權(quán)利要求

1.全固廢充填材料，包括凝膠材料和骨料，其特征在于，所述凝膠材料和骨料的質(zhì)量混合比例為1:3-7；所述凝膠材料包括以下重量份的組分組成：脫硫石膏6-12份、粉煤灰5-17份、礦渣40-60份、鋼渣10-20份、鎂渣10-30份、電石渣15-25份、減水劑0.5-1.5份、保水分散劑0.5-1.5份；所述骨料為尾砂。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固廢充填材料，其特征在于所述的凝膠材料還加入堿性激發(fā)劑，重量為2-12份。 3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全固廢充填材料，其特征在于所述的堿性激發(fā)劑為復(fù)配激發(fā)劑，其由下述重量份數(shù)的組分組成：偏鋁酸鈉10-20份、硅酸鈉40-50份、硫酸鈉20-30份、氫氧化鈣10-20份。 4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固廢充填材料，其特征在于所述的脫硫石膏的粉磨至比表面積300-350m 2/kg。 5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固廢充填材料，其特征在于所述的粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，其比表面積應(yīng)為400-450m 2/kg。 6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固廢充填材料，其特征在于所述鋼渣、鎂渣、電石渣比表面積均大于400m 2/kg。 7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固廢充填材料，其特征在于所述減水劑為聚羧酸系高效減水劑或萘系高效減水劑或脂肪酸系高效減水劑或三聚氰胺系高效減水劑或木質(zhì)磺酸鹽系高效減水劑中的任意一種。 8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固廢充填材料，其特征在于所述保水分散劑為復(fù)配保水分散劑，由下述重量份數(shù)的組分組成：十六烷基三甲基溴化銨30-40份、甲基纖維素30-40份、鈉基膨潤土30-40份。 9.一種全固廢充填材料的制備方法，其特征在于使用如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的全固廢充填材料，包括以下步驟： (1)按重量份配比分別精確稱重脫硫石膏、粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣、電石渣和尾砂倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料A，所述的攪拌速率為150r/min，攪拌時(shí)長為3-5min； (2)按重量份配比分別精確稱重激發(fā)劑、減水劑和保水分散劑倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料B，所述的攪拌速率為200r/min，攪拌時(shí)長為3-5min； (3)將步驟(1)混合料A和步驟(2)混合料B與普通自來水按比例(1.8-2.6)：1的質(zhì)量比在室內(nèi)環(huán)境下混合均勻，攪拌速率為240r/min，攪拌時(shí)長為10-15min，得到全固廢充填材料。 10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的全固廢充填材料的制備方法，其特征在于所述骨料為尾砂，其表觀密度為2.73g/cm 3，堆積密度為1.65g/cm 3，經(jīng)過烘干至含水率小于2％，尾砂顆粒粒度分布為d 10＝2.68μm、d 30＝17.82μm、d 50＝25.69μm、d 60＝43.76μm、d 90＝143.27μm，不均勻系數(shù)C u＝16.33，曲率系數(shù)C c＝2.71。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及礦山充填材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種全固廢充填材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

地表堆置、尾礦庫儲(chǔ)存是目前處理尾砂的主要方式。尾砂地表堆置將會(huì)占用大量的耕地，破壞土壤和污染地下水。將尾砂儲(chǔ)存于尾礦庫中，增加了礦山企業(yè)投資運(yùn)營成本，降低經(jīng)濟(jì)效益，巨量的尾砂容易導(dǎo)致病險(xiǎn)庫庫容壓力過大，引發(fā)大規(guī)模泥石流和水土流失。地下采礦活動(dòng)后形成的大面積采空區(qū)，是誘發(fā)山體開裂、地表垮塌、圍巖變形、井下突涌水等地質(zhì)災(zāi)害的重要危險(xiǎn)源。尾砂排放帶來的生態(tài)環(huán)境問題和采空區(qū)塌陷誘發(fā)的礦山地質(zhì)安全問題是科研院所和礦山企業(yè)亟待解決的關(guān)鍵難題。

將尾砂作為充填骨料回填采空區(qū)，不僅可以消納大量的尾砂，解決尾砂地表排放帶來的環(huán)保問題，還可以消除采空區(qū)失穩(wěn)帶來的安全隱患，實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”、“一廢治兩害”的資源綠色開采模式。然而，現(xiàn)階段大多數(shù)礦山常用尾砂復(fù)配水泥制備的充填材料。實(shí)踐證明，以水泥作為膠結(jié)劑的充填材料強(qiáng)度低、凝結(jié)硬化速率慢、料漿離析泌水現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，亟需研制一種新型膠凝材料替代水泥。

