一种镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土及其制备方法与流程

1.本发明属于建筑固废在高性能混凝土应用以及工程结构应用领域，主要是涉及一种镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土及制备方法。


背景技术：

2.目前，随着经济社会的发展和科学技术的不断提高，人们对工程材料的需求超过了建筑材料的发展。如混凝土超高强度、高韧性、高耐久性、高延性、高体积稳定性、低成本、低容重、生产工艺简单等，这一直是科研工作者和工程技术人员孜孜以求的目标，活性粉末混凝土在这样的背景下诞生。
3.活性粉末混凝土（reactive powder concrete,简称活性粉末混凝土），是一种具有创新性的超高性能混凝土，通过优化材料中配合比，进一步使混凝土的力学性能和耐久性能得到显著地改善，实现工程材料性能发展的大跨越。同时综合了高强混凝土和纤维混凝土的优势，基于最紧密堆积理论，剔除粗骨料，以细石英砂为骨料，掺入适量钢纤维，以加压高温等制备方法，获得新型绿色高性能混凝土。活性粉末混凝土与传统混凝土的区别在于缺少粗骨料，它具有很好的拌合物性能、超高强度、高耐久性、优良的生态效应、抗化学侵蚀强、抗渗透性高、良好的抗震性及卓越的塑性发展能力，广泛的应用到土建工程、海上工程、核工程、军事工程等领域，具有宽广的应用前景。然而，活性粉末混凝土在生产过程中石英粉的生产和研磨成本、钢纤维及水泥造价较高，限制其在建筑结构中的应用和推广。
4.镍铁渣也称镍渣，镍渣是冶炼镍铁合金过程中产生的固体废渣，属于工业固废。目前，世界镍工业生产的镍，主要来自硫化镍矿产，约占总总产量60%。据统计，我国每年排出的镍铁渣废料为2400
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2700万吨，占全球排放量的20%以上，是继铁渣、钢渣、赤泥之后第四大冶炼工业废渣。然而，镍铁渣的利用率却很低，大量的镍铁渣处于堆放状态，这不仅占用了大量的土地资源，镍铁渣中的有害物质还渗透到土壤中对环境造成巨大的危害。镍铁渣呈球形颗粒状，粒径0
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5mm，通过机械研磨至粒径1mm以下，用镍铁渣代替部分粒径的石英砂制备活性粉末混凝土，将废弃的铁尾矿粉回收再利用。
5.玄武岩纤维（basalt fiber）是将玄武岩石料经高温1450
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1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制并冷却而成的天然连续纤维。法国人pauldhe于1922年最早提出连续玄武岩纤维熔融拉丝的概念，到20世纪60年代迫于军事需要，苏联和美国对玄武岩纤维展开了大量研究，随后玄武岩纤维得到迅速的发展。目前，我国玄武岩纤维年产量高达3万吨，玄武岩纤维的生产企业数量和总产量已经超过国外总量。玄武岩纤维具有抗拉强度高、抗裂性、抗冲击韧性优良、耐高温、耐酸碱腐蚀、绝热、绝缘、隔声、分散性好、绿色环保及成本低廉等优点。用玄武岩纤维代替钢纤维能够解决因钢纤维密度大带来的分散性问题，同时又能够一定程度的降低活性粉末混凝土的成本。
6.我国主要以煤炭为电力生产的基本燃料，粉煤灰的排放量逐年增加，到2020年末排放量高达5.7亿吨，虽然其平均利用率达到45%
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50%，粉煤灰的综合利用仍面临着严峻的考验。如果不对粉煤灰进行快速高效的利用或处置，将会占用了大量耕地面积，还会对土壤
和空气造成不可逆转的危害。超细粉煤灰是将发电厂烧煤产生的固体废弃物经过磨细、选粉及收尘得到的一种高功能性的水泥混合材料或混凝土矿物掺合料。将粉煤灰研磨至比表面积700
