一种基于锑尾矿废石的高性能混凝土及其制备方法与流程

1.本发明属于固废资源利用和混凝土技术领域，涉及一种基于锑尾矿废石的高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.混凝土是世界上使用最广泛，经济性最好的人造土木工程材料。粗骨料作为混凝土的骨架，是高性能混凝土的重要组成部分；近年来，随着我国经济高速增长，国家对基础建设投入不断加大，项目建设需要大量的优质砂石骨料供应，耗费大量的砂石资源生产混凝土，造成天然砂石资源日益枯竭，为了可持续发展，要禁止过度开采天然砂石，因此，砂石价格一路上涨且供不应求，砂石资源紧缺这一问题变成了项目建设者不得不面临的难题。
3.目前已有铁尾矿、铜尾矿、金尾矿、锌尾款、钼尾矿等金属尾矿应用于混凝土的相关研究和案例，同时根据已发布的数据，全球锑探明储量为180万吨，而我国是世界上锑资源储量最多的国家，占全球总量的52％；我国也是世界头号锑生产大国，因此，在开采、选矿以及生产过程中也无法避免地产生大量的锑尾矿废石；这些锑尾矿废石的矿物成分主要是sio2、fe及al2o3等，目前对锑尾矿废石的处置措施主要是建立专门的废石堆放场进行集中堆放，但这种处理方式不仅要占用大量土地，而且费时费力，无形中增加了企业的生产成本，并且如果处理不当，还极易对周边环境造成重金属污染。如何实现锑尾矿废石变废为宝，解决锑尾矿废石的综合回收利用问题成为大家关注的话题。


技术实现要素：

4.针对现有混凝土砂石资源和锑尾矿废石处理中出现的技术问题，本发明提供一种基于锑尾矿废石的高性能混凝土及其制备方法，利用锑尾矿废石制成的碎石和水泥结合作为粗骨料制成混凝土，实现锑尾矿废石的资源化综合回收利用，减少固体废弃物的堆放场地和管理成本，降低混凝土的生产成本，制成的混凝土具有强度高、抗冻性、抗裂性、抗渗性与耐久性好等优点。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种基于锑尾矿废石的高性能混凝土，包括以下物料：粗骨料、机制砂、减水剂和水；所述粗骨料包括水泥和锑尾矿碎石；
7.每立方米高性能混凝土中，各物料的质量比为水泥：锑尾矿碎石：机制砂：减水剂：水＝442～485：1047～1091：724～758：4.86～5.82：160。
8.进一步的，所述锑尾矿碎石的矿物成分主要为石英；所述石英中sio2含量为74.47％～94.17％。
9.进一步的，所述粗骨料中的锑尾矿碎石主要成分及含量是：sio2含量为86.53％～93.64％，al2o3含量为2.57％～4.12％；cao含量为0.177％～2.04％；fe2o3含量为0.638％～1.275％；k2o含量为0.337％～0.565％；feo含量为0.219％～0.364％；tio2含量为0.143％～0.176％；mgo含量为0.103％～0.14％；mno含量为0.026％～0.034％；p2o5含量为
0.029％～0.045％以及na2o含量为0.013％～0.024％。
10.进一步的，所述粗骨料的粒径为5mm～20mm的连续级配；所述粗骨料的各项性能均满足jtg/t f50-2011《公路桥涵施工技术规范》中粗集料ⅱ类指标要求规定。
11.进一步的，所述水泥为p
·
o 42.5。
12.进一步的，所述机制砂的细度模数为2.9～2.6的中砂；所述机制砂的各项性能均能满足gb/t 14684-2011《建设用砂》规范要求。
13.进一步的，所述减水剂为ht-hpc聚羧酸高强减水剂。
14.一种基于锑尾矿废石的高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
15.1)将锑尾矿废石水洗至表面无残渣，经干燥、破碎、筛分后得到锑尾矿碎石，备用；
16.2)按权利要求1所述的质量比称取水泥、机制砂加入搅拌机中，搅拌20s～40s；
17.3)向步骤2)的搅拌机中继续加入水，搅拌15s～25s，再加入步骤1)中锑尾矿碎石；
18.4)将减水剂溶于水中，再加入搅拌机中，继续搅拌120～180s后出料。
19.本发明的有益效果是：
20.1、本发明提供的高性能混凝土包括以下物料：粗骨料、机制砂、减水剂和水；粗骨料包括水泥和锑尾矿碎石；本发明将锑尾矿废石和水泥形成粗骨料，然后进一步制成混凝土，将锑尾矿废石固化在混凝土中，减少混凝土中天然资源的消耗量，减小锑尾矿废石的堆放场地和管理成本，实现固废资源的综合利用，降低混凝土的生产成本，节能环保。
21.2、本发明中，锑尾矿碎石的矿物成分主要为石英，石英中sio2含量为74.47％～94.17％；粗骨料的粒径为5mm～20mm的连续级配；粗骨料的各项性能均满足jtg/t f50-2011《公路桥涵施工技术规范》中粗集料ⅱ类指标要求规定，水泥为p
·
