CN103359982B - 一种利用铁尾矿配制的喷射混凝土材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种喷射混凝土，其包括如下重量配比的成分：砂800-900份，水泥300-400份，微硅灰10-20份，矿粉60-80份，碎石800-900份，减水剂15-20份，速凝剂25-30份，水200-250份，其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-80％。根据本发明提供的喷射混凝土具有优异的性能，例如坍落度、初凝时间、回弹率、强度和耐久性等，完全满足工业生产应用要求。
Description
技术领域
本发明涉及铁尾矿的利用，具体涉及含铁尾矿的喷射混凝土。
背景技术
随着我国钢铁工业的发展，铁尾矿的产生量越来越大。铁尾矿是选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分。
据统计，全世界每年排出的尾矿及废石在100亿吨以上，我国现有8000多个国营矿山和11万多个乡镇集体矿山，堆存的尾矿量近50亿吨。目前，我国的尾矿综合利用率只有7％，堆存的铁尾矿量高达十几亿吨，占全部尾矿堆存总量的近1/3。因此，铁尾矿的综合回收利用问题已受到全社会的广泛关注。
中国专利申请200710118700.9公开了一种利用铁尾矿生产混凝土活性掺合料的方法，其中利用磁铁石英岩型铁尾矿代替部分矿渣磨细粉，将磁铁石英岩型铁尾矿70％-93％、石灰或电石渣或两者的混合物1％-20％、二水石膏或半水石膏或脱硫石膏或磷石膏或氟石膏或它们中的两种或几种的混合物1％-10％、蚀变剂0.1％-5％一起进行混磨到80μm筛余＜3％的细度后，再进行热液蚀变反应，将蚀变反应的产物冷却后得到的物理按重量百分比40％-90％再与10％-60％的矿渣进行混合磨细到80μm筛余＜0.5％，得到代替矿渣超细粉使用的活性混凝土掺合料。不过，该专利文献在利用铁尾矿时需要磨细和烧制两道工序，工艺复杂。
中国专利申请200710177294.5公开了一种利用铁尾矿制备高强结构材料的方法，其通过对铁尾矿进行机械粉磨，同时加入一定量矿渣代替部分水泥熟料，经过“磨-混磨”工艺制备生态型混合胶凝材料，再与作为骨料的粗粒铁尾矿混合后制备成高强结构材料，通过蒸养或蒸压条件得到高强结构材料。不过，该专利文中在利用铁尾矿时需要筛分至特定粒度并需磨至特定比表面积，工艺复杂。
中国专利申请200810119302.5公开了一种磁铁石英岩性铁尾矿制备高性能混凝土专用水泥的方法，将磁铁石英岩性铁矿的尾矿选择粒度＜200μm，将SiO2含量＞70％、粘土矿物含量＜5％、含水率＜1％的磁铁石英岩性铁尾矿作为原料，进行分级后烘干或烘干后分级，再将水淬高炉矿渣烘干至含水率＜1％，将30％-70％的尾矿与30％-70％的矿渣在磨机中进行混磨，得到细度为0.045mm方孔筛余＜5％的混合料，其后再将尾矿与矿渣的混合料、水泥熟料、粉煤灰、石膏、减水剂等混合，混磨后得到混凝土专用水泥。不过，该专利文献中需要使用特定品质的铁尾矿，并需要对其进行烘干、分级、与矿渣混磨等处理，工艺复杂。
中国专利申请200910184993.1公开了一种铁尾矿预拌混凝土及其制备方法，以云母含量＜3.0％、碳化物与硫酸盐含量＜1.0％、细度模数为1.3-2.2的铁尾矿为原来，用其代替天然中砂配制C10-C40预拌混凝土。不过，该专利文献中需要使用特定品质的铁尾矿，将铁尾矿筛分，只利用符合标准的粗砂部分。
中国专利申请200910070563.7公开了一种铁尾矿混凝土，包括4％-20％水泥、0-35％选矿废石与碎屑、1％-8％掺合料、水及根据性能确定的混凝土专用泵送剂，其中混凝土专用泵送剂为水泥与掺合料之和重量的1.5％-2.5％，余量为水。不过，该专利文献中，所述的铁尾矿废石粒度为5-25mm，应该是碎石而不属于铁尾矿范围，此外，高炉矿渣粉的用量极其少，所得混凝土的性能尚有提升空间。
