CN117361975A - 高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土及其制备方法。本发明利用改性处理得到的铁尾矿特细砂作为骨料，基于堆积密度和基体断裂韧度的设计、纤维‑基体界面粘结性能的调控和微观力学模型的应用，通过调整原料和配比制备得到一种低碳环保、力学性能优异的应***化和微裂缝开裂的高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，实现固体废弃物铁尾矿砂的资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及水泥基建筑材料技术领域，尤其是涉及一种高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土及其制备方法。
背景技术
铁尾矿是铁矿生产过程中产生的固体废弃物，每年矿山和钢铁企业排出大量尾矿，但是尾矿的综合利用率仅到7％。
目前铁尾矿砂的处理多采用集中堆放的形式，不仅占用大量的土地资源，而且其中的重金属物质可能对地下水资源或者土壤产生较大的危害，严重破环周边的环境，因此铁尾矿的资源化利用已迫在眉睫。
铁尾矿颗粒粒径较分散，包含从碎石到粗、中、细、特细砂等各级粒径分布，而目前建筑用砂日益紧张，河沙的过度开采也造成了一定的环境和生态问题，工程建设领域对铁尾矿的接受程度日益增加。
其中，粒径较粗的铁尾矿利用率较高，而铁尾矿中粒度较细的特细砂储量巨大，且有价元素含量较低，但利用率不高。
经过多段细磨、磁选或者反浮选后产生的细颗粒尾矿大部分粒径在500μｍ以下，属于特细砂，难以作为建筑用砂的骨料使用，此类尾矿的资源化利用成为各矿山的痛点和难点，如能合理的将特细尾矿砂应用于工程建设领域将产生显著的经济与环境效益。
超高延性混凝土(Ultra-high Ductile Concrete，UHDC)是一种力学性能优异并具有高变形能力的新型建筑材料，在荷载作用下具有应***化和微裂缝开裂的特征，可提高基础设施的抗震、防火、抗爆等性能。
UHDC制备过程中，为满足微观力学的强度准则和能量准则，一般采用超细砂而不添加粗骨料以防止纤维的团聚结团，从而实现纤维的高效桥联作用。
理论上而言，铁尾矿微观形貌呈不规则状，有助于纤维的分散以及增强纤维与基体的界面粘结作用，且大部分尾矿砂属于特细砂，原则上满足制备UHDC材料的细骨料要求，但是，铁尾矿在混凝土实际应用中却遇到大量技术问题，阻碍其资源化利用。
现有技术CN112694300A公开了一种铁尾矿混凝土及其制备方法，该发明使用铁尾矿砂作为细骨料，制备得到了抗压强度符合施工标准、生产成本较低的混凝土，该铁尾矿混凝土中专注于抗压强度，脆性较高，未能改善混凝土的抗拉能力、韧性及抗疲劳等能力；现有技术CN114477890A公开了一种特细铁尾矿砂混凝土及其制备方法，该发明采用特细铁尾矿砂替代40％天然砂，制备得到符合标准要求的泵送混凝土，该特细铁尾矿砂混凝土的工作性能、凝结时间及强度均满足标准要求，但依然未改善混凝土的拉伸变形能力，在特细铁尾矿砂的高效利用上仍有所欠缺；部分文献对利用铁尾矿砂制备高延性水泥基材料进行了探究，论文“高延性铁尾矿砂再生混凝土力学性能试验研究” 研究铁尾矿砂对高延性再生混凝土强度的影响规律，并未探索其拉伸变形能力，而且文献中采用PVA纤维作为增强材料，难以获得稳定的具有高变形能力的复合材料；CN105884281A公开利用铁尾砂制备具有高延性纤维水泥防渗墙，但其铁尾矿处理工艺复杂，产生大量污染性废液，且同样采用PVA纤维，变形能力较差，CN112830745A公开采用铁尾矿砂制备得到具有微膨胀型的高延性修补砂浆，但采用钢纤维和聚乙烯醇纤维作为复合纤维，并添加大量膨胀剂等外加剂，造价较高，且钢纤维不易分散均匀，力学性能也较低，其并未解决如何利用特细砂范畴的铁尾矿砂。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明利用改性处理得到的铁尾矿特细砂作为骨料，基于堆积密度和基体断裂韧度的设计、纤维-基体界面粘结性能的调控和微观力学模型的应用，通过调整原料和配比制备得到一种低碳环保、力学性能优异的应***化和微裂缝开裂的高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，实现固体废弃物铁尾矿砂的资源化利用。
具体的，本发明高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，由如下质量份原料组成：水泥450-650份，粉煤灰550-720份，改性铁尾矿砂500-1000份，聚乙烯纤维8-20份，水260-360份，减水剂3-8份，增稠剂0.1-3份，
