CN112456946A - 一种纳米微膨胀无机注浆材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米微膨胀无机注浆材料及其制备方法。所述注浆材料包括主料及建筑外加剂，其中，主料包括建筑石膏、矿渣粉、水泥、纳米硅微粉、钢渣粉及粉煤灰；所述建筑外加剂，包括减水剂、缓凝剂、纤维素醚、消泡剂及可再分散性乳胶粉。将所有原料按比例混合搅拌均匀，即得纳米微膨胀无机注浆材料。本发明通过对工业副产品石膏添加矿渣粉、水泥、纳米硅微粉、钢渣粉、粉煤灰等无机材料和相关添加剂进行改性，使得本发明的纳米微膨胀无机注浆材料具有微膨胀、流动性好、粘结性好、固结率高、早期强度大、抗压与抗折强度大、耐水性强、耐腐蚀、防火等级高、工业固废再利用、成本低廉、易施工、对人体和环境无污染等优点。

Description

一种纳米微膨胀无机注浆材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米微膨胀无机注浆材料及其制备方法，可用于矿道、隧道裂缝等注浆补漏，属于建筑技术领域。

背景技术

煤矿、隧道在施工过程中，由于地质构造、岩土性质、应力作用、水力侵蚀等影响都极易造成裂缝，裂缝周边岩石由于本身物理力学性质发生改变，岩石强度大幅度降低，不能有效地承载岩石本身及采动应力，严重影响生产安全。

为了防渗、堵漏、加固，目前主要采用注浆法修补裂缝。常用的注浆材料主要有化学浆材及水泥浆材。

常用的化学浆材有硅酸盐材料、高分子材料等，化学浆材早期强度大、粘度高，但流动性差、耐久性差、价格高且存在易燃、易爆的潜在危险，容易点燃煤层或其它井下易燃物，形成井下火灾。如专利CN108863280A公布的注浆材料主要成分为水玻璃，耐酸性和耐水性差，抗渗不理想，且制作过程中需要采用浓盐酸和浓硝酸等化学物质，具有很大的危险性且污染环境。

水泥注浆是将胶结材料配制成浆液注入松散或含水地层、含裂缝的岩石、破碎带使其固化的施工方法。浆液凝固硬化后，起到胶结堵塞作用，使地层稳固并隔断水源，以保证顺利施工。水泥是一种无机胶凝材料，具有来源广泛，性能稳定的特点，且水泥浆液流动性好，价格便宜，污染小，在建筑工程中应用广泛，但水泥硬化后早期强度低，粘结性能差，易固化收缩，极易产生空鼓开裂。因此，研究性能类似于水泥又能解决水泥固化收缩特性的新型注浆加固材料具有重要意义。如专利CN107033326A公布的一种双组份矿用注浆材料，用高岭土替代水泥，高岭土是国家的宝贵资源，虽然目前储存量较大，但是长期消耗终将枯竭，且双组份注浆施工难度也相对较大。

石膏一直以来是作为水泥生产中的缓凝剂使用，也是一种无机胶凝材料，且石膏水化具有微膨胀性，解决了水泥的固化收缩难题。石膏不仅来源广泛，工业副产品石膏也有很大的存量累积，目前国内对石膏的应用范围有限，如果不能很好地综合利用这些工业副产品石膏，不仅要占用大量的土地，还可能污染土壤和水源，带来严重的二次污染，影响企业和社会的良性发展。因而对石膏进行改性，在部分领域以石膏来代替水泥，是今后石膏的发展方向之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何有效利用工业固废生产注浆用凝胶材料，作为高污染高能耗的水泥替代物，提高工业固废的综合利用，降低工业固废的污染，同时节约环境资源。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，包括主料及建筑外加剂，其中，主料包括以质量份数计的建筑石膏40～60份、矿渣粉15～25份、水泥15～25份、纳米硅微粉5～10份、钢渣粉5～10份及粉煤灰5～10份；所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括减水剂1～3‰、缓凝剂0.1～2‰、纤维素醚0.1～1‰、消泡剂0～0.5‰及可再分散性乳胶粉0～1‰。

优选地，所述建筑石膏的制备方法为：先将工业副产品脱硫石膏和磷石膏分别进行预处理后，按比例混合均匀先放入石膏沸腾炉的气流干燥室中烘干，然后放入石膏沸腾炉的流态化煅烧室中煅烧，煅烧后研磨，最后冷却陈化，同时通过导热介质利用煅烧余热来烘干，可以进一步降低能耗；脱硫石膏在建筑石膏中的质量百分比为50-100％。

工业副产品石膏的主要成分为二水石膏，经烘干和煅烧后制得的石膏主要成分为半水石膏(熟石膏)，其吸水后再次形成二水石膏(生石膏)从而达到一定的强度，半水石膏具有凝结硬化快的特性。

