一种低碳尾矿混凝土及其制备方法与流程

1.本发明涉及混凝土的技术领域，尤其是涉及一种低碳尾矿混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国城市化建设的加速发展，建筑材料需用量剧增，天然砂石等自然资源的大量开采已经严重破坏了生态环境，并且这些资源短期内不可再生，使得建筑资源短缺的矛盾日益突出，因此，寻找适宜的替代材料刻不容缓。
3.尾矿是矿山企业在提炼冶金主要原料过程中所排弃的固体废弃物，我国每年排放大量的尾矿固体废弃物，尾矿或尾渣己经成为我国目前产出量最大、堆存量最多的固体废弃物，尾矿的大量堆存不仅污染环境，而且占用土地资源。将矿山尾矿应用于混凝土生产技术领域，不但可使原来资源枯竭或资源不足的矿山重新成为新资源基地恢复和扩展生产，而且可以开辟新材料的科技领域，推动技术进步，同时也利于缓解环境污染，改善生态环境。
4.所以，将尾矿作为掺合料在混凝土中使用，一方面可以代替天然砂石缓解天然砂资源日益匮乏的现状，另一方面可以利用矿山尾矿部分替代水泥用于混凝土施工，是矿山尾矿可考虑再利用的方法之一，利用矿山尾矿代替水泥生产混凝土具有防止重金属释放、解决尾矿占用空间问题、防止污染物渗入环境等诸多优点。此外，尾矿的使用降低了水泥的需求量。既可以减少碳排放，减轻了固体废弃物对生态环境的污染，具有重大的现实意义。
5.将尾矿用作混凝土矿物掺合料，虽然能够有效对尾矿进行利用，但由于尾矿的矿物组成差异较大，因此直接加入混凝土中的尾矿的活性较低，不能发挥较佳的骨架作用，从而导致制得的混凝土的力学性能和抗渗性能难以满足要求。


技术实现要素：

6.为了显著改善尾矿混凝土的力学性能和抗渗性能，大幅提高尾矿混凝土的综合利用率，本技术提供一种低碳尾矿混凝土及其制备方法。
7.本技术提供的一种低碳尾矿混凝土，采用如下的技术方案：一种低碳尾矿混凝土，包括以下重量份数的原料：水泥70-80份；碎石300-410份；铁尾矿砂100-135份；铝土矿尾矿粉150-210份；三异丙醇胺10-15份；改性秸秆纤维20-35份；水35-55份；所述铝土矿尾矿粉是将铝土矿尾矿粗料包括经过450-580℃高温煅烧处理得到，所述改性秸秆纤维经过聚乙二醇包覆改性，所述聚乙二醇分子量为6000-10000。
8.通过采用上述技术方案，本技术制备的混凝土由于加入大量的废弃尾矿废石和铁尾矿砂，可以有效地利用尾矿，缓解天然河砂日益短缺与需求量增加的矛盾，但是，相比于天然砂，铁尾矿砂不像河砂为粒状结构，其内部缺陷多，比表面积较大，颗粒粗糙，细度小，多棱角。此外，尾矿中也含有一定的石粉，使拌制混凝土的需水量增加，对混凝土的流动性有一定的影响，由于尾矿的掺入量过多，保水性不如天然砂石，和易性差，有泌水现象，直接影响混凝土的流动性、强度和耐久性。秸秆纤维作为一种制造成本低廉，绿色低碳的增强材料加入混凝土中，这不仅可以拓宽农村秸秆的处理途径，也能降低纤维混凝土的生产成本，同时秸秆纤维韧性强，提高混凝土的力学性能。本技术通过对秸秆纤维进行改性，在秸秆纤维表面包覆一层聚乙二醇膜，提高秸秆纤维与水泥胶体的界面结合力，由于聚乙二醇具有一定的水溶性，在水泥拌合的过程中，秸秆纤维表面的聚乙二醇会出现一定程度的软化和溶解，溶解的聚乙二醇粘合到尾矿与水泥胶体表面，增强尾矿与水泥胶体的界面结合，提高混凝土的和易性和流动性，改善混凝土的力学性能。并且，聚乙二醇会粘附在混凝土基体中形成包覆膜，降低混凝土与水分的接触，提高混凝土后期的抗渗性能。
9.通过对掺入的铝土矿尾矿粉经过高温煅烧处理，铝土矿尾矿粉的一水硬铝石及高岭石在450-580℃之间完全脱除结构水，随煅烧温度的提高，铝硅酸盐矿物逐步脱水分解，铝土矿尾矿粉尾矿的粒径分布更加集中，比表面积逐步增大，活性提高，其与铁尾矿互相配合，可以降低水泥的掺入量。
10.可选的，所述改性秸秆纤维的制备方法包括以下步骤：将秸秆纤维粉碎，在氢氧化钠溶液中浸泡，随后浸泡液水洗至中性，干燥，得到初始干燥物；然后于初始干燥物中加入聚乙二醇溶液，升温反应，干燥得到改性秸秆纤维。
11.通过采用上述技术方案，首先将秸秆纤维浸泡在氢氧化钠溶液中，使秸秆纤维的表面粗糙化，然后与聚乙二醇混合，聚乙二醇分子与秸秆纤维形成氢键作用，聚乙二醇包覆在秸秆纤维表面，在秸秆纤维表面包覆一层聚乙二醇膜。
