CN116751018A - 一种铁尾矿基人造高强细集料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁尾矿基人造高强细集料及其制备方法，该人造高强细集料以为粒径为150μm以下的铁尾矿作为主要原料，以氢氧化钙和水玻璃作为激发剂，以水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰作为辅助胶结剂，以石灰石粉作为惰性填充剂，将铁尾矿粉、激发剂、惰性填充剂和部分辅助胶结剂搅拌混匀、喷水造粒后加入剩余的辅助胶结剂得到外壳光滑的集料颗粒；集料颗粒经自然养护及高温养护，得到铁尾矿基人造高强细集料。本发明利用铁尾矿粉的化学活性，通过添加特定激发剂，成功制备了铁尾矿基人造高强细集料，这解决了目前人造尾矿基骨料强度不高的问题，为铁尾矿的有效资源化利用及骨料短缺的现状提供了一种解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其是涉及一种铁尾矿基人造高强细集料及其制备方法。
背景技术
铁尾矿是铁矿石经粉磨、磁选和浮选后排出的固体废弃物，其储量在我国不断增加。铁尾矿的堆积会占用大量的土地资源。在雨季，堆积的尾矿容易发生滑坡和泥石流等地质灾害，给周围居民的生命安全和财产安全带来严重的威胁。此外尾矿中含有大量的重金属元素，会伴随着雨水渗入地下，造成土壤及地下水资源污染等问题，给周围的生态环境带来非常大的危害，因此铁尾矿的资源化利用是当下亟待解决的问题。
另一方面，随着建筑行业的发展，混凝土的用量日益增多，使得建筑行业对骨料的需求量也越来越大。目前使用的建筑骨料有天然骨料和人工骨两种。其中天然骨料在开采过程中会破坏生态环境，造成土壤流失、土壤砂化等一系列生态问题。随着国家对环境保护和资源保护的重视，天然骨料的开采受到了越来越多的限制，因此人造骨料作为天然骨料的替代材料就显得尤为重要。人造骨料是采用天然岩石、废弃混凝土、淤泥和尾矿等材料人工加工所得的骨料。因此采用铁尾矿生产人工骨料，既可以有效解决铁尾矿的堆积问题，又可以满足市场对于骨料的需求。
混凝土中骨料的粒径分布有一定的要求，骨料中粉体含量过多会导致混凝土出现流动性差、振捣困难等不良问题。但是近几年随着选矿工艺的升级和优化，选矿流程中对铁矿石的粉磨程度越来越高，因此铁尾矿的粒度也越来越小。这导致在使用铁尾矿生产人工骨料的过程中，会有大量的铁尾矿细粉被抛弃。这些铁尾矿细粉需要经过造粒、煅烧加工成免烧骨料或烧结骨料后方可以用于混凝土。烧结骨料在制备过程中需要消耗大量的燃料，还会产生大量的烟尘和二氧化碳，对环境造成严重的负面影响；而传统的免烧骨料制备方法通常认为铁尾矿细粉为惰性材料，采用水泥作为胶结材料与铁尾矿细粉混合制备免烧骨料。然而由于忽略了铁尾矿细粉的活性，制备的免烧骨料强度普遍偏低。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种充分利用铁尾矿细粉的活性制备高强人造细集料的方法。这不仅缓解了当前建筑用砂短缺的问题，而且能实现铁尾矿的有效资源化利用，解决了铁尾矿堆积造成的环境污染和占用土地等问题，具有重要的经济和社会效益。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种铁尾矿基人造高强细集料，该细集料由包括如下重量百分比的原料制备得到：铁尾矿粉50%-80%、激发剂5%-25%、惰性填充剂1%-15%、辅助胶结剂5%-30%；其中，辅助胶结剂为水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰，激发剂为氢氧化钙和水玻璃。
进一步，水泥、粉煤灰、矿粉及硅灰的添加比例为1：1.5-2.5：0.2-0.6：0.1-0.5。
进一步，氢氧化钙和水玻璃的添加比例为1：0.1-0.3，其中，水玻璃模数为2、浓度为35%。
进一步，惰性填充剂为石灰石粉，粒度为200目。
进一步，铁尾矿的粒度小于150μm。
本发明还提供了一种如上述任一项所述的铁尾矿基人造高强细集料的制备方法，该方法包括如下步骤：
