加入铸造废砂回收料,升温至40-60℃,保温反应3-6h,洗涤、干燥,得到组分一;
A2:将组分一和河沙混合,得到细集料。
作为本发明的进一步方案:所述调节剂、N,N-二甲基甲酰胺、铸造废砂回收料的质量比为1g∶100-200∶60-100。
作为本发明的进一步方案:所述组分一:河沙的质量比为1∶4-5。
作为本发明的进一步方案:所述河沙由如下质量百分比的粒径颗粒12-27%4.75mm-2.36mm、17-23%2.36mm-1.18mm、13-25%1.18mm-0.6mm、15-29%0.6mm-0.3mm混合制得。
作为本发明的进一步方案:所述铸造废砂回收料的制备方法包括如下步骤:
S1:铸造废砂水洗、磁选,得到废砂颗粒;
S2:使用球磨机对废砂颗粒进行湿法球磨、干燥,得到球磨颗粒;
S3:将球磨颗粒、无水乙醇混合后加入硫酸溶液,搅拌均匀,静置、水洗至中性,干燥,得到废砂组分一;
S4:将废砂组分一、N,N-二甲基甲酰胺加入反应器中,搅拌均匀,加入4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯,升温至70-90℃,保温1-2h,洗涤、过滤、干燥,得到铸造废砂回收料。
作为本发明的进一步方案:S3中球磨颗粒∶无水乙醇∶硫酸溶液的质量比为1∶20-50∶10-20,所述硫酸溶液为pH3-5的硫酸水溶液。
作为本发明的进一步方案:S4中废砂组分一:N,N-二甲基甲酰胺:4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯的质量比为5-10∶100-1000∶20-100。
作为本发明的进一步方案:所述调节剂的制备方法包括如下步骤:将马来酸酐、氨水加入烧杯中,升温至40-60℃,保温1-3h,干燥,得到调节剂。
作为本发明的进一步方案:马来酸酐和氨水添加量为1g:2-5mL,所述氨水为10-30wt%氨水。
本发明的有益效果:
(1)本申请首先对铸造废砂进行水洗,除去废砂中的碱性粒子,并对水洗后的废砂进行磁选,除去废砂中掺杂的铁,最后利用球磨机对磁选后的铸造废砂进行湿法球磨,得到粒径均匀的浆料,干燥浆料后得到的粒子即为球磨颗粒,球磨颗粒的尺寸落在水泥细集料尺寸之中,可以添加在水泥组分中充当细集料。本申请利用铸造废砂表面残留的水玻璃粘结料以及树脂等材料,对铸造废砂进行改性,并通过憎水碳链与硅氢键结合,得到Si-0-C键包覆在材料表面,憎水的碳链将易吸湿的硅氧键包覆,将空气中的水和吸湿的氧负离子隔离开,从而降低材料的吸水性能。铸造废砂表面接枝有机聚合物相互作用形成交联网状膜层,有效减缓水分子渗入材料的速度进一步降低铸造废砂的吸水性。本申请有效避免铸造废砂吸收水分子,进而避免硅氧键被水分子进攻断裂,有效提高材料内聚强度,增加水分子穿透连接膜之间的间隙的难度,提升材料强度。
(2)本申请对铸造废砂进行处理并添加调节剂,提升材料表面的平均官能度,增加有机相的交联密度,材料的拉伸强度和抗压强度上升,铸造废砂表面接枝大量长链分子链,材料韧性增加,冲击强度进一步增加。本申请制备的细集料作为细骨料添加在水泥中,提升水泥的抗拉强度和抗压强度,冲击强度也有进一步提升。
(3)本申请对铸造废砂进行处理并添加调节剂进行调节,赋予铸造废砂表面丰富的官能团,有效避免铸造废砂吸附减水剂的问题,调节砂浆具备优良的流动性。
(4)本申请细集料采用具有一定粒径比例混合得到的河沙和铸造废砂回收料合理配制,得到一种新型细集料,添加在水泥中替代常规细骨料,使细集料嵌挤在骨架形成的空隙中,水泥硬化后,粗细集料相互嵌挤,形成良好的整体,能够更加有效地提高水泥稳定混合料的强度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
调节剂的制备方法包括如下步骤:
将100g马来酸酐、500mL 30wt%氨水加入烧杯中,升温至55℃,保温3h,干燥,得到调节剂。
实施例2
铸造废砂回收料的制备方法包括如下步骤:
S1:铸造废砂水洗、磁选,得到废砂颗粒;
S2:使用球磨机对废砂颗粒进行湿法球磨、干燥,得到球磨颗粒;
S3:将100g球磨颗粒、2000g无水乙醇混合后加入1000g pH3的硫酸水溶液,搅拌均匀,静置、水洗至中性,干燥,得到废砂组分一;
S4:将50g废砂组分一、1060g N,N-二甲基甲酰胺加入反应器中,搅拌均匀,加入200g 4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯,升温至700℃,保温1h,洗涤、过滤、干燥,得到铸造废砂回收料。
实施例3
铸造废砂回收料的制备方法包括如下步骤:
S1:铸造废砂水洗、磁选,得到废砂颗粒;
S2:使用球磨机对废砂颗粒进行湿法球磨、干燥,得到球磨颗粒;
S3:将100g球磨颗粒、4000g无水乙醇混合后加入1500g pH5的硫酸水溶液,搅拌均匀,静置、水洗至中性,干燥,得到废砂组分一;
S4:将70g废砂组分一、8000g N,N-二甲基甲酰胺加入反应器中,搅拌均匀,加入700g 4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯,升温至80℃,保温2h,洗涤、过滤、干燥,得到铸造废砂回收料。
