一种全固废超高性能混凝土砂浆及其制备方法

1.本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种全固废超高性能混凝土砂浆及其制备方法。


背景技术：

2.超高性能混凝土常采用天然石英砂作为骨料，而天然砂是一种地方性资源，不利于长距离运输，且短期内不可再生。随着我国基础设施建设的日益发展，我国不少地区的天然砂资源逐步短缺，甚至出现无砂可用的状况，混凝土用砂供需矛盾尤为突出。另外，由于天然砂的无序生产，在生产、贮存和运输过程中还造成了对空气和环境的污染。
3.我国矿产资源开发总规模居于世界前列，其中的铁矿资源具有品位低、共生伴生矿多的特点，导致在选矿过程中会产生大量的铁尾矿，每生产1t铁精矿要排出2.5～3t尾矿，但由于矿石贫化的原因，有些矿山企业的选矿比达到了5～6，甚至到了10以上。但是，目前尾矿的综合利用率为14％，铁尾矿的利用率仅为7％左右。
4.虽然，现有技术也有关于用铁尾矿代替部分石英砂制备混凝土的报道，但是铁尾矿的掺入又会导致其他的问题，比如铁尾矿表面多棱角导致吸水率高，使整个浆体过于黏稠而影响了混凝土流动性，并且振捣密实较困难，无法达到与石英砂混凝土相当的强度。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种全固废超高性能混凝土砂浆及其制备方法，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆具有良好的流动性，优异的抗压强度和抗折强度。
6.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
7.本发明提供了一种全固废超高性能混凝土砂浆，按重量份数计，包括以下组分：铁尾矿920～930份，机制砂195～205份，铜渣195～205份，水泥700～705份，硅灰175～180份，水162～165份和减水剂18～22份。
8.优选地，按重量份数计，所述全固废超高性能混凝土砂浆包括以下组分：铁尾矿924～928份，机制砂200～205份，铜渣200～205份，水泥700～702份，硅灰176～178份，水164～165份和减水剂20～22份。
9.优选地，所述铁尾矿的级配为：按重量份数计，＜0.075mm的铁尾矿215～225份，0.075～0.15mm的铁尾矿335～340份，0.15～0.30mm的铁尾矿360～365份。
10.优选地，所述机制砂的粒径为0.3～0.6mm。
11.优选地，所述铜渣的粒径为0.6～1.25mm。
12.本发明还提供了上述技术方案所述全固废超高性能混凝土砂浆的制备方法，包括以下步骤：
13.(1)将铁尾矿、机制砂和铜渣混合后进行搅拌，得到混合物a；
14.(2)将所述步骤(1)得到的混合物a与水泥、硅灰混合后进行搅拌，得到混合物b；
15.(3)将所述步骤(2)得到的混合物b与部分水、减水剂混合后进行搅拌，得到混合物
c；
16.(4)将所述步骤(3)得到的混合物c与剩余部分水混合后进行搅拌，养护后得到全固废超高性能混凝土砂浆。
17.优选地，所述步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)中搅拌的速度独立地为自转140
±
5r/min、公转62
±
5r/min；所述步骤(1)和步骤(2)中搅拌的时间独立地为1～1.5min，所述步骤(3)中搅拌的时间为2～2.5min。
18.优选地，所述步骤(4)中的搅拌包括低速搅拌和高速搅拌。
19.优选地，所述低速搅拌的速度为自转140
±
5r/min、公转62
±
5r/min，低速搅拌的时间为1～2min；所述高速搅拌的速度为自转285
±
10r/min、公转125
±
10r/min，高速搅拌的时间为1～2min。
20.优选地，所述步骤(4)中养护的温度为60～65℃，养护的时间为3～5天。
21.本发明提供了一种全固废超高性能混凝土砂浆，按重量份数计，包括以下组分：铁尾矿920～930份，机制砂195～205份，铜渣195～205份，水泥700～705份，硅灰175～180份，水162～165份和减水剂18～22份。本发明利用铁尾矿、机制砂和铜渣代替石英砂来制备混凝土砂浆，铁尾矿的主要成分为石英，具有很强的硬度，可以作为骨料掺入混凝土砂浆中以保证混凝土砂浆的强度，机制砂的使用可以提高混凝土砂浆的抗压与抗折强度、限制砂浆的体积变形，铜渣的使用会大幅改善混凝土砂浆的流动度，减少用水率，实现全固废代替石英砂的同时又保证了混凝土砂浆的流动性和强度。实施例的结果显示，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆的流动度为180mm，28d抗压强度为115.03mpa，28d抗折强度为19.9mpa。