1）将铁尾矿进行烘干并筛分，得到铁尾矿粉；
2）按照比例称取铁尾矿粉、惰性填充剂、激发剂和85-95%（重量百分比）的辅助胶结剂，并将其放入搅拌器内搅拌均匀；
3）将搅拌均匀的混合料置于行星式轮碾搅拌机内碾压搅拌，获得均匀混合料；
4）将均匀混合料倒入盘式成球机中边滚动边喷洒水，直至形成直径为1-4mm的细集料球核，最后加入剩余的辅助胶结剂继续滚动，直至细集料的表面完全被辅助胶结剂颗粒包裹且外壳光滑无粘结；
5）将得到的细集料置于温度为18-22℃，相对湿度维持在90%以上的环境中预养护；
6）将预养护好的细集料置于蒸压釜内，在0.8-1.6Mpa饱和蒸汽压、170-200℃下高温水热反应8-12h，降温3-5h后出釜，自然冷却至室温，即可得到所述的人造高强细集料。
进一步，步骤2）中搅拌时间为2-3min。
进一步，步骤3）中碾压搅拌3-5min。
进一步，步骤4）中，滚动1-5min形成1-4mm的细集料球核，喷洒的水为混合料总质量的1-4%，加入剩余的辅助胶结剂后，继续滚动1-5min。
进一步，步骤5）中预养护12-48h。
相对于现有技术，本发明所述的铁尾矿基人造高强细集料及其制备方法具有以下优势：
（1）本发明使用氢氧化钙和水玻璃作为复合激发剂，氢氧化钙和水玻璃之间的协同激发效应可提高对铁尾矿细粉的激发效果，使得体系生成更多的水化产物，最终提高人工集料的强度。
（2）本发明复合使用水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰作为辅助胶结剂，四种辅助胶结剂可以更好的优化整体系统的颗粒级配，提高人工集料的密实度和强度。
（3）本发明采用170-200℃，饱和蒸汽压0.8-1.6Mpa，恒温恒压养护8～12h的蒸压养护制度，加速了铁尾矿细粉中的活性二氧化硅与氢氧化钙和水玻璃之间的火山灰反应，提高了人工集料中水化产物的数量，增加了人工集料的密实度和强度。
（4）本发明使用200目的石灰石粉作为惰性填充剂，石灰石粉可以填充于人工集料的孔隙，降低其孔隙率，提高人工集料的密实度，最终导致人工集料强度的提高。
（5）本发明制备的人工细集料球形度较好且表面粗糙，其与水泥石之间的结合较好，可以有效改善混凝土中的界面薄弱区。
（6）本发明制备的人工细集料筒压强度可达16-22 Mpa，远高于目前免烧细集料的筒压强度，作为混凝土的集料使用可以提高混凝土的强度，解决了目前免烧集料强度普遍偏低的问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1制备的铁尾矿基人造高强细集料的外观图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例采用的原材料的具体性能如下：
铁尾矿取自福建省某铁矿厂，密度为3.15g/cm3；
硅灰是成都惠业硅灰材料有限公司生产的SF93级硅灰；
粉煤灰是河南恒源新材料有限公司生产的二级粉煤灰；
矿粉是山东万德隆新材料有限公司生产的S95级矿粉；
氢氧化钙取自大连金泰环保产业有限公司，细度为200目，密度为1.72g/cm3其Ca(OH)2含量不低于92%；
水泥是唐山冀东水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐42.5水泥，密度为3.11g/cm3，平均粒径为11.6μm；
石灰石粉取自哈尔滨阿城万顺石材钙粉加工厂，细度为200目；
水玻璃取自嘉善县优瑞耐火材料有限公司，通过加入NaOH和水，调节水玻璃的模数为2且浓度为35%；
水为自来水；
原材料的化学成分如表1所示：
表1 原材料的化学成分 (wt.%)
实施例1
一种铁尾矿基人造高强细集料，由包括如下原料制成：
铁尾矿细粉64kg；
激发剂9kg：7.5kg氢氧化钙+1.5kg的水玻璃（二者添加比例为1：0.2）；
惰性填充剂（石灰石粉）9kg；
辅助胶结剂18kg：4kg水泥、10kg粉煤灰、2.4kg矿粉、1.6kg硅灰（四者添加比例为1：2.5：0.6：0.4）。
铁尾矿基人造高强细集料的具体制备过程包含以下步骤：
