CN115403319B - 一种超强无机加固材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超强无机加固材料及其制备方法，属于加固材料技术领域。超强无机加固材料，包括以下质量份数的原料：冶金渣粉460～500份、碱性激发剂80～110份、减水剂12～18份、水75～95份。本发明制备的超强无机加固材料1d抗压强度≥35MPa，5d抗压强度≥70MPa、抗折强度≥9MPa，材料颗粒粒度小，能够渗透到细小裂隙中去，使破碎的岩体加固成整体，提高岩体整体强度。并且在无机加固材料中添加机铵盐、憎水剂、改性沸石粉等成分，不仅可以缩短无机加固材料的凝结时间，提高无机加固材料的早期强度，还能提高无机加固材料的防水性和凝结后的强度。

Description

一种超强无机加固材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及加固材料技术领域，特别是涉及一种超强无机加固材料及其制备方法。
背景技术
在矿山采矿、地下工程、隧道工程等领域的工程活动中，需要掘进大量的巷道，掘进过程中遇到碎石层、砂土层以及陷落柱、断层破碎带时，由于其内部比较松散，无法提供足够的支撑力，引发巷道顶板塌落、片帮、涌水等事故，故需要采用注浆材料(加固材料)对破碎软岩进行加固、对岩层裂隙进行封堵。目前常用的加固材料主要是有机加固材料和无机加固材料两种。有机加固材料优点是可注性好，具有较强的黏结性，缺点是价格昂贵，存在腐蚀性、有毒、易燃等重大安全隐患。无机加固材料主要是普通水泥，虽然普通水泥浆成本较低，但是可注性较差，起不到很好的加固效果，为提高加固材料的硬化强度，普遍采用硫铝酸盐水泥体系，但随着当前地下工程建设的日益扩增，使得加固材料用量急剧增大，造成水泥原材料的过度消耗以及水泥原材料的价格上涨，成本提高等问题。
冶金废渣是指冶金工业生产过程中产生的各种固体废弃物。主要指炼铁炉中产生的高炉渣、钢渣、有色金属冶炼产生的各种有色金属渣，如铜渣、铅渣、锌渣、镍渣等，以及从铝土矿提炼氧化铝排出的赤泥以及轧钢过程产生的少量氧化铁渣。现阶段对于冶金废渣的利用还主要以填埋矿山矿坑或制备低附加值的建筑材料为主，无有效的资源化利用手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种超强无机加固材料及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一：一种超强无机加固材料，包括以下质量份数的原料：冶金渣粉460～500份、碱性激发剂80～110份、减水剂12～18份、水75～95份；
进一步地，所述冶金渣粉包括矿渣粉、硅锰合金渣粉中的一种或多种；所述冶金渣粉的比表面积为500～550m2/kg；所述减水剂为聚羧酸减水剂。
进一步地，所述碱性激发剂为质量比为4:1的水玻璃和工业碱。
进一步地，所述工业碱为氢氧化钠；所述水玻璃模数为3.1～3.4；所述工业碱的纯度≥85％。
减水剂是改善注浆材料初始流动度和初始粘度的关键组分，聚羧酸盐类减水剂与冶金渣粉的相容性好，有效成分高，分子范围集中，能在低掺量的情况下显著降低无机加固材料的用水量，提高加固材料的流变性和可塑性，对加固材料的早期强度和后期强度的提高也有一定的促进作用。
进一步地，所述超强无机加固材料，还包括以下质量份数的原料：有机铵盐10～15份、憎水剂5～8份、改性沸石粉5～10份。
