CN112279605B - 一种地下充填胶凝材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种地下充填胶凝材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

一种地下充填胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将40‑70份废玻璃、30‑40份矿渣和10‑20份钢渣破碎至平均粒径为1‑15mm，混合均匀，得到固体混合料；将固体混合料中加入水，水与固体混合料的重量比为0.4‑0.6，再加入1‑2份减水剂进行湿磨，球磨至浆料的平均粒径为1‑5μm，得到液体浆料；将液体浆料中加入水，水与液体浆料的重量比为0.5，再加入3‑8份激发剂混合搅拌均匀后，振捣完全，得到地下充填胶凝材料。本发明利用湿磨后浆料呈碱性的特性，且混合浆料中玻璃在完成自激发的同时激发矿渣，充分利用固体废弃物，提高了固废利用率，减少了制备成本，节能环保，制备出多功能经济高效的地下充填胶凝材料，制备工艺简单，可逐步替代水泥砂浆广泛运用。

Description

一种地下充填胶凝材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及胶凝料及其制备方法，尤其涉及一种地下充填胶凝材料及其制备方法与应用。
背景技术
目前，矿山充填主要有干式、水力、胶结等充填方法，其中胶结充填是使用选矿尾砂废石等废弃骨料掺入适量胶凝材料，形成具一定强度和整体性的充填体，适用于高品位富矿、矿岩不稳定的矿体和“三下矿体”的开采，是干式、水力充填工艺无法取代的充填工艺。但是，作为该充填法使用的主要胶凝材料是水泥，因此存在用量大、成本高、高浓度输送性能差等问题。胶凝材料亦称“胶结料”，是一种经物理、化学作用后，能从浆体变成坚固的石状体的材料，可胶结其他散粒或块状的物料使其成为具有一定机械强度的整体材料。胶凝材料分为水硬性胶凝材料和非水硬性胶凝材料两大类，水硬性胶凝材料和水成浆后，能在水中和空气中硬化，保持并继续发展其强度，如硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等，特别适用于地下或水中的建筑物；非水硬性胶凝材料是一种不能在水中硬化但能在空气中或其他条件下硬化的胶凝材料。胶凝材料还可分为无机类和有机类两种，一般常用的有石灰、石膏等。特殊用途的有耐酸胶结料、磷酸盐胶结料及环氧树脂胶结料等。气硬性胶凝材料是非水硬性胶凝材料的一种，和水成浆后只能在空气中硬化，保持并继续发展其强度，如石灰、石膏、菱苦土等，用于地上干燥环境中的建筑物。
在我国每年会产生四五千万吨废弃玻璃，废玻璃的完全降解需5000年，对环境会造成极大的伤害。而且玻璃的种类繁多，处理分类需要花费大量的人力物力，所以如何回收与利用废弃玻璃就成为了我国乃至全世界需要解决的一个问题。普通玻璃的主要成分为SiO2，能成为辅助胶凝材料。我国每年都会产生大量的废弃玻璃，未被回收利用的废弃玻璃直接被掩埋于地下，但玻璃成分稳定且难降解，造成长期的土地资源浪费。大量研究将废弃玻璃用于制备再生建筑材料，已成为一个将废弃玻璃变废为宝的有效途径。
国家发展规划中指出，钢渣的综合利用率应达86％以上，基本实现“零排放”。然而，我国钢渣综合利用的现状与该规划相差甚远，尤其是素有“劣质水泥熟料”之称的转炉钢渣的利用率仅为10％～20％。国内钢铁企业产生的钢渣不能及时处理，致使大量钢渣占用土地，污染环境。然而钢渣并非不可用固体废弃物，其中含有大量的渣钢、氧化钙、铁以及氧化镁等可利用成分。随着环保政策的日益严厉，钢渣和铁矿尾矿的利用问题已经成为各大钢铁和矿山企业面临的重大难题。矿渣是钢铁冶炼生产过程中产出的副产品，除部分钢铁企业对其进行合理化治理或回收利用之外，仍有大量矿渣被随处堆放，占用了土地资源，带来了水土及空气污染，还有潜在泥石流威胁。我国于2016年颁布并于2018年实行的《中华人民共和国环境保护税法》提出，将对矿渣类固体废弃物的排放收缴高额税费。可见，缓解工业固废排放问题已被国家高度重视。
