CN113816623A - 胶凝材料、复合填充体材料、混凝土以及填充体 - Google Patents

胶凝材料、复合填充体材料、混凝土以及填充体 Download PDF

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Abstract

本申请涉及混凝土技术领域，提供了一种胶凝材料、复合填充体材料、混凝土以及填充体，以胶凝材料总重量为100％计，胶凝材料包括如下重量百分比的氧化物：
Figure DDA0003290874850000011
本申请第一方面提供的胶凝材料中的氧化物一方面可以使复合充填体材料浆料凝结，另一方面，相比于普通水泥，可增加填充体的强度。

Description

胶凝材料、复合填充体材料、混凝土以及填充体
技术领域
本申请属于混凝土技术领域，尤其涉及胶凝材料、复合填充体材料、混凝土以及填充体。
背景技术
制备充填体，用于固结尾矿的胶凝材料，人们首先想到的就是水泥。自1824年英国人J.Aspdin首先获得水泥生产专利以来，水泥一直都是现代建筑、施工所使用的用量最大且价格低廉的胶结材料。硅酸盐水泥遇水后，发生复杂的物理反应和化学反应，成为具有可聚性的水泥浆体，随后强度逐渐提高，并发展成坚硬的水泥石，可用来配置满足各种性能的砂浆及混凝土，比如防水混凝土、补偿收缩混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、防辐射混凝土，而且是配制各种砂浆和灌浆材料的原材料。在过去几十年，水泥被大量用于制备矿山充填体。大体而言，充填体料浆中含有70％～85％的固体成分，其中胶凝材料及水泥的含量占整体含量的2％～7％左右，如果矿山充填对早期强度要求更高的话，水泥的含量将提高至10％以上。过去的实际施工经验证明，水泥做胶结材料制备的尾矿充填体可以相对迅速地支撑其周围岩石结构，提高空洞的整体稳定性。然而，水泥制备的充填体也有其不足存在。
尾砂的粒度小于20μm，水泥作为胶凝材料存在两大问题：一是对尾砂、沙土等细粒级和含泥量高的材料固结性能差，充填体达到设计强度消耗量大；二是以水泥料浆易离析泌水、水泥流失严重。因此，以水泥作为胶凝材料，细粒级尾砂由于含泥质量分数较高、粒度细、含水率高，难以高效处置和循环利用。
发明内容
本申请的目的在于提供了一种胶凝材料、复合填充体材料、混凝土以及填充体，旨在解决现有技术现有水泥固结性能差的问题。
为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供了一种胶凝材料，以胶凝材料总重量为100％计，胶凝材料包括如下重量百分比的氧化物：
Na2O 2.71～2.90wt％
MgO 4.43～4.62wt％
Al2O3 7.52～7.71wt％
SiO2 20.00～22.94wt％
SO3 6.00～6.53wt％
CaO 52.12～57.48wt％
Fe2O3 2.45～2.56wt％
ZnO 0.01～0.02wt％。
本申请第一方面提供的胶凝材料中的氧化物一方面可以使复合充填体材料浆料凝结，另一方面，相比于普通水泥，可增加填充体的强度。
第二方面，本申请提供了一种复合填充体材料，包括上述胶凝材料和填充材料混合物，且填充材料与胶凝材料的重量比为4～14:48～63。
本申请第二方面提供的复合填充体材料，以填充材料与胶凝材料的重量比为4～14：48～63进行复配使用，改善了混凝土的流动性和填充体的强度，提高了填充材料之间的粘结性以及韧性。
第三方面，本申请提供了一种混凝土，包括上述复合填充体材料和水经混合处理得到混凝土。
本申请提供的混凝土，一方面混凝土流动性良好，可在管道中运输，可用作浇筑材料，也可用作填充矿山的填充体。
第四方面，本申请提供了一种填充体，由包括上述混凝土经凝固处理得到填充体。
本申请提供的填充体在满足填充强度条件下，可用于采场填充领域。
附图说明
图1本发明实施例中60％填充材料下细粒级尾砂和胶凝材料不同复配比的折线图；
图2本发明实施例中62％填充材料下细粒级尾砂和胶凝材料不同复配比的折线图；
图3本发明实施例中70％填充材料下细粒级尾砂和胶凝材料不同复配比的折线图；
图4本发明实施例中不同浓度的填充材料、不同细粒级尾砂和胶凝材料复配比的R7强度平均值折线图；
图5本发明实施例中不同浓度的填充材料、不同细粒级尾砂和胶凝材料复配比的R28强度平均值折线图；
图6本发明实施例中63％填充材料下不同复配比胶凝材料和水泥强度对比折线图；
图7本发明实施例中64％填充材料下不同复配比胶凝材料和水泥强度对比折线图；
图8本发明实施例中67％填充材料下不同复配比胶凝材料和水泥强度对比折线图；
图9本发明实施例中68％填充材料下不同复配比胶凝材料和水泥强度对比折线图；
