CN113603412A - 一种煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其包括如下配比的原料：天然砂30‑60重量份、机制砂5‑30重量份数、粉煤灰20‑30重量份数、短纤维材料0.6‑1.0％体积百分数、水泥150‑300重量份数、消泡剂1‑2重量份数、减水剂3‑8重量份数、速凝剂5‑15重量份数；其中，所述机制砂是由建筑废弃物粉碎后再经包覆处理制成的。本发明通过依次对机制砂进行硅酸钠溶液浸渍处理、氨基硅烷偶联剂预处理以及纤维素包覆处理，使得建筑废弃物能够高效的用于干混喷浆材料中，减少了建筑垃圾的产生，减少了环境污染。
Description
技术领域
本发明是关于煤矿井下支护工程技术领域，特别是关于一种煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物及其制法。
背景技术
混凝土喷浆材料具有机械化程度高、施工周期快、节省人力等特点，已经广泛应用于房屋、隧道的建设，特别在煤炭开采领域，混凝土喷浆材料更具有重要意义。
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、碎石砸落以及巷道防渗漏水、美化巷道等，需要对巷道进行混凝土喷浆支护。传统的喷浆支护工艺是湿式喷浆工艺：即现场将一定配比的水泥，砂石等搅拌均匀，采用风力输送至湿喷机，在湿式喷浆机的出口处与水混合形成喷射混凝土，喷射到岩层表面，固化后对岩层进行保护。这种潮式喷浆工艺的缺点是：现场需要占用较大巷道宝贵空间存放水泥和砂石；水泥、砂和石子干搅拌时产生较大粉尘，对现场操作人员的身体健康损坏和环境污染较大；喷浆到岩面上的水泥混凝土粘聚性较差，回弹料较多，浪费较大。
干混喷浆材料采用井上混合工艺和井下湿喷技术，井下现场粉尘污染大大降低，对操作人员身体健康带来保证，减少了由粉尘污染造成的工人尘肺病的发生。
我国乃至全球每年均产生大量的建筑废弃物，以后将会转变为大量的建筑垃圾，对环境造成污染，如何有效的利用建筑废弃物是世界上现存的难题。并且如何解决煤矿井下喷浆材料消耗量大，煤矿井下浆体材料经济成本高，喷浆材料性能效果不理想的问题，已成为制约我国煤矿安全、绿色开采过程中面临的技术难题。鉴于此，本发明使用建筑废弃物作为煤矿井下喷浆材料的机制砂使用，将很好的解决以上两大难题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
建筑废弃物在经破碎制成颗粒时，在外用机械力作用下，产生较多细微裂纹，这些裂纹在很大程度上降低由其制备的混凝土的机械强度。另外，废弃混凝土机制砂在使用时，表面亲水性不充分，与混凝土的成分相容性不好，制成的混凝土容易产生离析现象。为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物及其制备方法，将建筑废弃物制成机制砂，作为天然砂的替代品用作混凝土的掺入料，有着巨大的生态效益与经济效益。首先用水将破碎混凝土进行洗涤，干燥，然后用硅酸钠溶液进行浸渍处理，最后采用纤维素溶液进行包覆处理。经过上述处理，明显提高混凝土废弃物与混凝土成分的相容性，并显著提高制备的混凝土的机械强度。
本发明的目的在于提供一种煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其包括如下配比的原料：天然砂30-60重量份、机制砂5-30重量份数、粉煤灰20- 30重量份数、短纤维材料0.6-1.0％体积百分数、水泥150-300重量份数、消泡剂1-2重量份数、减水剂3-8重量份数、速凝剂5-15重量份数；其中，所述机制砂是由建筑废弃物粉碎后再经包覆处理制成的。
进一步的，所述干混喷浆材料组合物包括如下配比的原料：天然砂40-50 重量份、机制砂10-20重量份数、粉煤灰22-28重量份数、短纤维材料0.7-0.9％体积百分数、水泥180-250重量份数、消泡剂1.2-1.8重量份数、减水剂4-6重量份数、速凝剂8-12重量份数。
更进一步的，所述干混喷浆材料组合物包括如下配比的原料：天然砂4重量45份、机制砂15重量份数、粉煤灰25重量份数、短纤维材料0.8％体积百分数、水泥200重量份数、消泡剂1.5重量份数、减水剂5重量份数、速凝剂 10重量份数。
