一种混凝土用降粘增强的球形镍渣材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种混凝土用降粘增强的球形镍渣材料的制备方法 (Preparation method of viscosity-reduction-enhanced spherical nickel slag material for concrete ) 是由 罗翔 夏焕超 郑常伟 贺希 于 2021-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种混凝土用降粘增强的球形镍渣材料的制备方法,包括以下步骤：1)用高压冷空气将熔融镍渣吹入空冷区进行冷却,熔融镍渣迅速冷却,形成球形细颗粒的形状；2)按粒径大小将球形镍渣分为三个等级,第一级为0-0.3mm,第二级为0.3-0.85mm,第三级为0-4.75mm；3)将三个等级的球形镍渣分别与天然骨料硅质砂混合后形成混合骨料；4)将水、混合骨料与水泥混合后,得含球形镍渣混凝土材料。本发明利用雾化冷却工艺形成的球形镍渣来降低混凝土粘度增强力学性性能,该方法操作便捷,成本低廉,可大规模应用,另,利用球形SNS实现混凝土高流动度、高减水率、高强度增长,可行性极高。(The invention discloses a preparation method of a viscosity-reduction enhanced spherical nickel slag material for concrete, which comprises the following steps: 1) blowing the molten nickel slag into an air cooling area by using high-pressure cold air for cooling, and rapidly cooling the molten nickel slag to form spherical fine particles; 2) the spherical nickel slag is divided into three grades according to the particle size, wherein the first grade is 0-0.3mm, the second grade is 0.3-0.85mm, and the third grade is 0-4.75 mm; 3) respectively mixing the three grades of spherical nickel slag with natural aggregate siliceous sand to form mixed aggregate; 4) and mixing the water, the mixed aggregate and the cement to obtain the spherical nickel slag-containing concrete material. The method reduces the viscosity of the concrete by using the spherical nickel slag formed by the atomization cooling process to enhance the mechanical property, is convenient to operate, has low cost, can be applied in a large scale, and realizes high fluidity, high water reducing rate and high strength increase of the concrete by using the spherical SNS, thereby having extremely high feasibility.)
技术领域
本发明属于废渣处理技术领域，特别是涉及一种混凝土用降粘增强的球形镍渣材料。
背景技术
如今，在快速工业化的进程中，粗钢的需求随着消耗的增加逐渐增加，2020年粗钢产量达到17.8亿吨，而中国的冶金产量在2017年已经达到世界冶金产量的49％。然而，在冶金生产过程中基于生产工艺的不同会产出不同类型的副产品—冶金废弃物，包括球形镍渣(SNS)。依据当前粗冶金的生产水平，2019年世界钢铁冶金废弃物产量估计在1.9亿至2.8亿吨之间。这种废弃物的大量产生带来了严重的环境问题，例如土壤和地下水的污染以及占用大量土地资源。此外，全球约25％-30％的冶金材料采用电弧炉生产，采用这种方式每生产一吨冶金产品就会产出约70公斤废渣。而由于原料和冷却工艺的不同，形成了风淬、水淬和高压急冷等多种类型的镍渣。如此巨量的冶金废渣需要合理筹划研究，进行经济有效的综合利用，否则简单地处理或直接排入到自然环境中，不仅严重污染环境，而且还会造成土地资源的浪费，因此合理处置冶金废渣成为当前亟需解决的问题。
但是如何合理利用冶金废渣存在诸多不得不考虑的因素，包括应用形式、颗粒级配、压碎值指标以及最重要的安定性。
冶金废渣在建筑建材中作为骨料的应用较普遍且消纳量较大，冶金废渣的生产工艺和冷却方式不同，因此应用方式也是多形式的：(1)直接取材，将风冷或水淬渣直接做为粗骨料应用。这种方式虽然极大降低了处置成本，但过于依赖冶金废渣本身的性质，容易出现强度不够以及开裂、膨胀的安定性问题。(2)包覆改良，将冶金渣进行加工，在其外表面包覆一层胶凝材料。这种方式形成的壳层结构有效提高了废渣骨料的强度。(3)破碎作细骨料，人造细骨料取代天然砂是有效处理环境问题的方式，但也存在安定性及级配不良的问题。(4)破碎粉磨再成球，加大处置成本，将废渣粉和其它胶凝材料以及激发剂进行配合比设计，通过成球造粒作为骨料使用，安定性问题能够得到很好的解决。(5)新型冷却工艺，近年来，人们提出了一种新的冷却工艺，省去了破碎的过程和成本即可获得SNS细集料，也是为数不多的废渣细集料应用方式。