图10本发明实施例中69％填充材料下不同复配比胶凝材料和水泥强度对比折线图；
图11本发明实施例中浓度、灰砂比与扩散度关系图。
具体实施方式
为了使本申请要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请中，术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，“a,b,或c中的至少一项(个)”，或，“a,b,和c中的至少一项(个)”，均可以表示：a,b,c,a-b(即a和b),a-c,b-c,或a-b-c，其中a,b,c分别可以是单个，也可以是多个。
应理解，在本申请的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，部分或全部步骤可以并行执行或先后执行，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本申请实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本申请实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本申请实施例说明书公开的范围之内。具体地，本申请实施例说明书中所述的质量可以是μg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用来将目的如物质彼此区分开，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XX也可以被称为第二XX，类似地，第二XX也可以被称为第一XX。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本申请实施例第一方面提供一种胶凝材料，以胶凝材料总重量为100％计，胶凝材料包括如下重量百分比的氧化物：
Na2O 2.71～2.90wt％
MgO 4.43～4.62wt％
Al2O3 7.52～7.71wt％
SiO2 20.00～22.94wt％
SO3 6.00～6.53wt％
CaO 52.12～57.48wt％
Fe2O3 2.45～2.56wt％
ZnO 0.01～0.02wt％。
其中，胶凝材料中的氧化物可使复合充填体材料浆料凝结，且相比于普通水泥作为胶凝材料，本申请实施例可增加填充体的强度。
在具体实施例中，以胶凝材料总重量为100％计，胶凝材料可以包括如下重量百分比的氧化物，
Na2O 2.80wt％
MgO 4.58wt％
Al2O3 7.62wt％
SiO2 21.94wt％
SO3 6.33wt％
CaO 54.16wt％
Fe2O3 2.56wt％
ZnO 0.01wt％
可进一步提高填充体的强度。
在一些实施例中，胶凝材料虽由多种固体干(微)粉混合而成，并且大于95wt％胶凝材料的真密度在2.8～3.05g/cm3范围内，细度在250～350目范围内，小于95wt％胶凝材料真密度2.1～2.7g/cm3范围内，细度在80～100目范围内，确保胶凝材料在管道气力输送过程中，不会出现明显的粉体离析。
本申请实施例第二方面提供了一种复合充填体材料，包括填充材料和胶凝材料的混合物，且填充材料与胶凝材料的重量比为4～14:48～63，改善了混凝土的流动性和填充体的强度，提高了填充材料之间的粘结性以及韧性。
在一些实施例中，填充材料包括尾砂，且尾砂的粒径小于20μm。本申请实施例填充体复合材料以采矿过程中得到的尾砂作为原料，并且协同加入胶凝材料进行复配使用，通过添加胶凝材料，复合充填体材料的强度达到了填充要求，且改善了以尾砂作为填充骨料的填充体复合材料的流动性，因此，促进了尾砂作为填充骨料的使用，为尾砂的高效处置和循环利用提供了一条途径。
进一步的，尾砂包括细粒级尾砂，且细粒级尾砂和胶凝材料的重量比值为1:4～1:9，细粒级尾砂由于含泥质量分数较高、粒度细、含水率高，难以高效处置和循环利用，本申请实施例的填充体复合材料以采矿过程中得到的尾砂作为原料，改善了以细粒级尾砂作为填充骨料的填充体复合材料的流动性，因此，促进了细粒级尾砂作为填充骨料的使用，为尾砂的高效处置和循环利用提供了一条途径。
本申请实施例第三方面提供了一种混凝土，包括上述本申请实施例复合填充体材料和水经混合处理得到的混凝土，本申请实施例提供的混凝土流动性良好，可在管道中运输，可用作浇筑材料，亦可用作填充矿山的填充体。
