一种冶金固废混凝土掺和料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种冶金固废混凝土掺和料及其制备方法和应用。

背景技术

矿产资源是经济社会发展和生态文明建设的重要物质基础，也是生态环境的重要构成要素，并具有不可替代性和不可再生性。金属矿产资源在工业上用量巨大，在不断开发利用过程中，产生的尾矿固废大量堆积，给资源、环境、土地和安全等带来一系列问题。在我国，尾矿固废是排放量最大的工业固体废弃物之一，然而其综合利用率却很低。此外，由于可开采矿石的贫化和资源的日渐枯竭，资源问题的解决必须依赖于二次资源的开发利用。

随着国内外快速发展，对建筑施工质量方面的要求越来越高，很多建筑物都需要高性能混凝土满足建筑物的建筑指标要求和各种性能要求。在确保建筑工程质量安全可靠的前提下，为了节约水泥用量，可以在拌制混凝土过程中掺入适量的活性材料，使其达到相同或具有更高的强度。

基于此，如果能将钒钛矿渣作为混凝土掺和料应用于混凝土中，替代部分水泥，能降低混凝土生产成本，在变废为宝的同时，实现了经济效益和社会效益的双赢。因此，研发一种具有优异活化性能的冶金固废混凝土掺和料具有重要意义。

发明内容

为了解决本发明的上述技术问题，本发明提供一种冶金固废混凝土掺和料及其制备方法和应用。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种冶金固废混凝土掺和料，包括钒钛矿渣粉和活性激发剂，所述活性激发剂包括脱硫石膏、硅灰及硅酸钠水溶液。

上述方案中，本发明的冶金固废混凝土掺和料包括钒钛矿渣粉和活性激发剂，钒钛矿渣粉具有颗粒细度小，比表面积大和吸附能力强等优点，故如果将钒钛矿渣粉掺入冶金固废混凝土掺和料中，能显著改善新拌混凝土的保水性和黏聚性，掺量适当时，还可以提高混凝土拌和物的流动性。除此之外，钒钛矿渣粉还可以显著降低水化热，这对大体积混凝土温度裂缝的控制十分有利。总之，在混凝土体系中应用钒钛矿渣粉可以起到增加浆体体积功能、调节胶凝材料用量和胶凝过程的功能、填充浆体空隙功能、与水泥整体的协同功能等，使混凝土物理化学作用达到动态平衡，起到了使混凝土性能改善和质量提高的作用。活性激发剂是基于化学活化原理，能将不具备水化活性的物质或混合物通过适当的化学方法处理后转变为具有胶凝性的材料，起到提高钒钛矿渣粉活性的作用。进一步地，活性激发剂包括脱硫石膏、硅灰及硅酸钠水溶液，这种活性激发剂能使聚合度较高的硅酸盐网络发生解聚，解体后的硅、铝阴离子团与水泥水化产物Ca(OH)

进一步地，所述活性激发剂占所述冶金固废混凝土掺和料总量的5％-15％；所述钒钛矿渣粉占所述冶金固废混凝土掺和料总量的45％-95％。

上述方案中，通过将活性激发剂、钒钛矿渣粉占冶金固废混凝土掺和料的占比限定在合理的范围值内，能使活性激发剂和钒钛矿渣粉发生更好地协同增效作用，更有利于提高钒钛矿渣粉活性的作用。

进一步地，所述钒钛矿渣粉和所述活性激发剂的比表面积均为400m

上述方案中，通过将活性激发剂和钒钛矿渣粉的比表面积限定在合理的范围值内，能够使得冶金固废混凝土掺和料更好地与混凝土的其他原料进行混合，从而提高混凝土的整体性能。

进一步地，还包括矿粉，所述矿粉占所述冶金固废混凝土掺和料总量的40％-50％。

上述方案中，本发明的冶金固废混凝土掺和料还包括矿粉，矿粉具有一定的活化作用，作为冶金固废混凝土掺和料添加到混凝土中，能够提高混凝土的整体性能。但是矿粉较钒钛矿渣粉性价比低，因此在保证提高混凝土的整体性能的同时，要达到控制成本的效果，需要将矿粉的用量控制在合理的范围值内。

