CN113480260B - 利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法 - Google Patents
利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113480260B CN113480260B CN202110834436.0A CN202110834436A CN113480260B CN 113480260 B CN113480260 B CN 113480260B CN 202110834436 A CN202110834436 A CN 202110834436A CN 113480260 B CN113480260 B CN 113480260B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- parts
- concrete
- iron oxide
- hollow spheres
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 142
- 239000004567 concrete Substances 0.000 title claims abstract description 113
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 44
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 64
- 239000010456 wollastonite Substances 0.000 claims abstract description 52
- 229910052882 wollastonite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 52
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims abstract description 37
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000005097 cold rolling Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 12
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 10
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 claims abstract description 10
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 77
- 239000004576 sand Substances 0.000 claims description 45
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 36
- 239000002956 ash Substances 0.000 claims description 28
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 claims description 26
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 19
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 16
- 239000002893 slag Substances 0.000 claims description 16
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 15
- 230000029087 digestion Effects 0.000 claims description 13
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 11
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims description 10
- 239000010878 waste rock Substances 0.000 claims description 10
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 6
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 4
- 238000007885 magnetic separation Methods 0.000 claims description 3
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 2
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 claims description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 claims description 2
- 125000001624 naphthyl group Chemical group 0.000 claims description 2
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 claims description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 claims 4