由此可知，低成本、高强度、易输送、易生产的新型胶凝材料，以替代或部分替代水泥，减少水泥用量是胶结充填胶凝材料发展新趋势，矿渣资源化回收利用则是钢铁企业发展的迫切需求。目前废玻璃、钢渣和矿渣作为我国排放量较多的大宗工业固废，具有潜在的胶凝活性，利用这些固废制备胶凝材料具有节能、利废、环保等特点，成为充填胶凝材料研究的热点和发展趋势。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种地下充填胶凝材料的制备方法，能将固体废弃物玻璃、矿渣、钢渣联合处理成胶凝材料，充分利用固体废弃物，提高了固废利用率，施工简单、成本低、节能环保。
本发明的目的之二是提供一种地下充填胶凝材料，通过废玻璃湿磨后浆料的碱性环境，实现自激发的同时完成矿渣的激发，胶凝效果好。
本发明的目的之三是提供一种地下充填胶凝材料的应用，胶凝材料可以将高硫尾矿或超细尾矿胶结起来，形成地下胶结充填体材料。
本发明实现目的之一所采用的技术方案是：一种地下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将40-70份废玻璃、30-40份矿渣和10-20份钢渣破碎至平均粒径为1-15mm，混合均匀，得到固体混合料；
(2)将步骤(1)得到的固体混合料中加入水，水与固体混合料的重量比为0.4-0.6，再加入1-2份减水剂进行湿磨，球磨至浆料的平均粒径为1-5μm，得到液体浆料；
(3)将步骤(2)得到的液体浆料中加入水，水与液体浆料的重量比为0.5，再加入3-8份激发剂混合搅拌均匀后，振捣完全，得到地下充填胶凝材料。
上述技术方案中，所述步骤(2)的湿磨时间为2-4h。
上述技术方案中，所述步骤(2)的湿磨操作采用湿磨机，湿磨机的转速为40-50r/s，湿磨机中的研磨球直径为1-5mm，研磨球的成分为氧化锆、氧化铝中的任一种或两种。
上述技术方案中，所述步骤(3)的搅拌方式为先缓慢搅拌，再快速搅拌，缓慢搅拌的时间为2-4min，快速搅拌的时间为2-4min。
上述技术方案中，所述步骤(3)的振捣次数为60-80次。
上述技术方案中，所述步骤(1)中的废玻璃为钠钙硅酸盐玻璃；矿渣中含有CaO、SiO2、Al2O3、MgO；钢渣中含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3。
上述技术方案中，所述步骤(2)中的减水剂为萘系减水剂，上述技术方案中，所述步骤(3)中的激发剂为联合法赤泥或者拜耳法赤泥中的一种。
本发明实现目的之二所采用的技术方案是：一种地下充填胶凝材料，采用上述地下充填胶凝材料的制备方法制得。
本发明实现目的之三所采用的技术方案是：一种地下充填胶凝材料的应用，将上述地下充填胶凝材料与高硫尾矿按质量比为1:6-1:8混合制备适用于高硫尾矿的地下胶结充填体材料，其水灰比为0.4-0.6，或将上述地下充填胶凝材料与超细尾矿按质量比为1:6-1:8混合制备适用于超细尾矿的地下胶结充填体材料，其水灰比为0.4-0.6。
本发明的原理：
废玻璃中含有SiO2、CaO、Al2O3，矿渣中含有CaO、SiO2、Al2O3、MgO；钢渣中含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，通过湿法研磨磨细后具有一定的潜在活性，三者加水湿磨发生化学反应生成Ca(OH)2，萘系减水剂中含有Na2SO4，可以与矿渣、钢渣中溶出的Ca(OH)2反应,化学反应式为：Na2SO4+Ca(OH)2＝2NaOH+Ca2SO4，反应中生成的NaOH可提高浆料的pH值，进一步使pH值大于12，pH值可以达到13，生成物CaSO4与矿渣中的铝相反应生成钙矾石使其本身具有一定孔隙率且致密性不好的尾矿结构更加致密，降低开裂风险。钢渣初始反应生成的碱性物质，废玻璃初始溶出的碱性物质，以及赤泥反应过程中提供的碱性物质反应过程中的碱性物质能激发废玻璃和矿渣、钢渣的活性。废玻璃与矿渣协同湿磨，废玻璃能实现自激发的同时激发矿渣，并表现出胶凝性能。矿渣能在反应过程中抑制膨胀。提供碱性环境，实现碱激发。高硫尾矿中的硫铝酸盐可与矿渣中的铝相生成钙钒石，然后增加密实度，满足充填，防止矿山开裂。
