一种脱碳煤矸石粉及其制备方法和作为混凝土掺合料的应用
阅读说明：本技术 一种脱碳煤矸石粉及其制备方法和作为混凝土掺合料的应用 (Decarbonized coal gangue powder, preparation method thereof and application of decarbonized coal gangue powder as concrete admixture ) 是由 汪洪波 蒋明刚 孙星海 刘泽 王栋民 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种脱碳煤矸石粉及其制备方法和作为混凝土掺合料的应用,属于建筑材料技术领域。本发明采用浮选的方式,能够去除煤矸石粉中的可燃性碳组分,在混凝土中,可燃性碳组分为非活性组分,会引起混凝土开裂,本发明通过对煤矸石中的可燃性碳组分进行去除,能够使所得脱碳煤矸石粉烧失量满足混凝土掺合料标准,能够用于代替混凝土中的水泥,从而促进煤矸石的资源化应用,缓解煤矸石粉体过剩的问题,同时,碳煤矸石粉成本低廉,能够降低混凝土的成本。本申请通过控制煤矸石矿浆的浓度为70～90g/L,捕收剂的用量为50～350g/L,能够有效的提高浮选脱碳效果,使脱碳煤矸石粉烧失量满足混凝土掺合料标准。(The invention provides decarburization gangue powder, a preparation method thereof and application of the decarburization gangue powder as a concrete admixture, and belongs to the technical field of building materials. The method adopts a flotation mode, so that the combustible carbon component in the coal gangue powder can be removed, and the combustible carbon component in the concrete is an inactive component which can cause the concrete to crack. This application is through the concentration of control gangue ore pulp for 70 ~ 90g/L, and the quantity of collector is 50 ~ 350g/L, can effectual improvement flotation decarbonization effect, makes decarbonization coal gangue powder ignition loss satisfy concrete admixture standard.)
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，特别涉及一种脱碳煤矸石粉及其制备方法和作为混凝土掺合料的应用。
背景技术
煤矸石是煤矿建井和生产过程中排出来的一种混杂岩体，它包括煤矿在井巷掘进时排出来的矸石、露天煤矿开采时剥离的矸石和洗选加工过程中排出的矸石。煤矸石的产生量约占煤炭开采量的10～25％。以排矸量占原煤生产的20％估算，每年新增加的矸石有2亿吨以上，除综合利用约8000万吨外，其余部分就近自然混杂存。
煤矸石已经成为我国积存量和年产量最大、占用堆积场地最多的一种工业废物。这些矸石山不仅占用了大量土地，而且由于自然降水，使煤矸石中富含的盐类经淋滤、溶解在雨水中渗入到地下，造成矸石山周围的地下水严重污染。且煤矸石中所含的黄铁矿(FeS2)易被空气氧化，放出的热量可以促使煤矸石中所含煤炭风化以至自燃，自燃时放出的SO2严重污染空气。
目前，煤矸石大多用于发电、作水泥原燃料、制砖以及井下充填、复垦造田、筑路等，但总的用量还很低，利用率不高。由于煤矸石粉体含碳量高，其烧失量不符合混凝土掺合料标准(混凝土掺合料标准需要烧失量<8％)，因此，煤矸石粉体并不能作为混凝土掺合料。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种脱碳煤矸石粉及其制备方法和作为混凝土掺合料的应用。本发明提供的方法能够有效脱除煤矸石粉体中的可燃性碳组分，所得脱碳煤矸石粉烧失量低，能够用作混凝土掺合料。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种脱碳煤矸石粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉末与水混合，得到煤矸石矿浆，所述煤矸石矿浆的浓度为70～90g/L；