12.可选的，所述氢氧化钠溶液的质量浓度为3-6wt％。
13.通过采用上述技术方案，秸秆纤维在氢氧化钠溶液中浸泡之后，秸秆纤维表面的粗糙度提高，比表面积增大，更有利于聚乙二醇包覆在秸秆纤维的表面，形成一层包覆膜。
14.可选的，所述聚乙二醇溶液的质量浓度为7-11wt％。
15.通过采用上述技术方案，聚乙二醇溶液的质量浓度影响能否在秸秆纤维表面形成包覆膜，聚乙二醇的质量浓度较低，秸秆纤维表面的包覆量较低，聚乙二醇的质量浓度较高，秸秆纤维表面的包覆量较高，使加入混凝土的聚乙二醇的浓度增加，并造成混凝土的早期强度降低。
16.可选的，所述铁尾矿砂的二氧化硅质量分数为27-30％，三氧化二铝的质量分数为8-11％，氧化钙的质量分数为20-25％。
17.通过采用上述技术方案，铁尾矿是选矿厂选出铁精矿后排放的废渣，是主要的工业固体废弃物之一，铁尾矿的主要矿物组成是石英、长石、角闪石和辉石等硅酸盐矿物，铁尾矿的主要化学组成是sio2、al2o3、fe2o3、cao和mgo等，通过选用一定化学组成的铁尾矿粉，其含有较高含量的sio2、al2o3和cao，类似于水泥的化学组成成分，可以替代部分传统的胶凝材料，作为硅、铝原料制备混凝土，制备得到的混凝土强度能够满足建筑材料的使用强度。
18.可选的，所述铝土矿尾矿粉的三氧化二铝的质量分数为40-45％，二氧化硅的质量分数为30-37％。
19.通过采用上述技术方案，铝土矿尾矿粉的主要化学组成为sio2和al2o3，其矿物中含有一定量的高岭石，在一定程度上可以满足碱激发胶凝材料的原料要求，铝土矿尾矿粉的活性取决于al2o3和sio2的质量分数，含量较高的al2o3、sio2，在水泥水化过程中生成胶凝体，可以减少部分水泥的用量，提高混凝土的强度。
20.可选的，所述铝土矿尾矿粉的煅烧时间为30-45min。
21.通过采用上述技术方案，铝土矿尾矿粉在没有煅烧之前，本身没有活性，不能直接用作水泥基掺合料，通过煅烧处理，铝土矿尾矿粉中的粘土类矿物可转化成亚稳态的铝硅酸盐矿物，随着煅烧时间的延长，其稳定的硅氧四面体和铝氧八面体结构的连接和配位会发生较大的改变，四面体与八面体共顶连接发生分离，成为无定形的铝氧八面体结构，这种结构中存在断键及活化点，形成偏高岭土，在适当的激发下，具有较高的火山灰活性，因而具有较高的水化活性。
22.可选的，所述铁尾矿砂使用前还包括活化处理的步骤，所述活化处理包括以下步骤：将铁尾矿粗料和脱硫石膏混合后粉磨，得到活化铁尾矿粉，然后将活化铁尾矿粉处理得到铁尾矿砂，所述脱硫石膏占铁尾矿粗料的质量分数为0.5-0.9wt％。
23.通过采用上述技术方案，为了提高铁尾矿的活性，采用脱硫石膏与铁尾矿粗料进行粉磨，可以有效控制颗粒间的聚集，减弱团聚效应，能够提高铁尾矿粗料的粉磨效率，且粉磨之后的铁尾矿粉的粒度均匀，使铁尾矿晶体结构发生变化，内部储存了大量的能量，使得活性提高。
24.可选的，所述铝土矿尾矿粉的粒径为6-10μm。
25.可选的，所述碎石为铁尾矿废石，所述铁尾矿废石的粒径为7-20mm。
26.第二方面，本技术提供一种低碳尾矿混凝土的制备方法，采用如下的技术方案：一种低碳尾矿混凝土的制备方法，包括以下步骤：将碎石、铁尾矿砂、铝土矿尾矿粉和三异丙醇胺混合均匀，然后加入水泥、水和所述改性秸秆纤维，搅拌均匀得到混凝土。
27.通过采用上述技术方案，采用铁尾矿废石替代混凝土粗骨料，铁尾矿砂代替细骨料，此外，铁尾矿废石和铝土矿尾矿粉作为硅、铝原料，在三异丙醇胺碱性激发作用下，生成硅铝酸盐凝胶体，这些凝胶体可以替代部分水泥，同时三异丙醇胺分子吸附在混凝土表面形成一层带有电荷亲水膜，阻碍了水泥粒子的凝聚，使水泥颗粒更完善地与水接触，加速水对水泥颗粒的润湿和渗透。改性秸秆纤维改善了由于掺入尾矿带来的混凝土力学性能降低的缺陷。
28.综上所述，本技术具有以下有益效果：1、本技术中优选采用改性秸秆纤维，在秸秆纤维表面包覆一层聚乙二醇膜，在水泥拌合的过程中，秸秆纤维表面的聚乙二醇会出现一定程度的软化和溶解，溶解的聚乙二醇粘合到尾矿与水泥胶体表面，提高秸秆纤维与水泥胶体的界面结合力，增强尾矿粉与水泥胶体的界面结合，提高混凝土的和易性和流动性，改善混凝土的力学性能。
