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一种基于钛铁尾矿粉的高强自密实饰面混凝土及其制备方法

文献发布时间：2023-06-19 19:30:30

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于钛铁尾矿粉的高强自密实饰面混凝土及其制备方法。

背景技术

高强混凝土作为一种新的建筑材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到广泛的应用。但在工程实践中，由于高强混凝土具有水胶比较低、水泥用量较大，以及砂率较高等特点，使得混凝土收缩较大，容易开裂。由于高强混凝土与普通混凝土有着不同的材料配比及结构特点，引起高强混凝土收缩开裂的主要原因也与普通混凝土有所不同，因此，对高强混凝土的收缩开裂问题，进行系统地深入地研究，很有意义。

目前，高强混凝土易于收缩开裂的缺点，一般采取增加韧性材料的手段，通过掺加纤维等物质来提高混凝土的抗裂性；然而加入纤维同时会导致混凝土均匀性能和混凝土通过性变差等问题，很难同时实现自密实、高强和抗裂效果。

钛作为一种重要的战略资源，在世界生产、建设中发挥重要的作用。钛铁矿是钛资源的主要来源之一；攀枝花地区已探明的钛铁矿资源储量占世界储量的35％，占我国总储量的90％。进行钛铁矿选矿的过程中容易形成大量的钛铁尾矿，不仅占用土地，还容易造成对土壤、河流等环境的污染。目前，钛铁尾矿主要用于回填；也有部分应用于混凝土的报道，通常进行简单球磨，所得铁铁尾矿粉活性较低，应用掺量较低，且应用范围受限。因此，进一步探索钛铁矿在混凝土的高效应用，具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种基于钛铁尾矿粉的高强自密实饰面混凝土，它具有优异的力学性能和耐久性能，工作性能可达自密实状态(具有较高的填充性、间隙通过性)；可有效解决高强混凝土收缩等负面影响，表观性能优异，同时具有较高的环境耐候性能；且涉及的制备方法较简单、成本较低，可实现钛铁尾矿的高效资源化利用，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于钛铁尾矿粉的高强自密实饰面混凝土，各组分及其所占重量份数包括：改性硅酸盐水泥400～500份，改性钛铁尾矿粉100～120份，硅粉20～30，粉煤灰50～70份，砂750～850份，碎石800～850份，高减水降粘型聚羧酸减水剂15～25份，水150～170份；其中改性钛铁尾矿粉利用三乙醇胺和三异丙醇胺对钛铁尾矿粉进行粉磨，再进行梯度热活化改性得到。

上述方案中，所述改性硅酸盐水泥以硅酸盐水泥熟料和脱硫石膏为主要原料(熟料95～97份，脱硫石膏3～5份)，首先将硅酸盐水泥熟料球磨45～60min(转速为45～50r/min)；然后加入脱硫石膏，球磨10～20min(转速为45～50r/min)；所得硅酸盐水泥3d强度可达到32～36MPa，28d强度可达59～63MPa，比表面积为400～450m

上述方案中，所述改性钛铁尾矿粉的制备步骤包括：首先向钛铁尾矿中加入占钛铁尾矿质量0.1～0.3％的三乙醇胺先球磨10～15min，然后加入占钛铁尾矿质量0.1～0.2％的三异丙醇胺粉磨8～13min，最后同时加入占钛铁尾矿质量0.2～0.3％的三异丙醇胺和0.1～0.3％的三乙醇胺共同粉磨5～15min，待粉磨结束之后均化(室温静置)22～24h，然后置于高温炉中以4～6℃/min的速率升温至600～650℃保温10～15min，然后以2～4℃/min的速率升温至1000～1100℃保温15～20min，再以2～3℃/min的速率升温至1350～1450℃保温25～30min；接着以2～4℃/min的速率降温至1150～1200℃保温15～20min，以2～4℃/min的速率降温至850～900℃保温15～20min，最后以7～9℃/min的速率降温至室温；待热活化结束之后再均化(室温静置)22～24h，得到改性钛铁尾矿粉；其比表面积为425～575m

