CN113603401B - 煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料及制法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料及制法和使用方法，所述硬化材料包括以下重量份的原料：水泥90～120份、天然砂70～80份、粉煤灰20～30份、硅灰10～17份、矿渣25～36份、石子240～300份、速凝剂6～7份、减水剂2～3份，其中所述速凝剂为聚合磷酸铝、氢氧化钠、铝氧熟料的混合物。通过加入聚合磷酸铝、氢氧化钠、铝氧熟料的混合物作为速凝剂，加快了混凝土底板的凝结速度，同时还能够有效利用粉煤灰、硅灰、冶金矿渣等固体废物，部分替代河沙、沙丘沙、海砂等天然砂资源，具有凝结时间短、效率高、强度高、成本低等优点。

Description

煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料及制法和使用方法

技术领域

本发明是关于煤矿井下工程技术领域，特别是关于煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料及制法和使用方法。

背景技术

我国是一个煤炭生产和消费大国，据国家统计局统计，2020年我国原煤产量约39亿吨。煤矿井下巷道是开采煤炭，运输煤炭的必不可少的通道。为了保证井下巷道的畅通，防止岩石进一步开裂以及巷道防渗漏水、美化巷道等，需要对巷道修筑混凝土底板。现有材料修筑混凝土底板往往凝固时间较长，材料使用也比较多，成本较高。

另一方面，河沙、沙丘沙、海砂等天然掺入料资源有限，开采成本逐年增加，国家明文禁止滥挖滥采，急需寻求替代资源。现代工业化生产产生大量粉煤灰、硅灰、冶金矿渣等固体废物，堆积放置浪费土地资源，污染环境，进一步处置技术要求高，成本大，明显增加企业负担，急需可循环利用途径等；采用粉煤灰、硅灰、冶金矿渣等固体废物，部分替代河沙、沙丘沙、海砂等天然砂资源生产喷射混凝土，是一条缓解不可再生自然资源枯竭困境、解决大量固体废物有待资源化利用的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，其通过加入聚合磷酸铝、氢氧化钠、铝氧熟料的混合物作为速凝剂，加快了混凝土底板的凝结速度，同时还能够有效利用粉煤灰、硅灰、冶金矿渣等固体废物，部分替代河沙、沙丘沙、海砂等天然砂资源，具有凝结时间短、效率高、强度高、成本低等优点。

本发明的另一目的在于提供一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料的使用方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥90～120份、天然砂70～80份、粉煤灰20～30份、硅灰10～17份、矿渣25～36份、石子240～300份、速凝剂6～7份、减水剂2～3份，其中所述速凝剂为聚合磷酸铝、氢氧化钠、铝氧熟料的混合物。

在本发明的一实施方式中，所述煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料包括以下重量份的原料：水泥96～112份、天然砂72～78份、粉煤灰25份、硅灰12～15份、矿渣30份、石子270份、速凝剂6～7份、减水剂2～3份。

在本发明的一实施方式中，所述煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料包括以下重量份的原料：水泥105份、天然砂75份、粉煤灰25份、硅灰14份、矿渣30份、石子270份、速凝剂7份、减水剂2份。

在本发明的一实施方式中，所述水泥为硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，所述天然砂为河沙或海砂，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，所述硅灰为80～100目的硅灰，所述矿渣为高炉矿渣或铬铁合金矿渣，所述石子为直径4～10mm的石子，所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述速凝剂含有0.75～1.5重量份的聚合磷酸铝、0.75～1.5重量份的氢氧化钠、0.75～1.5重量份的铝氧熟料。

在本发明的一实施方式中，所述速凝剂含有1重量份的聚合磷酸铝、1重量份的氢氧化钠、1重量份的铝氧熟料。

在本发明的一实施方式中，所述矿渣为粒径小于5mm的颗粒状矿渣。

本发明还提供了以上煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料的制备方法，包括以下步骤：

将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛，去掉大块的杂质成分备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂、引气剂、增强纤维等原料按照重量比例加入搅拌釜内，搅拌10～20分钟，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

在本发明的一实施方式中，所述矿渣原料研磨后的颗粒粒径小于5mm。

本发明又提供了以上煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料与水按4～5:1的重量比搅拌混合5～15分钟，成混凝土浆，注入底板模具中，抹平即可。