(2)将所述煤矸石矿浆与起泡剂、捕收剂混合进行浮选，浮选所得沉淀物依次进行干燥和球磨，得到脱碳煤矸石粉；以所述煤矸石矿浆的体积为基准，所述捕收剂的用量为50～350g/L。
优选的，所述煤矸石粉末的粒径≤0.5mm。
优选的，所述捕收剂为N9858和/或N9836。
优选的，所述所述捕收剂的用量为150～300g/L。
优选的，所述起泡剂为2号油起泡剂和/或PAS-12高效起泡剂。
优选的，以所述煤矸石矿浆的体积为基准，所述起泡剂的用量为12～15g/L。
优选的，所述球磨的转速为为300～360r/min，时间为120～150min。
本发明提供了上述制备方法制备得到的脱碳煤矸石粉，所述脱碳煤矸石粉的烧失量为4～8wt％。
本发明提供了上述脱碳煤矸石粉作为混凝土掺合料的应用。
优选的，所述脱碳煤矸石粉取代混凝土中10～40wt％的水泥。
本发明提供了一种脱碳煤矸石粉的制备方法，包括以下步骤：(1)将煤矸石粉末与水混合，得到煤矸石矿浆，所述煤矸石矿浆的浓度为70～90g/L；(2)将所述煤矸石矿浆与起泡剂、捕收剂混合进行浮选，浮选所得沉淀物依次进行干燥和球磨，得到脱碳煤矸石粉；以所述煤矸石矿浆的体积为基准，所述捕收剂的用量为50～350g/L。本发明采用浮选的方式，能够去除煤矸石粉中的可燃性碳组分，在混凝土中，可燃性碳组分为非活性组分，会引起混凝土开裂，本发明通过对煤矸石中的可燃性碳组分进行去除，能够使所得脱碳煤矸石粉烧失量满足混凝土掺合料标准，能够用于代替混凝土中的水泥，从而促进煤矸石的资源化应用，缓解煤矸石粉体过剩的问题，同时，碳煤矸石粉成本低廉，能够降低混凝土的成本。本申请通过控制煤矸石矿浆的浓度为70～90g/L，捕收剂的用量为50～350g/L，能够有效的提高浮选脱碳效果，使脱碳煤矸石粉烧失量满足混凝土掺合料标准。
同时，本发明提供的制备方法操作简单，适于工业化大批量生产。
附图说明
图1为不同矿将浓度、不同捕收剂用量下所得脱碳煤矸石粉的烧失量的拟合曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种脱碳煤矸石粉的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉末与水混合，得到煤矸石矿浆，所述煤矸石矿浆的浓度为70～90g/L；
(2)将所述煤矸石矿浆与起泡剂、捕收剂混合进行浮选，浮选所得沉淀物依次进行干燥和球磨，得到脱碳煤矸石粉；以所述煤矸石矿浆的体积为基准，所述捕收剂的用量为50～350g/L。
本发明将煤矸石粉末与水混合，得到煤矸石矿浆，得到煤矸石矿浆。在本发明中，所述煤矸石粉末的制备方法优选包括以下步骤：
将煤矸石原料进行球磨，得到煤矸石粉末。
在本发明中，所述煤矸石原料的粒径优选为5～20mm，更优选为10～15mm。本发明对所述煤矸石原料的来源、产地没有特殊的要求。在本发明中，所述煤矸石原料的烧失量优选为10～30wt％，更优选为15～20wt％；以质量百分含量计，所述煤矸石原料煅烧后的组分含量优选为：SiO2 57～60％，Al2O3 25～28％，CaO 6～8％，Fe2O36～7％，K2O 1～2％，余量为不可避免的杂质。
在本发明中，所述煤矸石粉末的粒径优选≤0.5mm，更优选为0.2～0.4mm。本发明对所述球磨的方式没有特殊的要求，能够使煤矸石粉末的粒径达到要求即可。
本发明将所述煤矸石粉体与水混合，得到煤矸石矿浆，所述煤矸石矿浆的浓度为70～90g/L，优选为75～85g/L。本发明对所述混合的方式没有特殊的要求，使用本领域熟知的方式即可，具体的如搅拌混合。
得到所述煤矸石矿浆后，本发明将所述煤矸石矿浆与起泡剂、捕收剂混合进行浮选，浮选所得沉淀物依次进行干燥和球磨，得到脱碳煤矸石粉。在本发明中，所述捕收剂优选为N9858和/或N9836，以所述煤矸石矿浆的体积为基准，所述捕收剂的用量为50～350g/L，优选为150～300g/L，更优选为200～250g/L。作为本发明的一个具体实施例，所述捕收剂N9858购自纳尔科(中国)环保技术服务有限公司，所述捕收剂N9836购自纳尔科(中国)环保技术服务有限公司。
