一种泵送的全铁尾矿混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及工业废弃物回收技术领域，特别涉及一种泵送的全铁尾矿混凝土及其制备方法。

背景技术：

随着我国钢铁工业的迅猛发展，铁尾矿的排放量日益增大而综合利用率较低，造成大量的尾矿堆积。不仅是矿产资源的极大浪费，而且排放和存储尾矿耗用大量的人力物力财力，占用大量的农田，造成生态环境污染，甚至导致尾矿库溃坝等，严重危及人民生命和财产安全。据统计，我国目前累计堆存尾矿120亿吨以上，年排放量达到了16亿吨，而尾矿综合利用率仅为18.9％，铁尾矿砂的综合治理率为7％，绝大多数尾矿尚未被综合利用。提高铁尾矿的利用率可解决其潜在危害的问题。河北省作为全国钢铁产量最大的省，铁尾矿堆积量在全国也是最多的。据统计唐山地区铁尾矿堆存量约为4.58亿m³，其中迁安市铁尾矿堆存量最大，约占唐山市总量的73％，其他依次为遵化约占11％，迁西和滦县各约占8％，提高铁尾矿的综合利用率显得尤为重要。

由于传统利用方式并不能大量消耗铁尾矿，绝大多数的铁尾矿尚未被综合利用。铁尾矿可免费获取，随着科学技术的进步和自然资源的短缺，铁尾矿作为重要的二次矿物资源已在国内外备受关注。因此，面对目前国内铁尾矿的排放及影响的严峻情况，有必要开发出高利用率和高附加值新技术与新产品，以达到提高铁尾矿综合利用率和减小环境影响的目的。

混凝土是当今应用最广泛的土木工程材料，目前作为混凝土粗骨料的碎石主要由开山采石是经机械破碎筛分制成的，作为混凝土细骨料的砂子主要为河砂，一般由河道开采而来。开山采石及河道采砂不仅会破坏山体及河道的生态环境，还会造成大量的环境污染。另外为了改善混凝土的和易性和耐久性等性能，在混凝土中一般都要掺加掺合料，目前应用最广泛的掺合料为粉煤灰。粉煤灰作为燃煤电厂生产排放物的再利用，近几年来随着对燃煤发电厂限制的越来越严格，粉煤灰排放量逐年减少，价格不断提升，使得粉煤灰作为混凝土主要掺合料呈现不可持续状态，据调查目前部分混凝土生产企业已遇到粉煤灰间歇性断供的情况。有效利用铁尾矿等工业废弃物，实现可持续发展的绿色新型混凝土材料是必然的选择。

但是，由于铁尾矿堆存量大，不同产地的铁尾矿类型不同，成分差异较大，导致铁尾矿利用困难。并且，现有铁尾矿混凝土技术一般使用铁尾矿多是粒径0.075～4.75mm的尾矿砂替代细骨料、粒径4.75mm以上的尾矿石替代粗骨料，还有小部分技术采用粒径小于0.075的尾矿粉替代细骨料，这些技术使用的铁尾矿量少，对于铁尾矿的利用率很低。因此，目前仍没有环保效率高、大量消耗铁尾矿、经济价值高的铁尾矿综合利用技术，铁尾矿综合利用的难度较大，成本较高，亟待解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种泵送的全铁尾矿混凝土及其制备方法。本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土将大量铁尾矿作为混凝土原材料，能够大量利用铁尾矿且成本低廉，还能在混凝土工业中起到节约水泥的作用。

本发明提供了一种泵送的全铁尾矿混凝土，以每立方米混凝土计，包括如下组分：

水泥233.3～318.0kg

铁尾矿粉100.0～136.3kg

铁尾矿砂661.8～814.5kg

铁尾矿石1064.8～1247.6kg

水165～175kg

减水剂1.6～2.6kg。

优选的，所述铁尾矿粉的比表面积为480～560m²/kg，粒径小于0.3mm。

优选的，所述铁尾矿砂的粒径为0.075～4.75mm，细度模数为2.9的ⅱ区中砂。

优选的，所述铁尾矿石的粒径为2.36～19mm，5～20连续级配。

优选的，所述铁尾矿粉、铁尾矿砂和铁尾矿石的质量为全铁尾矿混凝土总质量的80.0～83.5％。

优选的，所述全铁尾矿混凝土的水胶比为0.39～0.51。

优选的，所述减水剂的掺量为胶凝材料质量的0.47～0.60％。

优选的，所述减水剂为固含量40％的聚羧酸系高效减水剂。

优选的，所述水泥为普通硅酸盐42.5级或强度等级大于等于42.5的硅酸盐水泥。

本发明还提供了所述泵送的全铁尾矿混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铁尾矿砂、铁尾矿粉和水泥混合，得到混合粉料；