本发明的有益效果是：
1.本发明中的湿法研磨的工艺处理废弃玻璃，能将废玻璃制成玻璃粉末可避免玻璃大粒径所带来的碱骨料反应膨胀破坏现象，同时可促进玻璃的火山灰效应，提高砂浆的流动度、强度和耐久性，有利于缩短凝结时间，且在实现废玻璃超细化的同时释放其碱性物质；湿磨后的废玻璃球形度比较好，亲水性弱，具有非常好的流动性，使得地下胶结材料能够非常好的充填。另外湿磨处置的玻璃粉具有较高的表面电荷，可以防止细小颗粒的团聚，避免了高能耗的干磨工艺，解决了细小颗粒易团聚的难题。
2.本发明通过废玻璃湿磨后浆料的碱性环境，在实现自激发的同时完成矿渣、钢渣的激发，在整个反应过程中能自主生成NaOH使反应环境为碱性，而无需另外添加NaOH来调节pH值至碱性，减少了原料的需求，实现自给自足的反应。
3.本发明制备的地下充填胶凝材料稳定性好，流动性好，并且具有更好的抗压强度，耐化学腐蚀，能实现早强快硬，具备多功能性，适合不同环境下的使用条件，制备工艺简单、节能环保、避免弱碱激发带来的早期凝结时间慢，强度低等一系列问题，并且采用地下充填胶凝材料，可使得整个胶结材料的用量相对于传统的水泥体系少得多，经济效益好，工艺操作便捷。
4.本发明制备的地下充填胶凝材料可与高硫尾矿结合，组成适用于高硫尾矿的地下胶结充填体材料，同时还适用于超细尾矿，既可满足高硫尾矿的充填又可满足超细尾矿的充填；充填胶凝材料的超细化处理的作用就是可以提供更多的反应位点，把这些尾矿颗粒胶结起来，这是传统水泥体系无法满足的。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中废玻璃为废弃的玻璃瓶子，主要成分为SiO2、Na2O、CaO。矿渣为高炉炼铁的副产品，碱性系数>1。钢渣为武汉某钢铁厂排放，单质铁的含量为0.5-2％。减水剂为萘系减水剂。所述激发剂为联合法赤泥或拜耳法赤泥中的一种。
实施例1
一种地下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数将40份钠钙硅酸盐废玻璃、30份矿渣和20份钢渣送入球磨机破碎至平均粒径为10mm，混合均匀，得到固体混合料；
(2)将步骤(1)得到的固体混合料送入湿磨机中，并加入水，水与固体混合料的重量比为0.5，再加入2份减水剂进行湿磨，湿磨时间为2h，湿磨机的转速为40r/s，湿磨机中的研磨球直径为2mm，研磨球的成分为氧化锆、氧化铝中的任一种或两种。球磨至浆料的平均粒径为3.6μm，得到液体浆料；
(3)将步骤(2)得到的液体浆料倒入搅拌锅中，并加入水，水与液体浆料的重量比为0.5，再加入8份激发剂，在搅拌机中进行混合搅拌，搅拌机先缓慢搅拌2min，转速为50-60r/min，再快速搅拌2min，转速为100-110r/min，至搅拌均匀后，使用振捣器振捣60次，得到地下充填胶凝材料。
按上述制备方法制得的地下充填胶凝材料的基本性能为：3d抗压强度为27.8Mpa；7d抗压强度32.9Mpa；28d抗压强度32.9Mpa；3d抗折强度为8.3Mpa；7d抗折强度8.7Mpa；28d抗折强度9.1Mpa；流动度为130mm。
将上述制备方法制得的地下充填胶凝材料与高硫尾矿按1:7比例混合，得到适用于高硫尾矿的地下胶结充填体材料，水灰比0.5，该胶结充填体材料的沉缩率为4.3，流动度为272mm,抗压强度为4.5Mpa。
实施例2
一种地下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数将48份钠钙硅酸盐废玻璃、32份矿渣和12份钢渣送入球磨机破碎至平均粒径为10mm，混合均匀，得到固体混合料；
