本发明涉及高性能复合混凝土应用技术领域，具体涉及一种粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体及其制备方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，对分离加工技术也提出了更高的要求，特别是研磨体的性能指标，要求粉磨的粉体颗粒形貌合适，粒径更小，级配合理；而粉磨的能耗更低。
研磨体的任务就是把喂入磨内的块状物料击碎并磨成细粉。目前研磨体基材多为钢、铁等金属或者微晶陶瓷，但是金属研磨体存在资源消耗大，环境污染严重，强度低，磨耗高等缺陷。陶瓷研磨体的密度为3.6578g/cm3左右，较金属铁的密度7.8g/cm3小得多，虽然降低了相同填充量下的装载重量，降低了能耗，但是超微粉体的生产对研磨设备和研磨体提出了新的需求，如要求球磨机线速度达到13m/s，这就需要研磨介质同时具备高耐磨、高耐撞击、内外一致的性能。水泥粉磨用的大型球磨机，要求研磨体具有高强耐磨、高韧抗碎、表面磨削力强、对于水泥研磨的性价比高于钢球等特点。但目前使用的微晶陶瓷研磨体存在易碎、耐磨性差、内外磨耗不一致三大问题，且不能直接用于水泥磨机中。此外，陶瓷研磨体密度偏小，研磨体的严密能力较金属研磨体低，磨机的生产能力降低；当物料的性能发生变化，例如易磨性变差，粒度变大时，要求粉末物料的粒度较小，用在磨叽的二仓或三仓，粉磨物料的适应范围窄，而且陶瓷研磨体的生产成本高，需要高温烧结，制约了其在粉磨行业的推广应用。因此需要开发一种用于粉磨行业管磨机的环保高性能研磨体，进一步优化、提升并替代现有系列研磨体。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的弊端，本发明的目的之一是在现有粉磨行业金属研磨体、非金属微晶陶瓷研磨体的基础上，创新设计一种用于粉磨行业管磨机的环保高性能复合混凝土研磨体，进一步优化、提升并替代现有系列研磨体，该产品是具备高强、耐磨、高韧性、中比重、环保、低成本等综合性能的一种复合混凝土研磨体。
为达此目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体，包括如下质量份数的组分：
水泥100份；
石英砂197～213份；例如197份、198份、199份、200份、201份、202份、203份、204份、205份、206份、207份、208份、209份、210份、211份、212份或213份等；
高活性组分180～210份；例如180份、182份、185份、188份、190份、192份、195份、198份、200份、202份、205份、208份或210等；
增韧纤维185～205份；例如185份、188份、190份、192份、195份、198份、200份、202份或205份等；
合金粉末25～35份；例如25份、26份、27份、28份、29份、30份、31份、32份、33份、34份或35份等。
其中，所述高活性组分包括超细硅粉、建筑垃圾再生超细粉、沸石粉、铁氧体超细粉、纳米氧化石墨烯和陶瓷废料超细粉中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：超细硅粉与建筑垃圾再生超细粉的组合，沸石粉与铁氧体超细粉的组合，纳米氧化石墨烯与陶瓷废料超细粉的组合，超细硅粉、建筑垃圾再生超细粉与沸石粉的组合，超细硅粉、铁氧体超细粉、纳米氧化石墨烯与陶瓷废料超细粉的组合；所述增韧纤维包括钢纤维、碳化硅纤维、碳酸钙晶须、玄武岩纤维和氮化硼纤维中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：钢纤维与碳化硅纤维的组合，碳酸钙晶须与玄武岩纤维的组合，碳化硅纤维与氮化硼纤维的组合，钢纤维、碳化硅纤维与碳酸钙晶须的组合；所述合金粉末包括铝锌合金和/或铝钛合金。
本发明所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，这些其他组分赋予所述研磨体不同的特性。除此之外，本发明所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
高性能复合混凝土是一种由新型超高强水泥基复合材料的优化组合，它具有超高的力学性质，优异的耐久性、较低的收缩和徐变性能，经实践检测不仅可获得200～800mpa的超高抗压强度，而且具有30～60mpa的抗折强度，有效地克服了普通高性能混凝土的高脆性，这一优越性能使其在土木、石油、核电、市政、海洋等工程及军事设施中有广阔的应用前景，本发明首次将金属与混凝土复合用于粉磨行业研磨体。
