金尾矿胶凝材料的制备及其固氯机理研究

摘要

基于大量堆存尾矿难以利用和绿色高性能混凝土的应用这两大背景，本文以陕西商洛地区金尾矿为主要研究对象，首先，采用机械活化和热活化的方式对金尾矿进行活化，并对活化处理的金尾矿进行了矿物学特性研究和活性研究;其次，在对活化后尾矿矿物学特性研究的基础上，研究了金尾矿胶凝材料的制备、胶凝材料的固氯效果、胶凝材料的物理力学性能，而后采用XRD、SEM、FT-IR等测试方法揭示了金尾矿在胶凝材料的水化机理及其对氯离子的作用机理;最后，利用优化后的金尾矿胶凝材料，配制了工作性能和耐久性符合标准的C30、C40混凝土。本项目的研究应用，可为尾矿在现代混凝土中应用提供理论和技术资料，同时为实现尾矿的高附加值应用提供有效途径。
　　通过对金尾矿基本特性和活化研究可知，主要矿物组成为石英、方解石、白云石和少量的高岭石、斜长石，属于火山质类原材料，由于其铝硅比极小，物理化学性质极其稳定。单独的机械力活化对金尾矿活性提升不大，采用复合活化的工艺（将机械力活化后的金尾矿进行热活化），发现金尾矿活性增强，尾矿中不稳定矿物组分发生分解，活性的SiO2、Al2O3组分含量增多，粉磨60min再经750℃热活化1h的金尾矿粉活性最佳，对Cl-固化效果较好。
　　考虑粒级与活性的协同作用，通过单因素和正交实验，得出尾矿胶凝材料的优化配比:金尾矿∶水泥熟料∶矿渣∶脱硫石膏=27∶37∶27∶9（质量比）。胶凝材料中金尾矿、水泥熟料、矿渣和脱硫石膏的比表面积分别为702m2/kg、355m2/kg、473m2/kg和346m2/kg。制备的胶凝材料固化Cl-效果得到显著提高，其28d Cl-固化量为5.07mg/g，与42.5普通硅酸盐水泥相比，Cl-固化效果提升了15.2％。
　　胶凝材料的水化产物和固氯机理分析表明，胶凝材料早期的水化产物有AFt、C-S-H、Ca(OH)2和少量的Friedel盐，随着水化程度的加深，金尾矿粉中的活性组分在碱性环境下发生二次水化，促使Cl-与水化后的矿物化学结合生成更多Friedel盐、C-S-H凝胶和AFt的产物，此处C-S-H凝胶对Cl-具有很强的物理吸附作用，这就使得硬化浆体结构变得密实且固氯效果提升。
　　以金尾矿胶凝材料制备的胶砂块3d、28d抗压强度为18.2MPa和37.4MPa，达到GB/175-2007《通用硅酸盐水泥》中规定的32.5复合硅酸盐水泥标准，胶凝材料配制的C30混凝土3d、28d抗压强度分别为11.8MPa、35.6MPa，C40混凝土3d、28d抗压强度分别为12.2MPa和45.4MPa，在混凝土收缩性方面，其各龄期收缩值均低于水泥混凝土，其工作性能和耐久性优异，满足工程应用要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及其意义

1．2 矿物掺合料的研究现状

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 矿物掺合料对氯离子固化研究

1．3 新型胶凝材料体系研究进展

1．3．1 新型胶凝材料的国内外研究现状

1．3．2 尾矿胶凝材料的研究

1．4 本文主要研究内容及创新点

1．4．1 研究内容

1．4．2 创新点

第2章 研究方法与技术路线

2．1 研究思路

2．2 技术路线

2．3 研究方法

2．3．1 样品的表征

2．3．2 试验方法

2．3．3 测试方法

2．4 试验条件

2．4．1 试验原料

2．4．2 试验设备

2．4．3 试验药品

第3章 金尾矿的基本特性及活化研究

3．1 金尾矿的基本特性研究

3．1．1 金尾矿的产生

3．1．2 金尾矿的化学成分分析

3．1．3 金尾矿的矿物组成分析

3．1．4 金尾矿的粒度组成分析

3．1．5 金尾矿的扫描电镜分析

3．2 金尾矿的机械活化研究

3．2．1 粉磨不同时间金尾矿的XRD分析

3．2．2 粉磨不同时间金尾矿的粒度分布

3．2．3 粉磨不同时间金尾矿的扫描电镜分析

3．2．4 粉磨不同时间金尾矿的火山灰活性

3．2．5 粉磨不同时间金尾矿的固氯研究

3．3 金尾矿的热活化研究

3．3．2 煅烧不同温度金尾矿粉的XRD分析

3．3．3 煅烧不同温度金尾矿粉的FT-IR分析

3．3．4 煅烧不同温度金尾矿的火山灰活性

3．3．5 煅烧不同温度金尾矿粉固氯能力研究

3．4 本章小结

第4章 金尾矿胶凝材料固氯研究

4．1 探索试验

4．1．1 胶凝材料的制备

4．1．2 不同原料组成胶凝材料性能影响

4．2 主要原料比例对胶凝材料固氯性能的影响

4．2．1 水泥熟料掺量影响

4．2．2 金尾矿粉掺量影响

4．2．3 石膏掺量影响

4．3 正交优化试验

4．3．1 因素水平的确定

4．3．2 试验方案及结果

4．3．3 试验结果讨论与分析

4．3．4 对比验证试验

4．4 胶凝材料水化产物及固氯机理分析

4．4．1 胶凝材料净浆试样的XRD分析

4．4．2 胶凝材料净浆试样的FT-IR分析

4．4．3 胶凝材料净浆试样的SEM分析

4．4．4 胶凝材料的固氯机理分析

4．5 本章小结

第5章 金尾矿胶凝材料配制混凝土试验

5．1 胶凝材料性能测试

5．1．1 胶凝材料的制备

5．1．2 力学性能测试

5．1．3 标准稠度用水量及凝结时间

5．1．4 安定性试验

5．1．5 胶凝材料与减水剂相容性试验

5．2 混凝土配合比设计

5．2．1 混凝土配制强度计算

5．2．2 水与胶凝材料用量计算

5．2．3 砂石用量计算

5．3 混凝土工作性和力学性能测试

5．3．1 混凝土试块的制备

5．3．2 混凝土和易性测试

5．3．3 不同养护龄期强度测试

5．4 混凝土长期性能测试

5．4．1 混凝土抗氯离子渗透性

5．4．2 混凝土收缩性能测试

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

作者简介

发表论文和参加科研情况