(2)将步骤(1)得到的固体混合料送入湿磨机中，并加入水，水与固体混合料的重量比为0.5，再加入1.8份减水剂进行湿磨，湿磨时间为2h，湿磨机的转速为40/s，湿磨机中的研磨球直径为2mm，研磨球的成分为氧化锆、氧化铝中的任一种或两种。球磨至浆料的平均粒径为3.6μm，得到液体浆料；
(3)将步骤(2)得到的液体浆料倒入搅拌锅中，并加入水，水与液体浆料的重量比为0.5，再加入6.2份激发剂，在搅拌机中进行混合搅拌，搅拌机先缓慢搅拌2min，转速为50-60r/min，再快速搅拌2min，转速为100-110r/min，至搅拌均匀后，使用振捣器振捣60次，得到地下充填胶凝材料。
按上述制备方法制得的地下充填胶凝材料的基本性能为：3d抗压强度为29.4Mpa；7d抗压强度37.9Mpa；28d抗压强度48.7Mpa；3d抗折强度为8.5Mpa；7d抗折强度8.9Mpa；28d抗折强度9.4Mpa；流动度为125mm。
将上述制备方法制得的地下充填胶凝材料与高硫尾矿按1:7比例混合，得到适用于高硫尾矿的地下胶结充填体材料，水灰比0.5，该胶结充填体材料的沉缩率为3.8，流动度为267mm,抗压强度为5.0Mpa。
实施例3
一种地下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数将56份钠钙硅酸盐废玻璃、34份矿渣和14份钢渣送入球磨机破碎至平均粒径为10mm，混合均匀，得到固体混合料；
(2)将步骤(1)得到的固体混合料送入湿磨机中，并加入水，水与固体混合料的重量比为0.5，再加入1.6份减水剂进行湿磨，湿磨时间为2h，湿磨机的转速为40/s，湿磨机中的研磨球直径为2mm，研磨球的成分为氧化锆、氧化铝中的任一种或两种。球磨至浆料的平均粒径为3.6μm，得到液体浆料；
(3)将步骤(2)得到的液体浆料倒入搅拌锅中，并加入水，水与液体浆料的重量比为0.5，再加入4.4份激发剂，在搅拌机中进行混合搅拌，搅拌机先缓慢搅拌2min，转速为50-60r/min，再快速搅拌2min，转速为110-120r/min，至搅拌均匀后，使用振捣器振捣60次，得到地下充填胶凝材料。
按上述制备方法制得的地下充填胶凝材料的基本性能为：3d抗压强度为24.9pa；7d抗压强度35.7Mpa；28d抗压强度48.7Mpa；3d抗折强度为8.5Mpa；7d抗折强度9.0Mpa；28d抗折强度9.5Mpa；流动度为118mm。
将上述制备方法制得的地下充填胶凝材料与高硫尾矿按1:7比例混合，得到适用于高硫尾矿的地下胶结充填体材料，水灰比0.5，该胶结充填体材料的沉缩率为4.1，流动度为271mm,抗压强度为4.7Mpa。
实施例4
一种地下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数将44.4份钠钙硅酸盐废玻璃、38份矿渣和12份钢渣送入球磨机破碎至平均粒径为10mm，混合均匀，得到固体混合料；
(2)将步骤(1)得到的固体混合料送入湿磨机中，并加入水，水与固体混合料的重量比为0.5，再加入1.4份减水剂进行湿磨，湿磨时间为2h，湿磨机的转速为40/s，湿磨机中的研磨球直径为2mm，研磨球的成分为氧化锆、氧化铝中的任一种或两种。球磨至浆料的平均粒径为3.6μm，得到液体浆料；
(3)将步骤(2)得到的液体浆料倒入搅拌锅中，并加入水，水与液体浆料的重量比为0.5，再加入4.2份激发剂，在搅拌机中进行混合搅拌，搅拌机先缓慢搅拌2min，转速为60-70r/min，再快速搅拌2min，转速为120-130r/min，至搅拌均匀后，使用振捣器振捣60次，得到地下充填胶凝材料。
按上述制备方法制得的地下充填胶凝材料的基本性能为：3d抗压强度为26.6Mpa；7d抗压强度34.9Mpa；28d抗压强度46.9Mpa；3d抗折强度为8.9Mpa；7d抗折强度9.3Mpa；28d抗折强度10.1Mpa；流动度为127mm。
将上述制备方法制得的地下充填胶凝材料与高硫尾矿按1:7比例混合，得到适用于高硫尾矿的地下胶结充填体材料，水灰比0.5，该胶结充填体材料的沉缩率为3.4，流动度为269mm,抗压强度为4.4Mpa。
