CN111018423A - 一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料及其制备方法，按质量份数计取各原料，以煤矸石粉和矿渣粉作为主要原料，以KOH固体与水玻璃溶液形成碱溶液，采用碱激发技术对活化性能较好的矿渣粉和活化性能不足的研磨煤矸石粉进行碱激发活化，在强碱环境使矿渣粉内活性玻璃体和煤矸石粉内SiO₂和Al₂O₃等活性成分浸出，形成具有胶凝作用的注浆材料，相比水泥材料造价更低，且材料来源广泛；同时有利于提高煤矸石的综合有效利用，减少煤矸石的大量堆放，具有良好的环保和社会效益；本发明制备的注浆材料相比于水泥注浆材料，析水率更低，结石率更高，具有速凝效果，能减少浆液未凝结阶段水分渗入路基形成的水损病害，有效减少了浆液硬化后的干缩和裂缝延展。

Description

一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及道路注浆材料领域，具体涉及一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料及其制备方法。

背景技术

随着高速公路交通量不断增加，在一些地质较差的地方路基局部强度不足、路基沉陷或基层动水冲刷，从而造成路面不同程度沉陷或板底脱空，对道路上车辆行驶安全构成严重危害。另一方面，我国各地在炼钢过程产生大量的高炉矿渣，由于对高炉矿渣的综合利用能力有限，导致大量高炉矿渣堆放侵占土地同时对周边地区产生粉尘污染。煤矸石作为煤炭开采的副产品，是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，发热值低，而且大量堆放会使其中的硫化物挥发污染大气，严重者会发生自燃现象。由于每年我国各级公路路基病害频繁，路基注浆需求量巨大，采用水泥作为注浆材料生产能耗大、价格较高、且工作性能欠佳，间接污染环境。而矿渣粉和煤矸石内具有一定量SiO₂和Al₂O₃等活性成分，目前由于煤矸石的回收再利用率低而导致大量煤矸石弃置不用，而煤矸石煅烧后能体现出较好的活性可用于做混凝土添加剂，但煅烧煤矸石粉的价格远高于粉煤灰、矿渣粉等工业废渣，也限制了煤矸石的应用。随着碱激发技术的发展，为煤矸石的回收再利用提供了一种新的途径。单一煤矸石粉作为注浆材料的基料会使其结石体强度不足，达不到理想的路基补强加固效果；而矿渣粉活性高、反应快、造价高，矿渣粉过多会使反应速率加快，不能获得足够的胶凝时间完成注浆，而且结石体的强度较高，注入路基内容易使得局部强度高反而会影响层位强度的统一；而过多的煤矸石粉会导致强度较低，不能有效加固路基。从而限制了高炉矿渣的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料及其制备方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，按质量份数计，包括100-140份矿渣粉，60-100份煤矸石粉，60-100份水，30-48份水玻璃溶液，4-10份KOH固体，1-2份减水剂，2-5份增韧剂，1-2份缓凝剂和1份膨胀剂。

进一步的，煤矸石粉比表面积≥400㎡/kg，SiO₂和Al₂O₃总质量份数≥70％。

进一步的，矿渣粉比表面积≥400㎡/kg，玻璃体含量(质量份数)≥85％。

进一步的，水玻璃溶液水玻璃模数为3.3，SiO₂含量≥26％，Na₂O含量≥8.2％。

进一步的，KOH固体纯度99％。

进一步的，减水剂采用聚羧酸高效减水剂。

进一步的，缓凝剂采用酒石酸。

进一步的，增韧剂采用液体状苯丙乳液、弹性乳液和硅丙乳液的一种或多种。

进一步的，膨胀剂采用石膏粉。

一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)、按质量份数计取以下原材料：100-140份矿渣粉，60-100份煤矸石粉，60-100份水，30-48份水玻璃溶液，4-10份KOH固体，1-2份减水剂，2-5份增韧剂，1-2份缓凝剂和1份膨胀剂；

