一种碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及固废利用技术领域，尤其涉及一种碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料及其制备方法。
背景技术
煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。煤矸石包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石，其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素(镓、钒、钛、钴)。煤矸石的大量堆放，不仅占用土地资源，而且会严重影响到生态环境。煤矸石溶于水会对附近的土壤和地下水造成污染，煤矸石中含有可燃物，可燃物燃烧后会排放有害气体，造成大气污染，进而影响居民的身体健康。因此，如何有效地处理煤矸石亟待解决。
目前国内在处理泥化严重的巷道底板固化淤泥时,大多数采用清理淤泥-排水-起底-回填毛石-混凝土硬化-养护的方法。这种方法施工成本高、施工效率低、施工工期长，会严重影响掘进工作进度，泥化对设备造成影响的问题没有等到根本性解决，也不能满足井巷特殊施工技术和掘进技术的要求。研究者基于此现状进行了一系列研究，提出了一种新技术，对泥岩进行新型地质聚合物和固结材料加固。该技术的实质是直接利用现有掘进装备进行底板破碎，然后添加地质聚合物或固体材料进行加固，现场进行拌和、碾压、养护，使淤泥达到使用强度。因此，提供一种价格低廉、综合性能优异的地质聚合物显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种以煤矸石为原料的碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料，还提供了该碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料的制备方法。
本发明提供一种碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料，由固废料、保温材料、碱激发剂、减水剂和水混合组成；其中，保温材料与固废料的质量比为0.3～0.6:1，碱激发剂与固废料的质量比为0.06～0.08:1，减水剂与固废料的质量比为0.007～0.01:1，水(或淤泥中含水)与固废料的质量比为0.3～0.6:1；固废料由煤矸石粉、粉煤灰、锅炉渣组成，煤矸石粉、粉煤灰、锅炉渣的质量比为1～5:0～7:0～5，保温材料由玻化微珠、膨胀珍珠岩、珍珠岩粉组成，玻化微珠、膨胀珍珠岩、珍珠岩粉的质量比为5～10:0～5:0～3。
进一步地，粉煤灰为Ⅰ级低钙粉煤灰，其CaO含量低于10％，密度≤2.6g/cm3，细度≤12.0％，烧失量≤5.0％。
进一步地，锅炉渣的质量组分为：SiO2 40％～50％，Al2O3 30％～35％，Fe2O3 4％～20％，CaO 1％～5％。
进一步地，玻化微珠为Ⅰ级玻化微珠，堆积密度≤80kg/m3，导热系数≤0.043W/m·K，体积吸水率≤45％，筒压强度≥50KPa，体积漂浮率≥80％，表面玻化闭孔率≥80％。
进一步地，所述减水剂选用聚羧酸减水剂。
进一步地，所述碱激发剂由氢氧化钠和水玻璃配制得到，氢氧化钠为分析纯，水玻璃的模数为1.2～1.6。
本发明还提供了上述碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，称取煤矸石粉、粉煤灰、锅炉渣混合，得到固废料；
S2，称取玻化微珠、膨胀珍珠岩、珍珠岩粉混合，得到保温材料；
S3，将保温材料、碱激发剂依次加入到固废料中，然后加入水、减水剂，充分搅拌混合，即得到碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料。
上述碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料的制备方法也可用于固化淤泥中，上述材料(除水外)与淤泥充分拌和后可加固淤泥，其中，固废料与淤泥中水的质量比为1：0.3～0.6。
上述碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料通过掺入少量碱激发剂加速煤矸石粉、粉煤灰和锅炉渣聚合产物的反应，能够充分活化，生成的聚合产物相互填充，孔隙率减少，强度不断地增加。
地质聚合物在碱激发剂的作用下，Si-O-Si和Al-O-Al共价键发生断裂，生成稳定的三维聚合铝酸盐结构。反应式为：
n(2SiO2Al2O3)+4H2O→n(OH)3-Si-O-Al-O-(OH)3(1)
n(OH)3-Si-O-Al-O-(OH)3→Na(-Si-O-Al-O-Si-)+4H2O(2)
上述碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料与淤泥充分混合后，会进一步发生水化和水解反应，生成一种含水率相对较低、强度较高的复合材料，稳定重金属，实现淤泥的固化。经试验测得，本发明制得的碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料的坍落度为165mm～190mm,标准稠度用水量为27.2％～32.5％，初凝时间为155min～210min，终凝时间为225min～285min，雷氏夹读数为0.5mm～1mm，3d抗压强度可达到15.3MPa～45.2MPa，7d抗压强度可达21.6MPa～67.8MPa，28d抗压强度可达到36.3MPa～79.3MPa，3d抗折强度可达到2.3MPa～7.6MPa，7d抗折强度可达4.3MPa～9.6MPa，28d抗折强度可达到5.4MPa～11.2MPa。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明使用的原料中煤矸石粉掺量达到了50％，原材料全部为工业固废材料，来源广泛、价格低廉，可以有效解决煤矸石粉、粉煤灰和锅炉渣的堆积和环境污染问题；本发明提供的制备方法工艺简单，利用本发明的制备方法制得的胶凝材料早期强度高、凝结时间等其他性能指标满足胶凝材料的使用要求；本发明制得的胶凝材料由于含有玻化微珠，吸水性能显著提高，可以有效吸收淤泥的水分，使材料生成物结构致密，有良好的抗渗性能和耐久性以及较强的抗碳化能力，可以有效控制泥岩巷道的泥化。
