CN113912360B - 固化材料、应用及应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固化材料、应用及应用方法，具体涉及尾砂堆存技术领域。该固化材料包括粉体固化材料和液体固化材料；液体固化材料包括羧基丁苯胶乳。液体固化材料包括羧基丁苯乳胶2‑8份。所述粉体固化材料包括矿渣粉、生石灰和水泥；粉体固化材料包括按质量份数计的矿渣粉50‑65份、生石灰15‑30份和水泥4‑10份，还包括纤维2‑10份。本发明提供的固化材料降低了水泥的用量，稳固了尾砂中的重金属元素Pb、Mn、Cr等，阻隔其运移到土壤等中，减少了尾砂对环境的污染，并且增强了固结体的稳定性，具有良好的经济和社会价值。

Description

固化材料、应用及应用方法
技术领域
本发明涉及尾砂堆存技术领域，尤其是涉及一种固化材料、应用及应用方法。
背景技术
尾矿砂（尾砂）是矿石选别后遗留下的固体废料，由于尾砂不能全部用于井下充填，必然有一部分结余尾砂需要处理，因此结余尾砂的无害化处理成了矿业的热点问题。
尾砂的地表无害化堆存是处置结余尾砂的一种方式，尾砂固化的过程是先将尾砂浆体与固化材料进行混合，混合体发生物理或者化学反应实现尾砂固结的过程。有些矿山的尾砂中含有重金属元素Pb、Mn、Cr等，在自然条件下运移至地表会造成地表土壤等的重金属污染。而且现有的混合体水泥掺量大，在固化过程中易开裂，抗断裂性能差，堆体安全性差。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种固化材料，旨在解决现有固化材料的水泥掺量大，在固化过程中易开裂，抗断裂性能差，堆体安全稳定性差以及未考虑尾砂中的重金属元素对环境的污染问题。
为解决上述技术问题，本发明特采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种固化材料，包括粉体固化材料和液体固化材料；
所述液体固化材料包括羧基丁苯胶乳。
可选地，所述液体固化材料包括按质量份数计的羧基丁苯乳胶2-8份。
可选地，所述粉体固化材料包括矿渣粉、生石灰和水泥。
优选地，所述粉体固化材料包括按质量份数计的矿渣粉50-65份、生石灰15-30份和水泥4-10份。
可选地，所述粉体固化材料还包括按质量份数计的纤维2-10份。
可选地，所述纤维包括玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维和石棉纤维中的至少一种。
可选地，所述粉体固化材料的比表面积为380-600m2/kg。
优选地，所述纤维为聚丙烯纤维。
优选地，所述聚丙烯纤维的密度为0.86-0.91g/cm3。
优选地，所述聚丙烯纤维的直径20-30μm。
优选地，所述聚丙烯纤维的长度6-21mm。
优选地，所述聚丙烯纤维的抗拉强度≥700Mpa。
优选地，所述聚丙烯纤维的断裂延伸率为25-30%。
可选地，所述羧基丁苯胶乳的pH为7-9。
优选地，所述羧基丁苯胶乳的固含量为43-47wt.%。
优选地，所述羧基丁苯胶乳的黏度为10mPa·s-20mPa·s。
优选地，所述羧基丁苯胶乳的苯乙烯质量分数为0.001%-0.01%。
本发明的第二方面提供了所述的固化材料在尾砂堆存中的应用。
本发明的第三方面提供了第二方面所述应用的应用方法，将所述的固化材料与尾砂按照质量比1:12-20混合均匀后堆存。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1．本发明提供的固化材料中高分子材料羧基丁苯胶乳的加入降低了水泥的用量，其呈碱性可稳固尾砂中的重金属元素Pb、Mn、Cr等，阻隔其运移到土壤等中，保护环境。而且固化后能胶结其他原料形成三维铰链网状结构，增强固结体的稳定性；此外，羧基丁苯胶乳是高分子有机化合物，可在微生物的作用下分解到堆体中，为草本植物的生长提供有机物质，进一步保护堆体，防止风吹日晒、雨水冲刷等破坏堆体结构。粉体固化材料与尾砂浆体中的水反应生成碱性物质，可提高尾砂浆体的pH值，进一步稳固尾砂中的重金属元素Pb、Mn、Cr等，减少尾砂对环境的污染，取得良好的经济和社会价值。
2．本发明提供的固化材料在尾砂堆存中的应用，可实现尾砂的地表无害化堆存，并保证堆存体的稳定性和环保性。
3．本发明提供的应用方法，方法简单处理量大，适合大规模推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1形成的固结体的三维铰链网状结构；
图2为实施例1形成的固结体上微生物生长图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置布置和设计。
本发明的第一方面提供了一种固化材料，包括粉体固化材料和液体固化材料；
所述液体固化材料包括羧基丁苯胶乳。
本发明提供的固化材料中高分子材料羧基丁苯胶乳的加入降低了水泥的用量，其呈碱性可稳固尾砂中的重金属元素Pb、Mn、Cr等，阻隔其运移到土壤等中，保护环境。而且固化后能胶结其他原料形成三维铰链网状结构，增强固结体的稳定性；此外，羧基丁苯胶乳是高分子有机化合物，可在微生物的作用下分解到堆体中，为草本植物的生长提供有机物质，进一步保护堆体，防止风吹日晒、雨水冲刷等破坏堆体结构。粉体固化材料与尾砂浆体中的水反应生成碱性物质，提高了尾砂浆体的pH值，可稳固尾砂中的重金属元素Pb、Mn、Cr等，减少尾砂对环境的污染。各原料协同配合共同作用，解决了本申请的技术问题，具有良好的经济和社会价值。