- NDLPOXTZKUMGOV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoferriooxy)iron hydrate Chemical compound O.O=[Fe]O[Fe]=O NDLPOXTZKUMGOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 4
- 238000010304 firing Methods 0.000 claims 1
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims 1
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 11
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000001502 supplementing effect Effects 0.000 abstract description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 18
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 239000011372 high-strength concrete Substances 0.000 description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 6
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical group [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 4
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 4
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000012241 calcium silicate Nutrition 0.000 description 2
- 229910052918 calcium silicate Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 2
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 229910004762 CaSiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019738 Limestone Nutrition 0.000 description 1
- 229910019440 Mg(OH) Inorganic materials 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AGWMJKGGLUJAPB-UHFFFAOYSA-N aluminum;dicalcium;iron(3+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Ca+2].[Ca+2].[Fe+3] AGWMJKGGLUJAPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003487 anti-permeability effect Effects 0.000 description 1
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 239000000378 calcium silicate Substances 0.000 description 1
- JHLNERQLKQQLRZ-UHFFFAOYSA-N calcium silicate Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] JHLNERQLKQQLRZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OYACROKNLOSFPA-UHFFFAOYSA-N calcium;dioxido(oxo)silane Chemical compound [Ca+2].[O-][Si]([O-])=O OYACROKNLOSFPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XFWJKVMFIVXPKK-UHFFFAOYSA-N calcium;oxido(oxo)alumane Chemical compound [Ca+2].[O-][Al]=O.[O-][Al]=O XFWJKVMFIVXPKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- HOOWDPSAHIOHCC-UHFFFAOYSA-N dialuminum tricalcium oxygen(2-) Chemical compound [O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[Al+3].[Al+3].[Ca++].[Ca++].[Ca++] HOOWDPSAHIOHCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BCAARMUWIRURQS-UHFFFAOYSA-N dicalcium;oxocalcium;silicate Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca]=O.[O-][Si]([O-])([O-])[O-] BCAARMUWIRURQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000003995 emulsifying agent Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910001653 ettringite Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000010440 gypsum Substances 0.000 description 1