其中，所述改性铁尾矿砂制备工艺为：
a.将铁尾矿利用短筒磨进行细磨，筛分得0.1-0.5mm细磨颗粒，通过短筒磨的摩擦、撞击和磨削等力学作用细磨，可使铁尾矿砂更好的颗粒分布，
b.将细磨颗粒清洗、磁选去除杂质，干燥，得精选铁尾矿，
c.按精选铁尾矿质量2-5%称取羟乙基纤维素，将羟乙基纤维素溶解，并对精选铁尾矿进行润湿，干燥，得改性铁尾矿砂。
本发明改性铁尾矿砂表面覆盖羟乙基纤维素，可改善铁尾矿颗粒表面的润湿性，改善颗粒与聚乙烯纤维之间相互作用能力，可以增强聚乙烯纤维与铁尾矿砂之间的接触，此外，羟乙基纤维素也具有增稠和胶凝的作用，可以增加铁尾矿砂悬浮液的粘度和黏结强度，这有助于增强聚乙烯纤维与铁尾矿砂颗粒之间的力学链接，提高协同效应；本发明制备得到的改性铁尾矿砂具有较好的颗粒级配，随后使用基体堆积密度模型计算所需铁尾矿砂的掺量，达到最大颗粒堆积密度和最小缺陷尺寸，改善水泥、粉煤灰与尾矿砂组成混凝土基体的微观和宏观性能，更容易获得高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土。
优选的，所述聚乙烯纤维长度10-32mm，直径为20-30μm，长径比≥500，断裂延伸率为3-4%，弹性模量≥100GPa，抗拉强度≥2800MPa。
本发明采用聚乙烯纤维制备高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，聚乙烯纤维具有较高的抗拉强度和拉伸弹性模量，对于实现高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土的高延性、高耐久性和良好的裂缝控制行为至关重要。
此外，聚乙烯纤维的憎水特性可显著提高纤维拔出过程中的补充余能，有助于实现铁尾矿砂混凝土的应***化和多缝开裂。
本发明通过研究聚乙烯纤维从铁尾矿砂混凝土基体的拔出试验表明，纤维与基体间具有良好的粘结，粘结强度在1 MPa左右，而且纤维滑移拔出过程中，表现出明显的滑移强化现象，倾斜角度下的拔出滑移强化现象更加明显，滑移强化参数和阻滞系数分别可达0.008和0.59，对铁尾矿砂混凝土满足强度准则和能量准则具有积极影响。
本发明经过大量实验研究得出纤维的长度、直径、长径比、断裂延伸率、抗拉强度、掺量等参数指标的选择至关重要。
若纤维较长，一方面易造成纤维拔出过程中的断裂破坏，使得纤维与基体间应力的传递消失；另一方面可能导致搅拌过程中分散困难，纤维结团等问题。
若纤维较短，纤维与基体间的界面粘结力小，将无法满足桥联应力大于基体开裂应力的强度准则。
因此，本发明通过大量试验确定纤维长径比大于500时，可保证桥联应力与基体基体开裂应力的比值在1.45-3.25之间，满足微观力学设计的强度准则。
纤维掺量是实现铁尾矿砂混凝土应***化和高延性的又一重要因素，本发明通过试验和微观力学模型得到当质量掺量为8-20份时，可实现的铁尾矿砂混凝土的应***化和多缝开裂，纤维掺量过多变由于纤维的分散问题将导致混凝土变形能力的降低。
本发明依据大量试验研究和微观力学模型确定的纤维参数，可支撑本发明高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土的实现。
优选的，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的至少一种，水泥强度等级≥42.5。
硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥具有较高的早期和28天抗压强度，被广泛应用于建筑、基础设施、道路和混凝土制品等领域，同时水泥的制备和使用具有较为成熟的工艺和经验，生产和施工过程相对稳定和可靠，水泥的性能可以通过配合比设计和添加掺合料等手段进行调整，以满足不同工程要求。
优选的，所述粉煤灰为一级粉煤灰，粒径范围45-200μm，比表面积≥400m²/kg。一级粉煤灰具有细粉状颗粒和球形颗粒的特点，可以填充混凝土中的空隙，改善混凝土的流动性和可塑性。
通过添加适量的粉煤灰：1.可以调整混凝土的流动性，使其更易于加工和浇筑。
2.增加混凝土的粘结性能：粉煤灰中的细颗粒可以与水泥胶体形成胶结体系，增加混凝土的粘结性能，这有助于提高混凝土的内聚力和延性，增强纤维与混凝土基体的界面粘结性能，减少开裂倾向。
3.改善混凝土的自密实性：粉煤灰的细颗粒可以填充混凝土中的细小孔隙，改善混凝土的自密实性，这有助于减少混凝土的渗透性和孔隙度，提高耐久性和抗渗性能。