近年來，諸多專家將這些具有潛在火山灰活性的大宗工業(yè)固體廢棄物替代水泥，通過加入堿激發(fā)劑，與廢石、尾砂等混合制備膠結(jié)充填材料回填采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)了固體廢棄物資源化和高值化利用。例如：專利文獻(xiàn)CN112919874A公開了一種含多種固體廢棄物的水泥基充填材料及其制備方法和應(yīng)用，其主要配料是脫硫石膏、水淬渣、粉煤灰和水泥，該充填材料流動(dòng)性好、可自流或泵送的方式充填進(jìn)入采空區(qū)；然而，本發(fā)明人認(rèn)為：上述技術(shù)在充填材料配比設(shè)計(jì)中加入了一定量的水泥，水泥等級要求較高，處理固廢種類較少，普適應(yīng)較差。專利文獻(xiàn)CN113292305A公開了一種基于多種固廢協(xié)同的堿激發(fā)高水型礦井充填材料及其制備方法，其主要配料是煤矸石、粉煤灰、煤氣化渣、電石渣、硅鈣渣和脫硫石膏，該充填材料流動(dòng)性好、強(qiáng)度高、成本低；

然而，上述技術(shù)以較大顆粒的煤矸石作為充填骨料，在進(jìn)行長距離輸送時(shí)，充填料漿對輸送管道的磨損程度較大。專利文獻(xiàn)CN113493336A公開了一種粉煤灰-礦渣基膠結(jié)充填材料的制備方法，其主要配料是破碎矸石、高速粉磨后的礦渣-粉煤灰微粉，該充填材料具有良好的管輸性能，有效利用了火電廠廢熱水，為火電廠低品位廢熱的利用開辟了新途徑；

然而，上述技術(shù)對粉磨工藝和粉磨成本要求較高，充填體強(qiáng)度較低，難以滿足礦山充填開采要求。

發(fā)明內(nèi)容：

為解決上述問題，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種全固廢充填材料及其制備方法，能夠有效的解決充填體強(qiáng)度較低，難以滿足礦山充填開采要求的問題。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的具體技術(shù)方案為：全固廢充填材料，包括凝膠材料和骨料，其特征在于，所述凝膠材料和骨料的質(zhì)量混合比例為1:3-7；所述凝膠材料包括以下重量份的組分組成：脫硫石膏6-12份、粉煤灰5-17份、礦渣40-60份、鋼渣10-20份、鎂渣10-30份、電石渣15-25份、減水劑0.5-1.5 份、保水分散劑0.5-1.5份；所述骨料為尾砂。

進(jìn)一步地，所述的凝膠材料還加入堿性激發(fā)劑，重量為2-12份。

進(jìn)一步地，所述的堿性激發(fā)劑為復(fù)配激發(fā)劑，其由下述重量份數(shù)的組分組成：偏鋁酸鈉10-20份、硅酸鈉40-50份、硫酸鈉20-30份、氫氧化鈣10-20 份。

進(jìn)一步地，所述的脫硫石膏的粉磨至比表面積300-350m 2/kg

進(jìn)一步地，所述的粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，其比表面積應(yīng)為400-450m 2/kg。

進(jìn)一步地，所述鋼渣、鎂渣、電石渣比表面積均大于400m 2/kg。

進(jìn)一步地，所述減水劑為聚羧酸系高效減水劑或萘系高效減水劑或脂肪酸系高效減水劑或三聚氰胺系高效減水劑或木質(zhì)磺酸鹽系高效減水劑中的任意一種。

進(jìn)一步地，所述保水分散劑為復(fù)配保水分散劑，由下述重量份數(shù)的組分組成：十六烷基三甲基溴化銨30-40份、甲基纖維素30-40份、鈉基膨潤土30-40 份。

一種全固廢充填材料的制備方法，使用所述的全固廢充填材料，包括以下步驟：

(1)按重量份配比分別精確稱重脫硫石膏、粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣、電石渣和尾砂倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料A，所述的攪拌速率為150r/min，攪拌時(shí)長為3-5min；

