CN116102278A - 一种花岗岩基矿物掺合料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种花岗岩基矿物掺合料及其制备方法与应用，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法包括如下步骤：(1)花岗岩切割尾料依次经破碎处理与压滤处理，得到花岗岩颗粒；(2)第一球磨混合钢材酸洗废液与步骤(1)所得花岗岩颗粒，得到活化花岗岩石粉；(3)第二球磨混合无水石膏与步骤(2)所得活化花岗岩石粉，得到所述花岗岩基矿物掺合料。本发明对花岗岩切割尾料进行破碎、压滤、球磨以及化学改性，制得的花岗岩基矿物掺合料含水率低、粒度小且活性高，进一步制得混凝土的抗压强度较高，实现了花岗岩切割尾料的高值化与资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料制备技术领域，具体涉及一种花岗岩基矿物掺合料及其制备方法与应用。
背景技术
在花岗岩石材加工和生产机制砂的过程中，通常会产生大量的切割尾料。切割尾料是一种由石粉、石屑和水组成的混合物，难以处理且存量巨大，目前只能集中回收进行堆积处理，对生态环境产生了不利影响，同时造成了土地资源的浪费。如果采用石材切割尾料作为混凝土用矿物掺合料，不仅能为混凝土行业提供来源广泛的矿物掺合料，还能解决石材切割尾料堆积造成的环境问题。然而，花岗岩的化学成分稳定，掺入混凝土中并不参与水化反应，其化学成分也不能溶解，因此花岗岩在混凝土中一般起物理填充作用。
CN 113402231A公开了一种利用石材锯泥生产预拌混凝土的方法，该方法对堆场存放的锯泥进行预处理，去除锯泥里面的石块和杂物。然后选取含水率为20-35％、亚甲蓝数值小于1.0、含砂率为15-25％、含粉率为40-65％的锯泥颗粒，采用所述锯泥颗粒取代煤灰和部分细砂的方式，在配比中替代部分或全部煤灰用量，其余的用来取代部分砂，生产出满足要求的各等级混凝土。但该方法直接利用锯泥颗粒作为矿物掺合料和砂使用，仅发挥了物理填充作用，未能充分其在混凝土中的化学作用，难以配制出高强度的混凝土。
CN 104844081A公开了一种以花岗岩石粉为主要矿物掺合料的混凝土，混凝土其原料配比为：水161-215重量份，水泥234重量份，天然砂730-752重量份，碎石1095-1127重量份，花岗岩石粉18-63重量份，粉煤灰108-63重量份，外加剂0-3.6重量份，花岗岩石粉和粉煤灰的总重量份为126份。该方法采用花岗岩石粉和粉煤灰作为掺合料，得到满足强度要求的混凝土，但花岗岩石粉占总原料的用量最高仅为17.5％，并不能实现大规模消纳的目的。
CN 106396453A公开了一种改性花岗岩石粉掺合料及其制备方法，所述改性花岗岩石粉掺合料按重量百分比计，其原料包括花岗岩石粉、无机改性剂和助磨剂，其中花岗岩石粉和无机改性剂的质量比例为：花岗岩石粉80-85份，无机改性剂15-20份，二者质量合计100份，助磨剂质量占花岗岩石粉和无机改性剂质量之和的0.1-0.3％。该发明引入改性剂制备改性花岗岩石粉掺合料，但改性剂的制备工艺复杂，且需要消耗较多的氧化物原料，成本较高。
针对现有技术的不足，需要提供一种能够大量消纳花岗岩石切割尾料、成本低且制得矿物掺合料活性高的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种花岗岩基矿物掺合料及其制备方法与应用，通过对花岗岩切割尾料进行破碎、压滤、球磨以及化学改性，使花岗岩中有效化学成分部分溶解，形成能促进水泥水化的化学添加剂，同时利用花岗岩石粉的物理填充作用，将制得的较高活性的花岗岩基矿物用于混凝土中，可显著提高其力学性能。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种花岗岩基矿物掺合料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)花岗岩切割尾料依次经破碎处理与压滤处理，得到花岗岩颗粒；
(2)第一球磨混合钢材酸洗废液与步骤(1)所得花岗岩颗粒，得到活化花岗岩石粉；
(3)第二球磨混合无水石膏与步骤(2)所得活化花岗岩石粉，得到所述花岗岩基矿物掺合料。
本发明首先将花岗岩切割尾料破碎得到细颗粒浆液，不仅可以提高下一步球磨的效率，也能防止大块花岗岩切割尾料堵塞尾矿污泥压滤机管道；然后通过压滤降低花岗岩细颗粒的含水率，可替代花岗岩细颗粒烘干的步骤，降低生产成本；进一步通过球磨处理可以得到更小粒径的花岗岩石粉，提高花岗岩石粉在混凝土中的物理填充作用；采用钢铁酸洗废液混磨，使花岗岩颗粒表面部分溶解，生成了参与或促进水泥水化反应的化学成分，提高了花岗岩的化学活性，还能使花岗岩石粉表面变得粗糙不平，与水泥水化产物的搭接更牢固，形成的水泥石结构更紧密；在粉磨过程中加入无水石膏，可与花岗岩颗粒中的水产生化学反应，降低其含水率。上述部分溶解的化学成分、未完全反应掉的钢铁酸洗废液、生成的二水石膏均参与或促进了水泥水化反应，使得花岗岩基矿物掺合料成为了一种高活性的矿物掺合料，极大的促进了其在混凝土中的应用。
优选地，步骤(1)所述破碎处理的转速为2330-2350r/min，例如可以是2330r/min、2335r/min、2340r/min、2345r/min或2350r/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述破碎处理的功率为3kw。