通过掺加具有一定细度的高活性组分，提高基质的匀质性，避免粗骨料与水泥砂浆的界面过渡，提高对减少材料内部的空隙与微裂缝等缺陷，提高水泥砂浆的力学性能，获得超高强度与高耐久性；掺加增韧纤维以提高其韧性，预防混凝土极限力破坏时突然的、毫无征兆的致命破坏，并增强混凝土的抗折性能与韧性、抗冲击能力；掺加适量高硬度合金粉末提高耐磨性和适当增加比重。本发明中水泥、石英砂、高活性组分、增韧纤维、合金粉末相互协同，本发明首次将这几种常规的材料构成科学优化颗粒级配的研磨体内部结构，提升其硬度性能和优化比重，通过调节配比可以适应不同研磨体的对硬度和体积密度的具体要求，相较于传统的金属研磨体和陶瓷研磨体，是一种全新的研磨体。且本发明研磨体的成本只相当于现有技术中金属研磨体的1/3或陶瓷研磨体的1/2左右。
优选地，所述水泥包括硅酸盐水泥。
c3a，即铝酸三钙，其特点是水化热高，水化反应快，如果水泥中的c3a过高，用来拌制成高性能复合混凝土时会导致混凝土塌损过快，容易造成假凝。严重影响混凝土耐久性。优选地，所述水泥的c3a含量为5～10wt％，例如5wt％、5.2wt％、5.5wt％、5.8wt％、6wt％、6.2wt％、6.5wt％、6.8wt％、7wt％、7.2wt％、7.5wt％、7.8wt％、8.2wt％、8.5wt％、8.8wt％、99.5wt％、99.8wt％或10wt％等，优选5～8wt％。
优选地，所述高活性组分和所述合金粉末的比表面积各自独立地为400～20000m2/kg，例如400m2/kg、500m2/kg、1000m2/kg、2000m2/kg、5000m2/kg、8000m2/kg、10000m2/kg、12000m2/kg、15000m2/kg、18000m2/kg或20000m2/kg等，优选600～20000m2/kg。进一步增大基体的堆积密度，以提高拌合物的密实度。
优选地，所述高活性组分的纯度为60～90wt％，例如60wt％、65wt％、70wt％、75wt％、80wt％、82wt％、85wt％、86wt％、87wt％、88wt％、89wt％或90wt％等，优选85～90wt％。本发明通过设计高活性组分的纯度和比表面积，增强后期抗拉强度、弹性模量及耐久性和抗渗能力。
为提高研磨体的抗折强度，优选地，所述增韧纤维的直径为0.2～0.6mm，例如0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm或0.6mm等，优选0.2～0.3mm；长度为10～60mm，例如10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm或60mm等，优选10mm～20mm。
为进一步优化研磨体内部各不同组分之间的堆积密度，优选地，所述石英砂的粒径为20～200目，例如20目、30目、40目、50目、60目、80目、100目、120目、140目、160目、180目或200目等，优选20～100目。本发明优选坚硬不含杂质的石英砂，且由于其要求抗渗、抗冻性好，含泥量最好极少，砂粒经过水洗、烘干、粒度能分布均匀为佳。
优选地，所述复合混凝土研磨体包括如下质量份数的组分：
优选地，所述复合混凝土研磨体还包括25～41质量份的粉煤灰，例如25份、26份、28份、30份、31份、32份、35份、38份、40份或41份等，优选包括29～37质量份的粉煤灰。
优选地，所述复合混凝土研磨体还包括5～15质量份的硅灰，优选包括6～10质量份的硅灰。
优选地，所述复合混凝土研磨体还包括15～30质量份的膨胀剂，用以补偿混凝土的收缩，并在混凝土中后期仍能保持微弱的膨胀势头，稳定性能好，同时改善混凝土的孔隙结构，提高密实度，达到抗裂防渗的目的，例如15份、16份、17份、18份、18.5份、19份、19.5份、20份、22份、25份28份或30份等，优选包括18～20质量份的膨胀剂。
优选地，所述膨胀剂包括硫铝酸盐熟料、uea膨胀剂和钙镁复合膨胀剂中的任意一种。
优选地，所述复合混凝土研磨体还包括0.5～10质量份的减水剂，例如0.5份、0.8份、1份、1.2份、1.5份、1.8份、2份、2.2份、2.5份、2.8份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份等，优选包括1～3质量份的减水剂。
优选地，所述减水剂包括聚羧酸减水剂。聚羧酸减水剂与水泥相互适合、匹配，进一步提升混凝土的和易性、强度、抗冻性、抗碳化、抗泌水，不离析、易泵送；且无毒无害无污染无放射性且不含有氯离子和碱成分。
优选地，所述复合混凝土研磨体还包括0.6～1.3质量份的消泡剂，例如0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份、1.1份、1.2份或1.3份等，优选包括0.6～1.0质量份的消泡剂。
