CN108467234B - 一种水泥石相制备的岩体裂隙注浆材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用废弃混凝土中水泥石相制备矿用裂隙注浆材料的方法。矿用裂隙注浆材料包括下列重量份比的原料：水泥石相40‑60%、煤矸石20‑30%、炉渣10%‑30%、减水剂占粉末质量百分比0.5‑1%。本发明的矿用裂隙注浆材料以超细水泥石再生胶凝材料为基质材料，辅以其他材料，具有颗粒超细、高结石率、微膨胀性、低析水率，稳定性良好等优点；在水灰比为1:1时，28天抗压强度可达15MPa以上。本发明克服了普通硅酸盐水泥注浆浆液析水率大、稳定性差、凝结时间较长，且不易灌入微小裂隙、生产污染环境、消耗大量能源和资源、成本高等的缺陷；本发明方法绿色环保、成本低廉。

Description

一种水泥石相制备的岩体裂隙注浆材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种岩体裂隙注浆材料及其制备方法，具体说是一种水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料及其制备方法，属于岩体裂隙注浆工程领域。

背景技术

注浆堵水是煤矿防治水害的重要手段之一。我国北方煤矿在深部开采过程中，遇到各种灰岩水害的威胁，目前采取两种措施，一种是疏水降压，本方法受到水环境的保护与吨煤成本增高的限制，用得较少；二是注浆改造加固，即对受底部灰岩水威胁的底板隔水层进行注浆加固改造，增加其防渗强度，得到改善底板强度的作用。

深部煤层采掘活动造成底板岩体裂隙发育，且可能承受较大水压力，底板突水一直威胁着煤炭的安全开采。所以，煤层底板注浆是最重要的防治手段。目前所用的注浆材料主要有两大类，一类是化学浆液，该浆液可注性好，能注入岩层中的细小裂隙或孔隙。其缺点是结石体强度较低、耐久性较差、价格较贵，尤其对周围地下水源有严重的污染。因此，以加固为目的的工程一般较少采用化学浆材，故应用面不广。另一类就是水泥类浆液，是一种使用面最广的基本注浆材料。水泥类浆液虽然具有价格较低且结石体强度高等优点，但是由于粒径较粗，岩体中微细裂隙难以注入，初凝与终凝时间较长且不能准确控制、强度增长速度慢，且易沉降析水等缺点，并且在大孔隙地层中注浆易出现漏浆现象，因而，注浆质量难以保证。因此，目前在水泥类浆液的应用上也有一定的局限性。

近年来国内外在改善水泥类浆液性能方面做了大量的研究工作，如用各种化学添加剂来缩短水泥类浆液的胶凝时间及提高其可注性；为了提高水泥浆液的可注性，开发了超细水泥注浆材料等。超细水泥注浆材料，其粒度约为普通水泥的十分之一，但其价格大约是普通水泥的十倍，在大量使用的情况下，工程费用较高。因此，现有市场急需开发一种既能满足实际工程需要、又经济适用的注浆材料。

随着城市建筑业的不断发展,混凝土材料的消耗量越来越大。每年拆除的废旧混凝土、新建建筑产生的废弃混凝土以及混凝土工厂、预制构件厂排放的废旧混凝土数量巨大。目前，对废弃混凝土的利用主要是作为建筑基础垫填材料或生产再生集料，但对其中经济成本最高、环境负荷最重的水泥石组分未实现有效利用。从废弃混凝土中分离出的硬化水泥石粉末，主要由纳米级的C-S-H凝胶组成，在一定温度下煅烧可获得高活性的脱水相，具有良好的再生胶凝性能；而且C-S-H凝胶的粒子呈纳米级，能很好地渗透到细小的裂隙或孔隙中。用水泥石再生胶凝材料替代超细水泥制备注浆材料，不仅成本低廉，而且具有超细水泥强度高、析水率低、结石率高等同样的优点，展示了美好的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，客服现有技术存在的缺陷，提出了一种水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料，基于深部煤层底板岩体裂隙发育非均匀性、各向异性、微空隙性等特点及承受较大的水压应力条件，以超细水泥石再生胶凝材料为基质材料，通过添加其它不同性能的工业废渣，使其具有高渗透性、低析水率、高结石率、微膨胀性等性能，从而满足煤层底板岩体裂隙注浆要求。本发明同时提供了该材料的制备方法。

本发明为实现发明目的所提出的技术方案是：

一种水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料，各组分质量百分比如下：

水泥石 40-60%；

煤矸石 20-30%；

炉渣 15-30%；

减水剂：水泥石、煤矸石和炉渣三者质量之和（质量百分比）0.5-1% ：100%。

所述的水泥石为从废弃混凝土中分离出的硬化水泥石粉末。

所述减水剂，优选聚羧酸减水剂。

所述煤矸石为未燃烧或未自燃的煤矸石。为煤炭开采和洗选过程中被分离出来的没有发生自燃的煤矸石。

所述炉渣，优选垃圾焚烧炉渣。所述的垃圾焚烧炉渣为生活垃圾经垃圾焚烧电厂焚烧后由炉床尾端排出的残余物，经净化处理后排出的废渣。

本发明提出的水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料的制备方法，其制备工艺包括破碎及粉磨混合工艺和煅烧工艺，具体方法过程如下：