优选地，步骤(1)所述压滤处理在尾矿污泥压滤机中进行。
优选地，步骤(1)所述花岗岩颗粒的平均粒度为80-100目，例如可以是80目、85目、90目、95目或100目，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述花岗岩颗粒的含水率＜5％，例如可以是4.9％、4.5％、4％、3％或2％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述花岗岩颗粒与钢材酸洗废液的质量比为(95-105):1，例如可以是95:1、98:1、100:1、102:1或105:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述钢材酸洗废液中的酸包括硝酸与氢氟酸。
优选地，步骤(2)所述钢材酸洗废液中酸的质量浓度为8-12％，例如可以是8％、9％、10％、11％或12％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
所述钢铁酸洗废液中主要含H+、F-、NO3 -、Fe2+、Cr3+、Ni2+等离子，而花岗岩主要成分为钾长石、钠长石、石英、云母等，通过将低含水率的花岗岩细颗粒与钢铁酸洗废液一同球磨，使得钢铁酸洗废液中的氢氟酸首先与花岗岩产生化学反应，过程如下：
SiO2+HF→SiF4↑+H2O
NaAlSi3O8+HF→Na2SiF6+Al2(SiF6)3
KAlSi3O8+HF→K2SiF6+Al2(SiF6)3
化学反应得到的Na2SiF6、Al2(SiF6)3、K2SiF6以及钢铁酸洗废液中的NO3-、Fe2+都能参与或促进水泥的水化反应，生成更多的水泥水化产物，进而增加混凝土的强度和密实性。
优选地，步骤(2)所述第一球磨混合的转速为55-65r/min，例如可以是55r/min、58r/min、60r/min、62r/min或65r/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第一球磨混合的时间为0.9-1.1h，例如可以是0.9h、0.95h、1h、1.05h或1.1h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第一球磨混合的功率为3kw。
优选地，步骤(3)所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比为(0.4-0.6):1，例如可以是0.4:1、0.45:1、0.5:1、0.55:1或0.6:1，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
经前期的破碎、压滤、球磨和钢铁酸洗废液处理后，花岗岩颗粒的含水率依然高于1％，颗粒易团聚，不利于运输。在球磨过程中加入无水石膏，可与花岗岩颗粒中的水产生化学反应生成二水石膏，使花岗岩颗粒的含水率降低到1％以内；另外，生成的二水石膏可以参与水泥水化反应，生产更多钙矾石晶体，增加混凝土的强度。
优选地，步骤(3)所述第二球磨混合的转速为75-85r/min，例如可以是75r/min、78r/min、80r/min、82r/min或85r/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述第二球磨混合的时间为0.9-1.1h，例如可以是0.9h、0.95h、1h、1.05h或1.1h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
作为本发明第一方面所述的制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)花岗岩切割尾料依次在功率3kw、转速2330-2350r/min下进行破碎处理、尾矿污泥压滤机中进行压滤处理，得到平均粒度为80-100目、含水率＜5％的花岗岩颗粒；
(2)在功率3kw、转速55-65r/min下第一球磨混合质量比为(95-105):1的步骤(1)所得花岗岩颗粒与钢材酸洗废液0.9-1.1h，得到活化花岗岩石粉；所述钢材酸洗废液中的酸包括硝酸与氢氟酸；所述钢材酸洗废液中酸的质量浓度为8-12％；
(3)75-85r/min下第二球磨混合无水石膏与步骤(2)所得活化花岗岩石粉0.9-1.1h，得到所述花岗岩基矿物掺合料；所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比为(0.4-0.6):1。
第二方面，本发明提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料通过第一方面所述的制备方法制备得到。
所述花岗岩基矿物掺合料的平均粒度为800-1250目，例如可以是800目、900目、1000目、1100目或1250目，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
所述花岗岩基矿物掺合料的含水率＜1％，例如可以是0.9％、0.7％、0.5％、0.3％或0.1％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