(2)将所述步骤(1)得到的混合粉料与铁尾矿石混合，得到混合干料；

(3)将减水剂和水的混合液与所述步骤(2)得到的混合干料混合，得到混凝土。

本发明提供了一种泵送的全铁尾矿混凝土，以每立方米混凝土计，包括水泥233.3～318.0kg、铁尾矿粉100.0～136.3kg、铁尾矿砂661.8～814.5kg、铁尾矿石1064.8～1247.6kg、水165～175kg和减水剂1.6～2.6kg。本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土采用铁尾矿粉替代传统混凝土中30％质量的水泥，较细的粒径能填充水泥胶结时的孔隙，与水泥水化反应生成的凝胶一起进行胶结，填充粗细骨料孔隙，其本身具有的需水性能使混凝土拌合物和易性得到改善；通过一定量的铁尾矿砂作为细骨料与水泥、铁尾矿粉、水组成砂浆，包裹粗骨料使其具备一定的流动性，并填充粗骨料堆积时产生的孔隙，填充密实增加强度；通过一定量的铁尾矿石作为粗骨料，在混凝土中起到强度的主要骨架支撑作用；各组分相互配合，能够大量利用铁尾矿且成本低廉，解决了钢铁工业产生的铁尾矿带来的占用土地、环境污染、尾矿坝潜在灾害等问题，还起到节约水泥的作用。实验结果表明，本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土中铁尾矿的用量最高达到83.5％，且混凝土各项参数优于原混凝土，满足日常施工的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1中泵送的全铁尾矿混凝土的制备方法流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种泵送的全铁尾矿混凝土，以每立方米混凝土计，包括水泥233.3～318.0kg、铁尾矿粉100.0～136.3kg、铁尾矿砂661.8～814.5kg、铁尾矿石1064.8～1247.6kg、水165～175kg和减水剂1.6～2.6kg。

以每立方米混凝土计，本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土包括水泥233.3～318.0kg，优选为278.7～308.9kg。在本发明中，所述水泥优选为普通硅酸盐42.5级或强度等级大于等于42.5的硅酸盐水泥。在本发明中，所述水泥与水发生水化反应，生成凝胶，起胶结作用，填充粗细骨料堆积形成的孔隙，硬化后具备强度；水泥用量过低将使混凝土强度与粘结力降低，不利于混凝土强度；水泥用量过高将使成本增加，过于黏稠的拌合物不利于施工，过高的混凝土强度造成浪费。

以每立方米混凝土计，本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土包括铁尾矿粉100.0～136.3kg，优选为119.5～132.4kg。在本发明中，所述铁尾矿粉按30％比例替代水泥，较细的粒径能填充水泥胶结时的孔隙，与水泥水化反应生成的凝胶一起进行胶结、填充粗细骨料孔隙，其材料本身具有的需水性能使混凝土拌合物和易性得到改善。在本发明中，所述铁尾矿粉用量过低会增加混凝土强度，但会降低和易性。

在本发明中，所述铁尾矿粉的比表面积优选为480～560m²/kg，更优选为500～520m²/kg；所述铁尾矿粉的粒径优选小于0.3mm，更优选小于0.2mm。在本发明中，所述铁尾矿粉优选经过机器研磨达到上述粒径。在本发明中，所述磨细后的铁尾矿粉具有需水性，在混凝土中添加时会使原本发生离析状态的拌合物中砂浆包裹粗骨料均匀。

以每立方米混凝土计，本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土包括铁尾矿砂661.8～814.5kg，优选为787.0～804.0kg。在本发明中，所述铁尾矿砂的粒径优选为0.075～4.75mm，更优选为0.1～4.2mm；所述铁尾矿砂优选为细度模数为2.9的ⅱ区中砂。在本发明中，所述铁尾矿砂作为细骨料与水泥、铁尾矿粉、水组成砂浆，包裹粗骨料使其具备一定的流动性，并填充粗骨料堆积时产生的孔隙，填充密实增加强度。

以每立方米混凝土计，本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土包括铁尾矿石1064.8～1247.6kg，优选为1080.0～1130.0kg。在本发明中，所述铁尾矿石的粒径优选为2.36～19mm，5～20连续级配。在本发明中，所述铁尾矿石作为粗骨料，在混凝土中起到强度的主要骨架支撑作用。