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1000m2/kg，粒级7μm以下，可以大幅提高粉煤灰的性能及应用价值：（1）显著提高粉煤灰的活性，在配置相同强度等级水泥及混凝土时，增大粉煤灰的掺量；（2）研磨过程中产生大量的细小玻化微珠，提高骨料之间的润滑作用，明显提高拌合物的减水效果，减水率可达10%左右；（3）超细粉煤灰和高效减水剂双掺使用，可以制备出高强度砂浆和高性能混凝土。用超细粉煤灰取代水泥一方面能够减少水泥消耗，间接减少生产水泥工程中产生的co2及其他有害气体的排放，降低温室效应；另一方面可以降低混凝土的成本。
7.因此，在传统活性粉末混凝土中加入镍铁渣取代细骨料既可以减少镍铁渣对环境造成的污染，又可以在一定程度上降低活性粉末混凝土的成本；用玄武岩纤维替代钢纤维不仅能提高纤维在混凝土中分散性和相容性，还能减少活性粉末混凝土的造价；用超细粉煤灰取代水泥，能够在同配比下提高混凝土的强度，此外还可缓解水泥短缺问题并降低整体造价。


技术实现要素：

8.基于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土及制备方法，不仅增加了活性粉末混凝土中骨料的使用空间，增强了活性粉末混凝土的性能，降低了成本，还将环境污染土地占用问题有效的解决。
9.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
10.一种镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土，包括以下重量份原料：水泥95~125份，超细粉煤灰48~63份，硅灰20~40份，玄武岩纤维15~24份，中细石英砂55~72份，细石英砂32~42份，特细石英砂17~25份。镍铁渣69
‑
93份，水17~27份，高效减水剂0.7~3.2份。
11.进一步地，所述水泥为42.5的普通硅酸盐水泥。
12.进一步地，所述超细粉煤灰：粒径＜1μm，7000目，包含以下质量百分比组分：sio2：46％~53%、al2o3：28%~32%、mgo：0.8％~1.2%、fe2o3：5％~11%、cao：3.5％~5.7%、so3：0.4%~1.0%、烧失量：4.2%~5%。
13.进一步地，所述玄武岩纤维为短切连续玄武岩纤维，直径为10
‑
14μm，长度为16
‑
24mm，抗拉强度为4100
‑
5000mpa，弹性模量为90
‑
105gpa，密度为2.7
‑
2.8g/cm3。
14.进一步地，所述硅灰：包含以下质量百分比的组分：sio2：92％~96%、mgo：0.3％~0.4%、c：1.8%~2.2%、cao：0.9％~1.0%、al2o3：0.7％~1.0%、fe2o3：0.5％~0.6%、na2o：0.1％~0.2%，超过1300目的超细硅灰。
15.进一步地，所述石英砂为sio2高于95%的白色石英砂，石英砂的细砂、中细砂和特细砂粒径分别为0.3
‑
0.6mm、0.15
‑
0.3mm和0
‑
0.15mm，三者比例为：（2.1
‑
2.8）：（1.1
‑
1.6）：（1.5
‑
1.95）。
16.进一步地，所述镍铁渣是经过冷却、磨细、筛分后粒径400
‑
600目的微粉，主要包含以下质量百分比对的组分：sio2：35%~47%、al2o3：5.7%~11%、cao：0.7％~1.8%、tio2：0.2％~0.8%、mno：0.5%~0.6%、fe2o3：1.3%~5.4%、so3：0.1%~0.2%、烧失量：2.0 %~2.5%。
17.进一步地，所述减水剂为西卡325c型聚羧酸高效减水剂，减水率超过30%。
18.一种镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土的制备方法，具体包含以下步骤：
1、将镍铁渣用试样粉碎机和球磨机分别磨细，先用试样粉碎机将镍铁渣磨细2
‑
3次，每次5
‑
10min，得到粒径0.075mm以下的微粉，再将这些微粉用球磨机磨细25
‑
30min，得到400
‑
600目的超细微粉即镍铁渣粉。
19.2、用自来水将卧式单轴混凝土搅拌机湿润两遍，搁置15
‑
20min，将搅拌机内的积水排净，用油性脱模剂（油：水=1：1.5
‑
1：2）在尺寸100mm
×
100mm
×
100mm三联模具中均匀涂刷内壁（涂抹之前用粘贴将模具底部小孔粘上，便于脱模），搁置20
‑
30分钟。
20.3、将准备好的各级石英砂、玄武岩纤维一次倒入搅拌机内均匀搅拌175
‑
180s，拌合后将水泥、超细粉煤灰、硅灰及镍铁渣粉加入搅拌机均匀搅拌235
‑
245s。