在一些实施例中，在上述技术方案的基础上，为了进一步提高混凝土的在管道运输中的流动性，研究人员将复合填充体材料制成混凝土，并测量了混凝土的扩散度，研究结果表明，本申请实施例混凝土的扩散度在110～286mm范围内，可提高其自然流动性，且不需要采用泵的方式对其进行运输。需要解释地，测定扩散度主要是为了掌握充填混凝土流动性、并辅以直观经验评定粘聚性和保水性。扩散度是从混凝土借用来的概念，扩散度试验目前国内外从试验设备、试验方法、测读数据等诸方面尚不能做到统一化、规范化。本试验采用目前较通用的“扩散筒法”，它的试验设备、方法简单，试验数据一定程度上也能够反映混凝土的流动特性。
在一些实施例中，为进一步改善尾砂和胶凝材料作为混凝土的流动性，复合填充体材料与水按照重量比为6:4～7:3进行混合处理进行混合处理。
进一步的，当复合填充体材料与水重量比67:33、68:32、69:31时，尾砂和胶凝材料作为填充体复合体的混凝土可获得良好的流动性。
本申请实施例第四方面提供了一种填充体。本申请实施例填充体由包括上述本申请实施例混凝土经凝固处理得的填充体，填充体可广泛地应用到建筑或混凝土技术领域中，其中，上述本申请实施例混凝土可先浇筑处理之后凝固形成填充体。
在一些实施例中，为进一步提高填充体的强度，研究人员对填充体的强度进行了研究，研究表明，填充体3天强度在0.37～1.37MPa范围内，28天强度在2.2～5.6MPa范围内，符合填充行业对填充体的强度的要求。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
试验所使用的设备及工具包括：工业桶、搅拌机、单轴压力机、电子秤、标准养护箱、70.7×70.7×70.7mm三联砂浆试模以及相匹配的模套、烘干箱、流动度试模、500×500mm玻璃板、凝结时间用圆模、100×100mm玻璃片、水泥凝结时间测定仪、水桶、药匙、玻璃棒、胶头滴管、铁盘、铁锨、钢尺、捣棒、抹布等。
S0、复合填充体材料的制备
S010、测量骨料含水率：
提前称量干燥的铁盘的质量，然后用铁盘取出适量的细粒级尾砂样品并称量其湿容重，放进烘干箱进行烘干，24h后把铁盘连同干燥的细粒级尾砂样品一并取出，再次称量其容重，计算含水量C；根据含水量C计算称重水的质量和尾砂的质量。
S020、称量物料
用电子秤单独称量细粒级尾砂120g+C、胶凝材料480g、水400g-C，其中，称量的精度：胶凝材料和水为±0.5％；细粒级尾砂为±1％；
S030、制备混凝土
先将称量好的400g-C水倒入搅拌桶中，加入胶凝材料480g，慢搅1min。然后加入细粒级尾砂尾砂120g+C，继续慢搅2min。再将搅拌桶底部由于搅拌机作用压实的结底固体物料刮起来并打散。再快搅1min，混凝土制备完成。
S1、将混凝土进行成型处理，形成混凝土浇筑体
S110、模具准备
制模前，应大致计算本次实验所需模具数量，并按照配比分类不同分列摆放于光滑平整的地板或木板上，并在试模内表面涂一薄层矿物油，在模具上放上模套；
S120、浇模
拌制好的混凝土先搅拌三次，再将混凝土缓慢倒入试模。混合好的混凝土分两层装入模内，每层装料厚度大致相等，约为模具的一半。填充的混凝土要略高出模具顶面，以避免充填混凝土固化后收缩导致试件不规整。其中，每次加入的混凝土要用捣棒按螺旋方向从边缘向中心均匀进行插捣。在插捣底层混凝土时，捣棒要到达试模底部；插捣上层时，捣棒应要贯穿上层后***下层20～30mm。然后用抹刀沿试模内壁插拔数次。插捣后用橡皮锤轻轻敲击试模四周，直至捣棒留下的空洞消失为止。
S2、对混凝土浇筑体进行凝固处理，得到试件
S210、待混凝土不再泌水后，摘掉模套，再将试件表面刮平，震实和抽气处理，待试件终凝后，使用喷枪拆模，清点试件，对试件进行编号，以及统计其组成。
S220、试件成型后立即用不透水的薄膜覆盖表面。
S3、试件养护
S310、干湿循环养护的方法包括对混凝土浇筑体循环进行湿处理和干处理，且干湿循环养护时间为28d；在恒温温度20℃，湿度90％下，且保持试件表面湿润，保湿24h，防止试件开裂；在温度50℃下，对试件干燥12h，以确保试件能够成型。
实施例2至实施例60
通过改变填充材料的浓度以及细粒级尾砂和胶凝材料的比值，按照实施例1中的方式制备混凝土和试件。其中，实施例2至实施例60填充材料的浓度以及细粒级尾砂和胶凝材料的比值情况，请参考表1所示，需要解释地，表中灰砂比表示细粒级尾砂和胶凝材料的比值。
对照例1至对照例60
通过改变填充材料的浓度以及细粒级尾砂和水泥的比值，按照实施例1中的方式制备浆料和试件。其中，对照例1至对照例60填充材料的浓度以及细粒级尾砂和水泥的比值情况，请参考表2所示，需要解释地，表中灰砂比为细粒级尾砂和水泥的比值。
对试件进行强度性质测试
对实施例1至实施例60以及对照例1至对照例60中凝固形成的试件进行7d和30d的强度测试，其中，测试仪器：单轴压力机，测试方式如下：