在本发明中，所述铁尾矿粉、铁尾矿砂和铁尾矿石的质量优选为全铁尾矿混凝土总质量的80.0～83.5％，更优选为81.0～83.4％。在本发明中，所述铁尾矿优选为河北省迁安市蔡园镇某矿场排放的工业废渣，经过筛分后获得。

在本发明中，所述全铁尾矿混凝土的水胶比优选为0.39～0.51，更优选为0.42～0.48。在本发明中，所述减水剂掺量优选为胶凝材料质量的0.47～0.60％，更优选为0.47～0.49％。在本发明中，所述胶凝材料是指水泥与铁尾矿粉的混合物，组成材料的比例优选为水泥与铁尾矿粉为1:0.43。

以每立方米混凝土计，本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土包括水165～175kg，优选为170kg。

以每立方米混凝土计，本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土包括减水剂1.6～2.6kg，优选为2.0～2.4kg。在本发明中，所述减水剂优选为固含量40％的聚羧酸系高效减水剂。本发明对所述减水剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售减水剂即可。

本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土采用铁尾矿粉替代传统混凝土中30％质量的水泥，较细的粒径能填充水泥胶结时的孔隙，与水泥水化反应生成的凝胶一起进行胶结，填充粗细骨料孔隙，其本身具有的需水性能使混凝土拌合物和易性得到改善；通过一定量的铁尾矿砂作为细骨料与水泥、铁尾矿粉、水组成砂浆，包裹粗骨料使其具备一定的流动性，并填充粗骨料堆积时产生的孔隙，填充密实增加强度；通过一定量的铁尾矿石作为粗骨料，在混凝土中起到强度的主要骨架支撑作用；各组分相互配合，能够大量利用铁尾矿且成本低廉，解决了钢铁工业产生的铁尾矿带来的占用土地、环境污染、尾矿坝潜在灾害等问题，还起到节约水泥的作用。

本发明还提供了一种泵送的全铁尾矿混凝土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铁尾矿砂、铁尾矿粉和水泥混合，得到混合粉料；

(2)将所述步骤(1)得到的混合粉料与铁尾矿石混合，得到混合干料；

(3)将减水剂和水的混合液与所述步骤(2)得到的混合干料混合，得到混凝土。

本发明将铁尾矿砂、铁尾矿粉和水泥混合，得到混合粉料。本发明对所述铁尾矿砂、铁尾矿粉和水泥混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合粉料的技术方案即可。在本发明中，所述铁尾矿砂、铁尾矿粉和水泥的混合优选在搅拌机中进行；所述搅拌的速率优选为40～50r/min，更优选为45r/min所述搅拌的时间优选为10～30s，更优选为15～25s。

得到混合粉料后，本发明将所述混合粉料与铁尾矿石混合，得到混合干料。本发明对所述混合粉料与铁尾矿石混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合粉料的技术方案即可。在本发明中，所述混合粉料与铁尾矿石的混合优选在搅拌机中进行；所述搅拌的速率优选为40～50r/min，更优选为45r/min所述搅拌的时间优选为10～30s，更优选为15～25s。

得到混合干料后，本发明将减水剂和水的混合液与所述混合干料混合，得到混凝土。本发明优选先将减水剂和水混合，得到混合液，然后与混合干料混合。本发明对所述混合液与所述混合干料混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备混合粉料的技术方案即可。在本发明中，所述混合液与所述混合干料的混合优选在搅拌机中进行；所述搅拌的速率优选为40～50r/min，更优选为45r/min所述搅拌的时间优选为180～200s，更优选为190s。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所用的铁尾矿粉替代传统的混凝土掺合料粉煤灰，铁尾矿砂石完全替代天然的河砂及碎石，铁尾矿利用率高，用量较大，能够节约天然矿石资源，解决尾矿堆放侵占土地，污染环境的问题，使铁尾矿这种工业废渣变废为宝，增加了产品附加值，提供了一种新型绿色环保的铁尾矿混凝土；

(2)本发明所用原材料铁尾矿粉、铁尾矿砂与铁尾矿石的质量占比最高达到83.5％，这种泵送的全铁尾矿混凝土在满足混凝土强度等级的前提下，较传统混凝土提高了铁尾矿利用率，且降低了混凝土原材料的成本，所以这种铁尾矿混凝土不仅降低了混凝土单方成本，还较大程度的利用了铁尾矿，解决了尾矿堆放引起的种种环境问题；