- 229910052602 gypsum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910017053 inorganic salt Inorganic materials 0.000 description 1
- SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N iron(II,III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]O[Fe]=O SZVJSHCCFOBDDC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006028 limestone Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 235000019976 tricalcium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 229910021534 tricalcium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003981 vehicle Substances 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B28/00—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements
- C04B28/02—Compositions of mortars, concrete or artificial stone, containing inorganic binders or the reaction product of an inorganic and an organic binder, e.g. polycarboxylate cements containing hydraulic cements other than calcium sulfates
- C04B28/04—Portland cements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
- C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2201/00—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values
- C04B2201/50—Mortars, concrete or artificial stone characterised by specific physical values for the mechanical strength
- C04B2201/52—High compression strength concretes, i.e. with a compression strength higher than about 55 N/mm2, e.g. reactive powder concrete [RPC]
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
本发明提供一种利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法,混凝土各组分为:胶凝材料100份,粗骨料155~196份,细骨料132~282份,高效减水剂2.2~2.8份,以及主要由纳米硅灰石粉2~5份、氧化铁空心球2~5份、转炉二次除尘灰1~4份、冷轧废乳化液10~25份、硫酸钠0.0125~0.025份、氧化铁粉0.00625~0.0125份、乙二醇0.0125~0.025份组成的外加剂,水29~32份。制备方法为:先将粗、细骨料混合,加入胶凝材料混合,再加高效减水剂和补充水混合,搅拌后注入混凝土运输车,在加入减水剂和补充水之前或者同时加入经消解处理后的转炉二次除尘灰和经分散处理后的纳米硅灰石粉。本发明通过氧化铁空心球促进纳米材料分散提高纳米固废混凝土的强度,混凝土中冶金固废掺量≥75%,实现冶金固废的高值化利用。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域,特别涉及一种利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法。
背景技术
近年来,研究人员通过不断探索掺加纳米材料改性混凝土的方法,发现纳米材料对混凝土力学和耐久性的提高主要由于其可促进水化,使水化产物均匀、晶体细化、密实,改善界面区,降低孔隙率及使荷载下微裂缝细化等机制。采用纳米组装技术,将纳米材料生长或嫁接到微米级矿物掺合料和纤维上,形成微纳多尺度材料,一方面可以解决纳米材料在较大掺量下仍能均匀分散于混凝土中,另一方面可以通过纤维空间网络、微纳尺度效应和纳米材料对纤维表面的处理来显著改善混凝土的微观结构,变形能力和抗震性远优于普通高强混凝土。纳米材料对混凝土力学和耐久性的增强或改性主要由于其可促进水化,使水化产物均匀、晶体细化、密实,改善界面区,降低孔隙率及孔径,使荷载下微裂缝细化等机制。
微纳米材料能够提高混凝土强度等性能指标,但是在高强度混凝土(C60以上)性能方面表现不明显。