随着我国工业化进程，现代化建筑的体量不断增大，超高强混凝土(UHPC)材料研究逐渐加强。由于UHPC具有优异的高强、高耐久性能，超高强度混凝土的使用可以大幅度降低建筑物自重，提高相同基础设计时建筑的高度；降低同样承载要求条件下梁板柱的结构构件的截面积，进而减少单位建筑面积的混凝土使用量；相应地增大有限建筑面积内的使用空间，节约大量的混凝土与钢材。由于其具有较高的耐久性能，可以使建筑物使用寿命得到极大地延长，使得其符合我国当今建筑材料发展的所要求得节材、节能的绿色经济技术政策，因此，成为了当今建筑材料绿色化技术需要发展的关键。虽然，UHPC经济技术优势较为明显，但是由于在生产制备UHPC中往往需要较高的胶凝材料用量、较低的水胶比以此来获得高致密性。其中UHPC高的超细粉体用量和极低水胶比，造成了主要包含减水剂在内的外加剂用量显著提高，浆体颗粒水膜层厚度减小以及间隙液外加剂残留增多，从而导致UHPC浆体粘度大且随着减水剂用量的增加逐渐增大，静置流动性损失快，不易泵送施工使用，收缩较大，开裂风险较大。因此低粘度超高强混凝土技术是混凝土技术发展的未来趋势。
随着中国人口老龄化加剧，在建筑行业实现智能化的应用，代替传统的作业方式方法，需求很紧迫，3D打印混凝土(3DPC)技术随之而生。2019年以来国内3D打印市场总额达到了5182亿元，未来五到十年将是3D打印行业的爆发式增长期。顺应着国家及地方政府大力推进智能制造进程的政策导向，3D建筑打印的新理念、新业态蕴含着巨大商机，正在创造巨大市场需求，应用新技术改造传统产业的潜力也是巨大的。但目前3DPC技术还未到成熟期。因其要求快速成型、硬化以及强度快速增长，需要多种外加剂协同使用，使其满足强度、可打印性及建造性等必要性能。外加剂所包含的减水剂、化学纤维、胶粉和触变剂等，使得混凝土打印材料出现同UHPC一样的粘度大、经时流动度损失大等问题，不利于挤出、输送和可操作时间。尤其是纤维在水泥浆中的交错使得流动性极易变差。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种混凝土用降粘增强的球形镍渣材料的制备方法，利用雾化冷却工艺形成的球形镍渣来降低混凝土粘度增强力学性性能，该方法操作便捷，成本低廉，可大规模应用，另，利用球形SNS实现混凝土高流动度、高减水率、高强度增长，可行性极高。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种混凝土用降粘增强的球形镍渣材料的制备方法，包括以下步骤：
1)用高压冷空气将熔融镍渣吹入空冷区进行冷却，熔融镍渣迅速冷却，形成球形细颗粒的形状；
2)按粒径大小将球形镍渣分为三个等级，第一级为0-0.3mm，第二级为0.3-0.85mm，第三级为0-4.75mm；
3)将三个等级的球形镍渣分别与天然骨料硅质砂混合后形成混合骨料；
4)将水、混合骨料与水泥混合后，得含球形镍渣混凝土材料。
进一步地说，步骤3)中所述球形镍渣与天然骨料硅质砂混合的质量比为1：4～3：2。
进一步地说，步骤4)中所述混合骨料与水泥混合的质量比为3：1。
进一步地说，步骤4)中所述水与水泥混合的质量比为0.42～0.50。
进一步地说，步骤4)的具体操作为：将水泥和水在水泥搅拌机中慢速搅拌80～100s，再将混合骨料在慢速搅拌过程的最后30s内缓缓加入，最后快速搅拌110～130s。
本发明的有益效果至少具有以下几点：
1、在优化过程中，利用SNS的球形外观产生的滚珠效应，代替减水剂作用，本方案需水量降低16％，流动度仍能达到185±5mm；区别于无规则角形硅质砂，其物理外观在承受荷载时几乎不产生骨料尖端应力，阻碍了微裂纹的生成与扩展，方案中早期3天的抗折强度最高提升43.8％；且使其制件的抗压强度在3天、7天和28天养护龄期分别提升了26.3％，20.5％和13.3％。综上球形SNS能够起到提升混凝土流动性，降低混凝土粘度和增加抗压抗折强度的作用；
2、本发明将球形镍渣分级混合天然砂，减少骨料的内摩擦力，确定颗粒级配对流动性和力学性能的影响；
2、本发明的方法操作便捷，成本低廉，可赋予实际应用，利用工业冶金废弃物，实现降粘增强的高效优化且能减少自然资源开采和降低外加剂使用成本。
附图说明
图1为球形SNS材料外形图；
图2为球形SNS材料与硅质砂材料级配曲线图像；
图3为球形SNS材料的XRD图像；
图4为球形SNS材料与水泥浆的界面扫描电镜图(a为3000倍镜；b为5000倍镜)；
图5为SNS压蒸粉化率送检结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例1
称取硅质砂，同时称取硅质砂总质量1/3的42.5#水泥；
以0.50水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入硅质砂充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例2
以1:4质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0-0.3mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.47水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例3
以2:3质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0-0.3mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.46水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例4
以3:2质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0-0.3mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.46水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例5