步骤1. 破碎及粉磨混合：将煤矸石、炉渣均破碎至粒径小于5mm（破碎粒径下限为破碎技术能及之限），然后将水泥石粉末与破碎后的煤矸石、垃圾焚烧炉渣按比例加入球磨机中混合粉磨，得到粉料的最大粒径在12μm以下，平均粒径2.3-4μm，达到了常用超细水泥的颗粒细度（最大粒径12μm以下，平均粒径3-6μm）。

步骤2. 煅烧：利用煤矸石自身的燃烧热能对混合料进行低温煅烧，煅烧温度不低于600℃，然后在大气中冷却即得到活化的混合料；煤矸石的用量在20-30％范围内，以能将混合料煅烧至不低于600℃为准，温度越高，混合料活性越大。

步骤3. 制浆：将煅烧后的混合料按水灰比（质量比）为1:1进行混合，并加入占粉末质量百分比0.5-1%减水剂，经搅拌调制成浆液。该浆液即可用于裂隙注浆。

本发明的有益效果是：

本发明以超细水泥石再生胶凝材料为基质材料，辅以煤矸石、垃圾焚烧炉渣等工业废料，其粒径在零点几微米到十几微米之间，既能废物回收再利用，降低材料成本，又能很好地注入、渗入岩体细小裂隙；既不存在化学浆液的对地下水环境污染问题，又保有满足加固和抗渗效果的工程要求。

(1)可注性强，能渗透到细小的裂隙或孔隙中

从废弃混凝土中分离出的水泥石粉末颗粒粗大，无胶凝性能；这些水泥石粉末主要由C-S-H凝胶组成，C-S-H凝胶的粒子超细呈纳米级，由于水泥石粉末颗粒疏松多孔且颗粒硬度较低，本应具有较好的易磨性，但在粉磨时极易粘聚成团，粘球粘磨现象严重，无法达到需要的细度。

未自燃煤矸石中的碳具有很好的助磨作用，垃圾焚烧炉渣也有非常好的助磨效果，将未自燃煤煤矸石、垃圾焚烧炉渣与水泥石粉末共磨，可以很好地解决水泥石粉末的粘聚成团问题，仅需短时间的粉磨即可使混合粉末达到超细水泥粒度范围。同时垃圾焚烧炉渣可大大降低浆液的初始粘度。由此配制的注浆材料初始粘度低，流动性好，可注性强，能渗透到细小的裂隙或孔隙中。

(2) 活性高，强度大

水泥石经低温煅烧后可恢复原水泥同样高的胶凝性能，同时利用未自燃煤矸石为燃料对水泥石和垃圾焚烧炉渣进行低温煅烧，不需要附加燃料，不仅充分利用了未自燃煤矸石自身的燃烧热能，而且将垃圾焚烧炉渣和煤矸石潜在活性充分激发出来。煤矸石是高硅铝低钙类材料，与煅烧后的水泥石具有较好的互补性，由此制备的注浆材料28d抗压强度高达15Mpa以上。

(3) 微膨胀性

垃圾焚烧炉渣遇碱能产生发气现象，固化时体积微膨胀，固化后与岩土体紧密接触且有一定的粘结力。

(4) 显著的经济效益、环境效益和社会效益

采用工业废弃物废弃混凝土、煤矸石、垃圾焚烧炉渣为主要原料，不仅成本低廉，而且可以变废为宝，逐步消除废弃混凝土、煤矸石、垃圾焚烧炉渣带来的种种环境污染问题。

本发明具有高强、高结石率、微膨胀性、低析水率，稳定性良好等优点，在水灰比为1:1时，28d抗压强度可达15MPa；利用矿用裂隙注浆材料制成的浆液不仅用于矿山防治水，也可用于水利水电工程岩体微孔裂隙岩体加固工程。

具体实施方式

实施例1：水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料及其制备过程。

组分：水泥石相50%（为从废弃混凝土中分离出的硬化水泥石粉末）、未自燃煤矸石25%、垃圾焚烧炉渣25%、占粉末材料质量百分比0.5-1%的聚羧酸减水剂。其制备工艺包括破碎及粉磨混合工艺、煅烧工艺和制浆工艺，具体方法过程如下：

（1）破碎及粉磨混合工艺：将未自燃煤矸石、垃圾焚烧炉渣破碎至粒径小于5mm，然后将从废弃混凝土中分离出的硬化水泥石粉末与破碎后的未自燃煤矸石、垃圾焚烧炉渣按比例加入球磨机中混合粉磨至超细水泥的颗粒细度，最大粒径9.393μm，平均粒径3.054μm；