1、一种含粉煤灰的尾矿废石高强混凝土的制备方法(申请号:CN201210238942.4),同时利用采矿废石、选矿尾矿和粉煤灰、脱硫石膏、矿渣等多种固体废弃物,缺点在于要将胶凝材料两次粉磨比表面积到要求,工艺繁琐,耗时费能,工业应用难度大,简单利用废石、尾矿,由于其受到废石强度及压碎值影响,混凝土强度不能够有更大幅度的提高。
2、铁尾矿水泥柱及其制备方法(申请号:CN201510574415.4),将铁尾矿石、河沙、粉煤灰、高炉矿渣、纳米二氧化钛混合制得混凝土。其利用铁矿尾矿废石,采用河沙,而没有利用铁尾矿砂,采用价格昂贵的纳米二氧化钛,用途单一,未能改善混凝土的致密性、抗渗性等方面性能,实用性和经济性差。
上述专利使用一些固体废弃物与纳米材料,但是难以提高混凝土的强度,不适合制备高强固废混凝土。
发明内容
本发明提供一种利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法,利用经除铁处理后的转炉二次除尘灰消解反应微膨胀效应、纳米硅灰石参与的水化反应,以及与其他冶金固废的协同效应;纳米颗粒分散到氧化铁空心球空腔内,得益于氧化铁空心球良好的分散性,纳米颗粒能够更加均匀分散到混凝土中,形成的晶须贯穿于空心球内外,晶须相互交织成网状,进而提高混凝土的强度,满足高强度混凝土的应用性能等要求。
本发明制备的混凝土所用砂石料可完全使用冶金固废,冶金固废在混凝土中掺量≥75%。
为了实现上述发明目的,本发明采取的技术方案如下:
一种利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土,通过氧化铁空心提高纳米混凝土强度,各组分的质量份数为:胶凝材料100份,粗骨料155~196份,细骨料132~282份,高效减水剂2.2~2.8份,以及由纳米硅灰石粉2~5份、氧化铁空心球2~5份、转炉二次除尘灰1~4份、冷轧废乳化液10~25份、氧化铁粉0.00625~0.0125份、硫酸钠0.0125~0.025份、乙二醇0.0125~0.025份组成的外加剂,水29~32份。
进一步的,氧化铁空心球由氧化铁粉烧制形成,氧化铁粉粒径0.1~1μm,形成的氧化铁空心球粒径为4~10μm,空心球内腔直径0.5~5μm。氧化铁空心球具有比表面积大、密度低、易于分散的特点。氧化铁空心球的制备方法为:搅拌器中加入1000份的水和0.8~1.4份的聚丙烯酰胺,在300~400转/分钟转速下搅拌30~35分钟,然后加入氨水3~5份、氧化铁粉90~120份,在3000~3500转/分钟转速下搅拌30~35分钟,形成分散液。把分散液雾化喷入到焙烧炉中,炉温控制在650~750℃,炉底物料破碎得到氧化铁空心球。
进一步的,所述胶凝材料包括水泥75~82份,矿渣微粉6~10份,钢渣微粉4~5份,粉煤灰4~5份,铁尾矿粉3~5份;所述高效减水剂为聚羧酸类、萘基中的一种或两种混合;所述水为混凝土配比用水,包括转炉二次除尘灰消解用水、纳米硅灰石粉分散用冷轧废乳化液所含水、补充用水。
水泥采用普通硅酸盐水泥(P.O),52.5或62.5。矿渣微粉、钢渣微粉细度在400目以上,推荐使用S95及以上级别。粉煤灰要达到Ⅱ级以上标准,粒度达400目以上。铁尾矿粉由铁尾矿粉磨加工而成,粒度达400目以上。所用水泥、矿渣微粉、钢渣微粉具有水硬活性;粉煤灰中玻璃微珠能改善和增强混凝土的结构强度,提高均质性和致密性,大量活性二氧化硅和氧化铝与碱性物质生成水化硅酸钙及水化铝酸钙等胶凝物质,堵塞混凝土的毛细组织,提高抗渗性;铁尾矿粉具有界面表征活性,上述材料均能参与或促进水化产物形成,增强混凝土的抗压强度和抗折强度。
进一步的,所述粗骨料为连续级配的矿山废石石子,粒度范围在5~20mm;细骨料为矿山废石人工砂和铁尾矿砂,其中矿山废石人工砂占比90%~10%,铁尾矿砂占比10%~90%,二者混合形成连续级配,粒径≤5mm。
矿山废石为矿山开采过程排放的剥岩和矿石加工处理后废弃的石块,莫氏硬度为5~7,碎石强度达到石灰岩和玄武岩硬度,强度高,在混凝土中起到骨架和支撑作用。
将矿山废石加工粉碎成20mm及以下尺寸,其中≤5mm的废石人工砂作细骨料;矿山废石石子尺寸在5~20mm作粗骨料,压碎值≤10%,为连续级配,有利于强度提高和泵送。
按照相关行业标准,细骨料细度模数分粗砂3.1~3.7,中砂2.3~3.0,细砂1.6~2.2。本发明细骨料本发明细骨料压碎值≤25%,其中废石人工砂细度模数为2.2~3.6,属中砂或粗砂范围;细骨料中铁尾矿砂分粗细两种,其中粗铁尾矿砂为预选工艺分选出来的废砂石,细度模数为2.1~3.5,达到中砂甚至粗砂范围;细铁尾矿砂为磁铁矿经过磨细通过磁选工艺选铁后的矿石废料,与水搅拌混合经管道排往尾矿库,沉降下来的砂石,细度模数为0.7~1.8,其细度模数小于细砂模数,属极细砂,粒径d≤0.16mm的量8%~20%。细铁尾矿砂界面活性高,促进与胶凝材料的水化反应。
进一步的,转炉二次干法除尘灰是转炉在兑铁水、加废钢、吹炼、出钢、排渣、溅渣护炉过程中产生的二次烟气,一部分为转炉冶炼过程烟气除尘灰,另一部分为料仓原料进入转炉细小颗粒部分随着烟气进入除尘***,约为0.35~0.4kg/t钢,转炉二次干法除尘灰中CaO含量6%~11%,MgO含量3%~6%,粒度5000目以上,粒径为0.1~30μm的占95%以上。本发明的转炉二次除尘灰(以下简称“二次灰”)为转炉二次干法除尘灰经磁选除铁后的除尘灰,转炉二次干法除尘灰除铁率达≥80%。
在混凝土中参与水化反应的主要成分为弥散分布的未消解的f-CaO和f-MgO,继续消解和与胶凝材料水化反应促进混凝土微膨胀,可抵消混凝土凝固过程收缩,与纳米硅灰石粉协同作用,构筑高强度混凝土。
CaO+H2O=Ca(OH)2(放热反应)
MgO+H2O=Mg(OH)2(放热反应,缓慢)
f-CaO与水反应体积膨胀增长98%,f-MgO与水反应体积膨胀增长148%。