附图说明
图1是本发明一种碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料的制备方法的流程示意图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供了一种碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料，由固废料、保温材料、碱激发剂、减水剂和水混合组成；其中，保温材料与固废料的质量比为0.3～0.6:1，碱激发剂与固废料的质量比为0.06～0.08:1，减水剂与固废料的质量比为0.007～0.01:1，水与固废料的质量比为0.3～0.6:1；固废料由煤矸石粉、粉煤灰、锅炉渣组成，煤矸石粉、粉煤灰、锅炉渣的质量比为1～5:0～7:0～5，保温材料由玻化微珠、膨胀珍珠岩、珍珠岩粉组成，玻化微珠、膨胀珍珠岩、珍珠岩粉的质量比为5～10:0～5:0～3。
上述中，减水剂选用聚羧酸减水剂，碱激发剂由氢氧化钠和水玻璃配制得到，氢氧化钠为分析纯，水玻璃的模数为1.2～1.6，碱激发剂中氢氧化钠的质量含量为6％～8％。
参考图1，本发明还提供了上述碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，按质量比1～5:0～7:0～5称取煤矸石粉、粉煤灰、锅炉渣混合，得到固废料；
步骤S2，按质量比5～10:0～5:0～3称取玻化微珠、膨胀珍珠岩、珍珠岩粉混合，得到保温材料；
步骤S3，将保温材料、碱激发剂依次加入到固废料中，然后加入水、减水剂，充分搅拌混合，即得到碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料；其中，保温材料的用量占固废料质量的30％～60％，碱激发剂的用量占固废料质量的6％～8％，减水剂的用量占固废料质量的0.7％～1％，水的用量占与固废料质量的30％～60％。
下面结合实施例对本发明提供的碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料及其制备方法进行详细说明。
以下实施例中，使用的煤矸石粉的主要化学成分含量为：SiO2 62.63％，CaO1.35％，MgO 0.74％，Fe2O 8.46％，Al2O3 24.42％；使用的粉煤灰为Ⅰ级低钙粉煤灰，其CaO含量低于10％，密度为2.12g/cm3，细度为10.8％，烧失量为3.58％；使用的锅炉渣的主要化学成分含量为：SiO2 43.8％，Al2O3 33.2％，Fe2O3 13.7％，CaO 3.2％；水玻璃的模数为1.4。
实施例1：
称取5kg煤矸石粉、25kg粉煤灰、20kg锅炉渣加入搅拌机中搅拌1min，充分搅拌，获得固废料；称取16.95kg玻化微珠、3.75kg膨胀珍珠岩、4.3kg珍珠岩粉充分搅拌混合，得到保温材料；将氢氧化钠分析纯溶于水，配制成NaOH水溶液，然后与水玻璃混合，得到碱激发剂；取25kg保温材料、3.0kg碱激发剂、依次加入到50kg固废料中，然后加入18kg水、0.35kg聚羧酸减水剂，搅拌5min充分混合，即得到碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料。
实施例2：
称取20kg煤矸石粉、25kg粉煤灰、5kg锅炉渣加入搅拌机中搅拌1min，充分搅拌，获得固废料；称取18.75kg玻化微珠、4.5kg膨胀珍珠岩、5.25kg珍珠岩粉充分搅拌混合，得到保温材料；将氢氧化钠分析纯溶于水，配制成NaOH水溶液，然后与水玻璃混合，得到碱激发剂；取28.5kg保温材料、3.9kg碱激发剂、依次加入到50kg固废料中，然后加入17.5kg水、0.4kg聚羧酸减水剂，搅拌5min充分混合，即得到碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料。
实施例3：
称取15kg煤矸石粉和35kg粉煤灰加入搅拌机中搅拌1min，充分搅拌，获得固废料；称取17.25kg玻化微珠、5.25kg膨胀珍珠岩、4.5kg珍珠岩粉充分搅拌混合，得到保温材料；将氢氧化钠分析纯溶于水，配制成NaOH水溶液，然后与水玻璃混合，得到碱激发剂；取27kg保温材料、3.5kg碱激发剂依次加入到50kg固废料中，然后加入17.5kg水、0.35kg聚羧酸减水剂，搅拌5min充分混合，即得到碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料。
对实施例1～3制得的碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料进行性能分析：按照GB/T1346-2011测定标准稠度用水量、凝结时间和安定性，按照GB/T17671-1999测定抗折强度和抗压强度，按照GB/T2419-2005测定坍落度。
对实施例1～3制得的碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料分别进行以下处理：
将胶凝材料分两次倒入模具中，每次振捣60次以上，抹平表面；在常温常压下养护24h后脱模，脱模后在80℃下蒸养6h后，再进行标准养护，分别养护至3d、7d和28d。
实施例1～3制得的碱激发煤矸石粉地质聚合物胶凝材料的性能检测结果见表1。
表1：胶凝材料性能检测结果
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