（2）煅烧工艺：利用未自燃煤矸石自身的燃烧热能对混合料进行低温煅烧，煅烧温度为650℃，然后在大气中快速冷却即得到活化的混合料

（3）制浆工艺：将煅烧后的混合料按水灰比为1:1进行混合，并加入占粉末材料质量百分比0.5-1%的聚羧酸减水剂，经搅拌调制成浆液即可用于裂隙注浆。

浆液的性能测试结果见表1。

实施例2：水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料及其制备过程。

组分：水泥石40%（为从废弃混凝土中分离出的硬化水泥石粉末）、未自燃煤矸石30%、垃圾焚烧炉渣30%、占粉末材料质量百分比0.5-1%的聚羧酸减水剂。其制备过程如下：

（1）破碎及粉磨混合工艺：将未自燃煤矸石、垃圾焚烧炉渣破碎至粒径小于5mm，然后将从废弃混凝土中分离出的硬化水泥石粉末与破碎后的未自燃煤矸石、垃圾焚烧炉渣按比例加入球磨机中混合粉磨至超细水泥的颗粒细度，最大粒径10.825μm，平均粒径3.201μm；

（2）煅烧工艺：利用未自燃煤矸石自身的燃烧热能对混合料进行低温煅烧，煅烧温度为700℃，然后在大气中快速冷却即得到活化的混合料

（3）应用工艺：将煅烧后的混合料按水灰比为1:1进行混合，并加入占粉末质量百分比0.5-1%的聚羧酸高效减水剂，经搅拌调制成浆液即可用于裂隙注浆。

浆液的性能测试结果见表1。

实施例3：水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料及其制备过程。

组分：水泥石60%、未自燃煤矸石25%、垃圾焚烧炉渣15%、占粉末材料质量百分比0.5-1%的聚羧酸减水剂。其制备过程如下：

（1）破碎及粉磨混合工艺：将未自燃煤矸石、垃圾焚烧炉渣破碎至粒径小于5mm，然后将从废弃混凝土中分离出的硬化水泥石粉末与破碎后的未自燃煤矸石、垃圾焚烧炉渣按比例加入球磨机中混合粉磨至超细水泥的颗粒细度，最大粒径11.476μm，平均粒径3.266μm；

（2）煅烧工艺：利用未自燃煤矸石自身的燃烧热能对混合料进行低温煅烧，煅烧温度为750℃，然后在大气中快速冷却即得到活化的混合料

（3）应用工艺：将煅烧后的混合料按水灰比为1:1进行混合，并加入占粉末质量0.5-1%聚羧酸高效减水剂，经搅拌调制成浆液即可用于裂隙注浆。

实施例4水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料及其制备过程。

组分：水泥石60%、未自燃煤矸石20%、垃圾焚烧炉渣20%、占粉末材料质量百分比0.5-1%的聚羧酸减水剂。制备方法同实施例3。

浆液的性能测试结果见表1。

表1 实施例性能测试结果

性能指标	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					析水率	3.8%	3.2%	2.9%	3.0%
粘度	18.22 Pa•s	19.56 Pa•s	20.69 Pa•s	20.01 Pa•s
					初凝时间	7h5min	6h35min	6h10min	6h20min
终凝时间	9h20min	8h45min	8h15min	8h17min
					结石体7d抗压强度	8.43 MPa	9.17 MPa	9.77 MPa	9.00 MPa
结石体28d抗压强度	15.87 MPa	16.93 MPa	17.53 MPa	16.98MPa

Claims (7)

1.一种水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料，各组分质量百分比如下：

水泥石 40-60%；

煤矸石 20-30%；

炉渣 15-30%；

减水剂：水泥石、煤矸石和炉渣三者质量之和的质量百分比0.5-1% ：100%。

2.根据权利要求1所述水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料，其特征是：所述的水泥石为从废弃混凝土中分离出的硬化水泥石粉末。

3.根据权利要求1所述水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料，其特征是：所述减水剂，优选聚羧酸减水剂。

4.根据权利要求1所述水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料，其特征是：所述煤矸石为未燃烧或未自燃的煤矸石。

5.根据权利要求1所述水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料，其特征是：所述炉渣，优选垃圾焚烧炉渣。

6.根据权利要求5所述水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料，其特征是：所述的垃圾焚烧炉渣为生活垃圾经垃圾焚烧电厂焚烧后由炉床尾端排出的残余物，经净化处理后排出的废渣。

7.一种制备权利要求1-6之一所述水泥石相制备的矿用裂隙注浆材料的方法，其步骤如下：

步骤1. 破碎及粉磨混合：将煤矸石、炉渣均破碎至粒径小于5mm，然后将水泥石粉末与破碎后的煤矸石、炉渣按比例加入球磨机中混合粉磨，得到粉料的最大粒径在12μm以下，平均粒径2.3-4μm；

步骤2. 煅烧：利用煤矸石自身的燃烧热能对混合料进行低温煅烧，煅烧温度不低于600℃，然后在大气中冷却即得到活化的混合料；

步骤3. 制浆：将煅烧后的混合料按水灰质量比1:1进行混合，并加入占粉末质量百分比0.5-1%减水剂，经搅拌调制成浆液。