附图说明
22.图1为本发明实施例1制备的全固废超高性能混凝土砂浆的扩展面照片；
23.图2为对比例1制备的石英砂超高性能混凝土砂浆的扩展面照片；
24.图3为本发明实施例1和对比例1制备的超高性能混凝土砂浆的累计孔体积图；
25.图4为本发明实施例1和对比例1制备的超高性能混凝土砂浆的孔隙分布图。
具体实施方式
26.本发明提供了一种全固废超高性能混凝土砂浆，按重量份数计，包括以下组分：铁尾矿920～930份，机制砂195～205份，铜渣195～205份，水泥700～705份，硅灰175～180份，水162～165份和减水剂18～22份。
27.本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆包括铁尾矿920～930份，优选为924～928份。在本发明中，所述铁尾矿的主要成分为石英，具有很强的硬度，可以作为骨料掺入混凝土砂浆中以保证混凝土砂浆的强度。本发明对所述铁尾矿的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的铁尾矿即可。
28.在本发明中，所述铁尾矿的级配优选为：按重量份数计，＜0.075mm的铁尾矿215～225份，0.075～0.15mm的铁尾矿335～340份，0.15～0.30mm的铁尾矿360～365份。本发明优选将所述铁尾矿的级配控制在上述范围，粒径＜0.075mm的铁尾矿在混凝土砂浆中起填充细小微孔的作用，粒径为0.075～0.3mm的铁尾矿在混凝土砂浆中起强度支撑的作用。
29.按铁尾矿的重量份数为920～930份计，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆包括机制砂195～205份，优选为200～205份。在本发明中，所述机制砂的添加可以提高混凝土砂浆的抗压与抗折强度、限制砂浆的体积变形。
30.在本发明中，所述机制砂的粒径优选为0.3～0.6mm。本发明优选将所述机制砂的粒径控制在上述范围，0.3～0.6mm粒径段的固废稀少，而机制砂可以填充这一段粒径。本发明优选采用铁尾矿废石破碎成机制砂。
31.按铁尾矿的重量份数为920～930份计，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆包括铜渣195～205份，优选为200～205份。本发明通过添加铜渣，可以使混凝土砂浆的整体流动性得到增益。超高性能混凝土的特点是具有极低的水胶比，用水量极少，流动度低，在此情况下，混凝土无法振实将气泡排出而影响其强度。传统超高性能混凝土解决流动度的手段一般为加入高效减水剂，但高效减水剂往往会有减水饱和点，达到饱和点之后对流动性改善微乎其微，且加入大量减水剂成本也会随之上升。
32.在本发明中，所述铜渣的粒径优选为0.6～1.25mm。本发明优选采用0.6mm～1.25mm的铜渣代替石英砂，铜渣作为细骨料会大幅改善混凝土砂浆的流动度，减少用水率。
33.按铁尾矿的重量份数为920～930份计，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆包括水泥700～705份，优选为700～702份。在本发明中，所述水泥作为胶凝材料。本发明对所述水泥的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。在本发明中，所述水泥优选为52.5水泥。
34.按铁尾矿的重量份数为920～930份计，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆包括硅灰175～180份，优选为176～178份。在本发明中，所述硅灰作为胶凝材料。本发明对所述硅灰的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品或即可。