冶金渣粉作为无机加固材料的胶凝成分，在碱性激发剂的作用下活性被激发；碱性激发剂能提高冶金渣粉的水化反应速率，有效分解冶金渣粉中的玻璃体结构，降低无机加固材料的粘度，提高其流动性和稳定性，并且不断生成的C-S-H凝胶可以相互粘结，形成一个整体，有效提高无机加固材料凝固后的强度。但在无机加固材料应用初期，水化产物C-S-H凝胶的产生量过多，会逐渐包裹在冶金渣粉表面，形成一层壳状薄膜，阻碍冶金渣粉与水玻璃、工业碱的反应，造成水化早期，微观结构较为松散，不利于快速产生固定作用，而加入有机铵盐可以打破C-S-H凝胶对冶金渣粉的包裹作用，进而促进水化反应的进行，改善水化早期的微观结构，进而在不影响加固材料强度的情况下，达到快速固定的目的。
憎水剂可以提高无机加固材料的防水效果。
进一步地，所述有机铵盐包括乙酸铵、碳酸氢铵、氰酸铵中的一种或多种。
进一步地，所述改性沸石粉的制备具体包括：将12～18份聚丙烯酰胺加入180～220份乙二醇中搅拌混合均匀，加入150～210份沸石粉，继续搅拌，干燥后，得到改性沸石粉。
聚丙烯酰胺上的胺基基团能够与沸石粉表面的硅羟基发生交联反应，进而可以改善沸石粉的表面性能，再通过干燥处理，使乙二醇从沸石粉中脱除，而聚丙烯酰胺以固体形式均匀吸附在高比表面积的沸石粉表面，显著提高沸石粉的表面粘性。
在无机加固材料中加入改性沸石粉，在提高无机加固材料密实度、硬度的同时，促进冶金渣粉水化，进一步提升无机加固材料的强度。
本发明的技术方案之二：一种上述超强无机加固材料的制备方法，包括以下步骤：
按质量份数称取各原料，将减水剂和水混合均匀后加入碱性激发剂和冶金渣粉混合均匀，得到所述超强无机加固材料。
本发明的技术方案之三：一种上述超强无机加固材料的制备方法，包括以下步骤：
按质量份数称取各原料，将减水剂、水、有机铵盐、憎水剂、改性沸石粉、冶金渣粉混合均匀后加入碱性激发剂，搅拌均匀，得到所述超强无机加固材料。
本发明的技术方案之四：一种上述超强无机加固材料在矿山采矿、地下工程、隧道工程中的应用。
本发明公开了以下技术效果：
本发明制备的超强无机加固材料1d抗压强度≥35MPa，5d抗压强度≥70MPa、抗折强度≥9MPa，材料颗粒粒度小，能够渗透到细小裂隙中去，使破碎的岩体加固成整体，提高岩体整体强度。
在无机加固材料中添加机铵盐、憎水剂、改性沸石粉等成分，不仅可以缩短无机加固材料的凝结时间，提高无机加固材料的早期强度，还能提高无机加固材料的防水性和凝结后的强度。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
以下实施例所述的“份”均为“质量份”。
本发明以下实施例及对比例采用的矿渣粉、硅锰合金渣粉的具体成分见表1和表2。
表1矿渣粉的主要成分(wt.％)
SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO Na2O SO3 K2O TiO2
矿渣粉 28.45 9.25 40.58 1.45 10.05 0.21 1.14 0.43 0.86
表2硅锰合金渣粉的主要成分(wt.％)
SiO2 CaO MgO Al2O3 Mn P
硅锰合金渣粉 41.03 20.58 5.28 18.04 10.15 0.06
实施例1
一种超强无机加固材料的制备方法：
超强无机加固材料，由以下质量份数的原料组成：水玻璃(模数3.2)72份、工业碱(氢氧化钠，纯度为85％)18份、矿渣粉(比表面积550m2/kg)480份、水78份、减水剂(聚羧酸减水剂)18份。
制备方法：
(1)按以上质量份数称取原料，将水玻璃和工业碱混合均匀，得到混合物A。
(2)将减水剂和水混合均匀，得到混合物B。
(3)将混合物A、混合物B和冶金渣粉混合均匀，得到超强无机加固材料。
对比例1
无机加固材料的制备方法：