进一步的，所述包覆处理是指用纤维素溶液对粉碎后的建筑废弃物进行包覆处理。
进一步的，所述机制砂的制备方法包括以下步骤：
(1)依次对建筑废弃物进行破碎、筛分得到直径为3-5mm的建筑废弃物颗粒，对所述建筑废弃物颗粒进行水洗，得到经水洗的建筑废弃物颗粒；
(2)用7％浓度的硅酸钠水溶液对步骤(1)所述经水洗的建筑废弃物颗粒浸渍，得到经浸渍的建筑废弃物颗粒；
(3)采用氨基硅烷偶联剂和氨水对步骤(2)所述经浸渍处理的建筑废弃物颗粒进行预处理反应，加入纤维素溶液进行包覆处理，得到所述机制砂。
硅酸钠溶液浸渍机制砂，硅酸钠浸入机制砂的裂缝中，对裂缝进行粘结填充，同时硅酸钠在机制砂的表面形成致密的包覆层，从而提高机制砂颗粒的机械强度，增强混凝土的强度。
氨基硅烷偶联剂在氨水的作用下，发生水解，形成的硅羟基与机制砂颗粒表面发生缩合，氨基硅烷偶联剂的氨基使机制砂表面带负电，然后经静电相互作用，吸附纤维素尤其是羟基纤维素到机制砂颗粒表面，形成包覆层，纤维素具有非常优异亲水性能，加入到混凝土中，与混凝土的组分良好混合，从而避免形成的混凝土的离析；另外纤维素具有明显的增稠作用，也进一步避免混凝土的离析。
更进一步的，所述机制砂的制备方法包括以下步骤：
(1)将建筑废弃物置于颚式破碎机中进行破碎，并经振动筛筛分得到直径为3-5mm的建筑废弃物颗粒，将颗粒水洗，并过筛分离、晾干，得到经水洗的建筑废弃物颗粒；
(2)将步骤(1)所述经水洗的建筑废弃物颗粒置于浸渍池内，用7％浓度的硅酸钠水溶液对所述经水洗的建筑废弃物颗粒浸渍2-3小时，固液分离，得到经浸渍的建筑废弃物颗粒；
(3)将步骤(2)所述经浸渍处理的建筑废弃物颗粒转移于反应池中，向反应池中加入氨基硅烷偶联剂，再滴加氨水，预处理反应0.5-2小时后，加入纤维素溶液进行包覆处理0.5-2小时，经筛分过滤得到所述机制砂。
进一步的，所述氨基硅烷偶联剂与氨水摩尔比为0.5-1.5:3；优选的，所述氨基硅烷偶联剂与氨水摩尔比为0.8-1.2:3；
和/或，所述氨基硅烷偶联剂与纤维素的摩尔比为0.8-1.2:1；优选的，所述氨基硅烷偶联剂与纤维素的摩尔比为0.9-1.1:1。
进一步的，所述氨基硅烷偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷、N-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。优选的，氨基硅烷偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷。3-氨丙基三甲氧基硅烷是一种具有反应性的硅烷偶联剂，容易发生水解反应和交联反应，对机制砂的处理效果更优。
进一步的，所述纤维素为纤维素醚、纤维素酯中的一种或两种；优选的，纤维素醚为羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、甲基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素中的一种或多种；更优选的，羟乙基纤维素的熔点为288-290℃、密度为 0.7-0.8g/cm3。羟乙基纤维素具有良好的增稠、悬浮、分散、乳化、粘合、成膜、保护水分和提供保护胶体等特性，是含高浓度电解质溶液的一种优良的胶体增稠剂。
进一步的，所述速凝剂是由铝氧熟料、碳酸钠、氧化钙按照质量比1:1.5- 2.5:0.5的配比，经球磨混合而成。
进一步的，所述短纤维材料为聚丙烯纤维、钢纤维、玻璃纤维中的一种或多种；
和/或，所述硅酸钠的模数为3.1-3.4；
和/或，所述天然砂的颗粒直径为2.5-3.3mm，选自河沙和/或海沙；
和/或，所述粉煤灰为I级粉煤灰，其中，烧失量≤5％,含水率≤1％，需水量比≤95％；
和/或，所述减水剂为聚羧酸类减水剂、木质素磺酸盐减水剂中的一种或两种。
进一步，所述干混喷浆材料还可包括早强剂、阻锈剂中的一种或两种种；其中，
所述早强剂为氯盐、硫酸盐、有机胺中的一种或多种；优选的，有机胺为三乙醇胺、二异丙醇胺、甲基二乙醇胺、二甲基乙醇胺中的一种或多种；