将试件从养护地点取出后清点数量，及时进行试验，将试件表面与上下承压版面擦净。将试件安放在试验机的垫块上，试件的承压面与成型时的顶面垂直。时间的中心与试验机下垫块的中心对准，开动试验机。在试验过程中连续均匀地加荷，直至试件破坏，然后记录破坏荷载，试验完清洁试验机，测试结果，请参见表1至2所示。
表1实施例1至实施例60各组分含量情况以及强度实验统计结果
Figure BDA0003290874830000091
Figure BDA0003290874830000101
Figure BDA0003290874830000111
表2对照例1至对照例60各组分含量情况以及强度实验统计结果
Figure BDA0003290874830000112
Figure BDA0003290874830000121
其中，根据表1至2以及结合图1至3可以看出：①细粒级尾砂充填室内试验，同一浓度混凝土，其强度随着灰砂比的增加而上升；
根据表1至2以及结合和图4至5可以看出：②相同灰砂比的混凝土，其强度也会随着浓度增加而增大；
根据表1至2以及结合和图6至10可以看出：③与P.O42.5R水泥相比，采用胶凝材料所配的混凝土无论是7天强度还是28天强度，都大幅增加。
对混凝土进行流动性能测试
将实施例3、实施例6、实施例21、实施例24、实施例33、实施例39、实施例51、实施例59，以及将对照例3、对照例6、对照例21、对照例24、对照例33、对照例39、对照例51、对照例59提供的混凝土进行扩散度测定。
扩散度的测试方法为：采用小型扩散筒在一块标有刻度的玻璃板上进行，玻璃板表面光滑平整，其扩散筒为圆柱形桶，上、下口内径为8cm，高度为8cm。试验步骤：首先用抹布把扩散筒内壁及边缘擦拭干净，并将其放在水平、洁净的玻璃板上，将配比好的混凝土从扩散筒上口倒入，用钢尺将上口刮平后，迅速将扩散筒垂直提起，混凝土将在玻璃板上扩散成一个圆，通过测定二个垂直方向的圆直径，其平均值即为该混凝土的扩散度。实验结果，请参见表3至4所示。
表3实施例3、实施例6、实施例21、实施例24、实施例33、实施例39、实施例51、实施例59各组分含量情况以及扩散度实验统计结果
Figure BDA0003290874830000131
表4对照例3、对照例6、对照例21、对照例24、对照例33、对照例39、对照例51、对照例59各组分含量情况以及扩散度实验统计结果
对照例编号 浓度(wt％) 灰砂比 水泥扩散度(mm)
对照例3 60 1:6 200
对照例6 60 1:9 170
对照例21 63 1:6 110
对照例24 63 1:9 95
对照例33 66 1:6 95
对照例39 66 1:9 90
对照例51 69 1:6 90
对照例54 69 1:9 90
其中，从表3至4和图11可以看出：①无论是胶凝材料还是P.O42.5R水泥，其流动性随着浓度的提高而降低，同时，随着灰砂比的降低，其流动也逐渐降低；②相同浓度与配比，胶凝材料相对P.O42.5R水泥流动性优势明显；③胶凝材料与水泥在浓度分别达到67％与63％以后，在试验过程中基本失去流动性，呈固态状。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种胶凝材料，其特征在于，以胶凝材料总重量为100％计，所述胶凝材料包括如下重量百分比的氧化物：
Figure FDA0003290874820000011
2.如权利要求1所述胶凝材料，其特征在于，所述胶凝材料的真密度为2.8～3.05g/cm3，比表面积为370～390m2/kg，细度为250～350目，堆积密度1.468～1.470g/cm3。
3.如权利要求1所述胶凝材料，其特征在于，以所述胶凝材料总重量为100％计，所述胶凝材料包括如下重量百分比的氧化物，
Figure FDA0003290874820000012
4.一种复合填充体材料，其特征在于，包括权利要求1-3任一所述胶凝材料和填充材料混合物，且所述填充材料与所述胶凝材料的重量比为4～14：48～63。
5.如权利要求4所述复合填充体材料，其特征在于，所述填充材料包括尾砂，且所述尾砂的粒径小于20μm。
6.一种混凝土，其特征在于，包括权利要求4或5所述复合填充体材料和水经混合处理得到的混凝土。
7.如权利要求6所述混凝土，其特征在于，所述混凝土的扩散度在110～286mm范围内。
8.如权利要求7所述混凝土，所述复合填充体材料与水按照重量比为6:4～7:3进行混合处理。
9.一种填充体，其特征在于，由包括权利要求6-8任一项所述混凝土经凝固处理得到的填充体。
10.根据权利要求9所述填充体，其特征在于，所述填充体7天强度在0.3～6.0MPa，28天强度在0.4～8.7MPa。
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