(2)按重量份配比分別精確稱重激發(fā)劑、減水劑和保水分散劑倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料B，所述的攪拌速率為 200r/min，攪拌時(shí)長為3-5min；

(3)將步驟(1)混合料A和步驟(2)混合料B與普通自來水按比例 (1.8-2.6)：1的質(zhì)量比在室內(nèi)環(huán)境下混合均勻，攪拌速率為240r/min，攪拌時(shí)長為10-15min，得到全固廢充填材料。

進(jìn)一步地，所述骨料為尾砂，其表觀密度為2.73g/cm 3，堆積密度為 1.65g/cm 3，經(jīng)過烘干至含水率小于2％，尾砂顆粒粒度分布為d 10＝2.68μm、 d 30＝17.82μm、d 50＝25.69μm、d 60＝43.76μm、d 90＝143.27μm，不均勻系數(shù)C u＝16.33，曲率系數(shù)C c＝2.71。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明所使用的主要原料脫硫石膏、粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣及電石渣均為工業(yè)固體廢棄物，用以制備膠凝材料完全替代水泥，大幅度降低充填材料成本，以廢治廢，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了固廢資源化和高值化應(yīng)用，減少了固體廢棄物對生態(tài)環(huán)境的污染，具有顯著的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)及工程應(yīng)用價(jià)值。

(2)本發(fā)明合理利用了多源固廢化學(xué)組分協(xié)同互補(bǔ)理論，創(chuàng)新性地在粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣及電石渣中添加了堿性激發(fā)劑，在堿性激發(fā)劑的作用下，礦渣和粉煤灰結(jié)構(gòu)中的富硅相和富鈣相在堿激發(fā)作用下，一部分鈣相會(huì)迅速溶解使玻璃體解體，在堿性激發(fā)劑的作用下，生成Si(OH) 4和Al(OH) 4 -等單體，這些單體與脫硫石膏提供的SO 4 2-、鋼渣、鎂渣及電石渣提供的Ca 2+反應(yīng)生成鈣礬石；而膠凝體系中富存的Ca 2+與斷裂后的硅氧鍵和鋁氧鍵反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠；隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，石膏逐漸被消耗，AFt能與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成強(qiáng)度更大的AFm晶體

(3)本發(fā)明添加了保水分散劑，合理的解決了全固廢充填材料的離析、泌水問題，使充填材料具有良好的保水性和均勻分散性；添加了適量的粉煤灰，粉煤灰能夠發(fā)揮滾珠效應(yīng)，增加充填料漿的流動(dòng)性。

具體實(shí)施方式：

在本發(fā)明的描述中具體細(xì)節(jié)僅僅是為了能夠充分理解本發(fā)明的實(shí)施例，但是作為本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該知道本發(fā)明的實(shí)施并不限于這些細(xì)節(jié)。另外，公知的結(jié)構(gòu)和功能沒有被詳細(xì)的描述或者展示，以避免模糊了本發(fā)明實(shí)施例的要點(diǎn)。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

本發(fā)明的具體實(shí)施方式：

為了更好的理解本發(fā)明特以具體的實(shí)施例進(jìn)行說明，值得強(qiáng)調(diào)的是該實(shí)施例的效果與本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的各種實(shí)施例無實(shí)質(zhì)性差異，均能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明所描述的效果及解決上述問題；

全固廢充填材料，包括凝膠材料和骨料，其特征在于，所述凝膠材料和骨料的質(zhì)量混合比例為1:3-7；所述凝膠材料包括以下重量份的組分組成：脫硫石膏6-12份、粉煤灰5-17份、礦渣40-60份、鋼渣10-20份、鎂渣10-30份、電石渣15-25份、減水劑0.5-1.5份、保水分散劑0.5-1.5份；所述骨料為尾砂。

進(jìn)一步地，所述的凝膠材料還加入堿性激發(fā)劑，重量為2-12份。

進(jìn)一步地，所述的堿性激發(fā)劑為復(fù)配激發(fā)劑，其由下述重量份數(shù)的組分組成：偏鋁酸鈉10-20份、硅酸鈉40-50份、硫酸鈉20-30份、氫氧化鈣10-20 份。

進(jìn)一步地，所述的脫硫石膏的粉磨至比表面積300-350m 2/kg

進(jìn)一步地，所述的粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，其比表面積應(yīng)為400-450m 2/kg。

進(jìn)一步地，所述鋼渣、鎂渣、電石渣比表面積均大于400m 2/kg。

進(jìn)一步地，所述減水劑為聚羧酸系高效減水劑或萘系高效減水劑或脂肪酸系高效減水劑或三聚氰胺系高效減水劑或木質(zhì)磺酸鹽系高效減水劑中的任意一種。

進(jìn)一步地，所述保水分散劑為復(fù)配保水分散劑，由下述重量份數(shù)的組分組成：十六烷基三甲基溴化銨30-40份、甲基纖維素30-40份、鈉基膨潤土30-40 份。

一種全固廢充填材料的制備方法，使用所述的全固廢充填材料，包括以下步驟：

(1)按重量份配比分別精確稱重脫硫石膏、粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣、電石渣和尾砂倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料A，所述的攪拌速率為150r/min，攪拌時(shí)長為3-5min；

(2)按重量份配比分別精確稱重激發(fā)劑、減水劑和保水分散劑倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料B，所述的攪拌速率為 200r/min，攪拌時(shí)長為3-5min；

(3)將步驟(1)混合料A和步驟(2)混合料B與普通自來水按比例 (1.8-2.6)：1的質(zhì)量比在室內(nèi)環(huán)境下混合均勻，攪拌速率為240r/min，攪拌時(shí)長為10-15min，得到全固廢充填材料。

進(jìn)一步地，所述骨料為尾砂，其表觀密度為2.73g/cm 3，堆積密度為 1.65g/cm 3，經(jīng)過烘干至含水率小于2％，尾砂顆粒粒度分布為d 10＝2.68μm、 d 30＝17.82μm、d 50＝25.69μm、d 60＝43.76μm、d 90＝143.27μm，不均勻系數(shù)C u＝16.33，曲率系數(shù)C c＝2.71。

第一實(shí)施例

一種全固廢充填材料的制備，包括如下步驟：

(1)按照以下重量份的比例，分別稱取凝膠材料：脫硫石膏12份、粉煤灰17份、礦渣60份、鋼渣20份、鎂渣30份、電石渣25份、復(fù)配激發(fā)劑12 份(組分配比為偏鋁酸鈉20份、硅酸鈉50份、硫酸鈉20份、氫氧化鈣10份)、脂肪酸系高效減水劑0.5份、復(fù)配保水分散劑1份(組分配比為十六烷基三甲基溴化銨30份、甲基纖維素30份、鈉基膨潤土40份)。其中所述脫硫石膏比表面積為350m 2/kg，所述粉煤灰比表面積為400m 2/kg，所述鋼渣、鎂渣、電石渣比表面積為450m 2/kg。

(2)按照6倍于本實(shí)施的凝膠材料質(zhì)量的比例，稱取尾砂作為骨料，其表觀密度為2.73g/cm 3，堆積密度為1.65g/cm 3，經(jīng)過烘干至含水率小于2％，尾砂顆粒粒度分布為d 10＝2.68μm、d 30＝17.82μm、d 50＝25.69μm、d 60＝43.76μm、 d 90＝143.27μm，不均勻系數(shù)C u＝16.33，曲率系數(shù)C c＝2.71。

(3)將步驟(1)和步驟(2)中稱量好的脫硫石膏、粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣、電石渣和尾砂倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料A，所述的攪拌速率為150r/min，攪拌時(shí)長為3-5min。

(4)將步驟(1)中稱量好的激發(fā)劑、減水劑和保水分散劑倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料B，所述的攪拌速率為 200r/min，攪拌時(shí)長為3-5min。

(5)將步驟(3)混合料A和步驟(4)混合料B與普通自來水按比例2.2：1的質(zhì)量比在室內(nèi)環(huán)境下混合均勻，攪拌速率為240r/min，攪拌時(shí)長為10-15min，得到全固廢充填材料。

(6)將步驟(5)制備的部分充填料漿倒入塌落筒中測試其塌落度，筒高為300mm，上口直徑為100mm，下口直徑為200mm；然后將料漿倒入量程為100mL 的量筒中測試其泌水率；隨后將料漿澆注至長×寬×高為 70.7mm×70.7mm×70.7mm的三聯(lián)模具中成型試塊，24h后拆模，將試塊放至標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至3d、7d和28d，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，養(yǎng)護(hù)濕度為95％；最后采用萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)檢測試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。

第二實(shí)施例

一種全固廢充填材料的制備，包括如下步驟：

(1)按照以下重量份的比例，分別稱取凝膠材料：脫硫石膏8份、粉煤灰 10份、礦渣40份、鋼渣15份、鎂渣20份、電石渣20份、復(fù)配激發(fā)劑7份(組分配比為偏鋁酸鈉15份、硅酸鈉40份、硫酸鈉25份、氫氧化鈣20份)、聚羧酸系高效減水劑1份、復(fù)配保水分散劑0.5份(組分配比為十六烷基三甲基溴化銨30份、甲基纖維素40份、鈉基膨潤土30份)。其中所述脫硫石膏比表面積為350m2/kg，所述粉煤灰比表面積為400m 2/kg，所述鋼渣、鎂渣、電石渣比表面積為450m 2/kg。

(2)按照7倍于本實(shí)施的凝膠材料質(zhì)量的比例，稱取尾砂作為骨料，其表觀密度為2.73g/cm 3，堆積密度為1.65g/cm 3，經(jīng)過烘干至含水率小于2％，尾砂顆粒粒度分布為d 10＝2.68μm、d 30＝17.82μm、d 50＝25.69μm、d 60＝43.76μm、 d 90＝143.27μm，不均勻系數(shù)C u＝16.33，曲率系數(shù)C c＝2.71。

(3)將步驟(1)和步驟(2)中稱量好的脫硫石膏、粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣、電石渣和尾砂倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料A，所述的攪拌速率為150r/min，攪拌時(shí)長為3-5min。

(4)將步驟(1)中稱量好的激發(fā)劑、減水劑和保水分散劑倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料B，所述的攪拌速率為 200r/min，攪拌時(shí)長為3-5min。

(5)將步驟(3)混合料A和步驟(4)混合料B與普通自來水按比例1.8： 1的質(zhì)量比在室內(nèi)環(huán)境下混合均勻，攪拌速率為240r/min，攪拌時(shí)長為10-15min，得到全固廢充填材料。

(6)將步驟(5)制備的部分充填料漿倒入塌落筒中測試其塌落度，筒高為300mm，上口直徑為100mm，下口直徑為200mm；然后將料漿倒入量程為100mL 的量筒中測試其泌水率；隨后將料漿澆注至長×寬×高為 70.7mm×70.7mm×70.7mm的三聯(lián)模具中成型試塊，24h后拆模，將試塊放至標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至3d、7d和28d，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，養(yǎng)護(hù)濕度為95％；最后采用萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)檢測試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。

第三實(shí)施例

一種全固廢充填材料的制備，包括如下步驟：

(1)按照以下重量份的比例，分別稱取凝膠材料：脫硫石膏6份、粉煤灰 8份、礦渣50份、鋼渣10份、鎂渣10份、電石渣25份、復(fù)配激發(fā)劑2份(組分配比為偏鋁酸鈉10份、硅酸鈉50份、硫酸鈉30份、氫氧化鈣10份)、三聚氰胺系高效減水劑1.5份、復(fù)配保水分散劑1份(組分配比為十六烷基三甲基溴化銨40份、甲基纖維素30份、鈉基膨潤土30份)。其中所述脫硫石膏比表面積為350m 2/kg，所述粉煤灰比表面積為400m 2/kg，所述鋼渣、鎂渣、電石渣比表面積為450m 2/kg。

(2)按照5倍于本實(shí)施的凝膠材料質(zhì)量的比例，稱取尾砂作為骨料，其表觀密度為2.73g/cm 3，堆積密度為1.65g/cm 3，經(jīng)過烘干至含水率小于2％，尾砂顆粒粒度分布為d 10＝2.68μm、d 30＝17.82μm、d 50＝25.69μm、d 60＝43.76μm、d 90＝143.27μm，不均勻系數(shù)C u＝16.33，曲率系數(shù)C c＝2.71。

(3)將步驟(1)和步驟(2)中稱量好的脫硫石膏、粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣、電石渣和尾砂倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料A，所述的攪拌速率為150r/min，攪拌時(shí)長為3-5min。

(4)將步驟(1)中稱量好的激發(fā)劑、減水劑和保水分散劑倒入攪拌容器中，將上述組分在室內(nèi)環(huán)境下干拌混合，得到混合料B，所述的攪拌速率為 200r/min，攪拌時(shí)長為3-5min。

(5)將步驟(3)混合料A和步驟(4)混合料B與普通自來水按比例2.6： 1的質(zhì)量比在室內(nèi)環(huán)境下混合均勻，攪拌速率為240r/min，攪拌時(shí)長為10-15min，得到全固廢充填材料。

(6)將步驟(5)制備的部分充填料漿倒入塌落筒中測試其塌落度，筒高為300mm，上口直徑為100mm，下口直徑為200mm；然后將料漿倒入量程為100mL 的量筒中測試其泌水率；隨后將料漿澆注至長×寬×高為 70.7mm×70.7mm×70.7mm的三聯(lián)模具中成型試塊，24h后拆模，將試塊放至標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至3d、7d和28d，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，養(yǎng)護(hù)濕度為95％；最后采用萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)檢測試塊的單軸抗壓強(qiáng)度。

Na 2SiO 3+2H 2O→2NaOH+H 2SiO 3 (1)

(＝Si-O-Ca-O-Si-)+NaOH→2(-Si-O-Na)+Ca(OH) 2 (2)

(＝Si-O-Si＝)+H·OH→2(＝Si-OH) (3)

(＝Si-OH)+NaOH→(＝Si-ONa)+H·OH (4)

Si-O-Al+7OH -→[SiO(OH) 3] -+[Al(OH) 4] - (5)

2[Al(OH) 4] -+3SO 4 2-+6Ca 2++4OH-+26H 2O→3CaO·Al 2O 3·3CaSO 4·32H 2O (6)

x 1Ca(OH) 2+SiO 2+(y 1-1)H 2O→x 1CaO·SiO 2·y 1H 2O (7)

x 2Ca(OH) 2+Al 2O 3+(y 2-1)H 2O→x 2CaO·Al 2O 3·y 2H 2O (8)

3CaO·Al 2O 3·3CaSO 4·32H 2O+2(3CaO·Al 2O 3·6H 2O)→3(3CaO·Al 2O 3·CaSO 4·12H 2O) (9)

本發(fā)明的工作原理從化學(xué)角度出發(fā)，由于鈣氧鍵的鍵能要比硅氧鍵和鋁氧鍵弱的多，礦渣和粉煤灰結(jié)構(gòu)中的富硅相和富鈣相在堿激發(fā)作用下，富鈣相會(huì)迅速溶解使玻璃體解體，在堿性激發(fā)劑的作用下，生成Si(OH) 4和Al(OH) 4 -等單體，如式(1)-(5)所示；

這些單體與脫硫石膏提供的SO 4 2-、鋼渣、鎂渣及電石渣提供的Ca 2+反應(yīng)生成鈣礬石3CaO·Al 2O 3·3CaSO 4·32H 2O(AFt)，如式(6)所示；

在堿激發(fā)作用下，膠凝體系中富存的Ca 2+與斷裂后的硅氧鍵和鋁氧鍵反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠，如式(7)-(8)所示；

隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，石膏逐漸被消耗，AFt能與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成強(qiáng)度更大的AFm晶體，充填體內(nèi)部水化產(chǎn)物相互攀附、搭接，將骨料顆粒包裹，構(gòu)成完善的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是充填體強(qiáng)度的主要來源。

為了更加直觀的展現(xiàn)本發(fā)明的工藝優(yōu)勢，特以本發(fā)明全固廢充填材料的制備方法和相同工藝采用等效替換的方法進(jìn)行對比，

對比例一

制備方法同第一實(shí)施例，所不同的是：本對比例的制備過程中，沒有添加堿性激發(fā)劑；

對比例二

制備方法同第一實(shí)施例，所不同的是：本對比例的制備過程中，沒有添加減水劑；

對比例三

制備方法同第一實(shí)施例，所不同的是：本對比例的制備過程中，沒有添加復(fù)配保水分散劑中的十六烷基三甲基溴化銨、甲基纖維素和鈉基膨潤土；

對比例四

制備方法同第一實(shí)施例，所不同的是：本對比例的制備過程中，堿性激發(fā)劑替換成相同質(zhì)量份數(shù)的偏鋁酸鈉；

對比例五

制備方法同第一實(shí)施例，所不同的是：本對比例的制備過程中，堿性激發(fā)劑替換成相同質(zhì)量份數(shù)的氫氧化鈣；

性能測試

對實(shí)施例和對比例制備的充填材料進(jìn)行性能測試，結(jié)果如表1所示。

表1充填材料的性能檢測結(jié)果

從表1的檢測數(shù)據(jù)可以看出：

(1)第一實(shí)施例與對比例1相比，抗壓強(qiáng)度明顯地降低，這可能是由于沒有添加堿性激發(fā)劑導(dǎo)致的，沒有添加堿性激發(fā)劑，礦渣和粉煤灰結(jié)構(gòu)中的富硅相和富鈣相無法生成Si(OH) 4和Al(OH) 4 -等單體，同時(shí)膠凝體系中富存的Ca 2+與正常硅氧鍵和鋁氧鍵反應(yīng)無法生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠，進(jìn)一步地，AFt無法與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成強(qiáng)度更大的AFm晶體；