更优选地，所述烘干的温度为50～100℃，更优为70～80℃，最优为75℃，时间为1～2小时；所述煅烧的温度为130～180℃，最优为150℃，时间为1～3小时，最优为2小时；所述研磨后的颗粒细度为200～400目，以300目为最佳；所述冷却陈化的时间为5～10天，最优为7天。建筑石膏的制备过程中可以采用电厂发电的尾蒸汽进行所述烘干和所述煅烧，充分利用资源，在保证石膏性能的同时做到了“零排放”。

优选地，所述的矿渣粉为S95粒化高炉矿渣粉。矿渣粉通过水泥水化的氢氧化钙激发，一方面生成C-S-H凝胶，另一方面与二水石膏生成钙矾石，同时还生成硬硅酸钙石，使得复合胶凝材料的后期抗压强度和耐水性大幅度提高。且矿渣粉具有很好的和易性和流动性，可以提高材料的施工性、密实度和耐水性。同时利用了冶金厂生产的废弃物，节约了资源，减少了污染。

优选地，所述磨细钢渣粉为一级钢渣粉。钢渣粉是钢铁厂的废渣磨细所得，钢渣粉利用水泥熟料水化后的Ca(OH)₂作为激发剂，降低材料早期的水化热并进一步提高注浆材料的后期硬度。

优选地，所述的水泥为P.O425或525普通硅酸盐水泥。水泥可大幅度提高胶凝材料抗压强度性能，同时提高材料的耐水性能。

所述纳米硅微粉具备耐酸碱腐蚀、化学性能稳定、硬度大等优良的性能，同时与水泥水化产物生成凝胶体，可以显著提高结构的密度和强度，增强抗侵蚀、抗老化、防水性能。

所述粉煤灰为燃煤发电厂排出的固废物。添加粉煤灰可以节约水泥和水的用量，提高注浆材料的抗渗能力。

缓凝剂、减水剂、纤维素醚为建筑外加剂，可以显著改善所述注浆材料的力学性能、流动性、稳定性和施工性，是不可或缺的组成部分。

优选地，所述缓凝剂为石膏专用缓凝剂，该缓凝剂的缓凝效果好，对强度影响低，可调节注浆材料的凝结时间。

优选地，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，其特点是对石膏分散效果好，减水率高，大幅度提高注浆材料的后期强度。

优选地，所述纤维素醚为韩国三星化学品公司生产的MECELLOSE PMC-40US，纤维素醚可提高材料粘结性能和保水性能。

优选地，所述消泡剂为德国明凌化工集团生产的P803粉末消泡剂；所述可再分散性乳胶粉为瓦克公司的5022L或5010N可再分散性乳胶粉。掺入一定量的消泡剂可快速消除搅拌过程中引入的气泡，提高材料的密实度和表面光洁度，最终提高建筑材料的强度。掺入一定量的可再分散性乳胶粉可提高纳米微膨胀无机注浆材料的粘结性、耐水性、耐磨性、内聚稳定性等。

本发明还提供了上述纳米微膨胀无机注浆材料的制备方法，其特征在于，将所有原料按比例混合搅拌均匀，即得纳米微膨胀无机注浆材料。

微膨胀可以使浇注体长期使用无收缩，确保注浆材料与岩石紧密相连。

本发明通过对工业副产品石膏添加适量的矿渣粉、水泥、纳米硅微粉、钢渣粉、粉煤灰等无机材料和相关添加剂进行改性，使得本发明的纳米微膨胀无机注浆材料具有微膨胀、流动性好、粘结性好、固结率高、耐水性强、耐酸碱腐蚀、防火等级高、成本低廉、易施工等特点，是一种工业固废的再利用、无放射性、对土壤酸碱度不影响、对人体和环境无害的无机材料，且凝结后早期强度大、抗压与抗折强度大，可以在注浆材料中替代水泥浆，能够有效修补裂缝，保证施工稳定性，为下一步施工创造良好条件。

本发明提供的纳米微膨胀无机注浆材料抗折强度可达到6Mpa，抗压强度可达到26Mpa，拉伸粘结强度达到1.5MPa，力学性能优异，微膨胀使得注浆材料和岩体紧密结合。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明回收使用了火电厂发电产生的固体废弃物石膏，并且利用电厂发电产生的尾蒸汽烘干和煅烧石膏，真正做到了废弃资源的综合再利用，实现了"零排放"的目标；

2、矿渣粉、钢渣粉的加入可以提高材料的强度，同时充分利用废弃资源；纳米硅微粉达到纳米级的细度，更是显著提高材料的抗压、抗折、抗渗、抗老化性能。

3、由于石膏水化产生少量钙矾石有膨胀效应，减小了固化过程中的开裂可能性，同时由于其较高的内聚力和粘结力，其抗空鼓开裂性能好。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。

各实施例中的电厂石膏为上海石洞口电厂产二水石膏，矿渣粉采用宝钢生产的S95粒化高炉矿渣粉，水泥采用425普通硅酸盐水泥，钢渣粉采用宝钢一级钢渣粉，粉煤灰采用一级粉煤灰；缓凝剂采用石膏专用缓凝剂，减水剂采用聚羧酸高效减水剂，纤维素醚采用韩国三星化学品公司生产的MECELLOSE PMC-40US，消泡剂采用德国明凌P803粉末消泡剂，可再分散性乳胶粉采用瓦克公司的5022L乳胶粉。