优选地，所述复合混凝土研磨体还包括3～6质量份的分散性乳胶粉，例如3份、3.2份、3.5份、3.8份、4份、4.2份、4.5份、4.8份、5份、5.2份、5.5份或6份等，优选包括3～5质量份的分散性乳胶粉。添加消泡剂、可分散性乳胶粉，目的是有效提高超高性能混凝土的稳定性、密实度，以及抗渗性、抗裂性、抗冲击韧性、粘结性。根据需要还可适当添加其他功能性专用复合强效剂。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体的制备方法，包括如下步骤：
(1)将各组分按照所述质量份数配料，加水后压制成型，得到湿坯；
(2)将步骤(1)所得湿坯常温养护；常温养护的成型方式确保实体材料初始水化时间，不做其它处理；
(3)拆模，进行蒸汽养护，干燥，得到干坯，从所述干坯中分选目标型号的复合混凝土研磨体，分别检测、包装、入库。
本发明通过配料计量-压制成型-常温养护-恒温蒸养-冷却分选-检测包装-入库编号等系列工艺流程完成产品加工，无需加压蒸养即可形成球形、柱形、胶囊形、异形量身定制等多种规格型号、多种比重品种的系列高性能复合混凝土研磨体。
优选地，步骤(1)中水的质量份数为30～46份，例如30份、31份、32份、33份、34份、35份、36份、37份、38份、39份、40份、42份、44份或46份等，优选30～40份。
优选地，步骤(3)所述蒸汽养护包括85～95℃下蒸汽养护5～12h，优选88～95℃下蒸汽养护6～10h，如此恒温热养护使细集料的反应性得以充分发挥，以改善微结构，提高复合混凝土研磨体的抗折和抗压强度。
本发明中，如第二方面所述粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体的制备方法可推广应用于粉磨系统中衬板、篦板、护板和管道容器内衬等其它研磨介质的生产制作。
与现有技术方案相比，本发明至少具有如下有益效果：
1.高强优势：本发明中水泥、石英砂、高活性组分、增韧材料和合金粉末互相协同构成高性能复合混凝土研磨体，其水胶比低，只有0.16左右，且具有低空隙率，各中心质间的间距很小，中心质之间的叠加效应明显，且在一定程度上增大胶凝材料的用量，即增大浆砂比，复合混凝土的抗折强度可达220mpa以上，抗压强度可达40mpa以上；本发明利用恒温蒸养的养护制度，可进一步提高复合混凝土的抗折和抗压强度；
2.优良韧性：本发明在复合混凝土集体中参加增韧纤维，得到的研磨体是一个纤维增强复合材料，根据基体相和增强相的密度、强度、弹性模量和质量分数，提高研磨体的韧性，预防混凝土极限力破坏时突然的、毫无征兆的致命破坏，并增强混凝土的抗折性能和抗冲击能力；
本发明优选进一步增加硅灰和粉煤灰，两者互相协同，物理作用、化学火山灰作用、超叠效应同时发挥，综合效果是对强度的明显改善；此外粉煤灰可降低需水量和减小自干燥收缩，同时硅灰可提高早期强度，呈现优良的韧性和力学特性。
3.硬度、比重适宜：掺加适量高硬度合金粉末使基体的堆积密度增大，以提高拌合物的密实度，提升其硬度性能和优化合理比重；
4.耐久性突出：本发明复合混凝土研磨体中的空隙量极小，使得空气渗透数低，水分吸收值小，从而具有超高的耐久性；
5.成本优势：本发明研磨体的成本只相当于现有技术中金属研磨体的1/3或陶瓷研磨体的1/2；同其它类型混凝土可以不等量替代，磨具周转快、可以直接承受剪切力，节省了构件中附加抗剪切筋等工序，综合测算，其经济效益巨大；
6.环保优势：在同等承载力条件下，本发明水泥用量几乎是普通混凝土的1/2，因此同等量水泥生产过程相比co2排放量降低了1/2左右，对不可再生的自然资源骨料的用量，本发明高性能复合混凝土材料也只占普通混凝土的1/4左右；
7.普适性：本发明高性能复合混凝土研磨体集高强度、高韧性、高硬度、高耐久性、低成本于一身，相较于传统金属研磨体以及陶瓷研磨体，该产品加工为免烧工序且成本大幅度降低；该材料具有普适性，可用于设计开发各种耐磨复合产品，如粉磨系统衬板、篦板、护板等和各种特殊受限管道容器内衬复合材料。
附图说明
图1为本发明实施例1粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体的制备方法流程示意图
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
本发明各实施例及对比例所用的水泥均为p.o42.5普通硅酸盐水泥。
实施例1
一种粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体，其组成如表1所示。
其中，水泥的c3a含量为5wt％，高活性组分为比表面积400m2/kg、纯度60wt％的硅粉，增韧纤维为钢纤维直径0.6mm、长度60mm的碳酸钙晶须，合金粉末为200目的铝锌合金粉末，膨胀剂为uea膨胀剂，减水剂为聚羧酸减水剂。