21.4、以上组分拌合后，缓缓倒入50%与水混合的聚羧酸减水剂，28
‑
30s内再匀速倒入剩余的水和减水剂溶液，搅拌295
‑
305s，随后将其倒入模具中放到振动台上面进行振捣。
22.5、将试件用塑料薄膜完全包裹，置于温度：23℃、湿度：95%下，静置24h~48h后脱模。
23.6、将脱模后的试件放入高温蒸养箱中进行高温蒸汽养护，时间为72h，养护温度设置为85℃升温到95℃，初始温度为20~25℃，升降温速率均为15℃/h，定期观察养护箱并排干正阳箱内部积水。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为。
25.（1）镍铁渣呈球形颗粒状，内部含有较多的玻璃体，与粉煤灰结构相似，具有一定的活性，能够参与水泥水化反应，用镍铁渣替代石英砂可以提高活性粉末混凝土的力学性能。
26.（2）用镍铁渣代替石英砂制备活性粉末混凝土，不仅能够降低活性粉末混凝土的成本，还能解决镍铁渣低级利用带来的一系列环境问题，具有节能减排和绿色环保的意义。
27.（3）相比钢纤维，玄武岩纤维具有密度与骨料相近、与混凝土相容性好、冲击韧性好、耐酸碱腐蚀性优良及价格低廉的优势。用玄武岩纤维替代钢纤维可以改善活性粉末混凝土中纤维的分散性，防止发生脆性破坏并降低其成本。
28.（4）相比于粉煤灰，超细粉煤灰表现出更卓越的形态效应、火山灰效应及微集料效应。通过机械粉磨可以增加其细度及比表面积，进一步填充混凝土中粗细骨料之间、骨料与水泥浆之间和纤维与水泥浆之间的大孔、毛细孔、过渡孔和胶凝孔，使活性粉末混凝土的结构更加致密，从而提高活性粉末混凝土的强度。用超细粉煤灰取代水泥不仅能消纳建筑垃圾、减少环境污染，还能缓解水泥短缺问题并减少水泥生产带来的二次污染。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
30.一种镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土，包括以下重量份原料：水泥95~125份，超细粉煤灰48~63份，硅灰20~40份，玄武岩纤维15~24份，中细石英砂55~72份，细石英砂32~42份，特细石英砂17~25份。镍铁渣69
‑
93份，水17~27份，高效减水剂0.7~3.2份。
31.进一步地，所述水泥为42.5的普通硅酸盐水泥。
32.进一步地，所述超细粉煤灰：粒径＜1μm，7000目，包含以下质量百分比组分：sio2：
46％~53%、al2o3：28%~32%、mgo：0.8％~1.2%、fe2o3：5％~11%、cao：3.5％~5.7%、so3：0.4%~1.0%、烧失量：4.2%~5%。
33.进一步地，所述玄武岩纤维为短切连续玄武岩纤维，直径为10
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14μm，长度为16
‑
24mm，抗拉强度为4100
‑
5000mpa，弹性模量为90
‑
105gpa，密度为2.7
‑
2.8g/cm3。
34.进一步地，所述硅灰：包含以下质量百分比的组分：sio2：92％~96%、mgo：0.3％~0.4%、c：1.8%~2.2%、cao：0.9％~1.0%、al2o3：0.7％~1.0%、fe2o3：0.5％~0.6%、na2o：0.1％~0.2%，超过1300目的超细硅灰。
35.进一步地，所述石英砂为sio2高于95%的白色石英砂，石英砂的细砂、中细砂和特细砂粒径分别为0.3
‑
0.6mm、0.15
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0.3mm和0
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0.15mm，三者比例为：（2.1
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2.8）：（1.1
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1.6）：（1.5
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1.95）。
36.进一步地，所述镍铁渣是经过冷却、磨细、筛分后粒径400
‑