步骤2)、将KOH固体与水玻璃溶液混合均匀至KOH固体完全溶解得到B溶液；

步骤3)、将矿渣粉和煤矸石粉在搅拌机中干搅拌混合均匀，然后依次放入缓凝剂、减水剂、水和增韧剂混合均匀得到A混合物；

步骤4)、将B溶液和A混合物混合均匀即可得到复合地聚物注浆材料。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，按质量份数计取各原料，以煤矸石粉和矿渣粉作为主要原料，以KOH固体与水玻璃溶液形成碱溶液，采用碱激发技术对活化性能较好的矿渣粉和活化性能不足的研磨煤矸石粉进行碱激发活化，在强碱环境使矿渣粉内活性玻璃体和煤矸石粉内SiO₂和Al₂O₃等活性成分浸出，形成具有胶凝作用的注浆材料，相比水泥材料造价更低，且材料来源广泛；同时KOH强碱有利于煤矸石粉颗粒的溶解和重聚，对矿渣-煤矸石体系的强度形成具有促进作用。水玻璃溶液作为另一种碱性激发剂，通过改变矿渣粉和煤矸石粉的界面来降低其表观粘度，从而获得流动性良好的注浆材料，有利于提高煤矸石的综合有效利用，减少煤矸石的大量堆放，具有良好的环保和社会效益；本发明制备的注浆材料相比于水泥注浆材料，析水率更低，结石率更高，具有速凝效果，能减少浆液未凝结阶段水分渗入路基形成的水损病害。添加增韧剂和膨胀剂，有效减少了浆液硬化后的干缩和裂缝延展，提高了浆材结石体的体积稳定性和抗裂性。将煤矸石粉和矿渣粉混合一方面有利于降低造价，同时使强度在合适的范围，另一方面为煤矸石的回收再利用提供一种方法。矿渣粉所提供的高钙环境，有利于煤矸石粉在碱性激发剂活化后的强度形成。因此，利用矿渣粉和煤矸石粉复合制备地聚物注浆材料，有利于拓宽煤矸石粉的应用途径，同时能针对路基病害进行有效补强加固，是一种具有应用前景的绿色清洁的注浆材料。

一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料的制备方法，以KOH固体与水玻璃溶液混合均匀至KOH固体完全溶解得到B溶液；然后将矿渣粉和煤矸石粉在搅拌机中干搅拌混合均匀，然后依次放入缓凝剂、减水剂、水和增韧剂混合均匀得到A混合物；将B溶液和A混合物混合均匀即可得到复合地聚物注浆材料，采用B溶液和A混合物融合制备复合地聚物注浆材料，防止在注浆准备过程浆材凝结；B溶液和A混合物分开存放然后使用时混合可以提高浆液的适用性，尤其是在注浆泵、注浆管内混合，不会发生由于AB液存放时间长而引起的流动性下降。

附图说明

图1为实施例1制备得到的地聚物注浆填充材料SEM图。

图2为实施例1制备得到的地聚物注浆填充材料EDS图。

图3为实施例1制备得到的地聚物注浆填充材料养护7d后的试样。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，按质量份数计，包括100-140份矿渣粉，60-100份煤矸石粉，60-100份水，30-48份水玻璃溶液，4-10份KOH固体，1-2份减水剂，2-5份增韧剂，1-2份缓凝剂和1份膨胀剂。

所述煤矸石粉采用煤矸石进行研磨过筛所得，煤矸石粉比表面积≥400㎡/kg，SiO₂和Al₂O₃总质量份数≥70％；

所述矿渣粉采用高炉矿渣研磨所得，矿渣粉比表面积≥400㎡/kg，玻璃体含量(质量份数)≥85％；矿渣粉的CaO含量较高，为体系的后期强度增长提供帮助；

所述水玻璃溶液水玻璃模数为3.3，SiO₂含量≥26％，Na₂O含量≥8.2％；

所述KOH固体纯度99％；

所述减水剂采用聚羧酸高效减水剂；

所述缓凝剂采用酒石酸；

所述增韧剂采用液体状苯丙乳液、弹性乳液和硅丙乳液的一种或多种；

所述膨胀剂采用石膏粉；

一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)、按质量份数计取以下原材料：100-140份矿渣粉，60-100份煤矸石粉，60-100份水，30-48份水玻璃溶液，4-10份KOH固体，1-2份减水剂，2-5份增韧剂，1-2份缓凝剂和1份膨胀剂；

步骤2)、将KOH固体与水玻璃溶液混合均匀至KOH固体完全溶解得到B溶液，由于KOH固体溶于水玻璃溶液溶解快速且放出大量热量，如大量制备需分次投放并缓慢搅拌；

步骤3)、将矿渣粉和煤矸石粉在搅拌机中干搅拌混合均匀，然后依次放入缓凝剂、减水剂、水和增韧剂混合均匀得到A混合物；具体的，以90-110r/min搅拌速度搅拌5-10min，得到A混合物；

步骤4)、将B溶液和A混合物混合均匀即可得到复合地聚物注浆材料，将复合地聚物注浆材料制备成测试模型实现复合地聚物注浆材料的性能测试。以200-400r/min搅拌速度搅拌2-3min，得到复合地聚物注浆材料。