35.按铁尾矿的重量份数为920～930份计，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆包括水162～165份，优选为164～165份。在本发明中，所述水用于拌合其它组分。
36.按铁尾矿的重量份数为920～930份计，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆包括减水剂18～22份，优选为20～22份。在本发明中，所述减水剂优选为聚羧酸高效减水剂。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产品即可。
37.本发明利用铁尾矿、机制砂和铜渣代替石英砂来制备全固废超高性能混凝土砂浆，铁尾矿的主要成分为石英，具有很强的硬度，可以作为骨料掺入混凝土砂浆中，机制砂的使用可以提高混凝土砂浆的抗压与抗折强度、限制砂浆的体积变形，铜渣的使用会大幅改善混凝土砂浆的流动度，减少用水率，实现全固废代替石英砂的同时又保证了混凝土砂浆的流动性和强度。
38.本发明还提供了上述技术方案所述全固废超高性能混凝土砂浆的制备方法，包括以下步骤：
39.(1)将铁尾矿、机制砂和铜渣混合后进行搅拌，得到混合物a；
40.(2)将所述步骤(1)得到的混合物a与水泥、硅灰混合后进行搅拌，得到混合物b；
41.(3)将所述步骤(2)得到的混合物b与部分水、减水剂混合后进行搅拌，得到混合物c；
42.(4)将所述步骤(3)得到的混合物c与剩余部分水混合后进行搅拌，养护后得到全
固废超高性能混凝土砂浆。
43.本发明将铁尾矿、机制砂和铜渣混合后进行搅拌，得到混合物a。
44.在本发明中，所述搅拌的速度优选为自转140
±
5r/min、公转62
±
5r/min；更优选为自转140
±
3r/min、公转62
±
3r/min；所述搅拌的时间优选为1～1.5min，更优选为1min。
45.得到混合物a后，本发明将所述混合物a与水泥、硅灰混合后进行搅拌，得到混合物b。
46.在本发明中，所述搅拌的速度优选为自转140
±
5r/min、公转62
±
5r/min；更优选为自转140
±
3r/min、公转62
±
3r/min；所述搅拌的时间优选为1～1.5min，更优选为1min。
47.得到混合物b后，本发明将所述混合物b与部分水、减水剂混合后进行搅拌，得到混合物c。
48.在本发明中，所述部分水优选为水的总重量份数的50％。在本发明中，所述搅拌的速度优选为自转140
±
5r/min、公转62
±
5r/min；更优选为自转140
±
3r/min、公转62
±
3r/min；所述搅拌的时间优选为2～2.5min，更优选为2min。
49.得到混合物c后，本发明将所述混合物c与剩余部分水混合后进行搅拌，养护后得到全固废超高性能混凝土砂浆。
50.在本发明中，所述搅拌优选包括低速搅拌和高速搅拌。在本发明中，所述低速搅拌的速度优选为自转140
±
5r/min、公转62
±
5r/min，更优选为自转140
±
3r/min、公转62
±
3r/min；所述低速搅拌的时间优选为1～2min，更优选为1min。在本发明中，所述高速搅拌的速度优选为自转285
±
10r/min、公转125
±
10r/min，更优选为自转285
±
5r/min、公转125
±
5r/min；所述高速搅拌的时间优选为1～2min，更优选为2min。
51.在本发明中，所述养护的温度优选为60～65℃，更优选为63～65℃；所述养护的时间优选为3～5天，更优选为5天。
52.本发明提供的制备方法操作简单，实现了各原料的充分混合，保证了混凝土砂浆的性能。
53.下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.实施例1
55.全固废超高性能混凝土砂浆由以下组分组成(重量份)：小于0.075mm的铁尾矿224份、0.075～0.15mm的铁尾矿336份、0.15～0.30mm的铁尾矿364份、0.3～0.6mm的机制砂200份、0.6～1.25mm的铜渣200份、52.5水泥700份、硅灰176份、水164份和聚羧酸高效减水剂18份。
56.制备方法为：
57.(1)将224重量份小于0.075mm的铁尾矿、336重量份0.075～0.15mm的铁尾矿、364重量份0.15～0.30mm的铁尾矿、200重量份0.3～0.6mm的机制砂和200重量份0.6～1.25mm的铜渣加入搅拌机，按照自转143r/min、公转65r/min的速度搅拌1min，得到混合物a；