(3)本发明所用的铁尾矿粉在此比表面积范围内能很好的发挥其活性，且研磨成本较低，相比水泥粒径更细，能够起到很好的填充作用，提高混凝土的密实度，有利于提高混凝土强度及抗渗性等；

(4)本发明所述的泵送的全铁尾矿混凝土，使铁尾矿大量消耗，对目前正在进行的开发建设、旧城区改造等提供了一种新型节能、环保的绿色混凝土，满足日常施工的要求，具有显著的社会经济效益。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的泵送的全铁尾矿混凝土及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

以下实施例和对比例所涉及原材料为：普通硅酸盐p·o42.5水泥，固含量40％的聚羧酸系高效减水剂，铁尾矿粉、铁尾矿砂与铁尾矿石都来自河北省迁安市蔡园镇某矿场排放的工业废渣，铁尾矿砂与铁尾矿石经简单筛分后使用，粒径小于2.36mm的铁尾矿粉经由机器磨细，使其比表面积达到480～560m²/kg之间、粒径小于0.3mm后使用；铁尾矿砂粒径在0.075～4.75mm之间，细度模数为2.9的，ⅱ区中砂；铁尾矿石粒径在2.36～19mm之间，5～20连续级配铁尾矿石。

实施例1

本实施例中泵送的全铁尾矿混凝土配合比为：水泥:铁尾矿粉:水:铁尾矿砂:铁尾矿石＝1:0.43:0.61:2.88:3.96，水胶比为0.43。

所述全铁尾矿混凝土，每立方米混凝土中所述组成原材料如下：

水泥：278.7kg

铁尾矿粉：119.5kg

水：170kg

铁尾矿砂：804.0kg

铁尾矿石：1103.0kg

减水剂：2.0kg

上述铁尾矿粉、铁尾矿砂与铁尾矿石的质量占混凝土总质量的81.9％。

本实施例中，上述减水剂掺量是胶凝材料质量的0.49％，水胶比是0.43，其中胶凝材料为水泥与铁尾矿粉的混合物，组成材料的比例是水泥与铁尾矿粉为1:0.43。

本实施例中，减水剂为固含量40％的聚羧酸系高效减水剂。

本实施例中，水泥是普通硅酸盐42.5级。

铁尾矿的化学成分如表1所示。

表1实施例1铁尾矿化学成分

铁尾矿中二氧化硅含量超过60％，属于高硅型铁尾矿，有助于提高铁尾矿的硬度。

本实施例中泵送的全铁尾矿混凝土的制备方法工艺流程如图1所示，步骤如下：

步骤一，将铁尾矿砂、水泥、铁尾矿粉按所述配合比称量原材料，每立方米组成原材料用量为，水泥278.7kg、铁尾矿粉119.5kg、铁尾矿砂804.0kg，将称好的原材料倒入搅拌机中，搅拌30s，使其搅拌均匀。

步骤二，将铁尾矿石按所述配合比称量原材料，每立方米铁尾矿石用量是1103.0kg，与步骤一的原材料进行搅拌30s，使其混合均匀。

步骤三，将称量好的水与减水剂混合并搅拌均匀，每立方米用量为水170kg，高效减水剂2.0kg。

步骤四，将步骤三中水与减水剂的混合液体直接倒入搅拌机中，搅拌180s，直到混凝土拌合物搅拌均匀，泵送的全铁尾矿混凝土制备完成。

将上述制备完成的全铁尾矿混凝土制作了若干100mm×100mm×100mm立方体试块，经过相对温度20±1℃，相对湿度不小于95％的标准养护28d后，依据gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相应试验的规定，对全铁尾矿混凝土进行了混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试验，试验结果如表2所示。

表2实施例1全铁尾矿混凝土试验结果

对比例1

混凝土配合比为水泥:粉煤灰:水:河砂:碎石＝1:0.43:0.61:2.72:3.76。

水胶比为0.43。

常用原材料混凝土，每立方米混凝土中所述组成原材料如下：

水泥：278.7kg

粉煤灰：119.5kg

水：170kg

河砂：759.4kg

碎石：1048.8kg

减水剂：2.4kg

上述减水剂掺量是胶凝材料质量的0.60％，水胶比是0.43，其中胶凝材料为水泥与粉煤灰的混合物，组成材料的比例是水泥与粉煤灰为1:0.43。

减水剂为固含量40％的聚羧酸系高效减水剂。

水泥是普通硅酸盐42.5级，所述粉煤灰是ⅱ级粉煤灰。

河砂粒径在0.075～4.75mm之间，细度模数为2.8的，ⅱ区中砂。

碎石粒径在2.36～19mm之间，5～20连续级配碎石。

按照实施例1所述泵送的全铁尾矿混凝土的制备方法进行常用原材料混凝土制备，制作了若干100mm×100mm×100mm立方体试块，经过相对温度20±1℃，相对湿度不小于95％的标准养护28d后，依据gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相应试验的规定，对常用原材料混凝土进行了混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试验，试验结果如表3所示。