在本发明中，所述起泡剂优选为2号油起泡剂和/或PAS-12高效起泡剂。在本发明中，所述2号油起泡剂为复合高级醇类起泡剂，其化学式为ROH(R-烷烃基)，作为本发明的一个具体实施例，所述2号油起泡剂购自淄博和聚化工有限公司。作为本发明的一个具体实施例，所述PAS-12高效起泡剂购自纳尔科(中国)环保技术服务有限公司。
本发明优选使用浮选机进行所述浮选。本发明对所述浮选的具体操作没有特殊的要求，使用本领域技术人员熟知的浮选操作即可。
在本发明中，所述浮选后，本发明浮选所得沉淀物进行干燥。在本发明中，所述干燥的温度优选为80～120℃，更优选为100℃；时间优选为18～24h，更优选为20～22h。
在本发明中，所述球磨的转速优选为300～360r/min，更优选为330～350r/min；时间优选为120～150min，更优选为130～140min。在本发明中，所述球磨的球料比为10～15:1，更优选为12～14:1。在本发明中，所述球磨后所得脱碳煤矸石粉的粒径优选≤45μm，更优选为20～40μm。
本发明提供了上述制备方法制备得到的脱碳煤矸石粉，所述脱碳煤矸石粉的烧失量为4～8wt％，优选为5～6wt％。在本发明中，所述脱碳煤矸石粉的密度优选2.3～2.5g/cm3，粒度优选≤45μm，比表面积优选≥600m2/kg，需水比优选为100～110％，7d活性指数优选≥70％，28d活性指数优选≥80％。
本发明提供了上述脱碳煤矸石粉作为混凝土掺合料的应用。在本发明中，所述脱碳煤矸石粉优选取代混凝土中10～40wt％的水泥，更优选为20～30wt％。在本发明中，脱碳煤矸石粉作为混凝土掺合料时，1吨煤矸石可制备0.6～0.7吨掺合料，每吨掺合料成本仅50元左右。
下面结合实施例对本发明提供的脱碳煤矸石粉及其制备方法和作为混凝土掺合料的应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
使用粒径<5mm粉磨煤矸石颗粒作为原料，对其进行煅烧测试，煅烧温度为950℃，时间为20min，煅烧后其烧失量为10～30％，煅烧后其组分为：SiO2 58％，Al2O3 27％，CaO7％，Fe2O36％，K2O 1％，余量为其他氧化物。
使用上述煤矸石颗粒制备脱碳煤矸石粉的方法如下：
(1)煤矸石颗粒在球磨机中粉磨至<0.5mm，调配成矿浆浓度为70～90g/L的矿浆，加入浮选机中，起泡剂用量为12g/L，起泡剂采用2号油；捕收剂用量为50～300g/L，捕收剂使用N9858；
(2)矿浆沉淀后烘干，烘干温度为100℃，烘干时间24h，固体放入球磨机中进行球磨，球磨速率300r/min，球料比为10:1，球磨时间120min，脱碳煤矸石粉。
经检测，所得脱碳煤矸石粉的密度为2.3～2.5g/cm3，粒度≤45μm，比表面积≥600m2/kg，需水比为100～110％，7d活性指数≥70％，28d活性指数≥80％。
不同矿将浓度、不同捕收剂用量下所得脱碳煤矸石粉的烧失量见表1。其中，烧失量的测试方法为取1g煤矸石，在950℃的马弗炉中灼烧20min，取出后干燥至室温，多次称量至恒重。
表1脱碳煤矸石粉的烧失量(％)
根据表1的数据，对不同矿将浓度、不同捕收剂用量下所得脱碳煤矸石粉的烧失量进行作图，所得拟合曲线如图1所示。
拟合曲线具体方程为：
70g/L：Y＝2.99+0.032x-4.97x2；
80g/L：Y＝2.41+0.031x-4.57x2；
90g/L：Y＝2.12+0.027x-3.04x2；
x为捕收剂使用量(g/L)，Y为烧失量(％)。
由图1可以看出，本发明能够将煤矸石粉烧失量降低至混凝土掺合料标准以下，同时给出了脱碳效果的理论计算方程，在实际生产过程中根据不同原材料的性质，调整脱碳工艺参数，使得煤矸石掺合料的烧失量达到国标要求。
应用例
将实施例1制备的脱碳煤矸石微粉与基准水泥混合，制备C20、C30、C40混凝土，测试混凝土体系抗压强度。其中，C20、C30、C40混凝土配合比见表2。
表2 C20、C30、C40混凝土配合比
C20混凝土应用实例见表3。
表3 C20混凝土应用实例
C30混凝土应用实例见表4。
表4 C30混凝土应用实例
C40混凝土应用实例见表5。
表5 C40混凝土应用实例
由以上数据可知，本发明提供的脱碳煤矸石粉用作掺合料配制C20～C40等不同强度等级的混凝土，其最大掺入量可达到混凝土中水泥用量的40％，配制出的混凝土用于房屋、道路、桥梁建筑等方面，其性能均能满足工程质量要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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