羧基丁苯胶乳是以丁二烯、苯乙烯加少量羧酸及其它助剂，通过乳液聚合生成的共聚物，是一种带有蓝紫色光泽的乳白色水分散体。结合苯乙烯比例较高，具有较高的粘结力和结膜强度，机械及化学稳定性好，流动性、贮存稳定性均佳，填充量大等优点。残留苯类单体甚微，属环保型产品。羧基丁苯胶乳作为固化材料的一部分，可以调节粉体固化材料的空隙，增加尾砂固结体的韧性，提高尾砂固结体的强度和结构稳定性。
可选地，所述液体固化材料包括按质量份数计的羧基丁苯乳胶2-8份。
当羧基丁苯乳胶的质量份数低于2份时，对固化材料的胶结作用微弱；当羧基丁苯乳胶的质量份数高于8份时，会大幅增加固化材料的成本，不利于工业应用。
在本发明的一些实施方式中，羧基丁苯乳胶的质量份数典型但非限制性的为2份、3份、4份、5份、6份、7份或8份。
可选地，所述粉体固化材料包括矿渣粉、生石灰和水泥。
矿渣粉是粒化高炉矿渣粉的简称，是一种优质的混凝土掺合料，由符合GB/T203标准的粒化高炉矿渣，经干燥、粉磨，达到相当细度且符合相当活性指数的粉体。
水泥是粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体，能在空气中硬化或者在水中硬化，并能把矿渣粉、生石灰和羧基丁苯胶乳等材料牢固地胶结在一起。在本发明的技术方案中，对水泥不作限制，可以是硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。水泥的强度等级也不作限制，32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5或62.5R都可以作为水泥原料生产固化材料。
可选地，所述粉体固化材料包括按质量份数计的矿渣粉50-65份、生石灰15-30份和水泥4-10份。
在本发明的一些实施方式中，矿渣粉的质量份数典型但非限制性的为50份、51份、52份、53份、54份、55份、56份、57份、58份、59份、60份、61份、62份、63份、64份或65份；生石灰的质量份数典型但非限制性的为15份、16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份或30份；水泥的质量份数典型但非限制性的为4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份。
当矿渣粉50-65份、生石灰15-30份和水泥4-10份时，形成的粉体固化材料具有良好的基体吸附和固溶能力，既能增加对重金属离子的阻滞作用，同时又能提高固化体的密实度、力学性能及耐久性。
可选地，所述粉体固化材料还包括按质量份数计的纤维2-10份。
纤维可以增强尾砂固结体的塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，防止及抑制尾砂固结体裂缝的形成和发展，大大改善尾砂固结体的防裂抗渗性能、抗冲磨性能，增强尾砂固结体的韧性，从而提高其结构稳定性。
在本发明的一些实施方式中，纤维的质量份数典型但非限制性的为2份、3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份或10份。
可选地，所述粉体固化材料的比表面积为380-600m2/kg。
当粉体固化材料的比表面积在380-600m2/kg范围内，固化体在形成过程中，各物质具有更多的接触面，利于各化学反应的进行，同时，粉体表面可充分吸附重金属离子，使其在粉体表面反应固结，形成难溶的盐存在于固结体中。
在本发明的一些实施方式中，粉体固化材料的比表面积典型但非限制性的为380m2/kg、400m2/kg、420m2/kg、440m2/kg、460m2/kg、480m2/kg、500m2/kg、520m2/kg、540m2/kg、560m2/kg、580m2/kg或600m2/kg。
可选地，所述羧基丁苯胶乳的pH为7-9。
在本发明的一些实施方式中，羧基丁苯胶乳的pH典型但非限制性的为7、7.2、7.4、7.6、7.8、8、8.2、8.4、8.6、8.8或9。
优选地，所述羧基丁苯胶乳的固含量为43-47wt.%。
在本发明的一些实施方式中，羧基丁苯胶乳的固含量典型但非限制性的为43wt.%、44wt.%、45wt.%、46wt.%或47wt.%。
本发明的第二方面提供了所述的固化材料在尾砂堆存中的应用。
本发明提供的固化材料在尾砂堆存中的应用，实现了尾砂的地表无害化堆存，保证了堆存体的稳定性和环保性。
本发明的第三方面提供了第二方面所述应用的应用方法，将所述的固化材料与尾砂按照质量比1:12-20混合均匀后堆存。
本发明提供的应用方法，方法简单处理量大，适合大规模推广使用。
尾砂浆是尾砂与水的混合物，成浆液的状态，浓度为66-76wt.%。
尾砂浆中的重金属离子与固化材料反应生成难溶盐存在于堆体中，达到固结重金属离子的作用，防止其沉降进入土壤中。
在本发明的一些实施方式中，固化材料与尾砂的质量比典型但非限制性的为1:12、1:13、1:14、1:15、1:16、1:17、1:18、1:19或1:20。
