CN115849758B - 一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂及其制备方法，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：尾矿泥5份，水溶性长直链型超高分子聚合物0.3‑2份，高分子乳液0.2‑1份，高分子吸水树脂0.02‑0.5份，交联剂0.01‑0.1份，硅酸盐水泥0.25‑2份，快硬性水泥0.25‑0.5份。本发明所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂相比河砂与机制砂粒形优异（为球形），滚动效应下提高混凝土工作性，降低水与外加剂掺量。

Description

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土领域，尤其是涉及一种尾矿泥造砂工艺。

背景技术

随着矿山的开采和钢铁行业的不断发展，尾矿作为选矿后的废弃物，其储存量也在不断增加。提高尾矿资源化利用率对降低现有矿产资源的使用压力、变废为宝、促进国民经济发展、保障铁资源供应和保护环境有重要的促进意义。

尾矿因其主要的矿物成分与天然砂相似而被广泛应用于制作混凝土，但是混凝土细骨料有颗粒级配的标准需求，而尾矿的粒径处于0.04-0.2mm，比表面积太大，应该称之为“泥”而非“砂”，在配置混凝土时会出现吸水量大，外加剂掺量翻几倍提高，同时会给混凝土带来裂缝风险，所以目前只能部分取代（10-20%）细骨料配置混凝土，消耗量较小。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在克服现有技术中的缺陷，提出一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：

尾矿泥                        5份，

水溶性长直链型超高分子聚合物  0.3-2份，

高分子乳液                    0.2-1份，

高分子吸水树脂                0.02-0.5份，

交联剂                        0.01-0.1份，

硅酸盐水泥                    0.25-2份，

快硬性水泥                    0.25-0.5份。

进一步，所述的水溶性长直链型超高分子聚合物为聚丙烯酰胺和/或聚丙烯酸钠；所述的水溶性长直链型超高分子聚合物的质量浓度为0.1-5%；所述的水溶性长直链型超高分子聚合物的分子量大于1000万。

进一步，所述的高分子乳液为苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液或醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中的至少一种；所述的高分子乳液的浓度为30-50%；

所述的交联剂为硼酸、三乙醇胺硼酸酯或硼砂中的至少一种；所述的交联剂的质量浓度为2-10%；

所述的高分子吸水树脂为聚丙烯酸盐类合成树脂；所述的快硬性水泥为磷酸镁水泥和/或硫铝酸盐水泥。

所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥与水溶性长直链型超高分子聚合物混合均匀，然后在搅拌的条件下分别向其中滴加交联剂与高分子乳液，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机中，在滚动过程中均匀撒入混合水泥，并均匀喷水使外壳形成，即得到所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂。

进一步，所述的步骤1中的尾矿泥、水溶性长直链型超高分子聚合物、高分子乳液、交联剂与高分子吸水树脂的固液比为5：0.3-2：0.2-1：0.01-0.1：0.02-0.5。

进一步，所述的水溶性长直链型超高分子聚合物为聚丙烯酰胺和/或聚丙烯酸钠；所述的水溶性长直链型超高分子聚合物的质量浓度为0.1-5%；所述的水溶性长直链型超高分子聚合物的分子量大于1000万；

所述的高分子乳液为苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液或醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中的至少一种；所述的高分子乳液的浓度为30-50%；

所述的交联剂为硼酸、三乙醇胺硼酸酯或硼砂中的至少一种；所述的交联剂的质量浓度为2-10%；

所述的高分子吸水树脂为聚丙烯酸盐类合成树脂。

进一步，所述的步骤1中的造砂内核的含水率为8-15%。

进一步，所述的步骤1中的搅拌步骤的转速为100-3000r/min。

进一步，所述的步骤2中的混合水泥为硅酸盐水泥与快硬性水泥；所述的快硬性水泥为磷酸镁水泥和/或硫铝酸盐水泥。

进一步，所述的步骤2中的造砂内核与快硬性水泥、硅酸盐水泥的质量比为5.86-10.1：0.25-0.5：0.25-2。

本发明所述的尾矿砂通过设计韧性与刚性两层壳体的搭配制备高性能人造砂石，将尾矿泥制砂作为细骨料用于混凝土。如图1所示。

作为人造细骨料，首先粒径可以通过高分子吸水树脂对尾矿泥含水率的调控实现粒径可控，同时也避免了耗能处理。

其次，尾矿泥为惰性粒子，想要达到韧性内核就需要将这些惰性粒子将其像毛线球一样将其缠绕到一起，此时选择了水溶性长直链型超高分子聚合物与耐水型的高分子乳液制备互穿型结构，如图2所示，将尾矿砂紧密缠绕到一起，并具备耐水效果，防止尾矿砂因为外壳仍然具备一定渗透型而导致吸水量过高，造成混凝土成本过高。