在转炉冶炼过程中炉温高于1500℃,炉渣中形成的C3S(硅酸三钙)、C2S(硅酸二钙)、C3A(铝酸三钙)、C4AF(铁铝酸四钙)等成分,部分炉渣微粒在吹炼、出钢、排渣、溅渣护炉过程随着烟气被作为细灰收集,这些成分均能在混凝土中参与水化反应,生成C-S-H凝胶、Ca(OH)2晶体、钙矾石AFt或AFm等水化产物。
进一步的,本发明主要制备C60~C90强度的混凝土。按照混凝土强度级别所需的二次灰量,预先混合搅拌消解6小时以上,水量为二次灰量的2~3倍,促进f-CaO和f-MgO消解反应,消解反应热提前释放。强度级别C60混凝土所需的二次灰量3.8~4.0份,强度级别C70混凝土所需的二次灰量3.0~3.2份,强度级别C80混凝土所需的二次灰量2.0~2.2份,强度级别C90混凝土所需的二次灰量1.0~1.2份。
进一步的,硅灰石是天然形成的晶体材料,是一种链状硅酸盐,选用α-CaSiO3型硅灰石,即低温三斜硅灰石,纳米硅灰石粉为粒径10~100nm,长径比7~20:1,Ca3Si3O9含量≥75%,比表面积在30000m2/kg以上的亲水型材料。
纳米硅灰石粉的大比表面积、吸附效应和高活性,参与混凝土的水化反应,硅灰石纤维交错分布于纳米级C-S-H凝胶中,C-S-H纳米成核使得大孔减少,气泡的孔径均匀,减少混凝土中有害孔,形成更多的无害孔和少害孔(孔径:<20nm为无害孔;20nm~50nm为少害孔;50nm~200nm为有害孔;>200nm为多害孔)。使得混凝土结构更加致密,混凝土断裂韧性提高,增强混凝土的抗裂和抗震能力,使针状AFt、层状C-S-H减少,增强其抗渗性能,耐腐蚀性能提高,同时提高混凝土早期强度和后期强度,并能提高混凝土的抗徐变性能。同时硅灰石的热膨胀系数低,为6.5×10-6mm/(mm.℃),适于制备较小膨胀的混凝土中。
通过纳米硅灰石粉促进二次灰与水泥石界面的水化成分形成和结构紧致,增强其自身活性和碱激发活性。在混凝土水化过程中,水化产物能以硅灰石纤维为晶种,在其纤维上接续生长,同时纳米硅灰石纤维在混凝土中各个方向起到“钉扎”增强、增韧的作用,增加混凝土的抗压强度和抗折强度。
进一步的,为解决纳米硅灰石粉团聚、分散性差的问题,采用冷轧废乳化液分散纳米硅灰石粉的方法,并加入氧化铁空心球。将纳米硅灰石粉、氧化铁空心球与冷轧废乳化液和其他药剂按照如下质量份数配制,纳米硅灰石粉2~5份,氧化铁空心球2~5份,冷轧废乳化液10~25份,氧化铁粉0.00625~0.0125份,硫酸钠0.0125~0.025份,乙二醇0.0125~0.025份。具体分散方法:先将冷轧废乳化液放入搅拌装置中,搅拌速度为800~1200转/分钟,加入氧化铁粉搅拌2~3分钟,再将纳米硅灰石粉和氧化铁空心球各分成等量的3~5份,两者分批次同时加入后持续搅拌,相邻批次间隔3~5分钟;加入硫酸钠,持续搅拌3~5分钟;最后加入乙二醇,搅拌10~15分钟后,把搅拌速度降到100~150转/分钟,再搅拌5~10分钟后停止搅拌,形成分散均匀稳定的纳米硅灰石浆液,纳米硅灰石粉在混凝土机体中分散性好,混凝土的整体性能高。
氧化铁空心球用于纳米混凝土的制备时,纳米颗粒分散到球的空腔内,得益于氧化铁空心球良好的分散性,纳米颗粒能够更加均匀分散到混凝土中。在水化过程中,形成晶须贯穿于球体内外,并且晶须间相互交织,在混凝土内部形成晶须网,对混凝土各方面性能都有提升作用。
冷轧废乳化液以水为主,水含量为96.5%~97.5%,其余2.5%~3.5%由油、乳化剂、抗压剂、抗氧化剂、机械杂质组成,其化学稳定性好,很难进行油水分离,属难处理含油废水,其含有的活性官能团能够吸附纳米硅灰石粉,有利于纳米硅灰石粉的分散。
氧化铁粉粒径为0.1~1μm,纳米硅灰石因其表面能大,容易与氧化铁粉吸附粘结,随着氧化铁粉在溶液中的分散而分散,氧化铁粉能促进混凝土中硫铝酸钙形成。
硫酸钠与纳米硅灰石粉在溶液中共同分散,防止纳米硅灰石粉在混凝土搅拌过程中的团聚。硫酸钠在混凝土凝固过程中能与胶凝材料中水泥、矿渣微粉和钢渣微粉更快地形成水化硫铝酸钙,提高混凝土的早期强度,同时又加速了胶凝材料水化进程,两者作用相互促进。
乙二醇能提高纳米硅灰石浆液的稳定性;乙二醇作为水泥的缓凝剂,可使得水化反应引起的收缩或膨胀内应力在混凝土凝固前得到释放和消解,并能溶解水泥中含有的部分无机盐,水泥中盐分不易渗出,混凝土凝固后更加致密,增强混凝土强度。
本发明提供的一种利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土的方法,先将粗、细骨料在搅拌罐中混合,再加入胶凝材料混合,之后加入高效减水剂和补充水混合,搅拌后注入混凝土运输车,经消解处理后的转炉二次除尘灰和经分散处理后的纳米硅灰石粉两种混合物,在加入高效减水剂和补充水之前或者同时加入到搅拌罐中。
按上述方案利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土具有以下有益效果:
1、制备C60~C90强度混凝土时,常温、常湿条件下养护,制成的混凝土试件养护28d抗压强度83.6~118.4MPa;28d抗折强度9.1~12.8Mpa。
2、采用二次灰和纳米硅灰石粉能有效解决混凝土开裂问题,二次灰中未消解的f-CaO和f-MgO在混凝土凝固过程中继续消解,与胶凝材料水化反应促进混凝土微膨胀,可抵消混凝土凝固过程收缩。
3、混凝土结构更加致密,混凝土断裂韧性提高,增强混凝土的抗裂和抗震能力,增强其抗渗性能,耐腐蚀提高,同时提高混凝土早期强度和后期强度,并能提高混凝土的抗徐变能力,适用于构筑高强度混凝土。
4、纳米硅灰石粉分散到氧化铁空心球内腔,伴随着氧化铁空心球分散,在氧化铁空心球内外形成晶须,在混凝土中形成交织网状的晶须,进而提高混凝土的强度,满足高强度混凝土的应用性能要求。
5、混凝土中冶金固废掺量≥75%,同时增加了粒径d≤0.16mm占比8%~20%的细铁尾矿砂的使用量;混凝土制造成本降低20~70元/m3。
具体实施方式
1、本发明所使用原料成分
表1矿山废石成分范围(单位:%):