此研磨体的制备方法如图1所示，步骤如下：
(1)将各组分按照所述质量份数配料，加46份水后压制成型，得到湿坯；
(2)将步骤(1)所得湿坯常温养护，确保实体材料初始水化时间；
(3)拆模，86℃下蒸汽养护11h，干燥，得到干坯，从所述干坯中分选目标型号的复合混凝土研磨体，分别检测、包装、入库。
实施例2
与实施例1的区别仅在于：还包括粉煤灰，如表1所示。
实施例3
与实施例1的区别仅在于：还包括硅灰，如表1所示。
实施例4
与实施例1的区别仅在于：还同时包括粉煤灰和硅灰，如表1所示。
实施例5
一种粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体，其组成如表1所示。
其中，水泥的c3a含量为10wt％，高活性组分为比表面积为500m2/kg的建筑垃圾再生粉，增韧纤维为钢纤维直径0.4mm、长度40mm的玄武岩纤维，，合金粉末为160目的铝钛合金粉末，膨胀剂为uea膨胀剂，减水剂为聚羧酸减水剂。
制备方法与实施例1基本相同，只是步骤(1)加水的质量份数为30份。
实施例6
一种粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体，其组成如表1所示。
其中，水泥的c3a含量为5wt％，高活性组分为600m2/kg、纯度85wt％的铁氧体粉，增韧纤维为钢纤维直径0.2mm、长度10mm的氮化硼纤维，合金粉末为100目的铝锌合金粉末，膨胀剂为uea膨胀剂，减水剂为聚羧酸减水剂
此研磨体的制备步骤与实施例1基本相同，不同的是：步骤(1)加30份水，步骤(3)为：拆模，85℃下蒸汽养护12h，干燥，得到干坯，从所述干坯中分选目标型号的复合混凝土研磨体，分别检测、包装、入库。
实施例7
一种粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体，其组成如表1所示。
其中，水泥的c3a含量为8wt％，高活性组分为10000m2/kg、纯度90wt％的纳米氧化石墨烯，增韧纤维为钢纤维直径0.3mm、长度20mm的碳化硅纤维，合金粉末为20目的铝钛合金粉末，膨胀剂为uea膨胀剂，减水剂为聚羧酸减水剂。
此研磨体的制备步骤与实施例1基本相同，不同的是：步骤(1)加40份水，步骤(3)为：拆模，95℃下蒸汽养护5h，干燥，得到干坯，从所述干坯中分选目标型号的复合混凝土研磨体，分别检测、包装、入库。
实施例8
一种粉磨用生态环保型复合混凝土研磨体，其组成如表1所示。
其中，水泥的c3a含量为9wt％，高活性组分为20000m2/kg、纯度88wt％的沸石粉，增韧纤维为钢纤维直径0.25mm、长度16mm的钢纤维，合金粉末为质量比为1:1的60目的铝钛合金粉末与80目的铝锌合金粉末，膨胀剂为硫铝酸盐熟料，减水剂为聚羧酸减水剂。
此研磨体的制备步骤与实施例1基本相同，不同的是：步骤(1)加35份水，步骤(3)为：拆模，88℃下蒸汽养护10h，干燥，得到干坯，从所述干坯中分选目标型号的复合混凝土研磨体，分别检测、包装、入库。
对比例1
与实施例8的区别仅在于：不含有高活性组分。
对比例2
与实施例8的区别仅在于：不含有增韧纤维。
对比例3
与实施例8的区别仅在于：不含有合金粉末。
对比例4
与实施例8的区别仅在于：同时不含有高活性组分、增韧纤维和合金粉末。
实施例9
与实施例8的区别仅在于：省去蒸汽养护。
表1列出各实施例及对比利所提供的粉磨用复合混凝土研磨体中所含各组分的质量份数。表1中“-”表示不加入该组分。
表1
取各实施例及对比例的样品，利用试块法检测其抗压强度、抗折强度，把拌制好的混凝土倒入规定的立方体试模内，经震动或插捣成型，养护28天后，进行试压强度试验，以150mm立方体试件为标准件，100mm和200mm立方体试件按规定的尺寸折算系数进行换算；并检测其断裂能、耐磨系数、莫氏硬度，结果整理于表2。
表2
如表2所示，对照实施例1～4可知，本发明优选进一步增加硅灰和粉煤灰，两者互相协同，物理作用、化学火山灰作用、超叠效应同时发挥，综合效果是除了对强度的明显改善之外，其他机械性能也有所提高，无论省略硅灰和粉煤灰中任意一种或同时省略，都会导致硬度和机械性能下降。
实施例8与对比例1～4可以充分证明，本发明高活性组分、增韧纤维和合金粉末同时加入到混凝土基体材料水泥和石英砂中，产生协同效应，得到集高强度、高韧性、高硬度、高耐久性、低成本于一身的新型研磨体，取得单组分无法取得的效果，也不是单组分功能的简单加和。
实施例9与实施例8的结果证明，本发明利用恒温蒸养的养护制度，可进一步提高复合混凝土的抗折和抗压强度。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。