实施例4
铸造废砂回收料的制备方法包括如下步骤:
S1:铸造废砂水洗、磁选,得到废砂颗粒;
S2:使用球磨机对废砂颗粒进行湿法球磨、干燥,得到球磨颗粒;
S3:将100g球磨颗粒、5000g无水乙醇混合后加入2000g pH5的硫酸水溶液,搅拌均匀,静置、水洗至中性,干燥,得到废砂组分一;
S4:将100g废砂组分一、10500g N,N-二甲基甲酰胺加入反应器中,搅拌均匀,加入1000g 4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯,升温至90℃,保温2h,洗涤、过滤、干燥,得到铸造废砂回收料。
实施例5
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:将1g实施例1制备的调节剂、100g N,N-二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至8,加入100g实施例2制备的铸造废砂回收料,升温至40℃,保温反应3h,洗涤、干燥,得到组分一;
A2:由质量百分比25%4.75mm-2.36mm、25%2.36mm-1.18mm、25%1.18mm-0.6mm、25%0.6mm-0.3mm河沙粒径颗粒混合制得河沙;
A3:将100g组分一和400g河沙混合,得到细集料。
实施例6
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:将1g实施例1制备的调节剂、150g N,N-二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至9,加入100g实施例3制备的铸造废砂回收料,升温至50℃,保温反应3h,洗涤、干燥,得到组分一;
A2:由质量百分比25%4.75mm-2.36mm、25%2.36mm-1.18mm、25%1.18mm-0.6mm、25%0.6mm-0.3mm河沙粒径颗粒混合制得河沙;
A3:将100g组分一和400g河沙混合,得到细集料。
实施例7
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:将1g实施例1制备的调节剂、200g N,N-二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至9,加入100g实施例4制备的铸造废砂回收料,升温至60℃,保温反应6h,洗涤、干燥,得到组分一;
A2:由质量百分比25%4.75mm-2.36mm、25%2.36mm-1.18mm、25%1.18mm-0.6mm、25%0.6mm-0.3mm河沙粒径颗粒混合制得河沙;
A3:将100g组分一和400g河沙混合,得到细集料。
对比例1
铸造废砂回收料的制备方法包括如下步骤:
S1:铸造废砂水洗、磁选,得到废砂颗粒;
S2:使用球磨机对废砂颗粒进行湿法球磨、干燥,得到铸造废砂回收料。
对比例2
铸造废砂回收料的制备方法包括如下步骤:
S1:铸造废砂水洗、磁选,得到废砂颗粒;
S2:使用球磨机对废砂颗粒进行湿法球磨、干燥,得到球磨颗粒;
S3:将100g球磨颗粒、2000g无水乙醇混合后加入1000g pH3的硫酸水溶液,搅拌均匀,静置、水洗至中性,干燥,得到铸造废砂回收料。
对比例3
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:将1g实施例1制备的调节剂、100g N,N-二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至8,加入100g对比例1制备的铸造废砂回收料,升温至40℃,保温反应3h,洗涤、干燥,得到组分一;
A2:由质量百分比25%4.75mm-2.36mm、25%2.36mm-1.18mm、25%1.18mm-0.6mm、25%0.6mm-0.3mm河沙粒径颗粒混合制得河沙;
A3:将100g组分一和400g河沙混合,得到细集料。
对比例4
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:将1g实施例1制备的调节剂、100g N,N-二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至8,加入100g对比例2制备的铸造废砂回收料,升温至40℃,保温反应3h,洗涤、干燥,得到组分一;
A2:由质量百分比25%4.75mm-2.36mm、25%2.36mm-1.18mm、25%1.18mm-0.6mm、25%0.6mm-0.3mm河沙粒径颗粒混合制得河沙;
A3:将100g组分一和400g河沙混合,得到细集料。
对比例5
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:由质量百分比25%4.75mm-2.36mm、25%2.36mm-1.18mm、25%1.18mm-0.6mm、25%0.6mm-0.3mm河沙粒径颗粒混合制得河沙;