优选的，所述粉磨步骤采用TJSKW控温型震击式球磨仪，控制温度为8～12℃，摆振频率为500～550次/min，球磨速率为400～550r/min，采用控温球磨条件，有利于进一步改善材料粉磨过程中的团聚问题，控温可防止由于碰撞摩擦导致温度上升，进而导致的使物料表面静电增强、发生团聚等问题。

上述方案中，所述钛铁尾矿粉的比表面积为240-280m

上述方案中，所述三异丙醇胺和三乙醇胺分别占钛铁尾矿质量的0.3～0.5％和0.2～0.6％；通过在钛铁尾矿粉中引入三异丙醇胺和三乙醇胺，并优化其加料条件和比例，可有效提升钛铁尾矿粉的球磨效率，增强其表面活性，并可以增大颗粒间的分散效果。

上述方案中，所述硅粉中二氧化硅的含量为93～96％，比表面积为22000～25500m

上述方案中，所述粉煤灰为F类粉煤灰，细度为18～22％，28d活性为75～80％。

上述方案中，所述砂为水洗河沙，细度模数为2.8～3.2，含泥量为0.1～0.2％。

上述方案中，所述石为花岗岩碎石，压碎指标为2～6％，抗压强度为130～155Mpa。

上述方案中，所述高减水降粘型聚羧酸减水剂中各组分及其所占重量份数包括：高减水母液9～11份，葡萄糖酸钠2～3份，消泡剂0.03～0.05份，改性剂1～2份，环糊精0.05～0.09份，十二烷基硫酸钠0.03～0.05份，水90～110份；具体制备步骤包括：将40～60％用量的水与高减水母液搅拌均匀(5～10min)，加入葡萄糖酸钠、环糊精和十二烷基硫酸钠在50～60℃下超声搅拌20～30min(超声波频率为20～60KHz)，倒入剩余用量的水搅拌均匀(5～10min)，最后加入改性剂和消泡剂，常温下超声搅拌45～90min(超声波频率为20～80KHz)，即得所述高减水降粘型聚羧酸减水剂。

上述方案中，所述高减水母液为高减水聚羧酸母液，其减水率为35～45％，固含为40～52％。

上述方案中，所述消泡剂可选用改性聚醚类消泡剂、高碳醇类消泡剂、有机硅消泡剂等中的一种，pH值为7～8，粘度为800～1200mpa.s，具有优异的优异的消泡和抑泡性能。

上述方案中，所述改性剂为丙烯胺类改性剂。

上述一种基于钛铁尾矿粉的高强自密实饰面混凝土的制备方法，包括如下步骤：

1)原料称取；各原料及其所占重量份数包括：改性硅酸盐水泥400～500份，改性钛铁尾矿粉100～120份，硅粉20～30，粉煤灰50～70份，砂750～850份，碎石800～850份，高减水降粘型聚羧酸减水剂15～25份，水150～170份；

2)搅拌工艺：采用HJW-60型强制性搅拌机中，依次加入称取的碎石、砂、改性硅酸盐水泥、粉煤灰、改性钛铁尾矿粉、硅粉，搅拌15～20s，再加入总水量的50～80％的混凝土用水，搅拌45～60s，期间将剩余水与高减水降粘型聚羧酸减水剂使用玻璃搅拌棒旋转搅拌，继续搅拌30～60s混合均匀，即得所述高强自密实饰面混凝土。