29.2、本技术通过将铝土矿尾矿粉经过煅烧处理，铝土矿尾矿粉中的粘土类矿物可转化成亚稳态的铝硅酸盐矿物，随着煅烧时间的延长，形成偏高岭土，在适当的激发下，具有
较高的火山灰活性，因而具有较高的水化活性，与铁尾矿废石复配减少水泥的用量。
具体实施方式
30.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
31.原料来源：铁尾矿，陕西大西沟矿业公司；铝土矿尾矿，陕西东亿祥尾矿综合利用有限公司，其他实施例和对比例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。
32.改性秸秆纤维的制备例制备例1将玉米秸秆纤维放入质量分数为5wt％的氢氧化钠水溶液中，浸泡30min，浸泡完成后采用8wt％的盐酸水溶液洗至中性，在60℃下烘干，然后放入浓度为9wt％，温度为60℃的聚乙二醇水溶液中，浸泡搅拌30min，取出冷却，在室温条件下晾干，得到改性秸秆纤维，其中聚乙二醇的分子量为8000。
33.制备例2与制备例1的不同之处在于，氢氧化钠水溶液的质量浓度为3wt％，聚乙二醇水溶液的质量浓度为7wt％，聚乙二醇的分子量为6000。
34.制备例3与制备例1的不同之处在于，氢氧化钠水溶液的质量浓度为6wt％，聚乙二醇水溶液的质量浓度为11wt％，聚乙二醇的分子量为10000。
35.制备例4与制备例1的不同之处在于，聚乙二醇水溶液的质量浓度为7wt％。
36.制备例5与制备例1的不同之处在于，聚乙二醇水溶液的质量浓度为11wt％。
37.制备例6与制备例2的不同之处在于，聚乙二醇水溶液的质量浓度为3wt％。
38.制备例7与制备例3的不同之处在于，聚乙二醇水溶液的质量浓度为15wt％。
39.制备例8与制备例1的不同之处在于，改性秸秆纤维的制备过程中没有经过氢氧化钠溶液的浸泡处理步骤，具体制备步骤如下：将玉米秸秆纤维放入浓度为9wt％，温度为60℃的聚乙二醇水溶液中，浸泡搅拌30min，取出冷却，在室温条件下晾干，得到改性秸秆纤维。
40.制备例9与制备例1的不同之处在于，改性秸秆纤维在浸泡聚乙二醇溶液中没有经过升温，具体制备步骤如下：将玉米秸秆纤维放入质量分数为5wt％的氢氧化钠水溶液中，浸泡30min，浸泡完成后采用8wt％的盐酸水溶液洗至中性，在60℃下烘干，然后放入浓度为9wt％的聚乙二醇水溶液中，浸泡搅拌30min，取出冷却，在室温条件下晾干，得到改性秸秆纤维。
41.制备例10与制备例2的不同之处在于，聚乙二醇的分子量为2000。
42.制备例11
与制备例3的不同之处在于，聚乙二醇的分子量为20000。实施例
43.实施例1一种低碳尾矿混凝土的制备方法，包括以下制备步骤：将碎石、铁尾矿砂、铝土矿尾矿粉和三异丙醇胺混合搅拌15min，碎石为铁尾矿废石，铁尾矿废石经粉碎，研磨，过筛得到粒径为15mm的碎石，铝土矿尾矿粉是将铝土矿尾矿粗料经过560℃煅烧40min，铝土矿尾矿粉的粒径为7μm，铁尾矿砂首先铁尾矿粗料和脱硫石膏混合后粉磨50min，脱硫石膏占铁尾矿粗料的质量分数为0.7wt％，然后经过制砂机制备得到铁尾矿砂，铁尾矿砂的细度模数为2.2-1.6。然后加入水泥、水和改性秸秆纤维搅拌10min，得到混凝土，改性秸秆纤维采用制备例1制备得到，铁尾矿砂水泥选用p
·
o 42.5普通硅酸盐水泥。
44.实施例2一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，铁尾矿废石经粉碎，研磨，过筛得到粒径为7mm的碎石，铝土矿尾矿粉是将铝土矿尾矿粗料经过450℃煅烧30min，铝土矿尾矿粉的粒径为6μm，铁尾矿砂首先将铁尾矿粗料和脱硫石膏混合后粉磨50min，脱硫石膏占铁尾矿粗料的质量分数为0.5wt％。
45.实施例3一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，铁尾矿废石经粉碎，研磨，过筛得到粒径为20mm的碎石，铝土矿尾矿粉是将铝土矿尾矿粗料经过580℃煅烧45min，铝土矿尾矿粉的粒径为10μm，铁尾矿粉首先将铁尾矿粗料和脱硫石膏混合后粉磨50min，脱硫石膏占铁尾矿粗料的质量分数为0.9wt％。