无机加固材料，由以下质量份数的原料组成：水玻璃(模数3.2)72份、工业碱(氢氧化钠，纯度为85％)18份、矿渣粉(比表面积550m2/kg)480份、水120份。
制备方法：
(1)按以上质量份数称取原料，将水玻璃和工业碱混合均匀，得到混合物A。
(2)将混合物A、水和冶金渣粉混合均匀，得到无机加固材料。
对比例2
无机加固材料的制备方法：
无机加固材料，由以下质量份数的原料组成：水玻璃(模数3.2)72份、工业碱(氢氧化钠，纯度为85％)18份、矿渣粉(比表面积400m2/kg)480份、水78份、减水剂(聚羧酸减水剂)14份。
制备方法：
(1)按以上质量份数称取原料，将水玻璃和工业碱混合均匀，得到混合物A。
(2)将减水剂和水混合均匀，得到混合物B。
(3)将混合物A、混合物B和冶金渣粉混合均匀，得到无机加固材料。
效果例1
将实施例1和对比例1～2制备的无机加固材料浇筑到尺寸为40mm×40mm×160mm的模具中，并置于温度为20℃，湿度为95±5％的养护箱中进行养护，测试1d、5d龄期的力学性能，结果见表3。
表3
分组 1d抗压强度 5d抗压强度 5d抗折强度
实施例1 54.2 83.7 12.1
对比例1 22.9 35.6 4.8
对比例2 28.6 43.1 5.7
从表3中可以看出。本发明实施例1制备的无机加固材料的力学性能显著优于对比例1～2制备的无机加固材料的力学性能。说明在不使用减水剂的情况下，增加水的用量，会造成无机加固材料的力学性能下降(对比例1)；矿渣粉的比表面积减小、颗粒粗，也会造成无机加固材料的力学性能下降(对比例2)。
实施例2
一种超强无机加固材料的制备方法：
超强无机加固材料，由以下质量份数的原料组成：水玻璃(模数3.2)72份、工业碱(氢氧化钠，纯度为85％)18份、矿渣粉(比表面积550m2/kg)480份、水95份、减水剂(聚羧酸减水剂)18份、有机铵盐(质量比为1:1的乙酸铵和氰酸铵)12份、憎水剂(硬脂酸羟基氯化铬)6份、改性沸石粉7份。
改性沸石粉的制备：在200份乙二醇中加入15份聚丙烯酰胺(分子量2000)，搅拌(220转/分钟)30min，然后加入180份沸石粉(粒径为70μm)，继续搅拌40min，50℃干燥6h，得到改性沸石粉。
制备方法：
(1)按以上质量份数称取原料，将水玻璃和工业碱混合均匀，得到混合物C；
(2)将减水剂、水、有机铵盐、憎水剂、改性沸石粉、冶金渣粉混合均匀，得到混合物D；
(3)在所述混合物D中加入混合物C，搅拌5min，得到超强无机加固材料。
实施例3
一种超强无机加固材料的制备方法：
超强无机加固材料，由以下质量份数的原料组成：水玻璃(模数3.4)80份、工业碱(氢氧化钠，纯度为90％)20份、矿渣粉(比表面积500m2/kg)500份、水95份、减水剂(聚羧酸减水剂)12份、有机铵盐(氰酸铵)10份、憎水剂(硬脂酸羟基氯化铬)5份、改性沸石粉10份。
改性沸石粉的制备：在200份乙二醇中加入15份聚丙烯酰胺(分子量2000)，搅拌(220转/分钟)30min，然后加入180份沸石粉(粒径为70μm)，继续搅拌40min，50℃干燥6h，得到改性沸石粉。
制备方法：
(1)按以上质量份数称取原料，将水玻璃和工业碱混合均匀，得到混合物C；
(2)将减水剂、水、有机铵盐、憎水剂、改性沸石粉、冶金渣粉混合均匀，得到混合物D；
(3)在所述混合物D中加入混合物C，搅拌4min，得到超强无机加固材料。
实施例4
一种超强无机加固材料的制备方法：