下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明使用的原材料如无特别说明，均可通过市售购买得到。
实施例1
本实施例提供一种固化材料，其中粉体固化材料由矿渣粉56份，生石灰24份，水泥8份，聚丙烯纤维4份组成；液体固化材料为羧基丁苯胶乳8份，羧基丁苯胶乳的牌号为BC-CL。粉体固化材料的比表面积为510m2/kg。羧基丁苯胶乳的pH值为7.8，总固物质含量为44%。
将固化材料与尾砂按照1:20的质量比称取、混合，加水配成72%浓度的浆体，搅拌均匀后倒入标准尺寸模具中养护、固结，得到改性尾砂固结体。
实施例2
本实施例提供一种固化材料，与实施例1不同的是，其中粉体固化材料由矿渣粉50份，生石灰30份，水泥10份，聚丙烯纤维8份组成；液体固化材料为羧基丁苯胶乳2份，其余原料和步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例3
本实施例提供一种固化材料，与实施例1不同的是，其中粉体固化材料由矿渣粉65份，生石灰15份，水泥6份，聚丙烯纤维6份组成；液体固化材料为羧基丁苯胶乳8份，其余原料和步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例4
本实施例提供一种固化材料，与实施例1不同的是，其中不含聚丙烯纤维，其余原料和步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例5-8
本实施例提供一种固化材料，与实施例1不同的是，其中固化材料与浓缩全尾砂质量比分别为1:12、1:14、1:16和1:18，其余原料和步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例9
本实施例提供一种固化材料，与实施例1不同的是，其中羧基丁苯胶乳为1份，其余原料和步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。
实施例10
本实施例提供一种固化材料，与实施例1不同的是，其中羧基丁苯胶乳为10份，其余原料和步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例1
本对比例提供一种固化材料，与实施例1不同的是，其中不含液体固化材料，其余原料和步骤均与实施例1相同，在此不再赘述。
试验例1
对实施例1-10和对比例1得到的浆体pH值进行测量，形成的固结体进行抗压强度测量，得到的数据如表1所示。对实施例1得到的固结体用扫描电子显微镜进行观测，得到的三维铰链网状结构如图1所示。
表1 浆体和固结体的性能数据表
Figure T_211201170425379_379907001
试验例2
将实施例1得到的固结体放置在阴暗潮湿的室内大气环境（湿度50%，温度10℃）下养护，其上覆盖透明塑料薄膜，60天后发现固结体表面出现黑色斑点，为微生物生长的结果，如图2所示。微生物生长的有机质来源于固结体中羧基丁苯胶乳。由于微生物的生长大多在固结体的表面或者浅表位置，对固结体的结构和力学性质无影响。
由表1可以看出，在固化材料与尾砂质量比1:20时，生石灰和羧基丁苯胶乳的含量越高，改性浆体的pH值越大，固结体的强度越大。通过实施例1和实施例4可以看出，聚丙烯纤维的添加可增强固结体的强度。通过实施例1和实施例5-8的性能数据可知，固化材料占比越大，改性浆体的pH值和固结体的强度越大。结合实施例1、实施例9、实施例10和对比例1分析，羧基丁苯胶乳的添加量增大可以提高浆体的pH值和固结体的强度，但是其添加量相差较小时对浆体pH值和3天抗压强度的影响不大，对固结体7天抗压强度的影响相对明显。整体来看，各原料协同配合共同作用，解决了本申请的技术问题。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种固化材料，其特征在于，包括粉体固化材料和液体固化材料；
所述液体固化材料包括按质量份数计的羧基丁苯胶乳 2-8份；
所述粉体固化材料包括按质量份数计的矿渣粉50-65份、生石灰15-30份、纤维2-10份和水泥4-10份；
其中，所述羧基丁苯胶乳的pH为7-9，所述羧基丁苯胶乳的固含量为43-47wt.%。
2.根据权利要求1所述的固化材料，其特征在于，所述纤维包括玻璃纤维、玄武岩纤维、聚丙烯纤维和石棉纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的固化材料，其特征在于，所述粉体固化材料的比表面积为380-600m2/kg。
4.根据权利要求1-3任一项所述的固化材料在尾砂堆存中的应用。
5.根据权利要求4所述应用的应用方法，其特征在于，将所述的固化材料与尾砂按照质量比为1:12-20混合均匀后堆存。
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宁桃等."提升泥饼岩石界面胶结质量的固化技术及机理分析".《石油与天然气化工》.2020,第49卷(第5期),76-81,86. *

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