A2:将100g实施例2制备的铸造废砂回收料和400g河沙混合,得到细集料。
对比例6
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:由质量百分比25%4.75mm-2.36mm、25%2.36mm-1.18mm、25%1.18mm-0.6mm、25%0.6mm-0.3mm河沙粒径颗粒混合制得河沙;
A2:将100g实施例3制备的铸造废砂回收料和400g河沙混合,得到细集料。
对比例7
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:由质量百分比25%4.75mm-2.36mm、25%2.36mm-1.18mm、25%1.18mm-0.6mm、25%0.6mm-0.3mm河沙粒径颗粒混合制得河沙;
A2:将100g实施例4制备的铸造废砂回收料和400g河沙混合,得到细集料。
对比例8
一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,制备细集料的方法包括如下步骤:
将1g实施例1制备的调节剂、100g N,N-二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至8,加入100g实施例2制备的铸造废砂回收料,升温至40℃,保温反应3h,洗涤、干燥,得到细集料。
性能检测
一份水泥(水泥为P·042.5普通硅酸盐水泥)、三份砂和半分水,水灰比为0.5,行星式胶砂搅拌机搅拌,得到胶砂;砂为1∶2质量比为细集料和粗骨料混合制得;粗骨料为碎石,粒径为5-20mm的连续级配,其针片状含量小于碎石总质量的3%,含泥量小于0.3%。减水剂为聚羧酸减水剂,其固含量≥30%。
(1)标准稠度用水量:根据GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行检测,检测结果见表1;
(2)安定性:根据GB/T 1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行检测,检测结果见表1;
(3)回弹模量:在标准养生试件的两个端面铺水泥净浆,用以抹平端面,竖立试件,继续在上端面铺撒一层标准细砂,将圆形钢板放在试件上,使顶面齐平;将整平后的试件放在测变形装置上,在两侧安装千分表,并将带有试件的测变形装置放在万能压力机的升降台面上;首先实施预加载,用30kN的施加荷载对试件进行三次加载卸载的预压实验同时保持试件表面紧密接触加载顶板,每次加载卸载保持时间为30S,在最后一次卸载过程中将千分表清零;将预加载的30kN分成6等分,每级按照5kN的力递增,即0kN、5kN、10kN、15kN、20kN、25kN、30kN,实施6级加载,并在每级加载卸载30s保持时间内分别读取千分表数值,如此逐级进行至最后一次回弹变形。每级荷载的回弹变形计算公式:L=加载时读数-卸载时读数;
抗压回弹模量E=(ph)/L
式中:E-抗压回弹模量,MPa;p-单位压力,MPa;h-试件高度,mm;L-试件回弹变形,mm;检测结果见表1;
表1:实施例5-7、对比例3-8制备水泥相关数据统计表
标准稠度用水量/% | 安定性 | 回弹模量/MPa | |
实施例5 | 24.5 | 合格 | 2930 |
实施例6 | 23.8 | 合格 | 2990 |
实施例7 | 24.1 | 合格 | 2870 |
对比例3 | 28.4 | 合格 | 2710 |
对比例4 | 27.6 | 合格 | 2670 |
对比例5 | - | 不合格 | 2550 |
对比例6 | - | 不合格 | 2510 |
对比例7 | - | 不合格 | 2530 |
对比例8 | - | 不合格 | - |
(5)流动性:将搅拌好的胶砂分两层迅速装入试模,捣压装第一次至截锥圆模高度三分之二处,用小刀在互相垂直两个方向各划5次,用捣棒由边缘至中心均匀捣压10次。捣压后胶砂略高于试模。捣压深度,第一层捣至胶砂高度的二分之一,第二层捣实不超过己捣实底层表面。装胶砂和捣压时,用手扶稳试模。不要使其移动。捣压完毕后,取下试模套,将小刀倾斜,从中间向边缘分两次以水平的角度抹去高出截锥圆模的胶砂,并擦去落在桌面上的胶砂。将截锥圆模垂直向上轻轻提起。立刻开始跳桌,以每秒钟一次的频率,在25s内完成25次跳动。立刻从四个方向测量胶砂扩散直径,求平均值,检测结果见表2;
(6)根据GB/T 17671-1999检测水泥样品在3、7天,抗折强度、抗压强度;
在温度20±2℃、湿度50%环境下,将空试模和模套固定在振实台上,将胶砂分二层装入试模,装第一层时,每个槽里约放300g胶砂,用大拨料器垂直架在模套顶部沿每个模槽来回一次将料层播平,接着振实60次。再装入第二层胶砂,用小拨料器播平,再振实60次。移走模套,从振实台上取下试模,用金属直尺以近似90°的角度架在试模模顶的一端,然后沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动,一次将超过试模部分的胶砂刮去,并用同一直尺以近乎水平的情况下降试体表面抹平,得到一个40mm×400mm×160mm棱柱试体。将做好标记的试模放入恒温、恒湿养护箱(温度20±1℃、湿度90%),湿空气应能与试模各边接触,24h后取出脱模。将试件立即水平放入20℃±1℃的水中养护,水平放置时刮平面应朝上。试件放在不易腐烂的篦子上,水与试件的六个面接触。