58.(2)将步骤(1)得到的混合物a与700重量份的52.5水泥、176重量份的硅灰混合后继续按照自转143r/min、公转65r/min的速度搅拌1min，得到混合物b；
59.(3)将步骤(2)得到的混合物b与82重量份的水、18重量份的聚羧酸高效减水剂混合后继续按照自转143r/min、公转65r/min的速度搅拌2min，得到混合物c；
60.(4)将步骤(3)得到的混合物c与剩余的82重量份的水混合后继续按照自转143r/min、公转65r/min的速度搅拌1min，再按照自转290r/min、公转130r/min的速度搅拌2min，得到全固废超高性能混凝土砂浆。
61.对比例1
62.石英砂超高性能混凝土砂浆由以下组分组成(重量份)：小于0.075mm的石英砂224份、0.075～0.15mm的石英砂336份、0.15～0.30mm的石英砂364份、0.3～0.6mm的石英砂200份、0.6～1.25mm的石英砂200份、52.5水泥700份、硅灰176份、水164份和聚羧酸高效减水剂18份。
63.制备方法为：
64.(1)将224重量份小于0.075mm的石英砂、336重量份0.075～0.15mm的石英砂、364重量份0.15～0.30mm的石英砂、200重量份0.3～0.6mm的石英砂和200重量份0.6～1.25mm的石英砂加入搅拌机，按照自转143r/min、公转65r/min的速度搅拌1min，得到混合物a；
65.(2)将步骤(1)得到的混合物a与700重量份的52.5水泥、176重量份的硅灰混合后继续按照自转143r/min、公转65r/min的速度搅拌1min，得到混合物b；
66.(3)将步骤(2)得到的混合物b与82重量份的水、18重量份的聚羧酸高效减水剂混合后继续按照自转143r/min、公转65r/min的速度搅拌2min，得到混合物c；
67.(4)将步骤(3)得到的混合物c与剩余的82重量份的水混合后继续按照自转143r/min、公转65r/min的速度搅拌1min，再按照自转290r/min、公转130r/min的速度搅拌2min，得到石英砂超高性能混凝土砂浆。
68.图1为实施例1制备的全固废超高性能混凝土砂浆的扩展面照片，图2为对比例1制备的石英砂超高性能混凝土砂浆的扩展面照片。由图1和图2可以看出，通过铁尾矿、机制砂和铜渣的配合可以改善混凝土砂浆的流动度。
69.按照gb/t 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试实施例1和对比例1制备的超高性能混凝土砂浆的28d抗压强度和抗折强度，按照gb/t 2419-2005《水泥胶砂流动度试验标准》测试实施例1和对比例1制备的超高性能混凝土砂浆的流动度，测试结果见表1。由表1可以看出，本发明实施例1制备的全固废超高性能混凝土砂浆的28d抗压强度可以达到对比例1制备的石英砂超高性能混凝土砂浆的97.4％，28d抗折强度可以达到对比例1的96.88％，流动度高于对比例1。
70.表1实施例1和对比例1制备的超高性能混凝土砂浆的性能
[0071] 流动度(mm)抗折强度(mpa)抗压强度(mpa)对比例116920.54117.99实施例118019.9115.03
[0072]
图3为实施例1和对比例1制备的超高性能混凝土砂浆的累计孔体积图，图4为实施例1和对比例1制备的超高性能混凝土砂浆的孔隙分布图。由图4可以看出，对比例1制备的石英砂超高性能混凝土砂浆的孔隙率为2.61％，实施例1制备的全固废超高性能混凝土砂浆的孔隙率为4.79％，仅上涨了2.18％。一般来说，混凝土中的孔隙可分为4种，凝胶孔(小于10nm)、中孔(10～100nm)、毛细孔(100～1000nm)和大孢子孔(大于1000nm)，其中，小于
100nm的孔隙被认为对混凝土无害或危害最小。由图3可以看出，本发明实施例1制备的全固废超高性能混凝土砂浆增长的孔径大多为小于10nm的凝胶孔，为无害孔。
[0073]
由以上实施例可以看出，本发明提供的全固废超高性能混凝土砂浆具有良好的流动性，优异的抗压强度和抗折强度，流动度为180mm，28d抗压强度为115.03mpa，28d抗折强度为19.9mpa。
[0074]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。