CN112679168A - 一种高强度矿用无机发泡充填材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高强度矿用无机发泡充填材料，主要应用于煤矿散碎岩体加固和巷道孔洞充填，以保证矿产作业安全。材料由以下重量份的原料混合而成：水泥15~30重量份，粉煤灰25~40重量份，微硅粉25~35重量份，发泡剂3~10重量份，碳纳米管0.01~0.2重量份，表面活性剂0.01~0.6重量份。本发明所述材料中一维材料碳纳米管的加入，可以促进钙矾石微晶的形成，使充填材料更加致密化，进而极大增强材料发泡固化后的抗压强度、抗折强度和韧性，具有广阔应用空间。同时，本发明还提供了上述高强度矿用无机发泡充填材料的制备方法。

Description

一种高强度矿用无机发泡充填材料及制备方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采过程中充填技术领域，具体涉及一种高强度矿用无机发泡充填材料及制备方法。

背景技术

在煤矿开采领域，岩石破碎、巷道出孔是威胁工程安全的常见因素，不及时处理此类问题，将会带来严重的安全隐患。因此，施工过程中需要对破碎岩石及时加固，对形成的孔洞及时充填，目前已发展多种充填材料来解决这一问题。有机高分子材料是常用的一种加固或充填材料，但其存在阻燃性差、有腐蚀性、以及成本较高的缺点。无机发泡充填材料是一种以水泥为基础组份的轻质多孔材料，与有机高分子材料相比，具有体积密度小、阻燃性好、成本低和发热量少等优点，亦被广泛使用。但此类材料中大量气孔的存在，造成了材料强度不高、易开裂、韧性不足等问题，影响了材料在更复杂环境中使用。

为了克服上述不足，本发明提供一种高强度矿用无机发泡充填材料，该材料体系创新性地引入了一维材料碳纳米管，有效抑制了水泥基复合材料裂纹的产生和扩展，极大提高了充填材料的抗压强度、抗折强度和韧性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高强度矿用无机发泡充填材料，所包含组份及对应的重量份为：

水泥 15~30重量份

粉煤灰 25~40重量份

微硅粉 25~35重量份

发泡剂 3~10重量份

碳纳米管 0.01~0.2重量份

表面活性剂 0.01~0.6重量份

根据本发明，所述水泥为硅酸盐水泥、磷酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或磷铝酸盐水泥中的至少一种；作为优选，所述水泥为硫铝酸盐水泥。

根据本发明，所述粉煤灰为煤炭燃烧过程中产生的微粒，粒径为1~100μm；作为优选，其粒径为1~50μm。所述粉煤灰多回收自发电厂或炼钢厂，在充填材料中起到增强水泥粘接性和增加材料耐久性的作用，同时还可以起到减少水泥用量，降低材料成本的作用。

根据本发明，所述微硅粉为硅冶炼工业中的副产物，粒径为0.1~1μm；作为优选，其粒径为0.1~0.3μm。所述微硅粉具有非常高的细度和比表面积，在充填材料中可起到增强流动性、结合性、气孔填充性的作用。

根据本发明，所述发泡剂为无机发泡剂，可以为碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠、过氧碳酸钠、过氧碳酸钙中的至少一种；作为优选，可以为过氧碳酸钠、过氧碳酸钙中的至少一种。

根据本发明，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其外径为10~50 nm，长度为5~20μm。所述碳纳米管的抗拉强度大于600 MPa，杨氏模量大于180 GPa，作为复合材料的增强相，可有效提高材料的抗压度和冲击韧性。

根据本发明，所述表面活性剂主要作用是提高所述碳纳米管在充填材料中的分散性。

本发明的另一目的是提供一种高强度矿用无机发泡充填材料的制备方法，包含以下步骤：

（1）将一定重量份的碳纳米管，表面活性剂依次加入到少量蒸馏水中，搅拌至分散均匀，得到浆料；

（2）将（1）中所述浆料与一定重量份的水泥混合，搅拌至均匀，得到水泥基复合材料；

（3）将一定重量份的粉煤灰，微硅粉，发泡剂分别磨细后，与（2）中所述水泥基复合材料混合，搅拌混合至均匀，得到目标材料；

（4）按照指定重量将材料进行分袋包装，干燥环境下储存备用。

与现有技术相比，本发明所提供的高强度矿用无机发泡充填材料具有高强度、高韧性、低成本和高阻燃性等优点。与不添加碳纳米管的水泥基无机发泡充填材料相比，其抗压强度提高20~30%。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