1）将铁尾矿进行烘干并筛分，得到粒径小于150μm的铁尾矿粉；
2）称取64kg铁尾矿粉、9kg石灰石粉、7.5kg氢氧化钙、1.5kg的水玻璃、16.2kg的辅助胶结剂（3.6kg水泥、9kg粉煤灰、2.16kg矿粉、1.44kg硅灰），并将其放入搅拌器内，搅拌3min至搅拌均匀；
3）将搅拌均匀的混合料置于行星式轮碾搅拌机碾压搅拌5min，获得均匀混合料；
4）将均匀混合料倒入盘式成球机中滚动4min，边滚动边喷洒3.5kg的水，直至形成直径为1-4mm的细集料球核，最后加入1.8kg的辅助胶结剂（0.4kg水泥，1.0kg粉煤灰，0.24kg矿粉和0.16kg硅灰组成），接着滚动5min，直至细集料的表面完全被辅助胶结剂包裹且外壳光滑无粘结；
5）将上述细集料置于放置在温度为20℃，相对湿度维持在90%以上的环境中预养护24h；
6）将预养护好的细集料置于蒸压釜内，在1.0Mpa饱和蒸汽压，180℃下，高温水热反应10h，降温3h后出釜，自然冷却至室温，即可得到所述人造高强细集料。
采用本实施例制备的铁尾矿基人造高强细集料表观密度为2.51g/cm3，堆积密度为1.04g/cm3，筒压强度为17.5 Mpa。
利用本实例制备的铁尾矿基人造高强细集料试配混凝土，采用人造高强细集料等体积取代河砂，在相同配合比下进行混凝土的各项性能对比。
混凝土配合比如下表所示：
表2 混凝土配合比
按照设计配合比称取原材料并倒入混凝土搅拌机中搅拌120s，然后将共混料装入试模中，并在震动台上振实成型，静置1d后拆模，将试样放入标准养护室中养护至28d，测试其抗压强度、吸水率和电通量，测试方法参照国标GB/T50081-2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T 11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》和GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。
结果如表3所示：
表3 混凝土抗压强度、吸水率和电通量测试结果
由表可知，在相同的水灰比下，人造高强细集料等体积取代河砂可提高混凝土28d抗压强度6.7%，降低混凝土的吸水率5.6%，降低混凝土的电通量13.3%。这是由于人造高强细集料与水泥石之间的界面粘结强度高，从而提高了混凝土的强度；此外，界面过渡区的改善也降低了混凝土的内部缺陷，有效减少了混凝土内部水分传输的通道，进而降低了混凝土的吸水率和电通量。
实施例2
一种铁尾矿基人造高强细集料，由包括如下原料制成：
铁尾矿细粉65kg；
激发剂8kg：6.4kg氢氧化钙+1.6kg的水玻璃（二者添加比例为1：0.25）；
惰性填充剂（石灰石粉）15kg；
辅助胶结剂12kg：3kg水泥、6kg粉煤灰、1. 5kg矿粉、1. 5kg硅灰（四者添加比例为1：2：0.5：0.5）。
铁尾矿基人造高强细集料的具体制备过程包含以下步骤：
1）将铁尾矿进行烘干并筛分，得到粒径小于150μm的铁尾矿细粉；
2）称取65kg铁尾矿细粉、15kg石灰石粉、6.4kg氢氧化钙、1.6kg的水玻璃、11kg的辅助胶结剂（2.75kg水泥、5.5kg粉煤灰、1.375kg矿粉、1.375kg硅灰），并将其放入搅拌器内，搅拌3min至搅拌均匀；
3）将搅拌均匀的混合料置于行星式轮碾搅拌机碾压搅拌5min，获得均匀混合料；
4）将均匀混合料倒入盘式成球机中滚动4min，边滚动边喷洒3kg的水，直至形成直径为1-4mm的细集料球核，最后加入1kg的辅助胶结剂（0.25kg水泥，0.5kg粉煤灰，0.125kg矿粉和0.125kg硅灰组成），接着滚动5min，直至细集料的表面完全被水泥颗粒包裹且外壳光滑无粘结；
5）将上述细集料置于放置在温度为20℃，相对湿度维持在90%以上的环境中预养护24h；
6）将预养护好的细集料置于蒸压釜内，在1.2Mpa饱和蒸汽压，190℃下，高温水热反应9h，降温4h后出釜，自然冷却至室温，即可得到所述人造高强细集料。