成分 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | FeO | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | TFe | CaO | MgO | K<sub>2</sub>O | Na<sub>2</sub>O |
质量分数 | 50~78 | 5~18 | 0.5~8 | 1~8 | 0.3~6 | 2~10 | 1~5 | 0~4 | 0~4 |
莫氏硬度为5~7。
表2铁尾矿(含磁选尾矿及预选工艺尾矿砂)成分范围(单位:%):
成分 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | FeO | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | TFe | CaO | MgO | K<sub>2</sub>O | Na<sub>2</sub>O |
质量分数 | 55~82 | 0.2~9 | 0.5~12 | 2~22 | 5~15 | 0~8 | 0~4 | 0~1.8 | 0~1.8 |
表3炼钢转炉二次干法除尘灰(除铁前)成分范围(单位:%):
成分 | TFe | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | FeO | CaO | MgO | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | C |
质量分数 | 53~66 | 65~75 | 9~13 | 6~11 | 3~6 | 1~3 | 0.1~0.5 | 0.5~3 |
表4转炉二次除尘灰(除铁后)成分范围(单位:%):
成分 | TFe | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | FeO | CaO | MgO | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | C |
数据 | 10.6~13.2 | 13~15 | 1.8~2.6 | 16.2~55 | 8.1~30 | 2.7~15 | 0.3~2.5 | 1.8~15 |
表5氧化铁空心球的典型成分(单位:%):
成分 | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | FeO | SiO<sub>2</sub> | CaO | MgO | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
质量分数 | 98.0~99.4 | 0.08~0.18 | 0.02~0.06 | 0.003~0.07 | 0.006~0.03 | 0.01~0.06 |
氧化铁空心球粒径为4~10μm,空心球内腔直径0.5~5μm。
2、本发明工艺参数
1)本发明二次灰的消解处理方法:按照混凝土强度级别计算添加二次灰量及其份数2~3倍的水量,预先混合促进f-CaO和f-MgO消解反应,时间6小时以上,参见表10。
2)氧化铁空心球制备工艺参数见表6
表6氧化铁空心球制备工艺参数
3)本发明纳米硅灰石粉的分散处理方法:将10~25份的冷轧废乳化液放入搅拌装置中,搅拌速度控制在800-1200转/分钟;加入0.00625~0.0125份的氧化铁粉,搅拌2-3分钟后,将2~5份的纳米硅灰石和2~5份的氧化铁空心球各分成3~5个等份,分批次加入,每批次间隔3-5分钟;再加入硫酸钠0.0125~0.025份,持续搅拌3~5分钟;最后加入0.0125~0.025份的乙二醇,搅拌10~15分钟后,把搅拌速度降到100-150转/分钟,再搅拌5~10分钟后停止搅拌,形成分散均匀稳定的纳米硅灰石浆液。详细工艺参数见表7。
表7纳米硅灰石粉的分散处理工艺参数
4)各强度级别混凝土中转炉二次干法除尘灰中成分含量、粒径范围以及硅灰石中Ca3Si3O9含量,见表8。
表8转炉二次干法除尘灰和硅灰石中部分成分含量和粒径分布(单位:%)
5)细骨料配比方案见表9
表9不同强度级别混凝土细骨料配比方案
6)各部分水量
二次灰量与水发生消解反应,水量为二次灰量的2~3倍(消解反应用水忽略不计)。纳米硅灰石粉2~5份,冷轧废乳化液10~25份(冷轧废乳化液含水率平均值为97%)。
水量=冷轧废乳化液含水+二次灰消解用水+需补充水。
表10各部分水量(单位:份数)
7)各原料的加入方式:粗骨料、细骨料、胶凝材料按照混凝土正常搅拌方式混匀。在生产混凝土时,将经消解处理后的二次灰和分散处理后的纳米硅灰石粉,在加减水剂和补充水之前或者同时加入(实施例1~2是之前加入,实施例3~4是同时加入)。坍落度≥160mm。
3、本发明混凝土配比及性能
实施例1:(混凝土配比方案中单位:份;28d强度单位:MPa)
实施例2:(混凝土配比方案中单位:份;28d强度单位:MPa)
实施例3:(混凝土配比方案中单位:份;28d强度单位:MPa)
实施例4:(混凝土配比方案中单位:份;28d强度单位:MPa)
对比例:(混凝土配比方案中单位:份;28d强度单位:MPa)
注:C60~C90混凝土人工碎石指废石石子(5~20mm);人工砂指废石人工砂(≤5mm);尾矿粉指铁尾矿粉;铁尾矿砂由粗尾矿砂和细尾矿砂按比例混合而成。
通过实施例4与对比例对比,抗压强度提高4.59%,抗折强度提高4.92%。
Claims (9)
1.一种利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土,其特征在于,各组分的质量份数为:胶凝材料100份,粗骨料155~196份,细骨料132~282份,高效减水剂2.2~2.8份,以及由纳米硅灰石粉2~5份、氧化铁空心球2~5份、转炉二次除尘灰1~4份、冷轧废乳化液10~25份、氧化铁粉0.00625~0.0125份、硫酸钠0.0125~0.025份、乙二醇0.0125~0.025份组成的外加剂,水29~32份;胶凝材料包括水泥75~82份,矿渣微粉6~10份,钢渣微粉4~5份,粉煤灰4~5份,铁尾矿粉3~5份;转炉二次除尘灰为转炉二次干法除尘灰经磁选除铁后的除尘灰,转炉二次干法除尘灰中CaO含量6%~11%,MgO含量3%~6%,粒度在5000目以上,其中粒径为0.1~30μm的占95%以上,转炉二次干法除尘灰除铁率达≥80%。