第三方面，本发明提供了一种如第二方面所述花岗岩基矿物掺合料的应用，所述花岗岩基矿物掺合料用于制备混凝土。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的制备方法，通过对花岗岩切割尾料进行破碎、压滤、球磨以及化学改性，使花岗岩中有效化学成分部分溶解，形成能促进水泥水化的化学添加剂，同时提高了花岗岩石粉的表面粗糙度，与水泥水化产物的搭接更牢固，制得的花岗岩基矿物掺合料含水率低、粒度小且活性高，结合花岗岩基矿物掺合料的物理填充作用，制备得到的混凝土28d抗压强度可达39.6MPa，实现了花岗岩切割尾料的高值化与资源化利用。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法包括如下步骤：
(1)花岗岩切割尾料依次在功率3kw、转速2330r/min下进行破碎处理、尾矿污泥压滤机中进行压滤处理，得到平均粒度为80目、含水率为3.6％的花岗岩颗粒；
(2)在功率3kw、转速60r/min下第一球磨混合质量比为100:1的步骤(1)所得花岗岩颗粒与钢材酸洗废液1h，得到活化花岗岩石粉；所述钢材酸洗废液中的酸包括硝酸与氢氟酸；所述钢材酸洗废液中酸的质量浓度为10％；
(3)80r/min下第二球磨混合无水石膏与步骤(2)所得活化花岗岩石粉1h，得到平均粒度为800目、含水率为0.2％的花岗岩基矿物掺合料；所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比为0.5:1。
实施例2
本实施例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法包括如下步骤：
(1)花岗岩切割尾料依次在功率3kw、转速2350r/min下进行破碎处理、尾矿污泥压滤机中进行压滤处理，得到平均粒度为100目、含水率为4.2％的花岗岩颗粒；
(2)在功率3kw、转速65r/min下第一球磨混合质量比为95:1的步骤(1)所得花岗岩颗粒与钢材酸洗废液0.9h，得到活化花岗岩石粉；所述钢材酸洗废液中的酸包括硝酸与氢氟酸；所述钢材酸洗废液中酸的质量浓度为12％；
(3)85r/min下第二球磨混合无水石膏与步骤(2)所得活化花岗岩石粉0.9h，得到平均粒度为1250目、含水率为0.3％的花岗岩基矿物掺合料；所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比为0.4:1。
实施例3
本实施例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法包括如下步骤：
(1)花岗岩切割尾料依次在功率3kw、转速2340r/min下进行破碎处理、尾矿污泥压滤机中进行压滤处理，得到平均粒度为90目、含水率为4.5％的花岗岩颗粒；
(2)在功率3kw、转速55r/min下第一球磨混合质量比为105:1的步骤(1)所得花岗岩颗粒与钢材酸洗废液1.1h，得到活化花岗岩石粉；所述钢材酸洗废液中的酸包括硝酸与氢氟酸；所述钢材酸洗废液中酸的质量浓度为8％；
(3)75r/min下第二球磨混合无水石膏与步骤(2)所得活化花岗岩石粉1.1h，得到平均粒度为1000目、含水率为0.5％的花岗岩基矿物掺合料；所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比为0.6:1。
实施例4
本实施例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(2)所述花岗岩颗粒与钢材酸洗废液的质量比调整为90:1外，其余均与实施例1相同。
实施例5
本实施例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(2)所述花岗岩颗粒与钢材酸洗废液的质量比调整为110:1外，其余均与实施例1相同。
实施例6
本实施例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(3)所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比调整为0.3:1外，其余均与实施例1相同。
实施例7
本实施例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(3)所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比调整为0.8:1外，其余均与实施例1相同。
对比例1
本对比例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法与实施例1的区别在于，将步骤(2)所述钢材酸洗废液等质量替换为单一硝酸，其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法与实施例1的区别在于，步骤(2)所述第一球磨混合中不加入钢材酸洗废液，其余均与实施例1相同。
对比例3
本对比例提供了一种花岗岩基矿物掺合料，所述花岗岩基矿物掺合料的制备方法与实施例1的区别在于，步骤(3)所述第二球磨混合中不加入无水石膏，其余均与实施例1相同。
将实施例1-7以及对比例1-3提供的花岗岩基矿物掺合料按照表1中混凝土的组分和重量份配比制备混凝土，所得混凝土按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行28d抗压强度性能测试，所得结果如表2所示。
