井下充填用的膠凝材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及建筑材料領(lǐng)域，具體而言，涉及井下充填用的膠凝材料及其制備方法。其中，井下充填用的膠凝材料，由以下成分組成：按重量計，高爐礦渣65-90份，生石灰10-25份，石膏2-15份，脫硫灰3-10份。該井下充填用的膠凝材料的制備方法為：按重量計，將上述成分混合，得到混合料；將混合料研磨至顆粒的比表面積為400m2/kg-550m2/kg，得到井下充填用的膠凝材料。本發(fā)明的井下填充用的膠凝材料是以高爐礦渣為主體材料，由于高爐礦渣是回收利用的冶煉過程產(chǎn)生的廢渣，即高爐礦渣是工業(yè)廢棄物，無需耗能，因此，與主體材料為水泥或水泥熟料的膠凝材料相比，本實施例的膠凝材料生產(chǎn)成本降低。
【專利說明】井下充填用的膠凝材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑材料領(lǐng)域，具體而言，涉及井下充填用的膠凝材料及其制備方法。【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾日益尖銳，當(dāng)前礦產(chǎn)資源的開發(fā)面臨越來越嚴格的國家環(huán)保要求，同時我國礦產(chǎn)資源相對匱乏，高效開采和回采已經(jīng)變得非常必要。井下充填開采是實現(xiàn)綠色環(huán)保、高效開采的重要技術(shù)。充填開采中應(yīng)用最廣泛的填充方式是膠結(jié)填充。其中，膠結(jié)填充所用的材料分為三部分:尾礦等惰性充填材料、膠凝材料和水。以上三部分需要混合使用才能實現(xiàn)充填，其中，膠凝材料起黏結(jié)作用。
[0003]相關(guān)技術(shù)中，井下充填所用的膠凝材料大部分以水泥或水泥熟料為主體材料，由于這兩種材料的生產(chǎn)能耗較高，因此，膠凝材料的生產(chǎn)成本也隨之提高。例如,專利申請?zhí)枮镃N201110215876.4的《礦山充填用高爐水淬渣膠凝材料及其制備方法》公開的膠凝材料的主體成分為水泥熟料粉(重量比占35%-40%)。專利申請?zhí)枮?01310035710.3的《一種細粒尾礦充填用的膠凝材料》公開的膠凝材料的主體成分為貝利特-硫鋁酸鹽水泥(重量比占15-40%)ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供井下填充用的膠凝材料及其制備方法，以解決上述的問題。
[0005]在本發(fā)明的實施例中提供了一種井下充填用的膠凝材料，由以下成分組成:按重量計，高爐礦渣65-90份，生石灰10-25份，石膏2-15份，脫硫灰3_10份。
[0006]在本發(fā)明的實施例中還提供了另一種井下充填用的膠凝材料，由以下成分組成:按重量計，高爐礦渣65-90份，生石灰10-25份，石膏2-15份，脫硫灰3_10份，改性材料；
[0007]其中，改性材料為以下中的一種或多種:聚丙烯酰胺0-0.05份，硅酸鈉2-10份，水玻璃2-15份；硅酸鈉的化學(xué)式為Na2SiO3 ;水玻璃的化學(xué)式為Na2O(SiO2)m, m為2_3。
[0008]在本發(fā)明的實施例中還提供了以上井下充填用的膠凝材料的制備方法，包括下列步驟:
[0009]按重量計，將高爐礦渣65-90份、生石灰10-25份、石膏2_15份和脫硫灰3_10份混合，得到混合料；
[0010]將混合料研磨至顆粒的比表面積為400m2/kg-550m2/kg，得到井下充填用的膠凝材料。
[0011]在本發(fā)明的實施例中還提供了另外一種井下充填用的膠凝材料的制備方法，包括下列步驟:
[0012]按重量計，將高爐礦渣65-90份、生石灰10-25份、石膏2_15份和脫硫灰3_10份分別研磨至顆粒的比表面積為400m2/kg-550m2/kg ；[0013]將研磨之后的高爐礦渣、生石灰、石膏和脫硫灰混合，得到井下充填用的膠凝材料。
[0014]本發(fā)明上述實施例的井下填充用的膠凝材料是以高爐礦渣為主體材料，由于高爐礦渣是回收利用的冶煉過程產(chǎn)生的廢渣，即高爐礦渣是工業(yè)廢棄物，無需耗能，因此，與主體材料為水泥或水泥熟料的膠凝材料相比，本實施例的膠凝材料生產(chǎn)成本降低。其中，膠凝材料中每個成分的具體作用如下文。