进一步地，所述活性激发剂还包括羧酸，所述羧酸占冶金固废混凝土掺和料总量的1-3‰。

上述方案中，活性激发剂还包括羧酸，羧酸也具有活化钒钛矿渣粉的作用，将羧酸与其他活性激发剂进行配合使用，能达到活化钒钛矿渣粉的作用，但是羧酸的价格相对于其他活性激发剂的价格要贵，因此，要达到控制成本的效果，需要将羧酸的用量控制在合理的范围值内。

进一步地，所述活性激发剂中，脱硫石膏、硅灰及硅酸钠水溶液的重量比为(3-7)：(3-5):(1-3)。

上述方案中，通过将活性激发剂中脱硫石膏、硅灰及硅酸钠水溶液的重量比控制在合理的范围值内，能使得各组分之间发挥更好的协同作用，更有利于活化钒钛矿渣粉。

根据本发明的第二方面，本发明还提供上述的冶金固废混凝土掺和料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取钒钛矿渣干燥，再研磨成粉，得到钒钛矿渣粉；

步骤2：将得到的所述钒钛矿渣粉与干燥后的活性激发剂混合均匀，在一定温度、一定湿度、一定时间及标准的试验条件下进行预处理；

步骤3：将预处理后的钒钛矿渣粉掺合料在18℃-22℃下处理并静置100h-150h，得到冶金固废混凝土掺合料。

上述方案中，将钒钛矿渣干燥，再研磨成粉，是基于物理活化的原理制备活化的钒钛矿渣粉，具体是采用机械力活化钒钛矿渣粉，利用机械力破坏物质表面，减小颗粒尺寸，改变其晶体的结构及表面物理化学性质，同时使矿物的晶体结构发生畸变，结晶度开始下降，逐渐出现晶格错位、缺陷、重结晶等现象，SiO

