一种利用多元固体废弃物的生态充填材料及其制备、应用方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，按重量份数计，其原料包括如下组成：赤泥20-30份，建筑垃圾微粉20-30份，建筑垃圾细集料30-40份，煤矸石10-20份，微膨胀剂5-10份，铝粉0.1-1份，引气剂0.1-1份，减水剂0.1-1份，纤维素醚0.1-1份，稳泡剂0.1-1份，原料的总量满足98-102份。本发明不需掺入水泥，很好地利用赤泥、建筑垃圾、煤矸石等固体废弃物，产品具备良好的流动性和持续膨胀性，充填材料稳定性好，结构密实，具有固体废弃物利用率高、材料性能稳定、产品质量可靠的优点。
【专利说明】一种利用多元固体废弃物的生态充填材料及其制备、应用 方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于建筑材料类，提供一种利用多元固体废弃物的生态充填材料及其制 备、应用方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的迅速发展，固体废弃物的堆存越来越多，大量固体废弃物不仅占 用了土地，而且也给人类生活环境带来了严重污染和危害，现已受到了全社会的广泛关注。 数据显示，建筑垃圾、赤泥、煤矸石等固体废固体废弃物堆存总量达20亿吨以上。其中，建 筑垃圾的综合利用率不足5%，赤泥、煤矸石等固体废弃物的综合利用率也低于10%，远远 低于发达国家70%及以上的综合利用率。固体废弃物的长期堆存一方面浪费土地资源，影 响人类的生活环境，不利于资源的可持续发展和资源的回收再利用；另一方面，赤泥、煤矸 石等固体废弃物中常含有重金属物质，长期堆存极易对周边环境的水、土和空气造成污染。
[0003] 另一方面，随着采矿技术的发展，充填采矿的技术已经得到了很大的发展。充填采 矿可以为矿床开采的整体安全提供支撑，有效的保护矿区及周边的生态环境，提高矿床开 采全过程的技术经济指标，具有极好的社会效益。充填采矿对于充填材料的性能有较高的 要求，要求充填材料具有较好的流动性能、保水性能、力学性能以及可操作性能等。传统的 充填材料采用水泥配合砂石、尾矿、副产石膏等进行制备，制备的充填材料不仅经济成本较 高，充填材料的工作性能也无法完全满足充填的需要。如何利用廉价易得的材料制备性能 优异的充填材料是采矿行业面临的重要课题。
[0004] 如何合理有效的利用固体废弃物已成为十分严峻的问题。在已有的文献中，对固 体废弃物制备生态充填材料已有大量的报道，分析这些文献，主要包括以下内容：
[0005] 1.关于充填材料的流动性，在现有的固体废弃物充填材料研究中，通常是控制水 胶比来实现充填材料保有一定的流动性，同时控制掺入固体废弃物的颗粒，减少棱角突出 废料的使用，并在体系允许的情况下加大粉煤灰等颗粒较圆滑的固体废弃物的掺入。而且 在现有的体系当中，对于减水剂、保水剂等外加剂的依赖性很大，一般需要加入2-5%的外 加剂才能满足对流动性的要求。
[0006] 2.关于固体废弃物的大掺量，在对现有的固体废弃物充填体系的报道中，研究较 多的有尾矿配合粉煤灰、水泥制备充填材料，脱硫石膏配合赤泥、水泥制备充填材料，赤泥 配合矿渣、水泥制备充填材料等，在这些体系中，水泥或水泥熟料的掺量一般为20-30 %左 右，尾砂、赤泥、矿渣等固体废弃物的掺量基本上能达到50-70%。
[0007] 3.关于充填材料力学性能及稳定性，在现有的研究中，多半是采用加大水泥或水 泥熟料等胶凝材料的掺量以及减小固体废弃物颗粒尺寸，以保证充填材料有良好的早期强 度和力学稳定性。
[0008] 但现有的充填材料研究中，对于建筑垃圾、煤矸石的利用还很少，对于水泥、水泥 熟料、激发剂、减水剂等材料的依赖性还很强，并且对于充填材料后期性能的研究还不充 分。同时，现有的固体废弃物充填材料对于材料充填的微膨胀性能研究较少，研究充填材料 微膨胀性能对于充填密实性、结构稳定性都有十分重要的作用。虽然赤泥、尾矿等材料在充 填材料中的使用已经有较长的历史，但固体废弃物的堆存量还在逐年递增，再加上对建筑 垃圾、煤矸石等固体废弃物回收利用的研究还不够。因此，充分利用赤泥、建筑垃圾、煤矸 石、高钙粉煤灰等固体废弃物的物理化学组成，利用各种材料的物理化学特性相互激发，减 少充填材料对于水泥或水泥熟料等胶凝材料以及外加剂的依赖，降低充填成本，加大固体 废弃物利用率，这对于充填材料的研究与改善以及响应节能环保号召都有着十分重要的意 义。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种利用多 元固体废弃物的生态充填材料，废弃物利用率高、流动性好、力学性能良好并兼具微膨胀性 能。
[0010] 本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
[0011] 一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，按重量份数计，其原料包括如下组成： 赤泥20-30份，建筑垃圾微粉20-30份，建筑垃圾细集料30-40份，煤矸石10-20份，微膨胀 剂5-10份，铝粉0. 1-1份，引气剂0. 1-1份，减水剂0. 1-1份，纤维素醚0. 1-1份，稳泡剂 〇. 1-1份，原料的总量满足98-102份。
[0012] 按上述方案，所述赤泥由拜尔法生产氧化铝过程中排出的，经KKTC烘干、球磨机 粉磨至勃氏比表面积8500cm2/g左右。
[0013] 按上述方案，所述建筑垃圾微粉和建筑垃圾细集料由建筑垃圾破碎、筛分后获得， 要求所述建筑垃圾微粉细度0. l-o. 2_，建筑垃圾细集料细度0. 3-0. 75_。
[0014] 按上述方案，所述煤矸石是煤炭开采和洗选过程中被分离出来的废弃岩石，经破 碎、粉磨至勃氏比表面积8500cm2/g左右。
[0015] 按上述方案，所述微膨胀剂为高钙粉煤灰。
[0016] 按上述方案，所述引气剂为动植物蛋白类引气剂。
[0017] 按上述方案，所述减水剂采用萘磺酸盐减水剂。
[0018] 按上述方案，所述稳泡剂为蛋白类稳泡剂。
[0019] 上述利用多元固体废弃物的生态充填材料的制备方法：按重量份数称取各原料， 将占赤泥总量15-100% (质量分数）的赤泥进行高温脱水处理；将占的建筑垃圾微粉总量 的20-100% (质量分数）的建筑垃圾微粉进行高温脱水处理，然后与余量的赤泥、余量的建 筑垃圾微粉和其他原料混合均匀即可。根据技术效果和成产成本的综合考虑，制备方法的 优选方案为：将占赤泥总量15-25% (质量分数）的赤泥进行脱水处理，优选将占的建筑垃 圾微粉总量的20-35% (质量分数）的建筑垃圾微粉进行脱水处理，然后与余量的赤泥、余 量的建筑垃圾微粉和其他原料混合均匀即可。
[0020] 上述利用多元固体废弃物的生态充填材料的应用方法：将所述利用多元固体废弃 物的生态充填材料，按适当比例加水搅拌成料浆，通过泵送进行充填。其中水的质量优选为 所述利用多元固体废弃物的生态充填材料总质量的15-25%。
[0021] 本发明所述的性能良好生态充填材料的技术原理主要如下：
[0022] 建筑垃圾中80%左右为砖瓦、混凝土结构废弃物，经分拣破碎筛分后分离为建筑 垃圾微粉和建筑垃圾细集料，建筑垃圾微粉中含有大量C-S-H凝胶等水化产物、未水化的 水泥颗粒等物资，具有一定的潜在水化活性和微集料效应，对原材料中部分赤泥和部分建 筑垃圾微粉进行预脱水处理，进一步提升赤泥与建筑垃圾微粉的活性；赤泥由拜尔法生产 氧化铝过程中排出的，赤泥的主要矿物组成为文石、方解石、蛋白石等，这使得赤泥有一定 的胶结性能，再加上赤泥含碱量较高，可以作为碱性激发剂对建筑垃圾微粉等活性物料的 活性激发起到积极作用，进一步促进建筑垃圾微粉参与水化反应，而建筑垃圾微粉的活性 和微集料作用对材料的增长也有促进作用；建筑垃圾细集料和煤矸石细集料充当填充的主 体结构材料，在赤泥-建筑垃圾微粉互激作用下，形成具有一定力学性能的充填材料；
[0023] 在动植物蛋白引气剂的作用下，料浆中产生大量的气泡，形成气泡的水膜在表面 张力的作用下，形状趋于球形，而球形的气泡在料浆中起到轴承作用，它们分散在浆体中， 阻止了水化产物之间的搭接关系，使料浆内部结构粘度降低及降低颗粒之间的摩擦力，使 得充填材料浆体具有极好的流动性；