实施例1

本实施例所用原料为：硫铝酸盐水泥15重量份，粉煤灰35重量份，微硅粉35重量份，发泡剂过氧碳酸钠5重量份，多壁碳纳米管0.02重量份，表面活性剂0.02重量份。

本实施例采用以下步骤制备充填材料：

（1）将0.02重量份碳纳米管，0.02重量份表面活性剂依次加入到约5重量份蒸馏水中，搅拌至分散均匀，得到浆料；

（2）将（1）中所述浆料与15重量份的硫铝酸盐水泥混合，搅拌至均匀，得到水泥基复合材料；

（3）将35重量份粉煤灰，35重量份微硅粉，5重量份过氧碳酸钠分别磨细后，与（2）中所述水泥基复合材料混合，搅拌混合至均匀，得到目标充填材料；

（4）按照25 kg重量将材料进行分袋包装，干燥环境下储存备用。

性能测试时，按照水料比2:1直接与水混合，搅拌均匀后浇注到模具中制成材料试样。测试结果显示，该材料凝固时间为8 min，终凝抗压强度为62Mpa。

实施例2

本实施例所用原料为：硫铝酸盐水泥20重量份，粉煤灰30重量份，微硅粉35重量份，发泡剂过氧碳酸钙6重量份，多壁碳纳米管0.05重量份，表面活性剂0.1重量份。

本实施例采用以下步骤制备充填材料：

（1）将0.05重量份碳纳米管，0.1重量份表面活性剂依次加入到约5重量份蒸馏水中，搅拌至分散均匀，得到浆料；

（2）将（1）中所述浆料与20重量份的硫铝酸盐水泥混合，搅拌至均匀，得到水泥基复合材料；

（3）将30重量份粉煤灰，35重量份微硅粉，6重量份过氧碳酸钙分别磨细后，与（2）中所述水泥基复合材料混合，搅拌混合至均匀，得到目标充填材料；

（4）按照25 kg重量将材料进行分袋包装，干燥环境下储存备用。

性能测试时，按照水料比2:1直接与水混合，搅拌均匀后浇注到模具中制成材料试样。测试结果显示，该材料凝固时间为6 min，终凝抗压强度为65 MPa。

实施例3

本实施例所用原料为：磷铝酸盐水泥25重量份，粉煤灰30重量份，微硅粉30重量份，发泡剂碳酸氢钠8重量份，多壁碳纳米管0.1重量份，表面活性剂0.3重量份。

本实施例采用以下步骤制备充填材料：

（1）将0.1重量份碳纳米管，0.3重量份表面活性剂依次加入到约5重量份蒸馏水中，搅拌至分散均匀，得到浆料；

（2）将（1）中所述浆料与25重量份的磷铝酸盐水泥混合，搅拌至均匀，得到水泥基复合材料；

（3）将30重量份粉煤灰，30重量份微硅粉，8重量份碳酸氢钠分别磨细后，与（2）中所述水泥基复合材料混合，搅拌混合至均匀，得到目标充填材料；

（4）按照25 kg重量将材料进行分袋包装，干燥环境下储存备用。

性能测试时，按照水料比2:1直接与水混合，搅拌均匀后浇注到模具中制成材料试样。测试结果显示，该材料凝固时间为6 min，终凝抗压强度为68 MPa。

Claims (8)

1.一种高强度矿用无机发泡充填材料，其特征在于，包含以下重量份的组份：

水泥 15~30重量份

粉煤灰 25~40重量份

微硅粉 25~35重量份

发泡剂 3~10重量份

碳纳米管 0.01~0.2重量份

表面活性剂 0.01~0.6重量份。

2.根据权利要求1所述高强度矿用无机发泡充填材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥、磷酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或磷铝酸盐水泥中的至少一种；作为优选，所述水泥为硫铝酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述高强度矿用无机发泡充填材料，其特征在于，所述粉煤灰为煤炭燃烧过程中产生的微粒，粒径为1~100μm；作为优选，其粒径为1~50μm。

4.根据权利要求1所述高强度矿用无机发泡充填材料，其特征在于，所述微硅粉为硅冶炼工业中的副产物，粒径为0.1~1μm；作为优选，其粒径为0.1~0.3μm。

5.根据权利要求1所述高强度矿用无机发泡充填材料，其特征在于，所述发泡剂为无机发泡剂，可以为碳酸钙、碳酸镁、碳酸氢钠、过氧碳酸钠、过氧碳酸钙中的至少一种；作为优选，可以为过氧碳酸钠、过氧碳酸钙中的至少一种。

6.根据权利要求1所述高强度矿用无机发泡充填材料，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其外径为10~50 nm，长度为5~20μm。

7.根据权利要求1所述高强度矿用无机发泡充填材料，其特征在于，所述表面活性剂用于分散所述碳纳米管。

8.一种高强度矿用无机发泡充填材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）将一定重量份的碳纳米管，表面活性剂依次加入到少量蒸馏水中，搅拌至分散均匀，得到浆料；

（2）将（1）中所述浆料与一定重量份的水泥混合，搅拌至均匀，得到水泥基复合材料；

（3）将一定重量份的粉煤灰，微硅粉，发泡剂分别磨细后，与（2）中所述水泥基复合材料混合，搅拌混合至均匀，得到目标材料；

（4）按照指定重量将材料进行分袋包装，干燥环境下储存备用。