进一步地，所述步骤1中，钒钛矿渣干燥是在90℃-120℃下烘干5h-8h。

上述方案中，通过将钒钛矿渣干燥条件限定在合理的条件内，能避免物料中水对后续化学活化的影响，更有利于后续的研磨活化。

进一步地，所述步骤1中，研磨是用小型磨样机研磨，研磨时间为5min-15min，过300-400目筛，取筛下的钒钛矿渣，即为钒钛矿渣粉。

上述方案中，通过对研磨工艺进行严格设计，能够得到更有效地改变尾矿的颗粒形貌，更有利于后续的化学活化。

进一步地，所述钒钛矿渣粉的含水量在5％以下。

上述方案中，通过钒钛矿渣粉的含水量限定在合理的范围值内，更有利于后续的研磨化学活化。

进一步地，所述步骤2中，干燥后的活性激发剂的含水量在3％以下。

上述方案中，通过将干燥后的活性激发剂的含水量限定在合理的范围值，能避免物料中水对后续化学活化的影响，更有利于后续的研磨活化。

进一步地，所述步骤2中，将得到的所述钒钛矿渣粉与矿粉和活性激发剂混合均匀；

和/或，所述硅酸钠水溶液浓度为1.36g/cm

进一步地，所述步骤2中，预处理的温度为15℃-25℃，湿度为30％-70％，时间为10min-20min，试验条件为无明显震动及尘土。

上述方案中，通过将钒钛矿渣粉预处理的温度、湿度、时间和试验条件限定在合理的范围内，有利于提高钒钛矿渣粉预处理的效率，进而提高后续钒钛矿渣粉处理的效率。

根据本发明的第三方面，本发明还提供上述的冶金固废混凝土掺和料在混凝土中的应用。

进一步地，所述冶金固废混凝土掺和料用作替代所述混凝土中40％-60％的水泥。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明一种冶金固废混凝土掺和料以钒钛矿渣粉和活性激发剂作为主要原料，活性激发剂能够活化钒钛矿渣粉，活化的钒钛矿渣粉作为掺合料应用于混凝土中能提高冶金固废综合利用效率，同时也能缓解水泥行业环境污染和降低能耗，能够产生良好的环境效益和社会效益。本发明一种冶金固废混凝土掺和料进一步地限定活性激发剂包括脱硫石膏、硅灰及硅酸钠水溶液，能更好地活化钒钛矿渣粉，更好地提高冶金固废的附加值，实现冶金固废大规模资源化综合利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1一种冶金固废混凝土掺和料的制备工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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作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。

本发明中，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行。所用仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。本发明中所用的原料均可在国内市场方便买到。

实施例1

本实施例提供一种冶金固废混凝土掺和料，由如下重量百分比的原料组成：90％的钒钛矿渣粉为202.5g、5％的脱硫石膏11.25g、4％的硅灰9g和1％的硅酸钠水溶液2.25g，脱硫石膏、硅灰和硅酸钠水溶液作为活性激发剂。硅酸钠水溶液的浓度具体为1.36g/cm

钒钛矿渣粉和活性激发剂的比表面积分别为400m

上述的冶金固废混凝土掺和料的制备方法参照图1所示，包括如下步骤：

步骤1：取钒钛矿渣进行分类预处理，再干燥，然后研磨成粉，得到钒钛矿渣粉；钒钛矿渣干燥是在100℃下烘干6h。研磨是用小型磨样机研磨，研磨时间为10min，过400目筛，取筛下的钒钛矿渣，即为钒钛矿渣粉。钒钛矿渣粉的含水量在5％以下。

步骤2：将得到的钒钛矿渣粉与干燥后的活性激发剂混合均匀，在一定温度、一定湿度、一定时间及标准的试验条件下进行预处理；干燥后的活性激发剂的含水量在3％以下。预处理的温度为20℃，湿度为50％，时间为20min，试验条件为无明显震动及尘土。

步骤3：将预处理后的钒钛矿渣粉掺合料在20±2℃下处理并静置120h，得到冶金固废混凝土掺合料。

按照GB/T17671-2005《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)，将得到的冶金固废混凝土掺合料代替50％水泥用量制备水泥胶砂试块，根据GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》获得冶金固废混凝土掺合料不同条件下活性试验结果，试验结果见表1。

实施例2

本实施例提供一种冶金固废混凝土掺和料，由如下重量百分比的原料组成：45％的矿粉101.25g、45％的钒钛矿渣粉101.25g、5％的脱硫石膏11.25g、4％的硅灰9g和1％的硅酸钠水溶液2.25g，脱硫石膏、硅灰和硅酸钠水溶液作为活性激发剂。硅酸钠水溶液的浓度具体为1.36g/cm

钒钛矿渣粉和活性激发剂的比表面积分别为400m

上述的冶金固废混凝土掺和料的制备方法包括如下步骤：

步骤1：取钒钛矿渣干燥，再研磨成粉，得到钒钛矿渣粉；钒钛矿渣干燥是在100℃下烘干6h。研磨是用小型磨样机研磨，研磨时间为10min，过400目筛，取筛下的钒钛矿渣，即为钒钛矿渣粉。钒钛矿渣粉的含水量在5％以下。

步骤2：将得到的钒钛矿渣粉与干燥后的活性激发剂混合均匀，在一定温度、一定湿度、一定时间及标准的试验条件下进行预处理；干燥后的活性激发剂的含水量在3％以下。预处理的温度为20℃，湿度为50％，时间为20min，试验条件为无明显震动及尘土。

