CN105152553A

CN105152553A - 一种基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料及制备方法及应用

Info

Publication number: CN105152553A
Application number: CN201510402275.2A
Authority: CN
Inventors: 胡相明; 程卫民; 李贻久; 张宝阳; 李高鲁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料及其制备方法，所述的绿色膨胀胶凝材料是由包含盐化工废物（盐泥、电石渣、芒硝）、建筑垃圾（碎石、碎砖、混凝土块）、炼钢厂废渣（水渣、钢渣）、火电厂的脱硫石膏、配以膨胀剂、减水剂、可溶性钙盐等组分磨细混匀制成。该材料消化了盐化工企业产生的盐泥、电石渣、芒硝等固废物；同时，将建筑垃圾、脱硫石膏、水渣等固废物资源化利用，是一种绿色环保的胶凝材料；该胶凝材料具有良好的膨胀性、流动性、固结性和早强性，能够主动接顶，有效控制地表沉陷，是一种理想的矿用胶凝材料，特别适合于煤矿或非煤矿山的充填开采。

Description

一种基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料及制备方法及应用

技术领域

本发明涉及盐化工废物、建筑垃圾的资源化利用以及矿用充填胶结材料领域，尤其涉及一种基于工业废弃物的绿色膨胀胶结材料。

背景技术

盐化工企业产生的固废物如盐泥、电石渣、芒硝等材料再利用工艺复杂，经济效益差，造成了盐化工固废料的大量堆积、闲置。固废物的堆放闲置一方面占有大量土地资源，另一方面严重污染土壤、水体和大气等，破坏当地的生态环境。因此，如何实现盐泥、电石渣和芒硝等固废物的循环再利用是盐化工企业急需解决的问题。

同时，随着我国城市化进程的不断加快，城市中建筑垃圾的产生和排出数量也在快速增长。据不完全统计，我国建筑垃圾约占垃圾总量的30%~40%，目前，我国建筑垃圾的再生利用还处于起步阶段，绝大多数建筑废弃物未经任何处理，便被运往建筑垃圾填埋场或者郊外，露天堆放或填埋。建筑垃圾填埋不仅占用大量土地资源，阻断土壤生物链，而且严重破坏土地资源的质量；同时清运和堆放过程中的遗撒和粉尘、灰砂飞扬等问题也造成严重的环境污染。因此，实现建筑垃圾的再生利用是缓解环境压力和建设节约型社会的迫切需求。

“三下”压煤和地表沉陷是制约我国煤炭行业可持续发展的两大瓶颈。一方面，我国主要产煤省多地处平原，村庄密集，村庄压煤比重大，建下压煤问题尤其突出，其建下压煤量占现有煤炭储量比例巨大，已成为制约我国煤炭企业发展的关键因素。另一方面，煤矿开采易造成地表沉陷、建筑物破坏、地下水与土地资源减少，生态环境恶化等一系列问题。为解决上述问题，国内外逐渐形成了充填法开采、条带法开采、房柱式开采、离层区注浆、联合开采、协调开采等一系列针对性的采煤方法。其中，充填法开采依靠其回采率高，地表沉降弱等特点被广泛应用。目前充填开采常用的充填材料有尾砂胶结充填、块石胶结充填、煤矸石/粉煤灰胶结充填、膏体/似膏体充填、高水速凝材料等。

充填技术的核心是充填胶结料，其是影响采空区充填效果的关键因素。目前常用的胶结料为水泥、粉煤灰胶固料、凝石等。这些胶结料具有遇水固结硬化的特点，形成一定强度的固结体，从而有效控制地表沉降。但这些胶凝剂仍然也存在一些缺陷：如水泥要求的水灰比较小，灰砂比较高，这就造成充填浆体的流动性差、运行成本高；粉煤灰胶结料、凝石等制备的充填浆料固化后易收缩（20-30%），接顶性差，难以控制地表沉陷；高水速凝材料成本高，原材料来源紧缺等。由此可见，现有的充填胶结料均存在不同程度的缺陷。因此，为实现煤矿绿色开采，本行业内迫切需要研发一种新型充填胶凝材料。