所述阻锈剂为亚硝酸盐；优选的，所述亚硝酸盐为亚硝酸钠、亚硝酸钙、亚硝酸钾中的一种或多种。
本发明的另一个目的还提供了一种煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物的制备方法，该制备方法主要包括以下步骤：
1)向混合设备中加入天然砂、机制砂、粉煤灰、纤维混合10-15分钟，得到混合物一，其中，机制砂是由建筑废弃物粉碎后再经包覆处理制成的；
2)向步骤1)中所述混合物一种加入水泥、消泡剂、减水剂，混合8-12 分钟，得到混合物二；
3)向步骤2)中所述混合物二中加入速凝剂，混合2分钟，得到所述煤矿井下巷道用干混喷浆材料。
与现有技术相比，本发明煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物具有如下优点：
(1)本发明采用建筑废弃物制成机制砂，代替部分天然砂加入干混喷浆材料组合物中，通过对机制砂进行合理的处理，所得干混喷浆材料的抗压强度仅有轻微的下降，还可以满足干混喷浆材料所需的强度，将建筑废弃物转变为具有实用价值的产品，能够减少建筑废弃物转变为建筑垃圾的几率，节省了建筑废弃物的处理工序，从而很大程度上减少了环境污染。
(2)本发明对建筑废弃物制成的机制砂采用硅酸钠浸渍处理后，混凝土的强度明显提升，强度提升大约50-60％，采用氨基硅烷偶联剂和纤维素协同处理机制砂，进一步避免混凝土的离析，并且减少了混凝土的回弹率。
(3)本发明在用氨基硅烷偶联剂处理机制砂的过程中采用滴加氨水的方式进行预处理反应，提供了相对稳定的酸碱环境，增强了氨基硅烷偶联剂对机制砂的处理效果，并且提升了氨基硅烷偶联剂与纤维素协同处理机制砂的包覆效果。
(4)本发明将粉煤灰掺入喷浆材料，粉煤灰中含有大量活性的SiO2和 Al2O3，在潮湿的环境中与水泥的水化产物Ca(OH)2等碱性物质发生二次水化反应，生成水化硅酸钙、铝酸钙等胶凝物质，对喷浆材料能起到增强作用，同时填充喷浆的孔隙，降低喷浆材料凝固成型后的气孔率，提高砂浆硬化后的抗挤压能力。
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。
本发明提供一种煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其包括如下配比的原料：天然砂30-60重量份、机制砂5-30重量份数、粉煤灰20-30重量份数、短纤维材料0.6-1.0％体积百分数、水泥150-300重量份数、消泡剂1-2重量份数、减水剂3-8重量份数、速凝剂5-15重量份数；其中，所述机制砂是由建筑废弃物粉碎后再经包覆处理制成的。
水泥，可为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥其一，优选普通硅酸盐水泥。
纤维材料，选用聚丙烯纤维、钢纤维、玻璃纤维其中之一，优选钢纤维。
硅酸钠的模数为3.1-3,4。
天然砂的颗粒尺寸范围2.5-3.3mm，使用前经过筛处理，选自河沙、海沙，优选河沙。
废弃混凝土为混凝土建筑拆迁废料，使用前经分拣除去钢筋、木材或塑料废物。
羟乙基纤维素，熔点288-290摄氏度，密度0.75克/立方厘米。
粉煤灰为Ⅰ级粉煤，烧失量≤5％,含水率≤1％，需水量比≤95％。
消泡剂，选用有机硅类消泡剂或聚醚类消泡剂，优选聚醚类消泡剂。
速凝剂，其由铝氧熟料、碳酸钠、氧化钙按照1:2:0.5的配比，球磨混合而成。
减水剂，选用聚羧酸类减水剂、木质素磺酸盐减水剂中的一种，优选聚羧酸类减水剂。
所述机制砂的制备方法包括以下步骤：(1)将建筑废弃物置于颚式破碎机中进行破碎，并经振动筛筛分得到直径为4.5mm的建筑废弃物颗粒，将颗粒水洗，并过筛分离、晾干，得到经水洗的建筑废弃物颗粒；(2)将步骤(1) 所述经水洗的建筑废弃物颗粒置于浸渍池内，用7％浓度的硅酸钠水溶液对所述经水洗的建筑废弃物颗粒浸渍2.5小时，固液分离，得到经浸渍的建筑废弃物颗粒；(3)将步骤(2)所述经浸渍处理的建筑废弃物颗粒转移于反应池中，向反应池中加入3-氨丙基三乙氧基硅烷，再滴加氨水，预处理反应1.5小时后，加入羟乙基纤维素溶液进行包覆处理1.5小时，经筛分过滤得到所述机制砂。