超强无机加固材料，由以下质量份数的原料组成：水玻璃(模数3.1)84份、工业碱(碳酸钠，纯度为90％)21份、矿渣粉(比表面积520m2/kg)460份、水90份、减水剂(聚羧酸减水剂)18份、有机铵盐(乙酸铵)15份、憎水剂(硬脂酸羟基氯化铬)8份、改性沸石粉5份。
改性沸石粉的制备：在200份乙二醇中加入15份聚丙烯酰胺(分子量2000)，搅拌(200转/分钟)20min，然后加入180份沸石粉(粒径为60μm)，继续搅拌40min，45℃干燥6h，得到改性沸石粉。
制备方法：
(1)按以上质量份数称取原料，将水玻璃和工业碱混合均匀，得到混合物C；
(2)将减水剂、水、有机铵盐、憎水剂、改性沸石粉、冶金渣粉混合均匀，得到混合物D；
(3)在所述混合物D中加入混合物C，搅拌6min，得到超强无机加固材料。
对比例3
同实施例2，区别在于，将有机铵盐(质量比为1:1的乙酸铵和氰酸铵)替换成无机铵盐(氯化铵)。
对比例4
同实施例2，区别在于，有机铵盐的用量为5份。
对比例5
同实施例2，区别在于，未对沸石粉进行改性处理。
对比例6
同实施例2，区别在于，改性沸石粉的用量为15份。
对比例7
同实施例2，区别在于，将7份改性沸石粉替换成6.46份沸石粉和0.54份聚丙烯酰胺。
效果例2
将实施例2～4及对比例3～7制备的无机加固材料浇筑到尺寸为40mm×40mm×160mm的模具中，并置于温度为20℃，湿度为95±5％的养护箱中进行养护，测试1d、5d龄期的力学性能，结果见表4。
表4
从表4中可以看出，采用本发明的原料及制备方法可以显著提高无机加固材料的力学性能。
效果例3
按照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》测定将实施例1～4及对比例3～7制备的无机加固材料的凝结时间，结果见表5。
表5
分组 初凝时间/min 终凝时间/min
实施例1 66 115
实施例2 45 94
实施例3 47 96
实施例4 46 95
对比例3 63 110
对比例4 52 104
对比例5 49 99
对比例6 50 101
对比例7 51 102
从表5中可以看出，添加有机铵盐可以促进加固材料的凝结，进而提高无机加固材料的早期强度。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种超强无机加固材料，其特征在于，包括以下质量份数的原料：冶金渣粉460～500份、碱性激发剂80～110份、减水剂12～18份、水75～95份、有机铵盐10～15份、憎水剂5～8份、改性沸石粉5～10份；
所述有机铵盐包括乙酸铵、碳酸氢铵、氰酸铵中的一种或多种；
所述改性沸石粉的制备具体包括：将聚丙烯酰胺加入乙二醇中搅拌混合均匀，加入沸石粉，继续搅拌，干燥后，得到改性沸石粉；
所述冶金渣粉包括矿渣粉、硅锰合金渣粉中的一种或多种；所述冶金渣粉的比表面积为500～550m2/kg；所述减水剂为聚羧酸减水剂；
所述碱性激发剂为质量比为4:1的水玻璃和工业碱。
2.根据权利要求1所述的超强无机加固材料，其特征在于，所述工业碱为氢氧化钠；所述水玻璃模数为3.1～3.4；所述工业碱的纯度≥85％。
3.一种权利要求1～2任一项所述的超强无机加固材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
按质量份数称取各原料，将减水剂、水、有机铵盐、憎水剂、改性沸石粉、冶金渣粉混合均匀后加入碱性激发剂，搅拌均匀，得到所述超强无机加固材料。
4.一种权利要求1～2任一项所述的超强无机加固材料在矿山采矿、地下工程、隧道工程中的应用。
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