o 42.5，机制砂的细度模数为2.9～2.6的中砂；减水剂为ht-hpc聚羧酸高强减水剂，利用这些物料并通过合理级配分布，所制备的混凝土具有强度高、抗冻性、抗裂性、抗渗性与耐久性较好等诸多优点，特别是强度高且抗裂性能较好，十分适用于桥梁上部结构，保证结构安全的同时显著提高结构的耐久性。
22.3、本发明先将水泥和机制砂搅拌混合，在加入水、处理得到的锑尾矿碎石和减水剂形成高性能的混凝土，生产工艺简单、生产成本低。
附图说明
23.图1是本发明不同实施例混凝土抗压强度随龄期增长的变化图；
24.图2是本发明不同实施例混凝土劈裂抗拉强度随龄期增长的变化图；
25.图3是本发明不同实施例混凝土弹性模量随龄期增长的变化图；
26.图4是本发明不同实施例混凝土碳化深度随碳化时间的变化图。
具体实施方式
27.现结合附图以及实施例对本发明进行详细的说明。
28.实施例1
29.本实施例提供的基于锑尾矿废石的高性能混凝土，包括以下物料：粗骨料、机制砂、减水剂和水；粗骨料包括水泥和锑尾矿碎石。每立方米高性能混凝土中各材料的质量比为水泥：锑尾矿碎石：机制砂：减水剂：水＝482：1085：724：5.30：160。
30.本实施例中，锑尾矿碎石的矿物成分主要为石英；石英中sio2含量为74.47％。
31.本实施例中，水泥为p
·
o 42.5，强度为42.5mpa的普通水泥。
32.本实施例中，粗骨料的主要成分及含量是：sio2含量为86.53％，al2o3含量为4.12％；cao含量为0.177％；fe2o3含量为0.638％；k2o含量为0.565％；feo含量为0.364％；tio2含量为0.176％；mgo含量为0.103％；mno含量为0.034％；p2o5含量为0.045％；na2o含量为0.013％。
33.本实施例中，粗骨料的粒径为5mm的连续级配；粗骨料的各项性能均满足jtg/t f50-2011《公路桥涵施工技术规范》中粗集料ⅱ类指标要求规定。
34.本实施例中，机制砂的细度模数为2.8的中砂；机制砂的各项性能均能满足gb/t 14684-2011《建设用砂》规范要求。细度模数是表征天然砂粒径的粗细程度及类别的指标，细度模数越大，表示砂越粗。普通混凝土用砂的细度模数范围在3.7-1.6，以中砂为宜。
35.本实施例中，减水剂为ht-hpc聚羧酸高强减水剂。减水剂是一种在维持混凝土坍落度基本不变的条件下，能减少拌合用水量的混凝土外加剂，对水泥颗粒有分散作用，能改善其工作性，减少单位用水量，改善混凝土拌合物的流动性；或减少单位水泥用量，节约水泥。
36.本实施例提供的基于锑尾矿废石的高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
37.1)将锑尾矿废石水洗至表面无残渣，经干燥、破碎、筛分后得到锑尾矿碎石，备用；
38.2)按质量比称取水泥482份、机制砂724份加入搅拌机中，搅拌30s；
39.3)向步骤2)的搅拌机中继续加入水100份，搅拌20s，再加入步骤1)中锑尾矿碎石1085份；
40.4)将减水剂5.30溶于60份水中，再加入搅拌机中，继续搅拌120s后出料，得到1立方米混凝土。
41.本实施例中，锑尾矿废石主要是露天开采过程中的剥离物，地下矿山探矿、开采、开拓、选矿和切割过程中产生的废石。
42.实施例2
43.与实施例1不同的是：
44.每立方米高性能混凝土中各材料的质量比为水泥：锑尾矿碎石：机制砂：减水剂：水为442：1091：758：4.86：160。
45.本实施例中，锑尾矿碎石的矿物成分主要为石英；石英中sio2含量为94.17％。
46.本实施例中，水泥为p
·
o 42.5，强度为42.5mpa的普通水泥。
47.本实施例中，粗骨料的主要成分及含量是：sio2含量为90.44％，al2o3含量为3.58％；cao含量为1.05％；fe2o3含量为0.972％；k2o含量为0.441％；feo含量为0.309％；tio2含量为0.152％；mgo含量为0.12％；mno含量为0.030％；p2o5含量为0.038％；na2o含量为0.017％。粗骨料的粒径为10mm的连续级配。
48.本实施例中，机制砂的细度模数为2.9的中砂。
49.本实施例提供的基于锑尾矿废石的高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
50.1)将锑尾矿废石水洗至表面无残渣，经干燥、破碎、筛分后得到锑尾矿碎石，备用；
51.2)按质量比称取水泥442份、机制砂758份加入搅拌机中，搅拌40s；
52.3)向步骤2)的搅拌机中继续加入水110份，搅拌15s，再加入步骤1)中锑尾矿碎石
1091份；
53.4)将减水剂4.86溶于50份水中，再加入搅拌机中，继续搅拌180s后出料，得到1立方米混凝土。
54.实施例3