与现有技术相比，本发明的煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料具有凝结时间短、效率高、强度高、成本低的优点。本发明的速凝剂含有聚合磷酸铝、氢氧化钠和铝氧熟料，可降低单独使用铝氧熟料短效的缺陷，并有利于加快混凝土底板快速硬化材料的凝结速度，缩短施工时间，同时增强混凝土底板快速硬化材料的最终硬化强度。本发明的粉煤灰加入快速硬化材料中，粉煤灰与水泥成分中的碱性成分反应，生成硅酸钙成分，提高快速硬化材料的部分空隙，增加快速硬化材料的强度，另外，粉煤灰中玻璃体煤胞吸附水量少，减少快速硬化材料干燥硬化时的体积收缩，降低硬化后的开裂性。矿渣的加入可降低快速硬化材料的水化热，明显提高快速硬化材料的抗压强度以及抗侵蚀能力，还能降低制备快速硬化材料的成本。硅灰，颗粒细小，利用微填充效应，细化混凝土的孔结构，利于提高快速硬化材料的早期和养护结束后的后期强度，并且与聚羧酸减水剂的配合使用，不会明显提高制备快速硬化材料的需水量。进一步的，速凝剂也会提高试样最终强度，究其原因，可能是速凝剂中的氢氧化钠进一步增强了水泥与粉煤灰、硅灰、矿渣的活化反应，产生的胶凝特性促使对骨料的粘结固化，最终提高混凝土的机械强度。通过以粉煤灰、硅灰、矿渣替代部分天然砂，不仅可提高最终产品的强度，还可节省较大的生产原料成本，显然在工业生产中是有利的。

本发明的煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料的制备方法，在使用前将粉煤灰经过滤处理，过滤掉一些大块的杂质成分，有利于快速硬化材料的均匀性，避免杂质对混凝土的强度产生不利影响；将矿渣研磨为粒径小于5mm的颗粒，可明显增加比表面积，提高反应活性，提高与混凝土中其他组分的接触面积，加快反应速度，提高混凝土的硬化速度。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

实施例1

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥90份、天然砂70份、Ⅰ级粉煤灰30份、80～100目硅灰17份、矿渣25份、直径4～10mm石子240份、速凝剂6份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂含有0.75重量份的聚合磷酸铝、0.75重量份的氢氧化钠、1.5重量份的铝氧熟料。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

实施例2

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥96份、天然砂70份、Ⅰ级粉煤灰25份、80～100目硅灰15份、矿渣30份、直径4～10mm石子270份、速凝剂6份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂含有0.75重量份的聚合磷酸铝、1.5重量份的氢氧化钠、1.5重量份的铝氧熟料。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

实施例3

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥105份、天然砂75份、Ⅰ级粉煤灰25份、80～100目硅灰15份、矿渣30份、直径4～10mm石子270份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂含有1重量份的聚合磷酸铝、1重量份的氢氧化钠、1重量份的铝氧熟料。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

实施例4

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥112份、天然砂75份、Ⅰ级粉煤灰25份、80～100目硅灰10份、矿渣30份、直径4～10mm石子285份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂3份，其中所述速凝剂含有1.5重量份的聚合磷酸铝、1.5重量份的氢氧化钠、0.75重量份的铝氧熟料。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

实施例5

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥120份、天然砂80份、Ⅰ级粉煤灰20份、80～100目硅灰10份、矿渣36份、直径4～10mm石子300份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂3份，其中所述速凝剂含有1.5重量份的聚合磷酸铝、0.75重量份的氢氧化钠、0.75重量份的铝氧熟料。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

实施例6

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥105份、天然砂75份、Ⅰ级粉煤灰25份、80～100目硅灰15份、矿渣30份、直径4～10mm石子270份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂含有0.75重量份的聚合磷酸铝、1.5重量份的氢氧化钠、1.5重量份的铝氧熟料。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

实施例7

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥105份、天然砂75份、Ⅰ级粉煤灰25份、80～100目硅灰15份、矿渣30份、直径4～10mm石子270份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂含有1.5重量份的聚合磷酸铝、0.75重量份的氢氧化钠、0.75重量份的铝氧熟料。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例1

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥90份、天然砂70份、Ⅰ级粉煤灰30份、80～100目硅灰17份、矿渣25份、直径4～10mm石子240份、聚羧酸减水剂2份。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例2

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥96份、天然砂70份、Ⅰ级粉煤灰25份、80～100目硅灰15份、矿渣30份、直径4～10mm石子270份、聚羧酸减水剂2份。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例3

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥105份、天然砂75份、Ⅰ级粉煤灰25份、80～100目硅灰15份、矿渣30份、直径4～10mm石子270份、聚羧酸减水剂2份。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例4

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥112份、天然砂75份、Ⅰ级粉煤灰25份、80～100目硅灰10份、矿渣30份、直径4～10mm石子285份、聚羧酸减水剂3份。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例5

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥120份、天然砂80份、Ⅰ级粉煤灰20份、80～100目硅灰10份、矿渣36份、直径4～10mm石子300份、聚羧酸减水剂3份。将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例6