4.控制混凝土的收缩性：粉煤灰中的细颗粒和球形颗粒可以填充混凝土中的微观孔隙，减少混凝土的收缩。
优选的，步骤b清洗采用清水，干燥采用热风干燥。
优选的，步骤c将羟乙基纤维素采用水溶解，干燥采用热风干燥。
优选的，所述减水剂为聚羧酸盐系高效粉体减水剂。
铁尾矿砂作为骨料制备砂浆流动性较差，使用聚羧酸盐系高效粉体减水剂可以显著提高铁尾矿砂砂浆的流动性和可加工性，使得砂浆更易于搅拌、浇注和充填。
同时聚羧酸盐系高效粉体减水剂能够促使铁尾矿砂砂浆中的水泥颗粒更好地分散和润湿，使水泥颗粒与细砂之间的结合更加紧密，从而提高砂浆的强度和抗压性能。
降低铁尾矿砂砂浆的黏性，改善其可塑性和可变性，增加其延展性，使得混凝土在施工过程中更易于操作和调整。
还可以减少铁尾矿砂砂浆的水胶比，降低水泥胶体的收缩和开裂倾向，提高砂浆的抗裂性能，减少混凝土的收缩和裂缝。
优选的，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚。
本发明还涉及上述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土的制备方法，具体的，包括如下步骤：
1）按重量份称取各原料，
2）向搅拌机中加入水泥、粉煤灰、改性铁尾矿砂、增稠剂进行慢速干拌，
3）向搅拌机中缓慢加入水，搅拌均匀，加入减水剂慢速搅拌，
4）缓慢将聚乙烯纤维加入搅拌机，先慢速搅拌再快速搅拌，使纤维分散均匀，得浆体，
5）将浆体成型、脱模、养护，即得。
优选的，步骤2）慢速干拌时间为1-3min，步骤3）慢速搅拌时间为1-2min，步骤4）慢速搅拌时间为1-2min，快速搅拌时间为2-4min。
优选的，慢速搅拌的转速为105-125r/min，快速搅拌的转速为185-205r/min。
优选的，养护选择标准养护至28d。
本发明具有如下技术效果：
1）制备方法简单，特细改性铁尾矿砂可直接与原材料拌合，得到具有应***化和高变形能力的铁尾矿砂超高延性混凝土，改善了混凝土固有脆性，能够更好地吸收和分散应力，提高混凝土结构的韧性和抗震性能；
2）本发明超高延性混凝土拉伸应变能力可达10%，达到普通钢筋的应变水平，同时裂缝宽度保持在150 μm以下，满足混凝土结构中无损裂缝的宽度要求；
3）本发明混凝土砂胶比最高可达1.0，能有效实现固体废弃物铁尾矿资源的综合利用，显著降低混凝土制备过程中的碳排放，符合可持续发展理念；
4）本发明改性铁尾矿砂虽然是一种替代性材料，但是通过混凝土中的水泥、骨料和添加剂的合理搭配，以及控制水灰比和纤维含量等因素，能够提高铁尾矿砂超高延性混凝土的强度性能，同时减轻水分的渗透，提高混凝土的耐久性和抗渗性能。
具体实施方式
为表征本发明的技术效果，制备超高延性混凝土养护至28d并对其性能进行检测。
试验过程中水泥选用P·O42.5水泥，粉煤灰选用一级粉煤灰，减水剂选用聚羧酸盐系高效粉体减水剂，增稠剂选用羟丙基甲基纤维素醚。
改性铁尾矿砂制备工艺为：a.将铁尾矿利用短筒磨进行细磨，筛分得0.1-0.5mm细磨颗粒， b.将细磨颗粒采用自来水清洗、磁选去除杂质，热风干燥，得精选铁尾矿，c.按精选铁尾矿质量3%称取羟乙基纤维素，将羟乙基纤维素用自来水溶解，并对精选铁尾矿进行润湿，热风干燥，得改性铁尾矿砂。
实施例1
高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，由以下重量份原料组成：水泥562份，粉煤灰675份，改性铁尾矿砂765份，聚乙烯纤维15份，水335份，减水剂4份，增稠剂0.5份。
经检测，试件抗拉强度为5.35MPa，拉伸应变能力为8.92%，裂缝数量57条，裂缝宽度125μm，具有良好的稳态开裂行为和变形能力。
实施例2
高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，由以下重量份原料组成：水泥595份，粉煤灰650份，改性铁尾矿砂805份，聚乙烯纤维17份，水320份，减水剂7份，增稠剂2.7份。
经检测，试件抗拉强度为6.08MPa，拉伸应变能力为9.85%，裂缝数量60条，裂缝宽度131μm，具有良好的稳态开裂行为和变形能力。
实施例3
高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，由以下重量份原料组成：水泥606份，粉煤灰645份，改性铁尾矿砂775份，聚乙烯纤维16份，水315份，减水剂4份，增稠剂1.5份。
经检测，试件抗拉强度为5.98MPa，拉伸应变能力为10.26%，裂缝数量68条，裂缝宽度120μm，具有良好的稳态开裂行为和变形能力。
对比例1