实施例1
煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物的制备方法，该制备方法主要包括以下步骤：1)向混合设备中加入天然砂河沙60重量份、机制砂5重量份、粉煤灰25重量份、钢纤维0.8％体积百分数混合15分钟，得到混合物一；2)向步骤1)中所述混合物一种加入硅酸盐水泥200重量份、聚醚类消泡剂1.6重量份、聚羧酸类减水剂5重量份混合10分钟，得到混合物二；3)向步骤2) 中所述混合物二中加入速凝剂10重量份混合2分钟，得到所述煤矿井下巷道用干混喷浆材料。
实施例2
煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物的制备方法，该制备方法主要包括以下步骤：1)向混合设备中加入天然砂河沙50重量份、机制砂10重量份、粉煤灰25重量份、钢纤维0.8％体积百分数混合15分钟，得到混合物一；2) 向步骤1)中所述混合物一种加入硅酸盐水泥200重量份、聚醚类消泡剂1.6 重量份、聚羧酸类减水剂5重量份混合10分钟，得到混合物二；3)向步骤 2)中所述混合物二中加入速凝剂10重量份混合2分钟，得到所述煤矿井下巷道用干混喷浆材料。
实施例3
煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物的制备方法，该制备方法主要包括以下步骤：1)向混合设备中加入天然砂河沙40重量份、机制砂20重量份、粉煤灰25重量份、钢纤维0.8％体积百分数混合15分钟，得到混合物一；2) 向步骤1)中所述混合物一种加入硅酸盐水泥200重量份、聚醚类消泡剂1.6 重量份、聚羧酸类减水剂5重量份混合10分钟，得到混合物二；3)向步骤 2)中所述混合物二中加入速凝剂10重量份混合2分钟，得到所述煤矿井下巷道用干混喷浆材料。
实施例4
煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物的制备方法，该制备方法主要包括以下步骤：1)向混合设备中加入天然砂河沙30重量份、机制砂30重量份、粉煤灰25重量份、钢纤维0.8％体积百分数混合15分钟，得到混合物一；2) 向步骤1)中所述混合物一种加入硅酸盐水泥200重量份、消泡剂聚醚类消泡剂1.6重量份、减水剂聚羧酸类减水剂5重量份混合10分钟，得到混合物二； 3)向步骤2)中所述混合物二中加入速凝剂10重量份混合2分钟，得到所述煤矿井下巷道用干混喷浆材料。
对比例1：
对比例1的原料配方与实施例3中原料配方一致，而对比例1与实施例 3区别是，对比例1中使用的机制砂不经过硅酸钠溶液浸渍处理。
对比例2：
对比例2的原料配方与实施例3中原料配方一致，而对比例2与实施例 3区别是，对比例2中使用的机制砂不经3-氨丙基三乙氧基硅烷、羟乙基纤维素步骤处理。
对上述实施例和对比例所得的干混喷浆材料进行如下性能测试：
抗压强度测试，喷涂完成，标准养护24小时后，对所得干混喷浆材料进行抗压强度试验。
上述实施例和对比例所得干混喷浆材料的抗压强度和离析情况如下表所示：
| 抗压强度(MPa) | 离析情况 | |
| 实施例1 | 45.5 | 无 |
| 实施例2 | 43.8 | 无 |
| 实施例3 | 41.1 | 无 |
| 实施例4 | 31.3 | 无 |
| 对比例1 | 25.9 | 无 |
| 对比例2 | 30.4 | 轻微离析现象 |
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 (10)
1.一种煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，所述干混喷浆材料组合物包括如下重量份数的原料：天然砂30-60重量份、机制砂5-30重量份数、粉煤灰20-30重量份数、短纤维材料0.6-1.0％体积百分数、水泥150-300重量份数、消泡剂1-2重量份数、减水剂3-8重量份数、速凝剂5-15重量份数；其中，所述机制砂是由建筑废弃物粉碎后再经包覆处理制成的。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，所述包覆处理是指用纤维素溶液对粉碎后的建筑废弃物进行包覆处理。