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥90份、天然砂70份、直径4～10mm石子240份、速凝剂6份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂含有0.75重量份的聚合磷酸铝、0.75重量份的氢氧化钠、1.5重量份的铝氧熟料。将所述天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例7

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥96份、天然砂70份、直径4～10mm石子270份、速凝剂6份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂含有0.75重量份的聚合磷酸铝、1.5重量份的氢氧化钠、1.5重量份的铝氧熟料。将所述天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例8

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥105份、天然砂75份、直径4～10mm石子270份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂含有1重量份的聚合磷酸铝、1重量份的氢氧化钠、1重量份的铝氧熟料。将所述天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例9

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥112份、天然砂75份、直径4～10mm石子285份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂3份，其中所述速凝剂含有1.5重量份的聚合磷酸铝、1.5重量份的氢氧化钠、0.75重量份的铝氧熟料。将所述天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

对比例10

一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，包括以下重量份的原料：水泥120份、天然砂80份、直径4～10mm石子300份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂3份，其中所述速凝剂含有1.5重量份的聚合磷酸铝、0.75重量份的氢氧化钠、0.75重量份的铝氧熟料。将所述天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料强度检测：

首先制作尺寸为450mm*350mm*120mm的模具，其一面敞开，将模具接近垂直放置，移动混凝土喷头，向模具内逐层喷满混凝土，将模具水平放置，采用刮刀刮平，在标准养护条件下养护24h后脱模，加工成10cm立方体的试块，继续在标准养护条件下养护28天后，实验测量试块的强度。

检测结果

从检测结果我们可以看出，相比没有加速凝剂的对比例1～5，实施例1～5的初凝时间和终凝时间都显著缩短，以实施例3和对比例3为例，初凝时间从82分钟缩短到12分钟，缩短比例高达85.4％，终凝时间从625分钟缩短到128分钟，缩短比例也达到了79.5％。同时，由实施例1～5制备的混凝土试样在经过28天的养护后，抗压强度均达到了31.2MPa以上，说明使用粉煤灰、硅灰、矿渣代替部分天然砂是可行的。根据现有经验，通常认为加入速凝剂会降低混凝土的强度，对比例6～10与对比例1～5的对比也大体可以说明这一点，但实施例1～5与对比例1～5相比，强度并未出现明显降低，而且与对比例6～10(区别在于对比例6～10省略了粉煤灰、硅灰、矿渣)相比，强度显著升高。究其原因，可能是将粉煤灰加入混凝土后，粉煤灰与水泥成分中的碱性成分反应，生成硅酸钙成分，提高混凝土的部分空隙，增加混凝土的强度，加入矿渣可降低混凝土的水化热，明显提高混凝土的抗压强度以及抗侵蚀能力，硅灰则可能凭借其颗粒细小的优势，利用微填充效应，细化混凝土的孔结构，从而提高混凝土的早期和养护结束后的后期强度，三者配合，共同提高了混凝土的最终强度。进一步的，速凝剂也会提高试样最终强度，究其原因，可能是速凝剂中的氢氧化钠进一步增强了水泥与粉煤灰、硅灰、矿渣的活化反应，产生的胶凝特性促使对骨料的粘结固化，最终提高混凝土的机械强度。通过以粉煤灰、硅灰、矿渣替代部分天然砂，不仅可提高最终产品的强度，还可节省较大的生产原料成本，显然在工业生产中是有利的。实施例6和7与实施例3相比，区别仅在速凝剂配比上有所不同，通过实验数据对比可以发现，实施例6、7与实施例3相比，不论在初凝时间、终凝时间还是抗压强度方面，均存在显著差距，说明实施例3技术方案中速凝剂的配比为最优配比。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，其特征在于，所述快速硬化材料包括以下重量份的原料：水泥105份、天然砂75份、Ⅰ级粉煤灰25份、80~100目硅灰15份、矿渣30份、直径4~10mm石子270份、速凝剂7份、聚羧酸减水剂2份，其中所述速凝剂由1重量份的聚合磷酸铝、1重量份的氢氧化钠、1重量份的铝氧熟料组成；其制备方法为：将矿渣原料研磨成均匀颗粒状矿渣备用；将粉煤灰过筛备用；将所述颗粒状矿渣、硅灰、粉煤灰、天然砂、石子、水泥、减水剂、速凝剂加入搅拌釜内，搅拌，得到煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料。

2.根据权利要求1所述的煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，所述天然砂为河沙或海砂，所述矿渣为高炉矿渣或铬铁合金矿渣。

3.根据权利要求2所述的煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料，其特征在于，所述矿渣为粒径小于5mm的颗粒状矿渣。

4.权利要求1所述的煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述煤矿井下巷道混凝土底板快速硬化材料与水按4~5:1的重量比搅拌混合，成混凝土浆，注入底板模具中，抹平即可。