喷射混凝土是一种新型的混凝土，其是指借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定配比的拌和料，通过管道运输并以高速喷射到受喷面上，迅速凝结固化而成的混凝土。在喷射混凝土中，拌合料一般包括水泥、砂子、石子和速凝剂等。其中，砂子所占的比例较大，通常为拌合料重量的40％以上。目前，喷射混凝土中所用的砂子都是天然砂，随环保要求的提高，天然砂的来源受到限制，而且成本较高。
目前，尚未有将铁尾矿应用于喷射混凝土的报道。
发明内容
本发明人经过锐意研究发现，通过将喷射混凝土中的部分天然砂用铁尾矿代替，再配合适当比例的水泥、微硅灰、碎石、减水剂、速凝剂和水后，得到性能优异的喷射混凝土，从而完成本发明。
本发明的目的在于提供一种喷射混凝土，其包括如下重量配比的成分：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-80％。
根据本发明提供的喷射混凝土具有优异的性能，例如坍落度、初凝时间、回弹率、各龄期强度和耐久性等，完全满足工业生产和应用需求。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明变得更为清楚、明确。
根据本发明，提供一种喷射混凝土，其包括如下重量配比的成分：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-80％。
在根据本发明的喷射混凝土的一个优选实施方式中，砂与碎石的重量比为1∶1。
在根据本发明的喷射混凝土的一个优选实施方式中，水灰比为0.48-0.50，更优选0.49。
在本文中，所用术语“水灰比”是指水的重量与水泥、微硅灰和矿粉的重量和之比。
在根据本发明的喷射混凝土的一个优选实施方式中，铁尾矿为砂重量的20％-40％。
在一个优选实施方式中，根据本发明的喷射混凝土包括如下重量配比的成分：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20-40％。
在一个优选实施方式中，根据本发明的喷射混凝土包括如下重量配比的成分：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20-80％。
在一个更优选实施方式中，根据本发明的喷射混凝土包括如下重量配比的成分：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-40％。
在根据本发明的喷射混凝土的一个更优选实施方式中，其包括如下重量配比的成分：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-80％。
在根据本发明的喷射混凝土的一个更优选实施方式中，其包括如下重量配比的成分：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-40％。
本发明人经研究发现，当使用上述特定重量配比的原料材料时，能获得性能优异的喷射混凝土。
在本发明中，砂、水泥、微硅灰、矿粉和碎石构成喷射混凝土的骨料。
在本发明中，对于铁尾矿(砂)并没有特别要求，只要其粒度分布满足形成喷射混凝土即可。一般而言，要求铁尾矿是全尾矿，即不要求对铁尾矿进行人工筛分，以利于对铁尾矿的全部利用。
在本发明中，对于天然砂并没有特别要求，符合GBT14684-2011标准要求即可。
本发明人发现，当将铁尾矿(砂)代替一部分天然砂时，能获得性能优异的喷射混凝土。当铁尾矿(砂)占全部砂重量的20％-80％时，所得喷射混凝土性能良好，特别当铁尾矿(砂)占全部砂重量的20％-40％时，所得喷射混凝土性能更加优良，其强度、坍落度、初凝时间、和回弹率非常好，完全满足施工要求。
在本发明中，如果砂的总用量低于800重量份时，则会由于砂量过低导致喷射混凝土的强度不足，反之，如果砂的总用量高于900重量份时，则会由于砂量过高导致耐久性差。
在本发明中，可以使用本领域常用水泥，对其并没有特别要求。优选地，符合GB175-2007规定的PO42.5水泥。