本发明制备的注浆填充材料适用于公路软弱路基处治、道路非开挖注浆补强。

实施例1

步骤1)、按质量份数计取以下原材料：

S95级以上矿渣粉120份，325目煤矸石粉80份，水80份，水玻璃溶液40份，KOH固体5份，减水剂1份，增韧剂3份，缓凝剂1份，膨胀剂1份。

步骤2)、将称取好的KOH固体倒入水玻璃溶液中搅拌直至KOH完全溶解得到B溶液；

步骤3)、将称好的矿渣粉和煤矸石粉在搅拌机中干搅拌混合均匀，然后依次放入减水剂、水，以100r/min搅拌5min，得到A混合物；

步骤4)、将B溶液和A混合物混合，以300r/min搅拌2min，得到复合地聚物注浆材料；

步骤5)、测试制备的注浆材料流动度、析水率，并将制备的注浆材料倒入模具中，放入养护箱7d后，测得7d后的抗压强度。

对实施例1得到的试样通过扫描电镜-能谱(SEM/EDS)分析得到结果如图1、图2所示。

实施例2

步骤1)、按质量份数计取以下原材料：

S95级以上高炉矿渣粉100份，煤矸石粉100份，水60份，水玻璃溶液48份，KOH固体8份，减水剂2份，增韧剂4份，缓凝剂2份，膨胀剂1份；

步骤2)、将称取好的KOH固体倒入水玻璃溶液中搅拌直至KOH完全溶解得到B溶液；

步骤3)、将称好的矿渣粉和煤矸石粉在搅拌机中干搅拌混合均匀，然后依次放入减水剂、水，以110r/min搅拌5min，得到A混合物；

步骤4)、将B溶液和A混合物混合，以200r/min搅拌3min，得到复合地聚物注浆材料。

步骤5)、测试制备的注浆材料流动度、析水率，并将制备的注浆材料倒入模具中，放入养护箱7d后，测得7d后的抗压强度。

实施例3

步骤1)、按质量份数计取以下原材料：

S95级以上高炉矿渣粉140份，煤矸石粉60份，水80份，水玻璃溶液30份，KOH固体8份，减水剂2份，增韧剂3份，缓凝剂1份，膨胀剂1份；

步骤2)、将称取好的KOH固体倒入水玻璃溶液中搅拌直至KOH完全溶解得到B溶液；

步骤3)、将称好的矿渣粉和煤矸石粉在搅拌机中干搅拌混合均匀，然后依次放入减水剂、水，以90r/min搅拌10min，得到A混合物；

步骤4)、将B溶液和A混合物混合，以200r/min搅拌2min，得到复合地聚物注浆材料。

步骤5)、测试制备的注浆材料流动度、析水率，并将制备的注浆材料倒入模具中，放入养护箱7d后，测得7d后的抗压强度。

实施例1-3所制备的样品如图3中由左至右三块试件所示，经测试，各注浆材料的测试结果具体如表1所示；以上原材料可按表1不同质量配比混合得到复合地聚物注浆材料。

表1按不同质量份数配比得到的注浆材料性能

本发明制备的注浆加固材料，相比于水泥注浆材料(水灰比0.8-1.2之间)，具有速凝、析水率小、结石率高、造价低等优势，力学强度与水泥注浆材料相当。在实际使用时，可根据路基病害的具体位置、具体状况和注浆条件进行综合分析，通过合理调整各原料的配比，满足实际的使用需求。

与现有水泥注浆材料相比，本发明制备注浆材料具有以下优势：本发明制备的注浆材料以煤矸石粉和矿渣粉作为主要原料，相比水泥材料造价更低，且材料来源广泛；同时有利于提高煤矸石的综合有效利用，减少煤矸石的大量堆放，具有良好的环保和社会效益；本发明制备的注浆材料相比于水泥注浆材料，析水率更低，结石率更高，具有速凝效果，能减少浆液未凝结阶段水分渗入路基形成的水损病害。添加增韧剂和膨胀剂，有效减少了浆液硬化后的干缩和裂缝延展，提高了浆材结石体的体积稳定性和抗裂性。

Claims (10)

1.一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，按质量份数计，包括100-140份矿渣粉，60-100份煤矸石粉，60-100份水，30-48份水玻璃溶液，4-10份KOH固体，1-2份减水剂，2-5份增韧剂，1-2份缓凝剂和1份膨胀剂。

2.根据权利要求1所述的一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，煤矸石粉比表面积≥400㎡/kg，SiO₂和Al₂O₃总质量份数≥70％。

3.根据权利要求1所述的一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，矿渣粉比表面积≥400㎡/kg，玻璃体含量(质量份数)≥85％。

4.根据权利要求1所述的一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，水玻璃溶液水玻璃模数为3.3，SiO₂含量≥26％，Na₂O含量≥8.2％。

5.根据权利要求1所述的一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，KOH固体纯度99％。

6.根据权利要求1所述的一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，减水剂采用聚羧酸高效减水剂。

7.根据权利要求1所述的一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，缓凝剂采用酒石酸。

8.根据权利要求1所述的一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，增韧剂采用液体状苯丙乳液、弹性乳液和硅丙乳液的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料，其特征在于，膨胀剂采用石膏粉。

10.一种煤矸石基复合地聚物注浆填充材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)、按质量份数计取以下原材料：100-140份矿渣粉，60-100份煤矸石粉，60-100份水，30-48份水玻璃溶液，4-10份KOH固体，1-2份减水剂，2-5份增韧剂，1-2份缓凝剂和1份膨胀剂；

步骤2)、将KOH固体与水玻璃溶液混合均匀至KOH固体完全溶解得到B溶液；

步骤3)、将矿渣粉和煤矸石粉在搅拌机中干搅拌混合均匀，然后依次放入缓凝剂、减水剂、水和增韧剂混合均匀得到A混合物；

步骤4)、将B溶液和A混合物混合均匀即可得到复合地聚物注浆材料。

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