3.根据权利要求1所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，所述机制砂的制备方法包括以下步骤：
(1)依次对建筑废弃物进行破碎、筛分得到直径为3-5mm的建筑废弃物颗粒，对所述建筑废弃物颗粒进行水洗，得到经水洗的建筑废弃物颗粒；
(2)用7％浓度的水玻璃溶液对步骤(1)所述经水洗的建筑废弃物颗粒浸渍，得到经浸渍的建筑废弃物颗粒；
(3)采用氨基硅烷偶联剂和氨水对步骤(2)所述经浸渍处理的建筑废弃物颗粒进行预处理反应，加入纤维素溶液进行包覆处理，得到所述机制砂。
4.根据权利要求3所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，所述氨基硅烷偶联剂与氨水摩尔比为0.5-1.5:3；优选的，所述氨基硅烷偶联剂与氨水摩尔比为0.8-1.2:3；
和/或，所述氨基硅烷偶联剂与纤维素的摩尔比为0.8-1.2:1；优选的，所述氨基硅烷偶联剂与纤维素的摩尔比为0.9-1.1:1。
5.根据权利要求3所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，所述氨基硅烷偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷、N-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-氨乙基-3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种或多种。
6.根据权利要求3所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，所述纤维素为纤维素醚、纤维素酯中的一种或两种；优选的，纤维素醚为羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、甲基羟乙基纤维素、甲基羟丙基纤维素中的一种或多种；更优选的，羟乙基纤维素的熔点为288-290℃、密度为0.7-0.8g/cm3。
7.根据权利要求2或3所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，所述速凝剂是由铝氧熟料、碳酸钠、氧化钙按照质量比1:1.5-2.5:0.5的配比，经球磨混合而成。
8.根据权利要求1所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，
所述短纤维材料为聚丙烯纤维、钢纤维、玻璃纤维中的一种或多种；
和/或，所述硅酸钠的模数为3.1-3.4；
和/或，所述天然砂的颗粒直径为2.5-3.3mm，选自河沙和/或海沙；
和/或，所述粉煤灰为I级粉煤灰，其中，烧失量≤5％,含水率≤1％，需水量比≤95％；
和/或，所述减水剂为聚羧酸类减水剂、木质素磺酸盐减水剂中的一种或两种。
9.根据权利要求1所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物，其特征在于，所述干混喷浆材料还可包括早强剂、阻锈剂中的一种或两种；其中，
所述早强剂为氯盐、硫酸盐、有机胺中的一种或多种；优选的，有机胺为三乙醇胺、二异丙醇胺、甲基二乙醇胺、二甲基乙醇胺中的一种或多种；
所述阻锈剂为亚硝酸盐；优选的，所述亚硝酸盐为亚硝酸钠、亚硝酸钙、亚硝酸钾中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的煤矿井下巷道用干混喷浆材料组合物的制备方法，其特征在于，该制备方法主要包括以下步骤：
1)向混合设备中加入天然砂、机制砂、粉煤灰、纤维混合10-15分钟，得到混合物一，其中，机制砂是由建筑废弃物粉碎后再经包覆处理制成的；
2)向步骤1)中所述混合物一种加入水泥、消泡剂、减水剂，混合8-12分钟，得到混合物二；
3)向步骤2)中所述混合物二中加入速凝剂，混合2分钟，得到所述煤矿井下巷道用干混喷浆材料。
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