试体龄期是从水泥加水搅拌开始试验时算起。本实验中强度实验龄期3天(72h±30min)和7天。
用KZJ5000水泥电动抗折试验机对试块进行抗折强度检测,在折断后的棱柱体上用YAW-300C微机控制恒应力水泥压力试验机进行抗压试验,受压面是试体成型时的两个侧面,面积为40mm×40mm。
①抗折强度:将试体一个侧面放在试验机支撑圆柱上,试体长轴垂直与支撑圆柱,通过加荷圆柱以50N/s±10N/s的速率均匀地将载荷垂直地加在棱柱体相对侧面上,直至折断。抗折强度按下式进行计算:
式中,Ff为折断时施加于棱柱体中部的载荷,N;L为支撑圆柱质检的距离,mm;b为棱柱体正方形载面的边长,mm;R1为抗折强度,MPa;检测结果见表2。
②抗压强度:保持上述抗折强度检测过程中得到的两个半截棱柱体处于潮湿进行抗压强度检测。半截棱柱体中心与压力机压板受压中心差应在±0.5mm内,棱柱体露在压板外10mm长度。在整个加荷过程中以24000N/s+200N/s的速率均匀地加荷直至破坏。抗压强度按下式进行计算:
式中,Fc为破坏时最大载荷,N;A为受压部分面积,mm2(40mm×40mm);R2为抗压强度,MPa;检测结果见表2。
表2:实施例5-7、对比例3-8性能检测数据统计表
由表1-2可知,本申请制备的细集料作为细骨料加入水泥中,相较于直接将铸造废砂添加在水泥中,具有吸水少、吸附减水剂少的优点,而且相对于未处理的铸造废砂,本申请制备的细集料添加在水泥中具有提升水泥抗折强度、抗压强度的优点,实现废料再利用的环保理念,且制备出的水泥符合行业标准,适用于建筑行业。
以上对本发明的几个实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,制备细集料的方法包括如下步骤:
A1:将调节剂、N,N-二甲基甲酰胺加入反应釜中搅拌均匀,调节pH至8-9,加入铸造废砂回收料,升温至40-60℃,保温反应3-6h,洗涤、干燥,得到组分一;
A2:将组分一和河沙混合,得到细集料。
2.根据权利要求1所述的一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,所述调节剂、N,N-二甲基甲酰胺、铸造废砂回收料的质量比为1g∶100-200∶60-100。
3.根据权利要求1所述的一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,所述组分一:河沙的质量比为1:4-5。
4.根据权利要求1所述的一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,所述河沙由如下质量百分比的粒径颗粒12-27%4.75mm-2.36mm、17-23%2.36mm-1.18mm、13-25%1.18mm-0.6mm、15-29%0.6mm-0.3mm混合制得。
5.根据权利要求1所述的一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,所述铸造废砂回收料的制备方法包括如下步骤:
S1:铸造废砂水洗、磁选,得到废砂颗粒;
S2:使用球磨机对废砂颗粒进行湿法球磨、干燥,得到球磨颗粒;
S3:将球磨颗粒、无水乙醇混合后加入硫酸溶液,搅拌均匀,静置、水洗至中性,干燥,得到废砂组分一;
S4:将废砂组分一、N,N-二甲基甲酰胺加入反应器中,搅拌均匀,加入4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯,升温至70-90℃,保温1-2h,洗涤、过滤、干燥,得到铸造废砂回收料。
6.根据权利要求5所述的一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,S3中球磨颗粒:无水乙醇:硫酸溶液的质量比为1:20-50:10-20,所述硫酸溶液为pH3-5的硫酸水溶液。
7.根据权利要求5所述的一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,S4中废砂组分一:N,N-二甲基甲酰胺:4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯的质量比为5-10:100-1000:20-100。
8.根据权利要求1所述的一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,所述调节剂的制备方法包括如下步骤:将马来酸酐、氨水加入烧杯中,升温至40-60℃,保温1-3h,干燥,得到调节剂。
9.根据权利要求8所述的一种利用铸造废砂制备水泥胶凝材料细集料的方法,其特征在于,马来酸酐和氨水添加量为1g:2-5mL,所述氨水为10-30wt%氨水。
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