2.根据权利要求1所述的利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土,其特征在于,氧化铁空心球由氧化铁粉烧制形成,氧化铁粉粒径0.1~1μm,形成的氧化铁空心球粒径为4~10μm,空心球内腔直径0.5~5μm。
3.根据权利要求1所述的用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土,其特征在于,高效减水剂为聚羧酸类、萘基中的一种或两种混合;水为混凝土配比用水,包括转炉二次除尘灰消解用水、纳米硅灰石粉分散用冷轧废乳化液所含水、补充用水。
4.根据权利要求1所述的利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土,其特征在于,粗骨料为连续级配的矿山废石石子,粒度范围在5~20mm,莫氏硬度为5~7,压碎值≤10%;细骨料为矿山废石人工砂和铁尾矿砂,压碎值≤25%,其中矿山废石人工砂占比90%~10%,铁尾矿砂占比10%~90%,二者混合形成连续级配,粒径≤5mm;细骨料中废石人工砂细度模数为2.2~3.6,铁尾矿砂分粗细两种,粗铁尾矿砂细度模数为2.1~3.5,细铁尾矿砂细度模数为0.7~1.8,粒径d≤0.16mm的量占细铁尾矿砂量的8%~20%。
5.根据权利要求1所述的利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土,其特征在于,强度级别C60混凝土所需的转炉二次除尘灰量3.8~4.0份,强度级别C70混凝土所需的转炉二次除尘灰量3.0~3.2份,强度级别C80混凝土所需的转炉二次除尘灰量2.0~2.2份,强度级别C90混凝土所需的转炉二次除尘灰量1.0~1.2份。
6.根据权利要求1所述的利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土,其特征在于,纳米硅灰石粉为粒径10~100nm,长径比7~20:1,Ca3Si3O9含量≥75%,比表面积在30000m2/kg以上的亲水型材料。
7.根据权利要求1~6任意一项所述的利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土的方法,先将粗、细骨料在搅拌罐中混合,再加入胶凝材料混合,之后加入高效减水剂和补充水混合,搅拌后注入混凝土运输车,其特征在于,经水解处理后的转炉二次除尘灰和经分散处理后的纳米硅灰石粉两种混合物,在加入高效减水剂和补充水之前或者同时加入到搅拌罐中;
转炉二次除尘灰的消解处理方法为:取转炉二次除尘灰以及其份数2~3倍的水放入搅拌装置混合搅拌6小时以上,促进f-CaO和f-MgO消解反应,
纳米硅灰石的分散处理方法为:将10~25份的冷轧废乳化液放入搅拌装置中开始搅拌,加入0.00625~0.0125份的氧化铁粉,再依次加入2~5份纳米硅灰石粉和2~5份氧化铁空心球,0.0125~0.025份的硫酸钠和0.0125~0.025份的乙二醇,形成分散均匀稳定的纳米硅灰石浆液。
8.根据权利要求7所述的利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土的方法,其特征在于,搅拌装置起始搅拌速度为800~1200转/分钟,加入氧化铁粉搅拌2-3分钟;纳米硅灰石粉和氧化铁空心球分成等量的3~5份,两者分批次同时加入后持续搅拌,相邻批次间隔3~5分钟;加入硫酸钠持续搅拌3~5分钟;最后加入乙二醇,搅拌10~15分钟后,搅拌速度降到100~150转/分钟,再搅拌5~10分钟后停止搅拌。
9.根据权利要求7或8所述的利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土的方法,其特征在于,氧化铁空心球的制备方法为:搅拌器中加入1000份的水和0.8~1.4份的聚丙烯酰胺,在300~400转/分钟转速下搅拌30~35分钟,然后加入氨水3~5份、氧化铁粉90~120份,在3000~3500转/分钟转速下搅拌30~35分钟,形成分散液, 把分散液雾化喷入到焙烧炉中,炉温控制在650~750℃,炉底物料破碎得到氧化铁空心球。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110834436.0A CN113480260B (zh) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | 利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110834436.0A CN113480260B (zh) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | 利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113480260A CN113480260A (zh) | 2021-10-08 |
CN113480260B true CN113480260B (zh) | 2022-09-16 |
Family
ID=77942107
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110834436.0A Active CN113480260B (zh) | 2021-07-21 | 2021-07-21 | 利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113480260B (zh) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101265073A (zh) * | 2008-04-18 | 2008-09-17 | 郑州大学 | 纳米复合硅砖及其制备方法 |