46.实施例1-3原料各组分及其相应的重量份数如表1所示。
47.表1实施例1-3中各原料及其重量(kg)3中各原料及其重量(kg)实施例4一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维采用制备例4制备得到。
48.实施例5
一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维采用制备例5制备得到。
49.实施例6一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维采用制备例6制备得到。
50.实施例7一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维采用制备例7制备得到。
51.实施例8一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维采用制备例8制备得到。
52.实施例9一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维采用制备例9制备得到。
53.对比例对比例1一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维采用制备例10制备得到。
54.对比例2一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维采用制备例11制备得到。
55.对比例3一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，秸秆纤维没有经过改性处理，混凝土的制备具体包括如下制备步骤：将碎石、铁尾矿砂、铝土矿尾矿粉和三异丙醇胺混合搅拌15min，然后加入水泥、水和秸秆纤维搅拌10min，得到混凝土。
56.对比例4一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维的重量份数为15kg，其余组分的重量与实施例1的重量相同。
57.对比例5一种低碳尾矿混凝土的制备方法，与实施例1的不同之处在于，改性秸秆纤维的重量份数为40kg，其余组分的重量与实施例1的重量相同。
58.性能检测试验检测方法采用实施例1-9及对比例1-4制备得到的混凝土作为测试试样。
59.塌落度、流动性测试标准：gb/t50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验标准》；28d抗压强度、28d抗折强度测试标准：gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》；28d限制收缩率测试标准：按照gb/t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。抗水渗透性能：按照gb/t50082-2009《普通混凝士长期性能和耐久性能试验方法
标准》中的逐级加压法测试标准试块的渗水深度。
60.表2性能检测结果表2性能检测结果结合实施例1和实施例4-5并结合表2可以看出，通过调配聚乙二醇溶液的适宜浓度，在秸秆纤维表面成功包覆一层聚乙二醇膜，解决了大量掺入尾矿带来的力学性能的下降的问题。
61.结合实施例1和实施例6-7并结合表2可以看出，实施例1的各项性能优于实施例6-7，聚乙二醇溶液的浓度影响秸秆纤维表面的包覆量，因此，聚乙二醇的浓度应控制在合理的范围，在秸秆纤维表面形成的包覆膜，在水泥水化过程中溶解粘合到尾矿与水泥胶体表面，增强尾矿与水泥胶体的界面结合，提高混凝土的和易性和流动性，改善混凝土的力学性能。
62.结合实施例1和实施例8-9并结合表2可以看出，实施例1的各项性能优于实施例8-9，在改性秸秆纤维的制备过程中，通过在碱性溶液中浸泡会提高聚乙二醇在秸秆纤维表面
的包覆量，因此，性能优于没有经过氢氧化钠溶液的浸泡的试样，升温能够使聚乙二醇分子链的运动加剧，更加有利于聚乙二醇包覆在秸秆纤维表面。