[0015]高爐礦渣:其是煉鐵過程產(chǎn)生的廢渣，是一種具有“潛在水硬性”的玻璃體結(jié)構(gòu)材料，其化學(xué)組成與水泥熟料相似，當(dāng)其單獨存在時，基本無水硬性，但受到某些激發(fā)作用后，就呈現(xiàn)出水硬性。將高爐礦渣研磨就是對其進行物理激發(fā)，在研磨的過程中，高爐礦渣內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會不規(guī)則化和產(chǎn)生多相晶型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致晶格缺陷發(fā)生，玻璃體結(jié)構(gòu)破壞、比表面積增大、表面能增加等，從而表現(xiàn)出一定的水硬性，并且研究表明:隨著時間的延長，高爐礦渣的后期強度可以達到甚至超過水泥熟料的強度。
[0016]生石灰:生石灰與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，為高爐礦渣的水解提供了強堿性環(huán)境和活性鈣離子。在強堿溶液里，高爐礦渣的玻璃體結(jié)構(gòu)容易受到破壞而離解出硅酸根離子，離解出的硅酸根離子能與鈣離子反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，從而產(chǎn)生強度。
[0017]脫硫灰和石膏的主要作用是提供生成大量針狀鈣礬石晶體的反應(yīng)初期所需要的硫酸鈣，針狀鈣礬石晶體在早期水化的膠凝材料中起到“微鋼筋”的作用，是膠凝材料早期強度的重要來源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1示出了本發(fā)明的實施例提供的井下充填用的膠凝材料的制備方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面通過具體的實施例子并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細描述。
[0020]實施例一
[0021]一種井下充填用的膠凝材料，由以下成分組成:按重量計，高爐礦渣65-90份，生石灰10-25份，石骨2_15份,脫硫灰3_10份。
[0022]以上井下充填用的膠凝材料是以高爐礦渣為主體材料，由于高爐礦渣是回收利用的冶煉過程產(chǎn)生的廢渣，即高爐礦渣是工業(yè)廢棄物，無需耗能，因此，與主體材料為水泥或水泥熟料的膠凝材料相比，本實施例的膠凝材料生產(chǎn)成本降低。其中,膠凝材料中每個成分的具體作用如下文。
[0023]高爐礦渣:其是煉鐵過程產(chǎn)生的廢渣，是一種具有“潛在水硬性”的玻璃體結(jié)構(gòu)材料，其化學(xué)組成與水泥熟料相似，當(dāng)其單獨存在時，基本無水硬性，但受到某些激發(fā)作用后，就呈現(xiàn)出水硬性。將高爐礦渣研磨(即粉磨)就是對其進行物理激發(fā)，在粉磨的過程中，高爐礦渣內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)會不規(guī)則化和產(chǎn)生多相晶型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致晶格缺陷發(fā)生，玻璃體結(jié)構(gòu)破壞比表面積增大、表面能增加等，從而表現(xiàn)出一定的水硬性，并且研究表明:隨著時間的延長，高爐礦渣的后期強度可以達到甚至超過水泥熟料的強度。
[0024]生石灰:生石灰與水反應(yīng)生成氫氧化鈣，為高爐礦渣的水解提供了強堿性環(huán)境和活性鈣離子。在強堿溶液里，高爐礦渣的玻璃體結(jié)構(gòu)容易受到破壞離解出硅酸根離子，離解出的硅酸根離子能與鈣離子反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠，從而產(chǎn)生強度。
[0025]脫硫灰和石膏的主要作用是提供生成大量針狀鈣礬石晶體的反應(yīng)初期所需要的硫酸鈣，針狀鈣礬石晶體在早期水化的膠凝材料中起到“微鋼筋”的作用，是膠凝材料早期強度的重要來源。