CN102757211A (zh) * | 2012-07-20 | 2012-10-31 | 泰州振昌工业废渣综合利用有限责任公司 | 一种利用特制矿渣和尾料钢渣生产的加气混凝土砌块及其生产方法 |
CN105130495A (zh) * | 2015-07-09 | 2015-12-09 | 浙江长兴银兴窑业有限公司 | 一种高强度轻质硅砖及其制备方法 |
CN107177334A (zh) * | 2017-06-17 | 2017-09-19 | 合肥市晨雷思建筑材料科技有限公司 | 一种具有抗菌功能的填缝剂及其制备方法 |
CN108609875A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-10-02 | 鞍钢股份有限公司 | 一种利用转炉渣制备水泥混合料的方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108046665A (zh) * | 2017-11-09 | 2018-05-18 | 济南大学 | 一种微纳复合空心结构纳米材料改性高耐久性混凝土材料及其制备方法 |
-
2021
- 2021-07-21 CN CN202110834436.0A patent/CN113480260B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101265073A (zh) * | 2008-04-18 | 2008-09-17 | 郑州大学 | 纳米复合硅砖及其制备方法 |
CN102757211A (zh) * | 2012-07-20 | 2012-10-31 | 泰州振昌工业废渣综合利用有限责任公司 | 一种利用特制矿渣和尾料钢渣生产的加气混凝土砌块及其生产方法 |
CN105130495A (zh) * | 2015-07-09 | 2015-12-09 | 浙江长兴银兴窑业有限公司 | 一种高强度轻质硅砖及其制备方法 |
CN107177334A (zh) * | 2017-06-17 | 2017-09-19 | 合肥市晨雷思建筑材料科技有限公司 | 一种具有抗菌功能的填缝剂及其制备方法 |
CN108609875A (zh) * | 2018-05-15 | 2018-10-02 | 鞍钢股份有限公司 | 一种利用转炉渣制备水泥混合料的方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113480260A (zh) | 2021-10-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN110041028A (zh) | 一种利用建筑垃圾的再生混凝土及其制备方法 | |
CN110668750B (zh) | 一种城市地下综合管廊专用高抗渗补偿收缩混凝土及其制备方法 | |
CN110590198A (zh) | 一种钨尾矿胶凝材料及其制备方法 | |
CN114349431B (zh) | 一种复合碱激发锂渣低温早强混凝土及其制备方法 | |
CN111285406A (zh) | 一种氧化铝赤泥与半干法脱硫灰共资源化方法 | |
CN113636806B (zh) | 一种利用冶金固废制备抗渗耐腐蚀混凝土及其方法 | |
CN113045226A (zh) | 一种低成本的固废基胶凝材料 | |
CN112079600A (zh) | 一种泵送用自密实混凝土 | |
CN113461384B (zh) | 一种利用冶金固废制备纳米混凝土及其方法 | |
CN106587675B (zh) | 一种高活性镍渣基水泥混合材及其制备方法 | |
CN109553355A (zh) | 一种c40p12地铁混凝土及其制备方法 | |
CN113480260B (zh) | 利用氧化铁空心球制备高强度纳米固废混凝土及其方法 | |
CN109020397A (zh) | 一种相变储能砂浆及其制备方法 | |
CN113480259B (zh) | 一种利用冶金固废制备高抗裂大体积混凝土及其方法 | |
CN109437769A (zh) | 一种c30p10地铁混凝土及其制备方法 | |
CN109180060B (zh) | 一种增强型混凝土膨胀剂及其制备方法 | |
CN113429179B (zh) | 一种利用冶金固废制备抗裂纳米砂浆及其方法 | |
CN113480329B (zh) | 一种耐摩擦、轻质保温混凝土砌块及其方法 | |
Hu et al. | Preparation and frothing mechanism of froth concrete based on solid waste: A review | |
CN113526926B (zh) | 一种利用冶金固废制备的纳米导电混凝土及其方法 | |
CN109503084A (zh) | 一种c45p6地铁混凝土及其制备方法 | |
CN109553358A (zh) | 一种c45p8地铁混凝土及其制备方法 | |
Zhong et al. | Preparation and alkali excitation mechanism of coal gangue-iron ore tailings non-sintering ceramsite | |
CN114804807B (zh) | 一种全固废软基淤泥固化粉料及其制备方法 | |
Yan et al. | Effect of oxides composition on the mechanical properties of non‐sintered spherical filters from waste steel slag |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |