一种掺有赤泥、脱硫石膏与矿渣的充填材料及其制备方法

1.本发明涉及充填材料技术领域，尤其涉及一种掺有赤泥、脱硫石膏与矿渣的充填材料及其制备方法。


背景技术：

2.矿山开采会产生大范围的采空区，采空区的存在会引起地表塌陷，对矿区的房屋等基础设施产生破坏，影响矿区的正常生产生活，而在煤矿开采以及炼铝等工业生产过程中会产生赤泥、脱硫石膏、煤矸石等大量固体废弃物，这些固废大量堆存于地表不仅占用了大量土地资源，而且会通过渗透作用将硫化物、重金属离子等污染物进入地下水，给生态环境安全带来严重威胁，利用固体废弃物制备膏体充填材料，不仅能有效解决固废大量存在带来的土地资源浪费和环境污染问题，而且可以有效解决采空区引起的地表塌陷问题，实现可持续发展的目的，本发明利用固废赤泥和脱硫石膏复合激发矿渣，并以煤矸石作为骨料制备膏体充填材料，能够在控制地表沉陷的基础上，提高矿产资源的回采率，恢复矿区土地使用价值，同时大量利用了固体废物，减少了对环境的污染，产生了良好的经济和环境效益。
3.本发明利用的赤泥为拜耳法赤泥，含有大量未完全反应的苛性钠，碱性强，难以利用，常用于金属回收、土壤修复、建筑材料、水处理及废气处理，脱硫石膏是电厂排出的含硫尾气经石灰水收集而成的大宗固体废弃物，主要成分为caso4
·
2h2o，广泛应用于建材等行业，煤矸石是煤矿开采的伴生废弃物，大量堆积会占用土地资源且自燃后会产生硫、砷、汞和氟化物，污染空气和水资源，其综利用率仅为53.7％，经前期的研究和试验发现，使用赤泥和脱硫石膏复合激发矿渣，并以煤矸石为骨料制备充填体具有良好的性能，能较好满足充填的强度及流动性要求。
4.在膏体充填材料中，常使用水泥作为胶凝材料，但使用水泥作为胶凝材料成本较高且在水泥生产过程中产生了大量的碳排放，近年来采用碱激发矿渣作为胶凝材料制备膏体充填材料取得了较好的效果，但激发效果较好的强碱激发剂naoh、koh等价格较高，而脱硫石膏含有的硫酸盐在赤泥提供的碱性环境下，对矿渣由较好的激发效果，使用其作为激发剂成本远低于采用传统的碱激发剂，可以实现节约成本并处置固体废物的双重目的，制备时只需将几种材料加水拌和均匀即可，制备简单，适用性较强。


技术实现要素：

5.发明目的：针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种掺有赤泥、脱硫石膏与矿渣的充填材料及其制备方法，本发明是对固废绿色化利用，解决固废堆存和采空区地面沉陷问题。
6.技术方案：本发明需要对赤泥进行烘干磨细处理。
7.一种掺有赤泥、脱硫石膏与矿渣的充填材料及其制备方法，包括以下步骤：
8.(1)将制作所需材料按比例称量相应质量，固定赤泥、矿渣和脱硫石膏组成的胶凝
材料总质量及胶凝材料和煤矸石骨料的比例和骨料中粗矸、细矸质量之比不变，改变赤泥/矿渣、脱硫石膏/矿渣，分析赤泥和脱硫石膏对矿渣联合激发效果；
9.(2)设计赤泥/矿渣、脱硫石膏/矿渣范围皆为0.5～1；
10.(3)水和充填体整体质量之比即质量浓度设计为80％～84％；
11.(4)煤矸石作为骨料，煤矸石和胶凝材料比例为3:1～5:1；
12.(5)细矸和粗矸之比为1:1～3:1。
13.进一步的，所述赤泥放入烘干箱中以105
±
5℃的温度烘干3个小时，之后放入球磨机粉磨30～35min后取出。
14.进一步的，所述的赤泥与矿渣及脱硫石膏进行搅拌混合，加水制备胶凝材料。
15.进一步的，所述的骨料为经破碎筛分后的黑色原状煤矸石。
16.进一步的，所述的细骨料为粒径小于4.75mm的煤矸石砂即细矸，其余粒径范围在4.75～13.2mm的骨料为粗骨料即粗矸。
17.进一步的，将黑色原状煤矸石进行破碎筛分，细骨料为粒径小于4.75mm的煤矸石砂即细矸，其余粒径范围在4.75～13.2mm的骨料为粗骨料即粗矸。
18.进一步的，所述的煤矸石加入制备好的胶凝材料中进行充分搅拌，使得充填体各种材料充分混合，之后放入模具中，利用振动台振动去除充填体内气泡。
19.进一步的，对所述的经过12小时养护箱中养护的充填体进行拆模处理，标准条件下养护至规定龄期，测试其单轴抗压强度。
20.有益效果：经烘干磨细处理的赤泥比表面积显著降低，其激发效果显著提高，强度也显著提高，掺入赤泥的充填体各龄期强度明显改善，由于赤泥中存在大量未反应的苛性钠物质为充填体内材料反应提供良好的碱性环境，制备的充填体强度满足充填的要求，本材料的发明将有效地解决膏体充填开采中的新型充填材料需求，项目研究应用可以更好地指导膏体充填开采实践，能够在控制地表沉陷的基础上，提高矿产资源的回采率，恢复矿区土地使用价值，保护矿区居民住房，具有显著的经济效益；同时大量利用了固体废物，减少了对环境的污染，产生了良好的环境效益；项目研究成果实施后能够彻底消除矿区的开采沉陷地质灾害，有着重要的社会效益。
附图说明
21.图1为赤泥、矿渣、脱硫石膏的粒径分布曲线图。
22.图2为赤泥、脱硫石膏复合激发矿渣的充填体各龄期单轴抗压强度折线图。
具体实施方式
23.下面结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.本发明的一种复合胶结充填材料是将赤泥、矿渣、脱硫石膏、煤矸石按照质量百分比混合而成，其制备方法是先将赤泥、矿渣、脱硫石膏组成的胶凝材料在未加入水前搅拌均匀，然后加入水与胶凝材料进行混合，然后将煤矸石加入搅拌好的胶凝材料中，使得胶凝材料和骨料充分混合后制得充填料浆。
25.烘干磨细：将结块的原状赤泥放入烘干箱烘干，之后利用球磨机粉磨30min，磨细
至0.1-1000μm。
26.破碎筛分：将黑色原状煤矸石进行破碎筛分，细骨料为粒径小于4.75mm的煤矸石砂即细矸，其余粒径范围在4.75～13.2mm的骨料为粗骨料即粗矸。
27.表1充填体配比。组别赤泥矿渣脱硫石膏细矸粗矸质量浓度15105303082％2488303082％3884303082％
28.实施例1：
29.本实施例提供一种掺有赤泥、矿渣与脱硫石膏的充填体，具体的配比为五份赤泥，十份矿渣，五份脱硫石膏，三十份细矸，三十份粗矸，质量浓度为82％。
30.实施例2：
31.本实施例提供一种掺有赤泥、矿渣与脱硫石膏的充填体，具体的配比为四份赤泥，八份矿渣，八份脱硫石膏，三十份细矸，三十份粗矸，质量浓度为82％。
32.实施例3：
33.本实施例提供一种掺有赤泥、矿渣与脱硫石膏的充填体，具体的配比为八份赤泥，八份矿渣，四份脱硫石膏，三十份细矸，三十份粗矸，质量浓度为82％。
34.有益效果：
35.脱硫石膏主要成分为硫酸钙，硫酸盐可以对矿渣产生激发效果。
36.赤泥中含有大量未反应完全的苛性碱，能够对矿渣产生更好的激发作用，为充填体内材料反应提供碱性环境。
37.赤泥细度越高，胶凝材料反应越好，充填体强度越高。
38.充填体强度形成机理分析：
39.矿渣是充填体强度的主要来源，但是单独使用其活性很难被激发出来，赤泥提供碱性环境，脱硫石膏提供硫酸盐，在二者协同作用下，能够产生较好的激发效果。
40.赤泥中含有的苛性碱，是充填体碱性反应环境形成的主要原因，且赤泥中含有大量的铝离子，是水化硅铝酸钙形成的重要来源，赤泥中含有的其余矿物可以用作骨架支撑作用及填补充填体孔隙。
41.脱硫石膏主要成分为硫酸钙，能够提供硫酸盐作为矿渣的激发剂，且脱硫石膏具有较好的水硬性和流动性，对充填体前期成型有重要的作用，其含有的钙质协同矿渣提供钙源，生成的水化硅酸钙、水化硅铝酸钙、钙矾石等产物填充骨料间孔隙，使充填体内部结构更加致密，使充填体形成强度。
42.由本发明制备的充填体材料可以满足矿山充填施工中对于强度和流动度的要求，能维持矿山安全生产及消除采空区带来的危害。
43.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。