实施例5
一种地下充填胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份数将50份钠钙硅酸盐废玻璃、35份矿渣和10份钢渣送入球磨机破碎至平均粒径为10mm，混合均匀，得到固体混合料；
(2)将步骤(1)得到的固体混合料送入湿磨机中，并加入水，水与固体混合料的重量比为0.5，再加入1份减水剂进行湿磨，湿磨时间为2h，湿磨机的转速为40/s，湿磨机中的研磨球直径为2mm，研磨球的成分为氧化锆、氧化铝中的任一种或两种。球磨至浆料的平均粒径为3.6μm，得到液体浆料；
(3)将步骤(2)得到的液体浆料倒入搅拌锅中，并加入水，水与液体浆料的重量比为0.5，再加入4份激发剂，在搅拌机中进行混合搅拌，搅拌机先缓慢搅拌2min，转速为60-70r/min，再快速搅拌2min，转速为120-130r/min，至搅拌均匀后，使用振捣器振捣60次，得到地下充填胶凝材料。
按上述制备方法制得的地下充填胶凝材料的基本性能为：3d抗压强度为27.8Mpa；7d抗压强度33.5Mpa；28d抗压强度48.3Mpa；3d抗折强度为9.0Mpa；7d抗折强度9.5Mpa；28d抗折强度10.2Mpa；流动度为132mm。
将上述制备方法制得的地下充填胶凝材料与高硫尾矿按1:7比例混合，得到适用于高硫尾矿的地下胶结充填体材料，水灰比0.5，该胶结充填体材料的沉缩率为3.5，流动度为266mm,抗压强度为4.8Mpa。
上述对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种地下充填胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1） 将40-70份废玻璃、30-40份矿渣和10-20份钢渣破碎至平均粒径为1-15mm，混合均匀，得到固体混合料；
（2）将步骤（1）得到的固体混合料中加入水，水与固体混合料的重量比为0.4-0.6，再加入1-2份减水剂进行湿磨，球磨至浆料的平均粒径为1-5µm，得到液体浆料；
（3）将步骤（2）得到的液体浆料中加入水，水与液体浆料的重量比为0.5，再加入3-8份激发剂混合搅拌均匀后，振捣完全，得到地下充填胶凝材料；
所述步骤（1）中的废玻璃为钠钙硅酸盐玻璃；矿渣中含有CaO、SiO2、Al2O3、MgO；钢渣中含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3；所述步骤（2）中的减水剂为萘系减水剂；所述步骤（3）的搅拌方式为先缓慢搅拌，再快速搅拌，缓慢搅拌的转速50-70r/min，时间为2-4min，快速搅拌的转速为100-130 r/min，时间为2-4min；所述步骤（3）的振捣次数为60-80次；所述步骤（3）中的激发剂为联合法赤泥或者拜耳法赤泥中的一种。
2.如权利要求1所述的一种地下充填胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的湿磨时间为2-4h。
3. 如权利要求1所述的一种地下充填胶凝材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，湿磨的转速为40-50 r/s，湿磨的研磨球直径为1-5mm，研磨球的成分为氧化锆、氧化铝中的任一种或两种。
4.一种地下充填胶凝材料，其特征在于：采用权利要求1至3中任一项所述的地下充填胶凝材料的制备方法制得。
5.一种地下充填胶凝材料的应用，其特征在于：将权利要求4的地下充填胶凝材料与高硫尾矿按质量比为1:6-1:8混合制备适用于高硫尾矿的地下胶结充填体材料，其水灰比为0.4-0.6，或将权利要求4的地下充填胶凝材料与超细尾矿按质量比为1:6-1:8混合制备适用于超细尾矿的地下胶结充填体材料，其水灰比为0.4-0.6。
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