表1
| 硅酸盐水泥 | 花岗岩基矿物掺合料 | 中粗河砂 | 5-31.5石子 | 减水剂 | 水 |
| 343 | 96 | 752 | 1039 | 4.8 | 164 |
表2
| 28d抗压强度(MPa) | |
| 实施例1 | 37.1 |
| 实施例2 | 39.6 |
| 实施例3 | 38.5 |
| 实施例4 | 31.4 |
| 实施例5 | 33.2 |
| 实施例6 | 35.0 |
| 实施例7 | 33.6 |
| 对比例1 | 26.5 |
| 对比例2 | 22.9 |
| 对比例3 | 24.8 |
通过表2可以看出，本发明提供的花岗岩基矿物掺合料经钢铁酸洗废液球磨溶解活化和足量无水石膏球磨吸水活化处理，含水率降低至规范指标内，制得的混凝土与采用Ⅱ级粉煤灰替代花岗岩基矿物掺合料制得混凝土的28d抗压强度较为接近，符合规范要求；
由实施例1与实施例4、5以及对比例2对比可知，第一球磨混合中钢材酸洗液过少，花岗岩颗粒的溶解活化效果下降，从而降低混凝土的抗压强度；钢材酸洗液过多，也会一定程度降低混凝土的抗压强度；由实施例1与实施例6、7以及对比例3对比可知，无水石膏的用量过少，使活化花岗岩石粉的含水量不能得到有效减少，导致含水率超标，所制备的混凝土28d抗压强度降低，用量过多，同样使得混凝土的抗压强度有所下降；
由实施例1与对比例1对比可知，采用单一的硝酸活化溶解花岗岩颗粒，无法与花岗岩中的矿物组分发生有效的化学反应，进一步降低了活化效果，导致混凝土抗压强度有所下降。
综上所述，本发明提供的制备方法，通过对花岗岩切割尾料进行破碎、压滤、球磨以及化学改性，使花岗岩中有效化学成分部分溶解，形成能促进水泥水化的化学添加剂，同时提高了花岗岩石粉的表面粗糙度，与水泥水化产物的搭接更牢固，制得的花岗岩基矿物掺合料含水率低、粒度小且活性高，结合花岗岩基矿物掺合料的物理填充作用，制备得到的混凝土28d抗压强度可达39.6MPa，实现了花岗岩切割尾料的高值化与资源化利用。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种花岗岩基矿物掺合料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)花岗岩切割尾料依次经破碎处理与压滤处理，得到花岗岩颗粒；
(2)第一球磨混合钢材酸洗废液与步骤(1)所得花岗岩颗粒，得到活化花岗岩石粉；
(3)第二球磨混合无水石膏与步骤(2)所得活化花岗岩石粉，得到所述花岗岩基矿物掺合料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述破碎处理的转速为2330-2350r/min；
优选地，步骤(1)所述压滤处理在尾矿污泥压滤机中进行；
优选地，步骤(1)所述花岗岩颗粒的平均粒度为80-100目；
优选地，步骤(1)所述花岗岩颗粒的含水率＜5％。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述花岗岩颗粒与钢材酸洗废液的质量比为(95-105):1。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述钢材酸洗废液中的酸包括硝酸与氢氟酸；
优选地，步骤(2)所述钢材酸洗废液中酸的质量浓度为8-12％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第一球磨混合的转速为55-65r/min；
优选地，步骤(2)所述第一球磨混合的时间为0.9-1.1h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比为(0.4-0.6):1。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述第二球磨混合的转速为75-85r/min；
优选地，步骤(3)所述第二球磨混合的时间为0.9-1.1h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)花岗岩切割尾料依次在2330-2350r/min转速下进行破碎处理、尾矿污泥压滤机中进行压滤处理，得到平均粒度为80-100目、含水率＜5％的花岗岩颗粒；
(2)55-65r/min下第一球磨混合质量比为(95-105):1的步骤(1)所得花岗岩颗粒与钢材酸洗废液0.9-1.1h，得到活化花岗岩石粉；所述钢材酸洗废液中的酸包括硝酸与氢氟酸；所述钢材酸洗废液中酸的质量浓度为8-12％；
(3)75-85r/min下第二球磨混合无水石膏与步骤(2)所得活化花岗岩石粉0.9-1.1h，得到所述花岗岩基矿物掺合料；所述无水石膏与活化花岗岩石粉中水的摩尔比为(0.4-0.6):1。
9.一种花岗岩基矿物掺合料，其特征在于，所述花岗岩基矿物掺合料通过权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到；
所述花岗岩基矿物掺合料的平均粒度为800-1250目；
所述花岗岩基矿物掺合料的含水率＜1％。
10.一种如权利要求9所述花岗岩基矿物掺合料的应用，其特征在于，所述花岗岩基矿物掺合料用于制备混凝土。
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