以1:4质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0.3-0.85mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.45水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例6
以2:3质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0.3-0.85mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.44水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例7
以3：2质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0.3-0.85mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.43水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例8
以1:4质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0-4.75mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.46水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例9
以2:3质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0-4.75mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.44水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
实施例10
以3:2质量比称取球形SNS材料和硅质砂，其中球形SNS材料选用0-4.75mm级别，并混合均匀；同时称取混合骨料总质量1/3的42.5#水泥；
以0.42水灰比称取自来水，置于搅拌锅内混合水泥搅拌均匀，随后加入混合骨料充分搅拌，并及时测试其流动度；使用40×40×160mm三联模模具成型，养护箱养护24小时后脱模放入室温水中养护3、7、28天，分别测试其抗折、抗压强度。
表1为球形SNS组分表
图3为球形SNS材料XRD图像，由表1的结果可知，其主要物相是石英和镁橄榄石，这意味着镍渣的活性不高。
表2为各实施例的水灰比与流动度
水灰比
流动度/mm
实施例1
0.50
184
实施例2
0.47
183.5
实施例3
0.46
184
实施例4
0.46
180.5
实施例5
0.45
181.5
实施例6
0.44
185
实施例7
0.43
182
实施例8
0.46
183.5
实施例9
0.44
180
实施例10
0.42
185
不同于传统冷却工艺，经雾化冷却工艺处理的SNS材料呈规则球形，是一种表观呈灰黑色，外形呈规则球形的物质。如图1所示，其物理外观特点是其凭借滚珠效应和内部应力分散起到降低粘度增加抗折强度的关键因素。从表2可见，随着SNS的替代量增大，水灰比下降，流动度维持在180mm以上，说明SNS对流动性起到了提升作用，能够代替减水剂作用达到降低粘度增加流动度的效果。
一般来讲，控制水灰比，流动度增大视为流动性良好。但也存在水灰比增加，强度降低的可能。本实验方案参考GB175-2007，控制流动度180±5mm，水灰比以0.01倍增倍减，在此基础上测试强度值。可以看到控制流动性一致时，添加球形镍渣有效降低了需水量，可以达到增流目的。另外，凭借低水灰比和球形紧密堆积模型是提升力学性能的关键。
表3为各实施例的抗折强度
表3为各实施例的抗折强度，本方案早期3天抗折强度最高提升43.8％，佐证了SNS球形骨料在水泥浆中应力分散的作用。
表4为各实施例的抗压强度
球形颗粒是紧密堆积最理想的模型，球形SNS十分符合该模型，且从图1看来其级配良好，由此带来的紧密堆积效果利于混凝土的抗压强度。从表4可知，SNS对混凝土的抗压强度提升也很明显，在3天、7天和28天龄期分别提升了26.3％，20.5％和13.3％。图4是关于混凝土中第三相界面过渡区(ITZ)的扫描电镜图像，可观察到SNS与水泥基体之间的ITZ宽度仅有2μm，ITZ宽度越窄，越有利于混凝土的强度。
图5为SNS压蒸粉化率送检结果
压蒸粉化率采用了比较严格的实验条件，在这种实验条件下，镍渣中的绝大部分游离CaO和MgO会发生反应，因此压蒸粉化率能够比较好地反应镍渣中安定性不良组分对镍渣颗粒的破坏作用。SNS在压蒸前后无明显变化，粉化率仅有1.86％，自身安定性良好。如图2所示，球形SNS的级配曲线符合工程常用的Ⅱ区中砂。
表5为含SNS试样压蒸膨胀率检测结果
压蒸膨胀率测试所使用的试件为25×25×280mm棱柱。由表5可知，压蒸膨胀率的变化与SNS的粒径和掺量没有线性关系，但都不超过限值。那就意味着各粒径级的SNS细骨料在60％掺量以下不会造成硬化砂浆试件的过渡膨胀甚至开裂。
雾化冷却工艺生产的球形镍渣(SNS)细集料具有规则球形外观、优良级配和低压碎值的特点。基于以上特性，球形SNS在混凝土中存在滚珠效应，有着降低粘度和需水量的潜在优势，且自身物理性能更可能强化混凝土的抗压和抗折强度。并且会节省昂贵的外加剂和天然骨料的购置成本，对环境的开采破坏问题起到了间接保护作用。此外SNS为电弧炉副产品，有着低钙硅比，再经雾化冷却工艺处理，减少了游离氧化钙和氧化镁成分对安定性的影响。
SNS等冶金废渣的无害化、减量化、资源化手段是最具潜力的处置方式，实现SNS在UHPC和3DPC等领域的资源化利用无疑是目前最经济、有效、环保和势在必行的。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：多用途钢渣陈化处理方法