55.与实施例2不同的是，本实施例中，每立方米高性能混凝土中各材料的质量比为水泥：锑尾矿碎石：机制砂：减水剂：水为485：1047：758：5.82：160。
56.本实施例中，锑尾矿碎石的矿物成分主要为石英；石英中sio2含量为94.17％。
57.本实施例中，水泥为p
·
o 42.5，强度为42.5mpa的普通水泥。
58.本实施例中，粗骨料的主要成分及含量是：sio2含量为93.64％，al2o3含量为2.57％；cao含量为2.04％；fe2o3含量为1.275％；k2o含量为0.337％；feo含量为0.219％；tio2含量为0.143％；mgo含量为0.14％；mno含量为0.026％；p2o5含量为0.029％；na2o含量为0.024％。粗骨料的粒径为20mm的连续级配。
59.本实施例中，机制砂的细度模数为2.6的中砂。
60.本实施例提供的基于锑尾矿废石的高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
61.1)将锑尾矿废石水洗至表面无残渣，经干燥、破碎、筛分后得到锑尾矿碎石，备用；
62.2)按质量比称取水泥485份、机制砂758份加入搅拌机中，搅拌20s；
63.3)向步骤2)的搅拌机中继续加入水80份，搅拌25s，再加入步骤1)中锑尾矿碎石1085份；
64.4)将减水剂5.82溶于80份水中，再加入搅拌机中，继续搅拌150s后出料，得到1立方米混凝土。
65.为了进一步说明本发明采用锑尾矿废石来制备混凝土的优越性，先对制备的混凝土的性能进行进一步试验验证。
66.验证试验1混凝土工作性能和力学性能
67.试验组：实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土
68.试验过程：
69.(1)采用混凝土管用混凝土抗压强度试验方法(gb/t 11837—2009)分别测定试验组的三组混凝土的抗压强度；结果如表1和图1所示。
70.(2)采用直接受拉法分别测定试验组的三组混凝土的劈裂抗拉强度，其试件是用钢模浇筑成型的150mm
×
150mm
×
550mm的棱柱体试件，两端设有埋深为125mm的对中带肋钢筋(直径是6mm)，用于施加轴心拉力。结果如表1和图2所示；
71.(3)采用《普通混凝土力学性能试验方法标准》gb/t50081-2002中的混凝土弹性模量试验方法，分别测定试验组的三组混凝土的弹性模量；结果如表1和图3所示。
72.表1混凝土的施工性能和力学性能
[0073][0074]
参见表1、图1-图3可知：
[0075]
(1)本发明实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土，7天抗压强度分别为50.5、51.8和52.6mpa；28天抗压强度分别在59.5、62.6和64.5mpa；
[0076]
(2)本发明实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土，7天劈裂抗拉强度分别在3.41、3.47和3.51mpa；28天劈裂抗拉强度分别在3.85、3.94和4.17mpa；
[0077]
(3)本发明实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土，7天弹性模量分别在3.29
×
104、3.31
×
104和3.35
×
104mpa；28天弹性模量分别在3.97
×
104、4.06
×
104和4.11
×
104mpa。
[0078]
而根据规范gbt 50107-2010《混凝土强度检验评定标准》以及jtg 3362-2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，c50混凝土28d龄期抗压强度需满足1.15f
cu，k
即为57.5mpa，混凝土28d劈裂抗拉强度在2.65mpa；混凝土28d龄期弹性模量需达到3.45
×
104mpa，因此可知，本发明采用锑尾矿废石来制备混凝土都满足规范要求，具有良好的工作性能和力学性能，是一种高强度混凝土。
[0079]
验证试验2混凝土抗冻性能
[0080]
试验组：实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土
[0081]
试验过程：采用《普通混凝土抗冻性能试验方法实施细则慢冻法》分别测定试验组的三组混凝土的冻融循环次数、冻融后质量损失率和冻融后相对动弹性模量，以表明混凝土的抗冻性能，结果如表2所示。
[0082]
表2混凝土的质量与相对动弹性模量损失率
[0083][0084]
注：表中质量损失率负号代表质量降低。
[0085]
从表2可以看出：
[0086]