[0026]實施例二
[0027]—種井下充填用的膠凝材料，由以下成分組成:按重量計，高爐礦渣65-90份，生石灰10-25份，石膏2-15份，脫硫灰3-10份，改性材料；
[0028]其中，改性材料為以下中的一種或多種:聚丙烯酰胺(PAM)O-0.05份，硅酸鈉2_10份，水玻璃2-15份；硅酸鈉的化學(xué)式為Na2SiO3 ;水玻璃的化學(xué)式為Na20(Si02)m，m為2_3。
[0029]本實施例的膠凝材料含有實施例一的所有成分，因此，與上文描述的原理相同，本實施例可以達到實施例一的所有技術(shù)效果。
[0030]另外，由于本實施例添加了改性材料，因此還可以達到以下技術(shù)效果。
[0031]PAM可以減少充填體較低濃度時膠凝材料的流失，同時提高充填體的坍落度，有利于充填體的輸送。
[0032]硅酸鈉和水玻璃的主要作用是提供反應(yīng)所需要的硅酸根離子。高爐礦渣中的玻璃相由貧硅相和富硅相組成，在強堿性環(huán)境中，貧硅相先離解出鈣離子和鎂離子，而富硅相相對較慢，為了提高膠凝材料的早期強度，需要在堿性環(huán)境下能快速提供一定數(shù)量的硅酸根離子的物質(zhì)。
[0033]另外，經(jīng)試驗證明，上文中所有井下充填用的膠凝材料還具有以下技術(shù)效果:
[0034]和易性能好，膠結(jié)性能強，后期強度增長穩(wěn)定，干縮量小，并且可以根據(jù)需要實現(xiàn)微膨脹，從而使得充填體接頂性好。
[0035]對硫酸鹽有較強的抗侵蝕能力:隨著充填體中膠結(jié)材料水化的進行，充填體結(jié)構(gòu)更加致密，封閉孔增多，孔結(jié)構(gòu)優(yōu)良，抗侵蝕能力增強；
[0036]所用的輔助材料(包括生石灰、石膏、脫硫灰、硅酸鈉、水玻璃等)都是常見的工業(yè)原料，來源方便，生產(chǎn)工藝簡單，因此進一步降低了本發(fā)明的膠凝材料的生產(chǎn)成本。
[0037]此外，上文所有配方中的成分可以進一步優(yōu)選，以改善技術(shù)效果，例如:生石灰為MgO含量小于4%、氧化鈣重量含量大于80%的生石灰:進一步提聞膠凝材料的強度?；蛘呤酁镃aSO4含量大于88%的石膏:進一步提高膠凝材料的早期強度?；蛘呔郾０窞殡x子型或非離子型聚丙烯酰胺，或者高爐礦渣為粒化高爐礦渣。
[0038]實施例三
[0039]井下充填用的膠凝材料的制備方法，如圖1所示，包括下列步驟:
[0040]步驟101:按重量計，將高爐礦渣65-90份、生石灰10_25份、石膏2_15份和脫硫灰3-10份混合，得到混合料；
[0041]步驟102:將混合料研磨至顆粒的比表面積為400m2/kg-550m2/kg,得到井下充填用的膠凝材料。
[0042]該制備方法可以用于實施一的膠凝材料的制備。
[0043]另外，上述制備方法可以進一步改進，例如:
[0044]優(yōu)選地， 將混合料研磨的步驟之前還包括:向混合料中加入聚丙烯酰胺0-0.05份，和/或硅酸鈉2-10份；硅酸鈉的化學(xué)式為Na2Si03。
[0045]優(yōu)選地，按重量計，在井下充填過程中將惰性充填材料、水與研磨后的所述混合料混合時，向其中加入水玻璃；并且按重量計，每1份研磨后的所述混合料加入2-15份水玻璃，水玻璃的化學(xué)式為Na2O(SiO2)111,m為2-3。該方法是指現(xiàn)用現(xiàn)加的方法，即采用以下方式之一:方式一,先準備好充填材料(即惰性充填材料和膠凝材料的混合物):混合惰性充填材料、水和膠凝材料,并且邊混合便加入水玻璃,最終制得充填材料，再將該充填材料泵入管道中。方式二，將惰性充填材料、水和膠凝材料的混合物直接泵入管道中，并且同時向管道中泵入水玻璃。其中，方式二可以避免充填材料堵塞管道的問題。以上方式中所描述的“膠凝材料”是指沒有添加水玻璃的半成品，即步驟102中研磨后得到的混合料。其中，惰性充填材料可以常用的尾礦、廢石等。
[0046]另外，上述配方中各成分的混合和研磨可以調(diào)換順序，即既可以先采用上文中先混合后研磨的順序，也可以采用下文中先研磨后混合的順序:
[0047]按重量計，將高爐礦渣65-90份、生石灰10-25份、石膏2_15份和脫硫灰3_10份分別研磨至顆粒的比表面積為400m2/kg-550m2/kg ;將研磨之后的高爐礦渣、生石灰、石膏和脫硫灰混合。
[0048]另外，為了詳細說明本發(fā)明的技術(shù)效果，下文提供了具體試驗例。
[0049]注:下文中的二級鈣質(zhì)生石灰是指氧化鈣重量含量大于80%的生石灰。
[0050]試驗例一
[0051]根據(jù)國家標準GB/T 17671-1999水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)，將本發(fā)明的膠凝材料按照規(guī)定的水灰比與ISO標準砂攪拌成型，水玻璃在攪拌時加砂前按規(guī)定的比例加入，制成40mmX 40mmX 160mm的試塊,試塊放在標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護48小時拆模，拆模后試塊置于20± 1°C養(yǎng)護箱中水養(yǎng)護，檢測膠凝材料3天、7天、28天單軸抗壓強度。下表1是不同配方制得的膠凝材料的單軸抗壓強度。
[0052]表1不同配比膠凝材料的單軸抗壓強度
【權(quán)利要求】
1.井下充填用的膠凝材料，其特征在于，由以下成分組成: 按重量計，高爐礦渣65-90份，生石灰10-25份，石膏2-15份，脫硫灰3_10份。
2.井下充填用的膠凝材料，其特征在于，由以下成分組成: 按重量計，高爐礦渣65-90份，生石灰10-25份，石膏2-15份，脫硫灰3_10份，改性材料； 所述改性材料為以下中的一種或多種:聚丙烯酰胺0-0.05份，硅酸鈉2-10份，水玻璃2-15 份； 所述硅酸鈉的化學(xué)式為Na2SiO3 ;所述水玻璃的化學(xué)式為Na2O(SiO2)m, m為2_3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的井下充填用的膠凝材料，其特征在于，所述生石灰為MgO重量含量小于4%、氧化|丐重量含量大于80%的生石灰。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的井下充填用的膠凝材料，其特征在于，所述石膏為CaSO4重量含量大于88%的石骨。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的井下充填用的膠凝材料，其特征在于，所述高爐礦渣為?；郀t礦渣。
6.根據(jù)權(quán)利要 求2所述的井下充填用的膠凝材料，其特征在于，所述聚丙烯酰胺為離子型或非離子型聚丙烯酰胺。
7.井下充填用的膠凝材料的制備方法，其特征在于，包括下列步驟: 按重量計，將高爐礦渣65-90份、生石灰10-25份、石膏2-15份和脫硫灰3_10份混合，得到混合料； 將所述混合料研磨至顆粒的比表面積為400m2/kg-550m2/kg，得到井下充填用的膠凝材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的井下充填用的膠凝材料的制備方法，其特征在于，將所述混合料研磨的步驟之前還包括:向所述混合料中加入聚丙烯酰胺0-0.05份，和/或硅酸鈉2-10 份； 所述娃酸鈉的化學(xué)式為Na2Si03。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的井下充填用的膠凝材料的制備方法，其特征在于，在井下充填過程中將惰性充填材料、水與研磨后的所述混合料混合時，向其中加入水玻璃,并且按重量計，每1份研磨后的所述混合料加入2-15份所述水玻璃； 所述水玻璃的化學(xué)式為Na2O(SiO2)m, m為2-3。
10.井下充填用的膠凝材料的制備方法，其特征在于，包括下列步驟: 按重量計，將高爐礦渣65-90份、生石灰10-25份、石膏2-15份和脫硫灰3_10份分別研磨至顆粒的比表面積為400m2/kg-550m2/kg ； 將所述研磨之后的高爐礦渣、生石灰、石膏和脫硫灰混合，得到井下充填用的膠凝材料。
【文檔編號】C04B28/14GK103613294SQ201310655097
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】王宗森, 蒲道勤 申請人:王宗森, 蒲道勤