63.改性秸秆纤维掺入混凝土中，秸秆纤维表面的聚乙二醇会出现一定程度的软化和溶解，并且，聚乙二醇会粘附在混凝土基体中形成包覆膜，降低混凝土与水分的接触，提高混凝土后期的抗渗性能。
64.结合实施例1和对比例1-4并结合表2可以看出，高分子量的聚乙二醇，由于分子链间的缠绕，更加有利于聚乙二醇包覆，在混凝土中加入改性的秸秆纤维，混凝土的力学性能和拌合性优于加入未改性的秸秆纤维。
65.表3抗渗性能检测结果 实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5渗水深度4.34.44.54.64.5 实施例6实施例7实施例8实施例9 渗水深度5.05.36.26.0
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对比例1对比例2对比例3对比例4对比例5渗水深度8.58.09.38.38.7由表3可以看出，加入改性秸秆纤维在混凝土中，秸秆纤维表面的聚乙二醇膜会粘附在混凝土基体中形成包覆膜，降低混凝土与水分的接触，提高混凝土后期的抗渗性能。
66.本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。

技术特征：
1.一种低碳尾矿混凝土，其特征在于：包括以下重量份数的原料：水泥70-80份；碎石300-410份；铁尾矿砂100-135份；铝土矿尾矿粉150-210份；三异丙醇胺10-15份；改性秸秆纤维20-35份；水35-55份；所述铝土矿尾矿粉是将铝土矿尾矿粗料包括经过450-580℃煅烧处理得到，所述改性秸秆纤维是将秸秆纤维经过包括聚乙二醇包覆的步骤改性得到，所述聚乙二醇分子量为6000-10000。2.根据权利要求1所述的一种低碳尾矿混凝土，其特征在于：所述改性秸秆纤维的制备方法包括以下步骤：将秸秆纤维粉碎，在氢氧化钠溶液中浸泡，随后浸泡液水洗至中性，干燥，得到初始干燥物；然后于初始干燥物中加入聚乙二醇溶液，升温反应，干燥得到改性秸秆纤维。3.根据权利要求2所述的一种低碳尾矿混凝土，其特征在于：所述氢氧化钠溶液的质量浓度为3-6wt%。4.根据权利要求2所述的一种低碳尾矿混凝土，其特征在于：所述聚乙二醇溶液的质量浓度为7-11wt%。5.根据权利要求1所述的一种低碳尾矿混凝土，其特征在于：所述铁尾矿砂的二氧化硅质量分数为27-30%，三氧化二铝的质量分数为8-11%，氧化钙的质量分数为20-25%。6.根据权利要求1所述的一种低碳尾矿混凝土，其特征在于：所述铝土矿尾矿粉的三氧化二铝的质量分数为40-45%，二氧化硅的质量分数为30-37%。7.根据权利要求1所述的一种低碳尾矿混凝土，其特征在于：所述铝土矿尾矿粉的煅烧时间为30-45min。8.根据权利要求1所述的一种低碳尾矿混凝土，其特征在于：所述铁尾矿砂使用前还包括活化处理的步骤，所述活化处理包括以下步骤：将铁尾矿粗料和脱硫石膏混合后粉磨，得到活化铁尾矿粉，然后将活化铁尾矿粉处理成铁尾矿砂，所述脱硫石膏占铁尾矿粗料的质量分数为0.5-0.9wt%。9.权利要求1-8任意一项所述低碳尾矿混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碎石、铁尾矿砂、铝土矿尾矿粉和三异丙醇胺混合均匀，然后加入水泥、水和所述改性秸秆纤维，搅拌均匀得到混凝土。

技术总结
本申请涉及混凝土技术领域，具体公开一种低碳尾矿混凝土及其制备方法，一种低碳尾矿混凝土包括以下重量份数的原料：水泥70-80份；碎石300-410份；铁尾矿砂100-135份；铝土矿尾矿粉150-210份；三异丙醇胺10-15份；改性秸秆纤维20-35份；水35-55份；所述铝土矿尾矿粉是将铝土矿尾矿粗料包括经过450-580℃煅烧处理得到，所述改性秸秆纤维是将秸秆纤维经过包括聚乙二醇包覆的步骤改性得到，所述聚乙二醇分子量为6000-10000。本申请的一种低碳尾矿混凝土可用于显著改善尾矿混凝土的力学性能和抗渗性能的优点。性能的优点。


技术研发人员：童小根 张凯峰 罗作球 王军 胡宇博 姚源 弥杨志
受保护的技术使用者：中建西部建设股份有限公司
技术研发日：2023.07.13
技术公布日：2023/10/8