步骤3：将预处理后的钒钛矿渣粉掺合料在20±2℃下处理并静置120h，得到冶金固废混凝土掺合料。

按照GB/T17671-2005《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)，将得到的冶金固废混凝土掺合料代替50％水泥用量制备水泥胶砂试块，根据GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》获得冶金固废混凝土掺合料不同条件下活性试验结果，试验结果见表1。

实施例3

本实施例提供一种冶金固废混凝土掺和料，与实施例1的不同之处在于，冶金固废混凝土掺和料由如下重量百分比的原料组成：92％的钒钛矿渣粉207g、3％的脱硫石膏6.75g、3％的硅灰6.75g和2％的硅酸钠水溶液4.5g。

按照GB/T17671-2005《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)，将得到的冶金固废混凝土掺合料代替50％水泥用量制备水泥胶砂试块，根据GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》获得冶金固废混凝土掺合料不同条件下活性试验结果，试验结果见表1。

实施例4

本实施例提供一种冶金固废混凝土掺和料，与实施例1的不同之处在于，冶金固废混凝土掺和料由如下重量百分比的原料组成：86％的钒钛矿渣粉193.5g、7％的脱硫石膏15.75g、5％的硅灰11.25g和2％的硅酸钠水溶液4.5g。

按照GB/T17671-2005《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)，将得到的冶金固废混凝土掺合料代替50％水泥用量制备水泥胶砂试块，根据GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》获得冶金固废混凝土掺合料不同条件下活性试验结果，试验结果见表1。

实施例5

本实施例提供一种冶金固废混凝土掺和料，与实施例1的不同之处在于，冶金固废混凝土掺和料由如下重量百分比的原料组成：90％的钒钛矿渣粉202.5g、4％的脱硫石膏9g、4％的硅灰9g和2％的硅酸钠水溶液4.5g。

按照GB/T17671-2005《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)，将得到的冶金固废混凝土掺合料代替50％水泥用量制备水泥胶砂试块，根据GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》获得冶金固废混凝土掺合料不同条件下活性试验结果，试验结果见表1。

实施例6

本实施例提供一种冶金固废混凝土掺和料，与实施例1的不同之处在于，冶金固废混凝土掺和料由如下重量百分比的原料组成：89.8％的钒钛矿渣粉为202.5g、4％的脱硫石膏9g、4％的硅灰9g、2％的硅酸钠水溶液4.5g和0.2％的羧酸0.45g。

按照GB/T17671-2005《水泥胶砂强度检验方法》(ISO法)，将得到的冶金固废混凝土掺合料代替50％水泥用量制备水泥胶砂试块，根据GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》获得冶金固废混凝土掺合料不同条件下活性试验结果，试验结果见表1。

对比例1

本对比例提供一种冶金固废混凝土掺和料，仅包含实施例1中的钒钛矿渣粉。

对比例2

本对比例提供一种冶金固废混凝土掺和料，与实施例6的不同之处在于，用同等量的钢渣粉替代钒钛钒钛矿渣粉。

对比例3

本对比例提供一种冶金固废混凝土掺和料，与实施例1的不同之处在于，冶金固废混凝土掺和料由如下重量百分比的原料组成：80％的钒钛矿渣粉180g、4％的脱硫石膏9g、4％的硅灰9g、5％的粉煤灰11.25g、5％的沸石粉11.25g和2％的硅酸钠水溶液4.5g。

对比例4

本对比例提供一种冶金固废混凝土掺和料，与实施例1的不同之处在于，用同等量的高强石膏替代脱硫石膏。

对比例5

本对比例提供一种冶金固废混凝土掺和料，与实施例1的不同之处在于，用同等量的粉煤灰替代硅灰。

表1

由表1的实验数据可以看出，本发明的尾矿混凝土掺和料具有优异的活性，活性指数在87％以上，活性激发剂能够活化钒钛矿渣粉，活性激发剂的各原料之间是协同关系，任何原材料的改变会对活化性能产生影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。