在本发明中，所用微硅灰是指粒度(粒径)微小的硅灰。其主要成分为SiO2，平均粒径为O.15μm以下，比表面积800m2/kg以上。
在本发明中，所用矿粉是由掺有1％-2％晶核素的矿渣磨细至比表面积400m2/kg以上。
通过使用上述重量配比的水泥、微硅灰和矿粉，能得到塌落度、强度、耐久性等优异的喷射混凝土。
在本发明中，所用碎石是指石灰石碎石，符合GBT14685-2011标准要求。为了保证喷射混凝土具有较好的流动性，优选碎石的粒度(粒径)范围为5-15mm之间。
在本发明中，如果碎石的总用量低于800重量份时，则会由于碎石量过低导致喷射混凝土的强度不足，反之，如果碎石的总用量高于900重量份时，则会由于碎石量过高导致耐久性差。
在本发明中，减水剂用于提高砂浆强度，从而减少水的使用量并增强砂浆作用。可以使用本领域常用的减水剂，优选使用减水率大于8％的高效减水剂，例如萘磺酸钠高效减水剂(萘磺酸甲醛缩聚物)等。
在本发明中，速凝剂对水泥具有速凝快硬和早强减水作用，掺入适量该产品的水泥净浆能迅速凝结硬化，具有较高的早期强度和后期强度，并能保持水泥的其他性能。可以使用本领域常用速凝剂，对其并没有特别限制。
实施例
以下通过具体实施例进一步描述本发明。不过，这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。
实施例中所用原料材料
(1)铁尾矿
首钢矿业公司铁尾矿，对其进行元素分析，结果如下表1中所示。
表1铁尾矿化学元素全分析
其颗粒分布数据如下表2中所示。
表2铁尾矿颗粒分布数据
(2)天然砂
北京市房山地区产普通河砂，细度模数MX＝2.62，表观密度约2.7×103kg/m3，天然砂的颗粒分布数据如下表3中所示。
表3天然砂颗粒分布数据
(3)水泥
水泥选用北京恒生然建材科技有限公司生产的po42.5硅酸盐水泥。水泥性能和强度数据如下表4中所示。
表4水泥的工作性能和强度数据
(4)微硅灰
一级硅灰，购自北京酉亚外加剂有限公司，成分以无定形SiO2为主，含量大于90％，比表面积大于800m2/kg，密度约2.2×103kg/m3。
(5)矿粉
矿粉由北京恒生然建材科技有限公司加工生产，矿粉的活性系数3天大于60％、7天大于75％、28天大于98％。
(6)碎石
北京市房山地区产破碎石灰石，堆积密度为1480kg/m3，表观密度为2.65×103kg/m3，使用前用水洗净，晾干并且剔除其中针片状颗粒，石灰石碎石的颗粒分布数据如下表5中所示。
表5石灰石碎石的颗粒分布数据
(7)减水剂
萘磺酸钠高效减水剂，由北京恒生然建材科技有限公司配制，掺量为水泥掺量的1.2％时，减水率＞15％。
(8)速凝剂
北京市俊杰建材厂生产的JJ-818混凝土速凝剂，灰色粉状固体，掺量是水泥重量的3％-7％。
实施例1-4
如下表6所示，将所述量的铁尾矿、天然砂、水泥、微硅灰、碎石、减水剂、速凝剂和水配制喷射混凝土。
表6铁尾矿与天然砂混合混凝土配比方案
测量其塌落度、初凝时间和回弹率，结果示于下表7中。
测量其养护龄期1天、3天、7天和28天的抗压强度，结果示于下表8中。
测量其抗拉强度，结果示于下表9中。
对比例1-2
如上表6所示，将所述量的铁尾矿、天然砂、水泥、微硅灰、碎石、减水剂、速凝剂和水配制喷射混凝土。
测量其塌落度、初凝时间和回弹率，结果示于下表7中。
测量其养护龄期1天、3天、7天和28天的抗压强度，结果示于下表8中。
测量其抗拉强度，结果示于下表9中。
试验例
塌落度、初凝时间和回弹率测定
坍落度筒为上口直径100MM，下口直径200MM，高300MM的中空圆锥体，将混凝土装满后，用钢筋捣实后轻轻提起坍落度筒，混凝土自然坍落的高度与坍落度筒的高度差就是现场测定的混凝土的坍落度，而混凝土自然塌落的圆形直径就为扩展度。
喷射回弹率的测定采用质量法。在喷射部位地面铺设一层帆布，将称好质量的试样喷射到墙壁上，完成后收集回弹料称其质量，与喷射前质量的比值即是此试样的回弹率。