实施例1-3中建筑石膏的制备方法为：磷石膏经过适当预处理至中性(pH≥7)后按质量比1:1和脱硫石膏预混，电厂发电产生的尾蒸汽将石膏在75℃下烘干后，在150℃下煅烧2小时，然后粉磨至200目，冷却后陈化7天。

各实施例中试件的制作方式和测试方式按照GBT 17671-1999水泥胶砂强度检验方法(IS0法)的相关规定进行，其中试件由所述纳米微膨胀无机注浆材料与合适量的水搅拌混合均匀成具有一定流动度的胶砂成型即可，收缩率按照建材行业标准JC/T 603水泥胶砂干缩试验方法相关规定进行。

实施例1

纳米微膨胀无机注浆材料主料包括以质量份数计的组分：

建筑石膏40份，矿渣粉25份，水泥15份，纳米硅微粉5份，钢渣粉10份，粉煤灰10份。

建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：

减水剂1‰，缓凝剂0.8‰，纤维素醚1‰。水灰比0.45。

性能如表1所示。

表1

实施例2

纳米微膨胀无机注浆材料主料包括以质量份数计的组分：

建筑石膏50份，矿渣粉20份，水泥20份，纳米硅微粉10份，钢渣粉5份，粉煤灰10份。

建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：

减水剂2‰，缓凝剂1‰，纤维素醚0.5‰，消泡剂0.5‰，水灰比0.48。

性能如表2所示。

表2

实施例3

纳米微膨胀无机注浆材料主料包括以质量份数计的组分：

建筑石膏60份，矿渣粉15份，水泥25份，纳米硅微粉10份，钢渣粉5份，粉煤灰5份。

建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：

减水剂3‰，缓凝剂1.2‰，纤维素醚0.5‰，消泡剂1‰，可再分散乳胶粉1‰，水灰比0.5。

性能如表3。

表3

对比例1

表4为P.O425普通硅酸盐水泥的检测值。

表4

从上述实施例可以得出，本发明的纳米微膨胀无机注浆材料具有以下优点：

1.大量利用了脱硫石膏、磷石膏、矿渣粉和钢渣粉，加快了固体废弃物的消耗，实现固废资源的综合利用，无放射性、对土壤酸碱度不影响、对人体和环境无害；同时利用电厂发电产生的尾蒸汽进行烘干和煅烧，做到了节能减排。

2.材料微膨胀、粘结强度高，收缩率和粘接强度明显优于水泥，有效的弥补了水泥的空鼓开裂、粘结不牢的缺点，且所述材料耐水性好、稳定性好、防火等级高。

3.凝结后早期强度大、抗压与抗折强度也能够接近于水泥，能够有效修补裂缝，保证巷道稳定性。

Claims (11)

1.一种纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，包括主料及建筑外加剂，其中，主料包括以质量份数计的建筑石膏40～60份、矿渣粉15～25份、水泥15～25份、纳米硅微粉5～10份、钢渣粉5～10份及粉煤灰5～10份；所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括减水剂1～3‰、缓凝剂0.1～2‰、纤维素醚0.1～1‰、消泡剂0～0.5‰及可再分散性乳胶粉0～1‰。

2.如权利要求1所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述建筑石膏的制备方法为：先将工业副产品脱硫石膏和磷石膏分别进行预处理后，按比例混合均匀先放入石膏沸腾炉的气流干燥室中烘干，然后放入石膏沸腾炉的流态化煅烧室中煅烧，煅烧后研磨，最后冷却陈化；脱硫石膏在建筑石膏中的质量百分比为50-100％。

3.如权利要求2所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述烘干的温度为50～100℃，时间为1～2小时；所述煅烧的温度为130～180℃，时间为1～3小时；所述研磨后的颗粒细度为200～400目；所述冷却陈化的时间为5～10天。

4.如权利要求1所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述的矿渣粉为S95粒化高炉矿渣粉。

5.如权利要求1所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述磨细钢渣粉为一级钢渣粉。

6.如权利要求1所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述的水泥为P.O425或525普通硅酸盐水泥。

7.如权利要求1所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述缓凝剂为石膏专用缓凝剂。

8.如权利要求1所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸高效减水剂。

9.如权利要求1所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述纤维素醚为韩国三星化学品公司生产的MECELLOSE PMC-40US。

10.如权利要求1所述的纳米微膨胀无机注浆材料，其特征在于，所述消泡剂为德国明凌化工集团生产的P803粉末消泡剂；所述可再分散性乳胶粉为瓦克公司的5022L或5010N可再分散性乳胶粉。

11.权利要求1-10任意一项所述的纳米微膨胀无机注浆材料的制备方法，其特征在于，将所有原料按比例混合搅拌均匀，即得纳米微膨胀无机注浆材料。