最后，刚性外壳选择了快硬型泥-磷酸镁水泥或硫铝酸盐水泥作为普通硅酸盐水泥（普通水泥）的复配掺合料，因为快硬性在短时间（几分钟，时间可调控）内即可实现硬化，使得尾矿砂在生产出来即可实现堆积、运输等。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂相比河砂与机制砂粒形优异（为球形），滚动效应下提高混凝土工作性，降低水与外加剂掺量。

本发明所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂粒径可控，可以通过调控含水率来调节尾矿砂的粒径，复配成优异的颗粒级配的细骨料，提高混凝土和易性、强度、耐久性。

本发明所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂具备韧性与刚性两层壳体，强度高，吸水率低，进一步降低外加剂掺量，提高混凝土力学性能，可以作为高品质砂。

附图说明

图1为本发明实施例所述的尾矿砂的核壳结构示意图；

图2为本发明实施例所述的水溶性长直链型超高分子聚合物与高分子乳液制备互穿型结构的示意图。

具体实施方式

除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。

本发明各实施例与对比例中的高分子吸水树脂均采用万华化学生产的高分子吸水树脂WHS-700；

本发明各实施例与对比例中的水溶性长直链型超高分子聚合物的质量浓度均为1%，高分子乳液的质量浓度均为40%，交联剂的质量浓度均为5%。

下面结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：尾矿泥5份，聚丙烯酰胺0.8份，纯丙乳液0.5份，高分子吸水树脂0.03份，硼砂0.02份，硫铝酸盐水泥0.25份，42.5普通硅酸盐水泥0.8份。

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥与聚丙烯酰胺混合均匀，然后在搅拌的条件下向其中加入硼砂与纯丙乳液，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到含水率为12%的造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机，在滚动过程中均匀撒入硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥，并均匀喷水使外壳形成，即得到所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂。

实施例2

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：尾矿泥5份，聚丙烯酰胺1份，醋酸乙烯-乙烯乳液0.5份，高分子吸水树脂0.03份，硼砂0.03份，磷酸镁水泥0.25份，42.5普通硅酸盐水泥 0.8份。

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥与聚丙烯酰胺混合均匀，然后在搅拌的条件下向其中加入硼砂与醋酸乙烯-乙烯乳液，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到含水率为13%的造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机，在滚动过程中均匀撒入磷酸镁水泥与42.5普通硅酸盐水泥，并均匀喷水使外壳形成，即得到所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂。

实施例3

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：尾矿泥5份，聚丙烯酰胺1份，硅丙乳液0.5份，高分子吸水树脂0.03份，硼砂0.03份，硫铝酸盐水泥0.25份，42.5普通硅酸盐水泥0.8份。

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥与聚丙烯酰胺混合均匀，然后在搅拌的条件下向其中加入硼砂与硅丙乳液，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到含水率为13%的造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机，在滚动过程中均匀撒入硫铝酸盐水泥与42.5普通硅酸盐水泥，并均匀喷水使外壳形成，即得到所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂。

对比例1

一种混凝土用尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：尾矿泥5份，聚丙烯酰胺0.8份，纯丙乳液0.5份，高分子吸水树脂0.03份，硼砂0.02份，硫铝酸盐水泥0.25份，42.5普通硅酸盐水泥0.8份。

一种混凝土用尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

将尾矿泥、硫铝酸盐水泥、42.5普通硅酸盐水泥与聚丙烯酰胺混合均匀，然后在搅拌的条件下分别向其中滴加硼砂以及纯丙乳液，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到人造尾矿砂。

对比例2

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：尾矿泥5份，聚丙烯酰胺0.8份，高分子吸水树脂0.03份，硼砂0.02份，硫铝酸盐水泥0.25份，42.5普通硅酸盐水泥0.8份。

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥、聚丙烯酰胺混合均匀，然后在搅拌的条件下分别向其中滴加硼砂，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机，在滚动过程中均匀撒入硫铝酸盐水泥与42.5普通硅酸盐水泥，并均匀喷水使外壳形成，最终得到核-壳结构的尾矿砂。