对实施例1-4和对比例1-2的喷射混凝土进行测量，结果示于下表7中。
表7混凝土的工作性能数据
| 编号 | 塌落度(mm) | 初凝时间(min) | 回弹率(％) |
| 对比例1 | 70 | 26 | 35-40 |
| 实施例1 | 130 | 45 | ＜10 |
| 实施例2 | 115 | 44 | ＜5 |
| 实施例3 | 70 | 40 | ＜5 |
| 实施例4 | 95 | 20 | ＜5 |
| 对比例2 | 70 | 42 | ＜10 |
可以看出，掺加铁尾矿后，混凝土的坍落度增加，混凝土流动性改善。实施例1-3的混凝土初凝时间40-45分钟，初凝时间适当延长，有利于施工。另外，回弹率比天然砂混凝土大大降低，对于改善作业环境、降低材料损失具有重要意义。
强度测定
试件一般养护到天。龄期由成型时算起。进行试验标准养护的试件成型后应复盖表面以防止水分蒸发，并在标准养护室中养护。
各龄期的试验体在强度试验前须用湿布覆盖。按照《混凝土强度检验评定标准》(GB/T50107-2010)进行高性能喷射混凝土的强度试验。压力机加荷速度控制在2.4-2.6KN/s的范围内。
各喷射混凝土养护龄期1天、3天、7天和28天的抗压强度数据示于下表8中。
表8每组铁尾矿配制混凝土各龄期的抗压强度数据
各喷射混凝土的抗拉强度数据示于下表9中。
表9各喷射混凝土的劈裂抗拉强度数据
抗冻性实验
混凝土冻融循环试验按照《水工混凝土试验规程》(SD105-82)中抗冻性能试验的“快冻法”进行，适用于以动弹性模量和质量损失率作为评定指标的混凝土抗冻性试验。
T0525-94规定，混凝土快速冻融试验的标准试件为100mm×100mm×400mm的棱柱体，养护至28d龄期时开始试验，提前4d将试件浸泡在温度为20±3℃的水中，试验前测试动弹性模量和质量，每次冻融循环应在2～4h内完成，其中用于融化的时间不得少于整个冻融时间的1/4，在冻结和融化终了时，试件中心温度应分别控制在-17土2℃和5土2℃。一般每隔25次循环作一次动弹性模量测试，动弹性模量的测试采用共振法。
根据强度损失率公式：
式中，Δfe-冻融后的强度损失率；
fC0-冻融前的抗压强度值；
fcn-冻融后的抗压强度值
得到冻融试验结果示于下表10中。
表10冻融对混凝土强度的影响
由表10可知，掺20％铁尾矿的混凝土强度损失率最小，随铁尾矿掺入量增加损失率逐渐增大。不过，根据混凝土抗冻融试体的检测标准，实施例1-4中所得混凝土都能符合工程要求。
根据质量损失率的计算公式：
式中：ΔWn-冻融后质量损失率；
G0-冻融前的试件质量；
Gn-冻融后试件的质量。
所得试验结果示于下表11中。
表11冻融对喷射混凝土质量的影响
Claims (5)
1.一种喷射混凝土，其由如下重量配比的成分组成：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-80％；
所用碎石是指石灰石碎石，碎石的粒度范围为5-15mm之间；
砂与碎石的重量比为1:1；
喷射混凝土的水灰比为0.48-0.50，水灰比是指水的重量与水泥、微硅灰和矿粉的重量和之比；
所述铁尾矿为全尾矿，即不要求对铁尾矿进行人工筛分。
2.根据权利要求1所述的喷射混凝土，其由如下重量配比的成分组成：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-80％。
3.根据权利要求1所述的喷射混凝土，其由如下重量配比的成分组成：
其中，砂由铁尾矿和天然砂组成，铁尾矿为砂重量的20％-80％。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的喷射混凝土，其中，水灰比为0.49。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的喷射混凝土，其中，铁尾矿为砂重量的20％-40％。
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