跟据上述方案制备的高强自密实饰面混凝土，其28d立方体抗压强度达90MPa以上；超强的抗裂性能，单位面积上的总开裂面积C＜50mm

本发明的原理为：

本发明通过对钛铁尾矿粉进行恒温物理球磨激发，并加入有机助磨剂和激发剂，在增加比表面积的同时，利用恒温球磨改善超细粉团聚问题，提升球磨效率；再结合梯度热活化工艺，控制其热活化的阶段性升温、降温和保温条件，促进钛铁尾矿粉发生晶型转变、极变或化学变化，形成更多的活性结构，显著提升钛铁尾矿粉的表面活性和氧化物活性，同时增加MgO的表面活性，促进转化形成更多的游离MgO，进而有效提升其抑制收缩性能；且所得改性钛铁尾矿粉与高减水降粘型聚羧酸减水剂适应性良好，将其应用于高强自密实混凝土中，可同步改善所得混凝土的力学性能和抑制收缩性能，保证所得混凝土制品的力学性能、填充性能和防开裂性能等。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明通过将钛铁尾矿依次进行恒温球磨改性和梯度热活化，所得改性钛铁尾矿粉具有细度小、比表面积大、表面活性强等优点，同时具有一定的抑制收缩性能；

2)将本发明所述改性钛铁尾矿粉应用于制备高强自密实饰面混凝土，无需额外引入其他膨胀剂和其他纤维，可有效兼顾所得混凝土的力学性能和收缩抗裂性能，并可一定程度替代水泥和粉煤灰等胶凝组分，降低制备成本和水泥水化热，可为高性能大体积混凝土或其他对减缩有特定要求的工程混凝土的制备及其配方优化提供一条新思路；

3)本发明通过对高减水降粘型聚羧酸减水剂的加料和复合工艺进行优化，促进减水剂各组分充分发挥降粘和流动等效果，与改性硅酸盐水泥和改性钛铁尾矿粉适应性良好，能够充分分散高强混凝土中胶凝材料体系的粘聚程度，从而增大混凝土填充性能和间歇通过性；

4)本发明采用的改性硅酸盐水泥强度发展迅速，配合改性钛铁尾矿粉的表面高活化能，从而使得胶凝体系强度发展稳定；所得混凝土可兼顾良好的自密实、力学性能和耐久性能。

具体实施方式

本发明不局限于上述实施方式，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以下实施例中，采用的钛铁尾矿为新疆哈密尾亚钛铁矿尾矿，其SiO

采用的改性硅酸盐水泥的制备步骤包括：采用为SM500水泥球磨机将96份硅酸盐水泥熟料球磨45min(48±2r/min)；然后加入4份脱硫石膏，球磨15min(48±2r/min)；所得硅酸盐水泥3d强度可达到35MPa，28d强度可61MPa，比表面积为425m

采用的硅粉中二氧化硅的含量为95wt％，比表面积为23000m

采用的粉煤灰为F类I级粉煤灰，细度为19％，28d活性为78％。

采用的砂为水洗河沙，细度模数为3.1，含泥量为0.1％。

上述方案中，所述石为花岗岩碎石，压碎指标为2.4％，抗压强度为145Mpa。

采用的高减水降粘型聚羧酸减水剂中各组分及其所占重量份数包括：高减水聚羧酸母液10份，葡萄糖酸钠3份，消泡剂0.05份，改性剂2份，环糊精0.06份，十二烷基硫酸钠0.03份，水100份；具体制备步骤包括：将60％用量的水与高减水聚羧酸母液使用搅拌棒充分混合10min，继续加入葡萄糖酸钠、环糊精和十二烷基硫酸钠在60℃进行超声搅拌30min，超声波频率为45KHz，倒入剩余的水使用搅拌棒充分混合10min，最后加入改性剂和消泡剂，在常温下进行超声搅拌60min，超声波频率为60KHz，得所述高减水降粘型聚羧酸减水剂；其中，用的高减水聚羧酸母液为西建新材料公司提供的3008型聚羧酸类高减水母液，其减水率为40％，固含为46％；采用的消泡剂为恒鑫化工的X-5682聚醚类消泡剂，pH值为8，粘度为1000mpa.s；改性剂为西建新材料公司的K-1015丙烯胺类改性剂。

实施例1