采用本实施例制备的铁尾矿基人造高强细集料表观密度为2.54g/cm3，堆积密度为1.05g/cm3，筒压强度为16.6 Mpa。
利用本实例制备的铁尾矿基人造高强细集料试配混凝土，采用人造高强细集料等体积取代河砂，在相同配合比下进行混凝土的各项性能对比。
混凝土配合比如下表所示：
表4 混凝土配合比
表5 混凝土抗压强度、吸水率和电通量测试结果
由表可知，在相同的水灰比下，人造高强细集料等体积取代河砂可提高混凝土28d抗压强度1.4%，降低混凝土的吸水率1.9%，降低混凝土的电通量8.8%。
实施例3
一种铁尾矿基人造高强细集料，由包括如下原料制成：
铁尾矿细粉55kg；
激发剂6kg：5kg氢氧化钙+1kg的水玻璃（二者添加比例为1：0.2）；
惰性填充剂（石灰石粉）10kg；
辅助胶结剂29kg：7.25kg水泥、15.95kg粉煤灰、2.9kg矿粉、2.9kg硅灰（四者添加比例为1：2.2：0.4：0.4）。
铁尾矿基人造高强细集料的具体制备过程包含以下步骤：
1）将铁尾矿进行烘干并筛分，得到粒径小于150μm的铁尾矿细粉；
2）称取55kg铁尾矿细粉、5kg氢氧化钙、1kg的水玻璃、10kg石灰石粉、26.5kg的辅助胶结剂（6.625kg水泥、14.575kg粉煤灰、2.65kg矿粉、2.65kg硅灰），并将其放入搅拌器内，搅拌3min至搅拌均匀；
3）将搅拌均匀的混合料置于行星式轮碾搅拌机碾压搅拌5min，获得均匀混合料；
4）将均匀混合料倒入盘式成球机中滚动4min，边滚动边喷洒3.4kg的水，直至形成直径为1-4mm的细集料球核，最后加入2.5kg的辅助胶结剂（0.625kg水泥，1.375kg粉煤灰，0.25kg矿粉和0.25kg硅灰组成），接着滚动5min，直至细集料的表面完全被水泥颗粒包裹且外壳光滑无粘结；
5）将上述细集料置于放置在温度为20℃，相对湿度维持在90%以上的环境中预养护24h；
6）将预养护好的细集料置于蒸压釜内，在0.9Mpa饱和蒸汽压，175℃下，高温水热反应12h，降温5h后出釜，自然冷却至室温，即可得到所述人造高强细集料。
采用本实施例制备的铁尾矿基人造高强细集料表观密度为2.48g/cm3,堆积密度为1.03g/cm3，筒压强度为21.8 Mpa。
利用本实例制备的铁尾矿基人造高强细集料试配混凝土，采用人造高强细集料等体积取代河砂，在相同配合比下进行混凝土的各项性能对比。
混凝土配合比如下表所示：
表6 混凝土配合比
表7 混凝土抗压强度、吸水率和电通量测试结果
由表可知，在相同的水灰比下，人造高强细集料等体积取代河砂可提高混凝土28d抗压强度15.9%，降低混凝土的吸水率14.8%，降低混凝土的电通量22.9%。
通过上述实施例1-3可以发现，当原料中辅助胶结剂的含量增加，细集料的综合性能也随之提高。但辅助胶结剂含量的增加也会导致人造细集料成本的提高，因此需要将其控制在本申请的使用的范围内。
在上述实施例1的基础上，设置如下对比例。
表8 各对比例成分表
表9 各实施例和对比例性能比较
通过比较实施例1与对比例1和2，可知与单一使用氢氧化钙或水玻璃相比，复合使用氢氧化钙与水玻璃作为激发剂时，制备的人工集料强度更高，这是由于复合激发剂之间的协同效应可以提高整体体系的激发效果，致使体系生成更多的水化产物，进而提高人工集料的强度。通过比较实施例1与对比例3，可知复合激发剂中氢氧化钙与水玻璃的比例为1:0.2时，制备的人工集料强度更高，这是由于在该种比例时激发剂的协同作用最强，因此人工集料的强度较高。通过比较实施例1与对比例4，可知与掺加激发剂的人工集料相比，未使用激发剂的人工集料强度更低，这是由于未使用激发剂时，尾矿的活性得不得激发，因此体系的水化产物减少，人工集料的强度降低。通过比较实施例1与对比例5~13，可知与未使用任何辅助胶结剂或者使用单一或三种辅助胶结剂相比，复合使用四种辅助胶结剂制备的人工集料强度更高，这是由于复合使用辅助胶结剂优化了辅助胶结剂的颗粒级配，使得制备的人工集料的密实度增加，因此人工集料的强度提高。另一方面，四种辅助胶结剂之间存在一定的超叠加效应，复合使用四种辅助胶结剂可以使得整体胶结剂体系生成更多的水化产物，致使最终制备的人工集料密实度提高，强度增大。通过比较实施例1与对比例14，可知与未使用惰性填充剂相比，使用惰性填充剂的人工集料强度较高，这是由于惰性填充剂可以优化整体体系的颗粒级配，提高人工集料的致密度，导致人工集料强度的提高。