表3对比例1混凝土试验结果

实施例2

本实施例泵送的全铁尾矿混凝土配合比为：水泥:铁尾矿粉:水:铁尾矿砂:铁尾矿石＝1:0.43:0.55:2.55:3.50。水胶比为0.39。

本实施例的全铁尾矿混凝土，每立方米混凝土中所述组成原材料如下：

水泥：308.9kg

铁尾矿粉：132.4kg

水：170kg

铁尾矿砂：787.0kg

铁尾矿石：1080.0kg

减水剂：2.1kg

上述铁尾矿粉、铁尾矿砂与铁尾矿石的质量占混凝土总质量的80.7％。

本实施例中，上述减水剂掺量是胶凝材料质量的0.47％，水胶比是0.39，其中胶凝材料为水泥与铁尾矿粉的混合物，组成材料的比例是水泥与铁尾矿粉为1:0.43。

本实施例中，减水剂为固含量40％的聚羧酸系高效减水剂。

本实施例中，水泥是普通硅酸盐42.5级。

铁尾矿的成分如表4所示。

表4实施例2铁尾矿的化学成分

铁尾矿中二氧化硅含量超过60％，属于高硅型铁尾矿，有助于提高铁尾矿的硬度。

所述泵送的全铁尾矿混凝土的制备方法与步骤如下：

步骤一，将铁尾矿砂、水泥、铁尾矿粉按所述配合比称量原材料，每立方米组成原材料用量为，水泥308.9kg、铁尾矿粉132.4kg、铁尾矿砂787.0kg，将称好的原材料倒入搅拌机中，搅拌30s，使其搅拌均匀。

步骤二，将铁尾矿石按所述配合比称量原材料，每立方米铁尾矿石用量是1080.0kg，与步骤一的原材料进行搅拌30s，使其混合均匀。

步骤三，将称量好的水与减水剂混合并搅拌均匀，每立方米用量为水170kg，高效减水剂2.1kg。

步骤四，将步骤三中水与减水剂的混合液体直接倒入搅拌机中，搅拌180s，直到混凝土拌合物搅拌均匀，泵送的全铁尾矿混凝土制备完成。

将上述制备完成的全铁尾矿混凝土制作了若干100mm×100mm×100mm立方体试块，经过相对温度20±1℃，相对湿度不小于95％的标准养护28d后，依据gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相应试验的规定，对全铁尾矿混凝土进行了混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试验，试验结果如表5所示。

表5实施例2全铁尾矿混凝土试验结果

对比例2

混凝土配合比为水泥:粉煤灰:水:河砂:碎石＝1:0.43:0.55:2.40:3.32。

水胶比为0.43。

常用原材料混凝土，每立方米混凝土中所述组成原材料如下：

水泥：308.9kg

粉煤灰：132.4kg

水：170kg

河砂：741.8kg

碎石：1024.3kg

减水剂：2.6kg

上述减水剂掺量是胶凝材料质量的0.59％，水胶比是0.39，其中胶凝材料为水泥与粉煤灰的混合物，组成材料的比例是水泥与粉煤灰为1:0.43。

减水剂为固含量40％的聚羧酸系高效减水剂。

水泥是普通硅酸盐42.5级，所述粉煤灰是ⅱ级粉煤灰。

河砂粒径在0.075mm～4.75mm之间，细度模数为2.8的，ⅱ区中砂。

碎石粒径在2.36mm～19mm之间，5～20连续级配碎石。

按照实施例2所述泵送的全铁尾矿混凝土的制备方法进行常用原材料混凝土制备，制作了若干100mm×100mm×100mm立方体试块，经过相对温度20±1℃，相对湿度不小于95％的标准养护28d后，依据gb/t50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中相应试验的规定，对常用原材料混凝土进行了混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试验，试验结果如表6所示。

表6对比例2混凝土试验结果

从以上实施例和对比例可以看出，本发明提供的全铁尾矿混凝土于常用原材料混凝土的参数相差不大，全铁尾矿混凝土满足各项要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。