对比例3

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：尾矿泥5份，纯丙乳液0.5份，高分子吸水树脂0.03份，硼砂0.02份，硫铝酸盐水泥0.25份，42.5普通硅酸盐水泥0.8份。

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥以及纯丙乳液搅拌均匀，向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机，在滚动过程中均匀撒入硫铝酸盐水泥与42.5普通硅酸盐水泥，并均匀喷水使外壳形成，最终得到核-壳结构的尾矿砂。

对比例4

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：尾矿泥5份，聚丙烯酰胺0.8份，纯丙乳液0.5份，硼砂0.02份，硫铝酸盐水泥0.25份，42.5普通硅酸盐水泥0.8份。

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥、聚丙烯酰胺混合均匀，然后在搅拌的条件下分别向其中滴加硼砂以及纯丙乳液，混合均匀后得到含水率为22%的造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机，在滚动过程中均匀撒入混合水泥，并均匀喷水使外壳形成，最终得到核-壳结构的尾矿砂。

对比例5

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成尾矿泥5份，聚丙烯酰胺0.8份，纯丙乳液0.5份，高分子吸水树脂0.03份，硼砂0.02份，42.5普通硅酸盐水泥0.8份。

一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥、聚丙烯酰胺混合均匀，然后在搅拌的条件下分别向其中滴加硼砂以及纯丙乳液，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机，在滚动过程中均匀撒入42.5普通硅酸盐水泥，并均匀喷水使外壳形成，最终得到核-壳结构的尾矿砂。

实验方法：

混凝土坍落度、扩展度、28天抗压强度试验均参照GB8076-2008《混凝土外加剂》。

堆积破碎率：长3m，直径6cm的空心硬塑管，将尾矿砂装满，预留部分空间放入5kg砝码，竖直放置24h，倒出过筛，称取破碎砂质量。破碎砂质量/总砂质量=堆积破碎率/%。

表1  混凝土配合比（kg/m³）

注：外加剂掺量以水泥量计。

表2  检测结果

注：1. 空白样为河砂配置的混凝土；

2. 外加剂掺量为打到相同混凝土扩展度/坍落度所用掺量。

实施例相比河砂与机制砂，粒形优异（为球形），滚动效应下提高混凝土工作性，降低水与外加剂掺量，具备韧性与刚性两层壳体，硬度高，吸水率低，进一步降低外加剂掺量，提高混凝土力学性能。硬壳存在，堆积破碎率不高。

对比例1为非核壳结构，也就是说尾矿砂表层为尾矿泥、聚丙烯酰胺等水溶性超长直链型超高分子聚合物、纯丙乳液等高分子乳液、硫铝酸盐等快硬性水泥、普通的硅酸盐水泥的共混物质，高分子聚合物的互穿网络结构以及水泥互穿硬化降低了尾矿砂的吸水性，但是尾矿砂表面仍然有尾矿泥与水溶性超长直链型超高分子聚合物的存在，仍然与混凝土体系的水有一定接触，所以滚动效应虽然可以降低外加剂掺量，但是仍然会有一定吸水情况出现，所以外加剂掺量相比对比例要高，抗压强度要低，这是因为几个组分的共混硬化强度要略低于混合水泥的强度，差距不大，但在混凝土力学性能上仍有相应的体现。硬壳存在，堆积破碎率不高。

对比例2因为没有高分子乳液，所以内核的耐水性较差，而且外壳为水泥基材料，具有一定渗透性，所以在混凝土搅拌中，会有一定水分渗入至内核，导致吸水量增加，而水胶比是固定的，所以需要补加更多外加剂，造成成本浪费。然而混凝土抗压强度也有所降低，这是因为没加高分子乳液内核强度降低，且吸水微膨胀效应对外壳有一定影响，但是对堆积无明显影响，破碎率依然可以接受。

对比例3，没有水溶性长直链超高分子聚合物，就无法将内核紧密的缠绕到一起，所以制备的内核韧性不够，单纯的高分子乳液也可以提高内核的耐水性以及韧性，但是由于分子量较低，需要在此基础上翻至少5倍加量，成本非常高，无法推广，导致尾矿砂吸水量相对较高。同时内核的韧性不够影响了整体砂子的硬度，所以混凝土强度也受到影响。硬壳存在，堆积破碎率不高。