本发明的制备方法采用复合使用氢氧化钙和水玻璃作为激发剂，结合蒸压养护方式，提高铁尾矿细粉的水化反应，使得体系生成更多的水化产物，提高人工集料的强度；此外复合使用水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰作为辅助胶结剂，使用200目的石灰石粉作为惰性填充剂，优化了整体系统的颗粒级配，提高人工集料的密实度和强度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：该细集料由包括如下重量百分比的原料制备得到：铁尾矿粉50%-80%、激发剂5%-25%、惰性填充剂1%-15%、辅助胶结剂5%-30%；其中，辅助胶结剂为水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰，激发剂为氢氧化钙和水玻璃。
2.根据权利要求1所述的铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：水泥、粉煤灰、矿粉及硅灰的添加比例为1：1.5-2.5：0.2-0.6：0.1-0.5。
3.根据权利要求1所述的铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：氢氧化钙和水玻璃的添加比例为1：0.1-0.3，其中，水玻璃模数为2、浓度为35%。
4.根据权利要求1所述的铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：惰性填充剂为石灰石粉，粒度为200目。
5.根据权利要求1所述的铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：铁尾矿的粒度小于150μm。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的铁尾矿基人造高强细集料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
1）将铁尾矿进行烘干并筛分，得到铁尾矿粉；
2）按照比例称取铁尾矿粉、惰性填充剂、激发剂和85-95%的辅助胶结剂，并将其放入搅拌器内搅拌均匀；
3）将搅拌均匀的混合料置于行星式轮碾搅拌机内碾压搅拌，获得均匀混合料；
4）将均匀混合料倒入盘式成球机中边滚动边喷洒水，直至形成直径为1-4mm的细集料球核，最后加入剩余的辅助胶结剂继续滚动，直至细集料的表面完全被辅助胶结剂颗粒包裹且外壳光滑无粘结；
5）将得到的细集料置于温度为18-22℃，相对湿度维持在90%以上的环境中预养护；
6）将预养护好的细集料置于蒸压釜内，在0.8-1.6Mpa饱和蒸汽压、170-200℃下恒温恒压水热反应8-12h，降温3-5h后出釜，自然冷却至室温，即可得到所述的人造高强细集料。
7.根据权利要求6所述的铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：步骤2）中搅拌时间为2-3min。
8.根据权利要求6所述的铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：步骤3）中碾压搅拌3-5min。
9.根据权利要求6所述的铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：步骤4）中，滚动1-5min形成1-4mm的细集料球核，喷洒的水为混合料总质量的1-4%，加入剩余的辅助胶结剂后，继续滚动1-5min。
10.根据权利要求6所述的铁尾矿基人造高强细集料，其特征在于：步骤5）中预养护12-48h。
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