(2)第一實(shí)施例與對比例2相比，性能的區(qū)別在于：塌落度明顯的降低，這可能是由于沒有添加減水劑導(dǎo)致的；

(3)第一實(shí)施例與對比例3相比，性能的區(qū)別在于：泌水率從5.3％變成了 13.6％，這可能是由于沒有添加復(fù)配保水分散劑導(dǎo)致的，本發(fā)明添加了保水分散劑，使充填材料具有良好的保水性和均勻分散性；合理的解決了全固廢充填材料的離析、泌水問題。

(4)第一實(shí)施例與對比例4相比，性能的區(qū)別在于：抗壓強(qiáng)度有所降低，這可能是由于對比例4雖然添加了堿性激發(fā)劑，但是堿性激發(fā)劑僅為偏鋁酸鈉，偏鋁酸鈉并不能實(shí)現(xiàn)復(fù)配激發(fā)劑，具體地偏鋁酸鈉10-20份、硅酸鈉40-50份、硫酸鈉20-30份、氫氧化鈣10-20份所能達(dá)到的效果。

(5)第一實(shí)施例與對比例5相比，性能的區(qū)別在于：堿性激發(fā)劑替換成相同質(zhì)量份數(shù)的氫氧化鈣這可能是由于雖然添加了堿性激發(fā)劑，但是堿性激發(fā)劑僅為氫氧化鈣，相對于偏鋁酸鈉抗壓強(qiáng)度更低，氫氧化鈣屬于強(qiáng)堿環(huán)境，并不能將礦渣和粉煤灰結(jié)構(gòu)中的富硅相和富鈣相轉(zhuǎn)化成Si(OH) 4和Al(OH) 4 -等單體，同時(shí)膠凝體系中富存的Ca 2+與正常硅氧鍵和鋁氧鍵反應(yīng)無法生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠，進(jìn)一步地，AFt無法與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成強(qiáng)度更大的 AFm晶體。

綜上所述：

(1)本發(fā)明所使用的主要原料脫硫石膏、粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣及電石渣均為工業(yè)固體廢棄物，用以制備膠凝材料完全替代水泥，大幅度降低充填材料成本，以廢治廢，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)了固廢資源化和高值化應(yīng)用，減少了固體廢棄物對生態(tài)環(huán)境的污染，具有顯著的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)及工程應(yīng)用價(jià)值。

(2)本發(fā)明合理利用了多源固廢化學(xué)組分協(xié)同互補(bǔ)理論，創(chuàng)新性地在粉煤灰、礦渣、鋼渣、鎂渣及電石渣中添加了堿性激發(fā)劑，在堿性激發(fā)劑的作用下，礦渣和粉煤灰結(jié)構(gòu)中的富硅相和富鈣相在堿激發(fā)作用下，一部分鈣相會(huì)迅速溶解使玻璃體解體，在堿性激發(fā)劑的作用下，生成Si(OH) 4和Al(OH) 4 -等單體，這些單體與脫硫石膏提供的SO 4 2-、鋼渣、鎂渣及電石渣提供的Ca 2+反應(yīng)生成鈣礬石；而膠凝體系中富存的Ca 2+與斷裂后的硅氧鍵和鋁氧鍵反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣凝膠；隨著水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，石膏逐漸被消耗，AFt能與水化鋁酸鈣反應(yīng)生成強(qiáng)度更大的AFm晶體

(3)本發(fā)明添加了保水分散劑，合理的解決了全固廢充填材料的離析、泌水問題，使充填材料具有良好的保水性和均勻分散性；添加了適量的粉煤灰，粉煤灰能夠發(fā)揮滾珠效應(yīng)，增加充填料漿的流動(dòng)性。

全固廢充填材料及其制備方法.pdf