600目的微粉，主要包含以下质量百分比对的组分：sio2：35%~47%、al2o3：5.7%~11%、cao：0.7％~1.8%、tio2：0.2％~0.8%、mno：0.5%~0.6%、fe2o3：1.3%~5.4%、so3：0.1%~0.2%、烧失量：2.0 %~2.5%。
37.进一步地，所述减水剂为西卡325c型聚羧酸高效减水剂，减水率超过30%。
38.一种镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土的制备方法，具体包含以下步骤：1、将镍铁渣用试样粉碎机和球磨机分别磨细，先用试样粉碎机将镍铁渣磨细2
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3次，每次5
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10min，得到粒径0.075mm以下的微粉，再将这些微粉用球磨机磨细25
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30min，得到400
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600目的超细微粉即镍铁渣粉。
39.2、用自来水将卧式单轴混凝土搅拌机湿润两遍，搁置15
‑
20min，将搅拌机内的积水排净，用油性脱模剂（油：水=1：1.5
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1：2）在尺寸100mm
×
100mm
×
100mm三联模具中均匀涂刷内壁（涂抹之前用粘贴将模具底部小孔粘上，便于脱模），搁置20
‑
30分钟。
40.3、将准备好的各级石英砂、玄武岩纤维一次倒入搅拌机内均匀搅拌175
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180s，拌合后将水泥、超细粉煤灰、硅灰及镍铁渣粉加入搅拌机均匀搅拌235
‑
245s。
41.4、以上组分拌合后，缓缓倒入50%与水混合的聚羧酸减水剂，28
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30s内再匀速倒入剩余的水和减水剂溶液，搅拌295
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305s，随后将其倒入模具中放到振动台上面进行振捣。
42.5、将试件用塑料薄膜完全包裹，置于温度：23℃、湿度：95%下，静置24h~48h后脱模。
43.6、将脱模后的试件放入高温蒸养箱中进行高温蒸汽养护，时间为72h，养护温度设置为85℃升温到95℃，初始温度为20~25℃，升降温速率均为15℃/h，定期观察养护箱并排干正阳箱内部积水。
44.实施例1。
45.称取水泥105份、超细粉煤灰55份、硅灰25份、玄武岩纤维19份、中细石英砂59份、细石英砂35份、特细石英砂19份、镍铁渣81份、高效减水剂1.5份和水20份。将三种粒级的石英砂、玄武岩纤维同时倒入搅拌机匀速搅拌180s，随即将称量好的水泥、硅灰、超细粉煤灰（水泥、硅灰和超细粉煤灰干燥搅拌均匀）和镍铁渣放入搅拌机内均匀搅拌250s，30s内再倒入50%拌合后的减水剂溶液和水，然后匀速倒入剩余50%的减水剂溶液和水并搅拌300s，拌合完成得到镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土拌合物浇筑试模并振捣均匀，将试件移至湿度95%、温度23℃的实验室环境中，静置24h后脱模，脱模后放入高温蒸养箱内高温养护72h，养护温度为85℃，初始温度21℃，升降温速率为15℃/h，得到镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混
凝土。
46.经测定：镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土静置72h高温养护后抗压强度为151.4mpa，抗折强度为25.2mpa。
47.实施例2。