混凝土，由以下重量份原料组成：水泥606份，粉煤灰645份，改性铁尾矿砂775份，PVA纤维16份，水315份，减水剂4份，增稠剂1.5份。
经检测，试件抗拉强度为3.56MPa，试件发生脆性破坏。
对比例2
混凝土，由以下重量份原料组成：水泥606份，粉煤灰645份，改性铁尾矿砂775份，聚乙烯纤维16份，水315份，减水剂5.5份。
经检测，试件抗拉强度为4.15MPa，拉伸应变能力为5.11%，纤维存在结团现象。
对比例3
该实施例中改性铁尾矿砂与实施例3相比，仅进行步骤a、b改性，不进行羟乙基纤维素改性，记为改性尾砂。
混凝土，由以下重量份原料组成：水泥606份，粉煤灰645份，改性尾矿775份，聚乙烯纤维16份，水315份，减水剂4份，增稠剂1.5份。
经检测，试件抗拉强度为3.22MPa，拉伸应变能力为3.34%，试件中纤维分散不均匀。
对比例4
该实施例中铁尾矿砂不进行任何改性处理，其粒径范围为0.1-1.5mm。
混凝土，由以下重量份原料组成：水泥606份，粉煤灰645份，铁尾矿砂775份，聚乙烯纤维16份，水315份，减水剂4份，增稠剂1.5份。
经检测，试件抗拉强度为3.19MPa，试件不具有应***化能力。
对比例5
混凝土，由以下重量份原料组成：水泥562份，粉煤灰675份，铁尾矿砂230份，聚乙烯纤维5份，水365份，减水剂4份，增稠剂0.5份。
经检测，试件抗拉强度为4.34MPa，试件发生脆性破坏。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，其特征在于，由如下质量份原料组成：水泥450-650份，粉煤灰550-720份，改性铁尾矿砂500-1000份，聚乙烯纤维8-20份，水260-360份，减水剂3-8份，增稠剂0.1-3份，
所述改性铁尾矿砂制备工艺为：
a.将铁尾矿利用短筒磨进行细磨，筛分得0.1-0.5mm细磨颗粒，
b.将细磨颗粒清洗、磁选去除杂质，干燥，得精选铁尾矿，
c.按精选铁尾矿质量2-5%称取羟乙基纤维素，将羟乙基纤维素溶解，并对精选铁尾矿进行润湿，干燥，得改性铁尾矿砂，
所述聚乙烯纤维长度10-32mm，直径为20-30μm，长径比≥500，断裂延伸率为3-4%，弹性模量≥100GPa，抗拉强度≥2800MPa。
2.根据权利要求1所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥的至少一种，水泥强度等级≥42.5。
3.根据权利要求1所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为一级粉煤灰，粒径范围45-200μm，比表面积≥400m²/kg。
4.根据权利要求1所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，其特征在于，步骤b清洗采用清水，干燥采用热风干燥。
5.根据权利要求1所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，其特征在于，步骤c将羟乙基纤维素采用水溶解，干燥采用热风干燥。
6.根据权利要求1所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸盐系高效粉体减水剂。
7.根据权利要求1所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土，其特征在于，所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素醚。
8.根据权利要求1-7任一项所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按重量份称取各原料，
2）向搅拌机中加入水泥、粉煤灰、改性铁尾矿砂、增稠剂进行慢速干拌，
3）向搅拌机中缓慢加入水，搅拌均匀，加入减水剂慢速搅拌，
4）缓慢将聚乙烯纤维加入搅拌机，先慢速搅拌再快速搅拌，使纤维分散均匀，得浆体，
5）将浆体成型、脱模、养护，即得。
9.根据权利要求8所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，步骤2）慢速干拌时间为1-3min，步骤3）慢速搅拌时间为1-2min，步骤4）慢速搅拌时间为1-2min，快速搅拌时间为2-4min。
10.根据权利要求8所述高掺量铁尾矿砂超高延性混凝土的制备方法，其特征在于，慢速搅拌的转速为105-125r/min，快速搅拌的转速为185-205r/min。
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