发明内容

为了实现盐化工固废物（电石渣、盐泥、芒硝）、建筑垃圾（碎石、碎砖、混凝土块）的资源化再利用，解决现有矿用充填材料的结顶性差、生产成本高等问题，本发明创造性的提出了一种基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，该绿色膨胀胶凝材料具有良好的膨胀性、流动性、固结性和早强性，能够主动接顶，有效控制地表沉陷，在实现盐化工固废物（电石渣、盐泥、芒硝）以及建筑垃圾（碎石、碎砖、混凝土块）等资源化利用的同时，克服现有技术中矿用充填材料的结顶性差、生产成本高等技术问题，具有较高的经济效益和社会意义。

本发明采取的技术方案是：

一种基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特点在于所述的绿色膨胀胶凝材料组分组成包括盐化工废物（盐泥、电石渣、芒硝中的至少一种）0.5-9份、建筑垃圾（碎石、碎砖、混凝土块中的至少一种）10-50份、石膏5-20份，水渣10-40份，钢渣0-5份，可溶性钙盐0.5-2份、膨胀剂0-0.5份，减水剂0.01-0.8份。

以上所述的盐化工废物固废物（盐泥、电石渣、芒硝中的至少一种）需要烘干，含水量要小于1%。

以上所述的石膏为火电厂烟气脱硫石膏、二水石膏、氟石膏中的至少一种。

以上所述的水渣为熔融状态的高炉渣置于水中急速冷却而形成的物质，其细度要求为400-450m²/kg。

以上所述钢渣细度为350-450m²/kg。

以上所述的可溶性钙盐为乙酸钙、甲酸钙或氯化钙中的一种或几种。

以上所述的膨胀剂为铝粉。

以上所述的减水剂为木质素磺酸钙、多环芳香族磺酸盐甲醛缩合物、萘系高效减水剂中的一种或几种。

本发明所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料的制备方法为：将盐化工固废物（电石渣、盐泥、芒硝中至少一种）用烘干机充分烘干，然后将水渣微粉、钢渣微粉、建筑垃圾（碎石、碎砖、混凝土块中的至少一种）、盐化工固废物（电石渣、盐泥、芒硝中至少一种）、脱硫石膏、可溶性钙盐、膨胀剂、减水剂原料按照各自的重量份经输送带输送到球磨机，由球磨机碾磨，磨细、混匀制成绿色膨胀胶凝材料。

本发明所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料在应用时，将绿色膨胀胶凝材料与水、沙、粉煤灰按质量比为1:2-3:4-5:10-15混匀，制备成矿用充填材料或筑路材料。

盐泥的主要成分为碳酸钙、氢氧化镁和泥砂，其可为3CaO·Al₂O₃·CaSO₄或CA、CA2等水化反应生成钙矾石提供必要的钙源；电石渣的主要成分为氧化钙，其可为水泥熟料矿物水化反应生成钙矾石提供必要的CaO；芒硝的主要成分为十水硫酸钠和硫酸钠，可用作3CaO·Al₂O₃·CaSO₄等水化反应生成钙矾石提供必要的SO₄ ^2-；建筑垃圾（碎石、碎砖、废混凝土块）的主要成分为二氧化硅、氧化钙、氧化铝、碳酸钙等，这些成分可以促进水渣中活性成分的水化反应，形成新生水化相，进而提高胶结材料的强度。

水渣或钢渣玻璃体主要是有富硅相和富钙相组成的，随着电石渣（氢氧化钙和氧化钙）的加入，氢氧化钙与氧化钙溶解产生大量的OH^-,高浓度的OH^-有利于克服富钙相的分解活化能，使富钙相溶解，水渣或钢渣中的富硅相就逐渐暴露于碱性介质中，在碱性作用下富硅相也逐渐解体；类似的OH^-也会对Al-O-Al也有同样的作用；这样水渣或钢渣的玻璃体迅速解体，分解成活性SiO₂和活性Al₂O₃。在碎石、碎砖（主要成分CaCO₃）等作用下，CaCO₃与水渣或钢渣中活性Al₂O₃水化生成大量的水化碳铝酸钙，这是早期的水化产物；同时水渣或钢渣中的SiO₂也与Ca(OH)₂水化生成C-S-H凝胶，这些水化产物充填与材料的空隙中，是胶凝材料快速硬化，有一定的强度；随着水化反应的进行，大量的C-S-H凝胶、碳铝酸钙等水化产物交织在一起，胶结材料的结构越来越密，强度逐渐升高。

以盐泥、电石渣和芒硝等固废料为主料，配以水渣、脱硫石膏、可溶性钙盐、膨胀剂等可以制备膨胀性较好的胶凝材料。本发明针对现有充填胶凝材料的不足，将盐化工、建筑与采矿3个行业有机结合，创新性的提出基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，且该材料具有膨胀性好、主动接顶；亲泥性好、适应性强；固结性强、早期强度高；输送性好、充填方便；绿色环保、价格低廉等特点，特别适合于矿山充填开采、或地下空间的充填堵漏。

该材料的优势主要体现在以下几个方面：

（1）绿色环保，价格低廉。

■该绿色膨胀胶凝材料的原材料主要为工业固体废弃物（盐化工废物、建筑垃圾、电厂固废物、钢厂废渣），实现了废物资源化利用、有效保护了生态环境；

■该绿色膨胀胶凝材料中不含水泥或水泥熟料，大大减少了水泥熟料制备过程中产生的温室气体排放，节约了能源，是一种具有节能减排效应的绿色环保胶凝材料。

（2）膨胀性好，主动接顶。该胶凝材料浆体4-8小时后开始固化，并伴随10-20%的体积膨胀。固化后的充填体与顶板主动接触，有效控制围岩移动。

（3）输送性好，适应性强。该胶凝材料浆体在3小时以内呈液体状态，可实现自流或泵送。该材料能与粉煤灰、煤矸石、沙子以及含泥量高的各种集料凝结固化，具有良好的亲泥性，能最大限度的实现各类固废弃物的井下充填固化。

（4）固结性强，早期强度高。该胶凝材料在少量条件下就能与粉煤灰、煤矸石、河砂、尾砂等集料凝结固化，形成较高抗压强度；其固化体强度8h内可达到0.1MPa以上，充填体能脱模自立，并对顶板产生必要的支撑作用。

综上所述，本发明基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料不同于传统的水泥、粉煤灰基胶固粉等填充材料，该材料消化了盐化工企业产生的盐泥、电石渣、芒硝等固废物，同时将建筑垃圾、脱硫石膏、水渣等固废物资源化利用，是一种绿色环保的胶凝材料。该胶凝材料具有良好的膨胀性、流动性、固结性和早强性，能够主动接顶，有效控制地表沉陷，是一种理想的矿用胶凝材料，特别适合于煤矿或非煤矿山的充填开采。

附图说明

图1为胶凝材料例13d照片;

图2为胶凝材料例17d照片;

图3为胶凝材料例128d照片;

图4为胶凝材料例23d照片;

图5为胶凝材料例27d照片;

图6为胶凝材料例228d照片;

图7为胶凝材料例33d照片;

图8为胶凝材料例37d照片;

图9为胶凝材料例328d照片。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。

实施例1:

将将电石渣1-3份，盐泥0.5-3份，芒硝0.5-3份，碎石40份，高炉渣20份，脱硫石膏10份、减水剂1份、膨胀剂0.02份，可溶性钙盐2份、助磨剂（三乙醇胺或三异丙醇胺）1份混合均匀，粉磨，得到绿色膨胀胶凝材料。将上述绿色膨胀胶凝材料与水、粉煤灰、沙按质量比例为1:2.3:4:15混匀，制备成胶凝材料试样1。

实施例2:

将电石渣0.8-1份，盐泥1份，芒硝1.5份，碎石40-45份，高炉渣30-35份，脱硫石膏10-20份、减水剂0.8份、铝粉0.03份、可溶性钙盐2份、助磨剂（三乙醇胺或三异丙醇胺）1份，混合均匀，粉磨，得到绿色膨胀胶凝材料。将上述绿色膨胀胶凝材料与水、沙、粉煤灰按质量比为1:2.1:4:15混匀，制备成胶凝材料试样2。

实施例3:

将电石渣1.2份，盐泥2份，芒硝1.5份，碎石30-40份，高炉渣20-30份，脱硫石膏10-15份、减水剂0.05-0.1份、膨胀剂0.01-0.03份、可溶性钙盐2份、助磨剂（三乙醇胺或三异丙醇胺）0.5-1.5份混合均匀，粉磨，得到绿色膨胀胶凝材料。将上述绿色膨胀胶凝材料与水、粉煤灰、沙按质量比胶凝材料：水：粉煤灰：沙具体比例为1:2:4:13混匀，制备成胶凝材料试样3。

实施例4:

将电石渣0.5-3份，盐泥0.5-3份，芒硝0.5-3份，废混凝土块30-40份，高炉渣20-30份，二水石膏10-15份、木质素磺酸钙或萘系高效减水剂0.05-0.1份，可溶性钙盐2份、助磨剂（三乙醇胺或三异丙醇胺）0.5-1.5份混合均匀，粉磨，得到绿色膨胀胶凝材料。将上述绿色膨胀胶凝材料与水、沙、粉煤灰按质量比胶凝材料：水：粉煤灰：沙具体比例为1:2.5:4:12混匀，制备成胶凝材料试样4。

实施例5:

将盐泥3份，芒硝1份，碎砖35份，高炉渣30份，氟石膏15份、脱硫石膏5份、木质素磺酸钙0.3份，铝粉0.5份、助磨剂（三乙醇胺或三异丙醇胺）0.5份混合均匀，粉磨，得到绿色膨胀胶凝材料。将上述绿色膨胀胶凝材料与水、沙、粉煤灰按质量比胶凝材料：水：粉煤灰：沙具体比例为1:3:4.5:14混匀，制备成胶凝材料试样5。

选取以上实施例1、2、3制备的绿色膨胀胶凝材料进行性能测试，性能参数见表1，扫描电镜照片见说明书附图。

表1绿色膨胀胶凝材料的性能对比

通过表1可知，相比325水泥、粉煤灰胶结料，绿色膨胀胶凝材料的力学性能有所提高，在材料的膨胀性方面，325水泥和粉煤灰基胶结材料的膨胀性为0%，而利用盐化工废物制备的胶结材料的膨胀性为5.3-6.8%，材料的膨胀性得到了显著提高，能够实现充填材料的有效结顶。

通过附图可以看出胶凝材料的3d水化产物的量比较少，只有少量的团絮状C-S-H凝胶产生，且团絮状C-S-H凝胶没有粘结在一起；胶凝材料的7d的水化产物比3d明显增多，已经有大量的片状的水化产物出现，但是空隙率很大，结构比较疏松；28d的图中可以看出水化产物的种类较多，孔隙率比3d和7d都小，微观结构比较密实，因此胶凝材料28d的压缩强度明显升高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特征在于：所述的绿色膨胀胶凝材料组分组成包括盐化工废物（盐泥、电石渣、芒硝中的至少一种）0.5-9份、建筑垃圾（碎石、碎砖、混凝土块中的至少一种）10-50份、石膏5-20份、水渣10-40份、钢渣0-5份、可溶性钙盐0.5-2份、膨胀剂0-0.5份、减水剂0.01-0.8份。

2.如权利要求1所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特征在于：所述的盐化工废物固废物（盐泥、电石渣、芒硝中的至少一种）需要烘干至含水量小于1%。

3.如权利要求1所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特征在于：所述的石膏为火电厂脱硫石膏、二水石膏、氟石膏中的至少一种。

4.如权利要求1所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特征在于：所述的水渣为熔融状态的高炉渣置于水中急速冷却而形成的物质，其细度要求为400-450m²/kg。

5.如权利要求1所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特征在于：所述钢渣细度为350-450m²/kg。

6.如权利要求1所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特征在于：所述的可溶性钙盐为乙酸钙、甲酸钙或氯化钙中的一种或几种。

7.如权利要求1所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特征在于：所述的膨胀剂为铝粉。

8.如权利要求1所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料，其特征在于：所述的减水剂为木质素磺酸钙、多环芳香族磺酸盐甲醛缩合物、萘系高效减水剂中的一种或几种。

9.如权利要求1所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料的制备方法为：将盐化工固废物（电石渣、盐泥、芒硝中至少一种）用烘干机充分烘干，然后将水渣微粉、钢渣微粉、建筑垃圾（碎石、碎砖、混凝土块中的至少一种）、盐化工固废物（电石渣、盐泥、芒硝中至少一种）、火电厂固废物（脱硫石膏）、膨胀剂、减水剂、可溶性钙盐原料按照各自的重量份经输送带输送到球磨机，由球磨机碾磨，磨细、混匀制成绿色膨胀胶凝材料。

10.如权利要求1或9所述的基于盐化工固废物、建筑垃圾的绿色膨胀胶凝材料的应用方法为：将绿色膨胀胶凝材料与水、沙、粉煤灰按质量比为1:2-3:4-5:10-15混匀，制备成矿用充填材料或筑路材料。