48.称取水泥120份、超细粉煤灰63份、硅灰32份、玄武岩纤维24份、中细石英砂69份、细石英砂38份、特细石英砂23份、镍铁渣93份、高效减水剂2份和水24份。将三种粒级的石英砂、玄武岩纤维同时倒入搅拌机匀速搅拌180s，随即将称量好的水泥、硅灰、超细粉煤灰（水泥、硅灰和超细粉煤灰干燥搅拌均匀）和镍铁渣放入搅拌机内均匀搅拌250s，搅拌过程观察搅拌机内部情况，30s内再倒入50%拌合后的减水剂溶液和水，然后匀速倒入剩余50%的水和减水剂溶液并搅拌300s，拌合完成得到镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土拌合物浇筑试模并振捣均匀，将试件移至湿度95%、温度23℃的实验室环境中，静置24h后脱模，脱模后放入高温蒸养箱内高温养护72h，养护温度为85℃，初始温度21℃，升降温速率为15℃/h，得到镍铁渣活性粉末混凝土。
49.经测定：镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土静置72h高温养护后抗压强度为154.2mpa，抗折强度为26.3mpa。
50.实施例3。
51.称取水泥120份、超细粉煤灰48份、硅灰32份、玄武岩纤维15份、中细石英砂69份、细石英砂38份、特细石英砂23份、镍铁渣69份、高效减水剂2份和水24份。将三种粒级的石英砂、玄武岩纤维同时倒入搅拌机匀速搅拌180s，随即将称量好的水泥、硅灰、超细粉煤灰（水泥、硅灰和超细粉煤灰干燥搅拌均匀）和镍铁渣放入搅拌机内均匀搅拌250s，搅拌过程观察搅拌机内部情况，30s内再倒入50%拌合后的减水剂溶液和水，然后匀速倒入剩余50%的水和减水剂溶液并搅拌300s，拌合完成得到镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土拌合物浇筑试模并振捣均匀，将试件移至湿度95%、温度23℃的实验室环境中，静置24h后脱模，脱模后放入高温蒸养箱内高温养护72h，养护温度为85℃，初始温度21℃，升降温速率为15℃/h，得到镍铁渣活性粉末混凝土。
52.经测定：镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土静置72h高温养护后抗压强度为147.7mpa，抗折强度为24.2mpa。
53.对比例1。
54.与实施例1不同之处在于配合比，称取水泥105份、硅灰25份、钢纤维19份、中细石英砂59份、细石英砂35份、特细石英砂19份、高效减水剂1.5份和水20份。
55.测得活性粉末混凝土抗压强度为：111.3mpa，抗折强度为18.2mpa。
56.对比例2。
57.与实施例2不同之处在于配合比，称取水泥120份、硅灰32份、钢纤维24份、中细石英砂69份、细石英砂38份、特细石英砂23份、高效减水剂2份和水24份。
58.测得活性粉末混凝土抗压强度为114.2mpa，抗折强度为19.2mpa。
59.对比例3。
60.与实施例3不同之处在于配合比，称取水泥120份、硅灰32份、钢纤维15份、中细石英砂69份、细石英砂38份、特细石英砂23份、高效减水剂2份和水24份。
61.测得活性粉末混凝土抗压强度为107.7mpa，抗折强度为17.5mpa。
62.通过以上三个实施例和三个对比例的检测结果可以发现：这种镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土能够实现骨料的最紧密堆积，在一定程度上提高rpc的抗压强度和抗折强度。实施例1：镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土抗压强度比传统rpc的抗压强度提高35%，抗折强度提高38.5%；实施例2：镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土抗压强度比传统rpc的抗压强度提高35%，抗折强度提高37%；实施例3：镍铁渣玄武岩纤维活性粉末混凝土抗压强度比传统rpc的抗压强度提高37.1%，抗折强度提高38.3%。用镍铁渣代替石英砂、玄武岩纤维代替钢纤维及超细粉煤灰取代水泥可以有效降低rpc的制备成本，也能减少对自然环境的破坏。
63.上述实施例是本发明较为合适的实施方式，但上述实施方式不限于以上示例性实施例。本技术领域的其他专业人员，在不违背本发明的精神实质与原理下进行的各种修改、变换、简化及修饰均可以作为等效的置换方式，仍旧包含再本发明的保护范围之内。