对比例4中，没有高吸水树脂导致含水率较高，所制备的尾矿砂内核粒径过大，加之粒度较圆润，在滚动效应下可以提高流动性，降低外加剂掺量。但是由于内核的硬度要低于外壳硬度，所以此尾矿砂硬度相对较弱，同时颗粒较大，在混凝土试块的结构中形成薄弱区，导致混凝土强度显著降低。硬壳存在，堆积破碎率不高。

对比例5 没有快硬性水泥，普通的硅酸盐水泥终凝至少需要7-8h，即使终凝，强度也很小，所以刚制备的尾矿砂表层壳硬度几乎没有，所以堆积破碎率高达12%，在配置混凝土时也无法为内核提供硬壳的保护作用，所以吸水率提高，外加剂掺量提高。抗压强度影响不大，这是因为普通硅酸盐水泥会缓慢硬化，在28天达到最高强度，所以混凝土的抗压强度无太大影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，其特征在于：该尾矿砂由包括如下重量份的原料制成：

尾矿泥 5份，

水溶性长直链型超高分子聚合物 0.3-2份，

高分子乳液 0.2-1份，

高分子吸水树脂 0.02-0.5份，

交联剂 0.01-0.1份，

硅酸盐水泥 0.25-2份，

快硬性水泥 0.25-0.5份；

所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂由包括如下步骤的方法制成：

步骤1：将尾矿泥与水溶性长直链型超高分子聚合物混合均匀，然后在搅拌的条件下分别向其中滴加交联剂与高分子乳液，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机中，在滚动过程中均匀撒入硅酸盐水泥与快硬性水泥，并均匀喷水使外壳形成，即得到所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂。

2.根据权利要求1所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，其特征在于：所述的水溶性长直链型超高分子聚合物为聚丙烯酰胺和/或聚丙烯酸钠；所述的水溶性长直链型超高分子聚合物的质量浓度为0.1-5%；所述的水溶性长直链型超高分子聚合物的分子量大于1000万。

3.根据权利要求1所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂，其特征在于：所述的高分子乳液为苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液或醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中的至少一种；所述的高分子乳液的浓度为30-50%；

所述的交联剂为硼酸、三乙醇胺硼酸酯或硼砂中的至少一种；所述的交联剂的质量浓度为2-10%；

所述的高分子吸水树脂为聚丙烯酸盐类合成树脂；所述的快硬性水泥为磷酸镁水泥和/或硫铝酸盐水泥。

4.权利要求1-3中任一项所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将尾矿泥与水溶性长直链型超高分子聚合物混合均匀，然后在搅拌的条件下分别向其中滴加交联剂与高分子乳液，滴加完成后向其中加入高分子吸水树脂，混合均匀后得到造砂内核；

步骤2：将所述的造砂内核放入造粒机中，在滚动过程中均匀撒入硅酸盐水泥与快硬性水泥，并均匀喷水使外壳形成，即得到所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂。

5.根据权利要求4所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，其特征在于：所述的步骤1中的尾矿泥、水溶性长直链型超高分子聚合物、高分子乳液、交联剂与高分子吸水树脂的固液比为5：0.3-2：0.2-1：0.01-0.1：0.02-0.5。

6.根据权利要求4所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，其特征在于：所述的水溶性长直链型超高分子聚合物为聚丙烯酰胺和/或聚丙烯酸钠；所述的水溶性长直链型超高分子聚合物的质量浓度为0.1-5%；所述的水溶性长直链型超高分子聚合物的分子量大于1000万；

所述的高分子乳液为苯丙乳液、纯丙乳液、硅丙乳液或醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中的至少一种；所述的高分子乳液的浓度为30-50%；

所述的交联剂为硼酸、三乙醇胺硼酸酯或硼砂中的至少一种；所述的交联剂的质量浓度为2-10%；

所述的高分子吸水树脂为聚丙烯酸盐类合成树脂。

7.根据权利要求4所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，其特征在于：所述的步骤1中的造砂内核的含水率为8-15%。

8.根据权利要求4所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，其特征在于：所述的步骤1中的搅拌步骤的转速为100-3000r/min。

9.根据权利要求4所述的混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，其特征在于：所述的步骤2中快硬性水泥为磷酸镁水泥和/或硫铝酸盐水泥。

10.根据权利要求9所述混凝土用具有核壳结构的尾矿砂的制备方法，其特征在于：所述的步骤2中的造砂内核与快硬性水泥、硅酸盐水泥的质量比为5.86-10.1：0.25-0.5：0.25-2。

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