实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土，其冻融循环次数为300次时，冻融后质量损失率分别在1.99％、1.93％和1.90％，冻融后相对动弹性模量分别在81.9％、84.7％和85.8％。
[0087]
而根据规范gb/t 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》对混凝土抗冻等级的规定是同时满足相对动弹模值不小于60％和质量损失率不超过5％时的冻融次数。由此可见，本发明采用锑尾矿废石来制备的混凝土抗冻性能均满足f300的指标，是一种抗冻性良好的混凝土。
[0088]
验证试验3混凝土抗裂性能
[0089]
试验组：实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土
[0090]
试验过程：采用gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的方法，分别测定试验组的三组混凝土的抗裂性能，结果如表3所示。
[0091]
表3混凝土的抗裂性评价指标
[0092]
项目a/(mm2/piece)b/(piece/m2)c/(mm2/m2)实施例133.846.84231.47实施例234.157.13243.49实施例335.287.26256.13
[0093]
从表3可以看出：
[0094]
实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土，其c值分别在231.47、243.49和256.13mm2/m2。
[0095]
根据jgj/t 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》中混凝土早期抗裂性能的等级划分，当100mm2/m2≤c＜400mm2/m2时，混凝土开裂性能等级评为l-iv；本发明制备的混凝土其c值均小于400，是一种抗裂性良好的混凝土，由此可见，本发明采用锑尾矿废石来制备的混凝土，抗裂等级高，耐久性好。
[0096]
验证试验4混凝土抗渗性能
[0097]
试验组：实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土
[0098]
试验过程：采用gb/t 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的方法，分别测定试验组的三组混凝土的抗渗性能、耐久性和碳化深度，结果如表4和图4所示。
[0099]
表4混凝土的耐久性
[0100][0101]
从表4和图4可知：
[0102]
实施例1、实施例2和实施例3制备得到的混凝土，其电通量q
s
分别在794、816和832c；14天膨胀率分别在0.07％、0.07％和0.08％；28d碳化深度分别在5.07、5.73和6.15mm。
[0103]
混凝土抗渗性性能评价依照gb-t50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试
验方法标准》采用混凝土试件电通量作为评价指标，当500c≤q
s
＜1000c时，混凝土抗渗性能等级评为q-iv，而本发明采用锑尾矿废石来制备的混凝土，q
s
值均小于1000，因此，具有良好抗渗性能的混凝土。
[0104]
根据jgj/t 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》中混凝土抗碳化性能的等级划分，当0.1mm≤d＜10mm时，混凝土抗碳化性能等级评为t-iv，本发明采用锑尾矿废石来制备的混凝土，28d碳化深度值均小于10mm，因此，具有良好抗碳化性能的混凝土。
[0105]
混凝土的碱集料反应也是评价混凝土耐久性的一项重要指标，根据gb/t 14685-2011《建设用卵石碎石》规范要求，在规定试验龄期的膨胀率应小于0.10％，本发明采用锑尾矿废石来制备的混凝土，14d膨胀率均小于0.10％，且试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，满足规范要求。
[0106]
综上所述，本发明利用锑尾矿废石制备的混凝土，其抗拉强度、抗冻性、抗裂性、抗渗性与耐久性，均能达到c50高强度混凝土的特性，但是本发明机制砂是细度模量在2.9-2.6之间的中砂，这种细度模量的砂满足普通混凝土用砂的细度模量要求，但是发明将锑尾矿废石破碎后得到锑尾矿碎石，锑尾矿碎石和水泥形成粗骨料，结合机制砂、减水剂制成普通混凝土，但是由于锑尾矿废石中含有的sio2、al2o3、fe2o3和feo等，能提高混凝土的力学性能和耐久性，使其达到c50高强度混凝土的强度要求。
[0107]
本发明能减少混凝土中天然资源的消耗量，减小锑尾矿废石的堆放场地和管理成本，实现固废资源的综合利用；得到高性能的混凝土，降低混凝土的生产成本，节能环保。