[0024] 在加入铝粉发泡剂之后，铝粉与水在赤泥提供的碱性环境作用下，持续反应生成 氢气，持续产生的气体在充填材料中扩散，使得充填材料具有持续膨胀的性能，再加上充填 材料中掺入了适量高钙粉煤灰，其f-CaO含量较高，f-CaO持续水化产生微膨胀；铝粉与高 钙粉煤灰的持续作用使得充填材料在矿井下能够具有一定的微膨胀特性，使充填更加密 实；
[0025] 通过上述原理所得的多元固体废弃物充填材料具有废弃物利用率高、流动性好、 力学性能良好并兼具微膨胀性能。
[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0027] 1)本发明原料主要均为赤泥、建筑垃圾和煤矸石等固体废弃物，废弃物利用率可 达到99%以上，其减排效益明显，可有效提高废弃物的使用率和使用量；
[0028] 2)本发明采用对部分赤泥、建筑垃圾微粉进行预脱水处理，使其具备较好的胶凝 活性，从而取代水泥的掺入，不但保证了充填材料的性能要求，也降低了矿山充填成本，符 合节能减排的要求；
[0029] 3)本发明利用纤维素醚、动植物蛋白和减水剂搭配的方式向充填材料内部引入气 泡，使得充填材料具有良好流动性，不但方便了充填操作，也使得充填的效果更佳；
[0030] 4)本发明利用高钙粉煤灰等含硫量较高的固体废弃物，在控制其掺量的情况下， 使充填材料具备一定的微膨胀性能，同时，在后期由铝粉提供持续膨胀的膨胀源，使材料的 微膨胀速率及程度在可控范围，充填材料具备微膨胀性能对于充填的密实性及安全性都有 很大程度的提高。
[0031] 综上，本发明制备的生态充填材料具有良好的技术经济效果，克服了现有充填材 料中存在的赤泥、建筑垃圾、煤矸石等固体废弃物利用率不高、水泥掺入较多、对减水剂、保 水剂、激发剂等外加剂依赖很强，以及充填材料结构稳定性、充填密实性较差等缺点。本发 明不需掺入水泥，很好地利用赤泥、建筑垃圾、煤矸石等固体废弃物，产品具备良好的流动 性和持续膨胀性，充填材料稳定性好，结构密实，具有固体废弃物利用率高、材料性能稳定、 产品质量可靠的优点。
【具体实施方式】：
[0032] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不 仅仅局限于下面的实施例。
[0033] 下述实施例中建筑垃圾微粉和建筑垃圾细集料由建筑垃圾破碎、筛分后获得，微 粉细度〇· 1-0. 2mm，细集料细度0· 3-0. 75mm ;赤泥由拜尔法生产氧化铝过程中排出的，经 烘干、球磨机粉磨至勃氏比表面积8500cm2/g左右；煤矸石是煤炭开采和洗选过程中获得， 经烘干、粉磨至勃氏比表面积8500cm 2/g左右；高钙粉煤灰是从火力发电厂获得，细度为 10 μ m左右。动植物蛋白引气剂、错粉、萘磺酸盐减水剂、纤维素醚、蛋白类稳泡剂均为市售 工业级产品。
[0034] 实施例1
[0035] -种利用多元固体废弃物的生态充填材料，按重量份数计，其原料包括如下组成： 赤泥25份，建筑垃圾微粉25份，建筑垃圾细集料30份，煤矸石14份，高钙粉煤灰5份，蛋 白类铝粉0. 2份，动植物蛋白引气剂0. 2份，萘磺酸盐减水剂0. 2份，纤维素醚0. 2份，稳泡 剂0. 2份，原料的总量满足100份。
[0036] 上述利用多元固体废弃物的生态充填材料的制备方法：按上述重量份称取各原 料，取赤泥中20%和建筑垃圾微粉中的30%在800°C下进行预脱水处理，然后与余量的赤 泥、余量的建筑垃圾微粉和其他原料混合均匀即可。
[0037] 上述利用多元固体废弃物的生态充填材料的应用方法：将所述利用多元固体废弃 物的生态充填材料1〇〇份，加入18份水搅拌成料浆，通过泵送至矿井进行充填。
[0038] 本实施例制备的充填材料废物利用率99%，材料的流动度为245mm，流动性良好， 满足泵送的需要，充填材料3d强度为2. 4MPa，28d强度为6. 8MPa，力学性能满足充填的需 要，并且该实施例中的充填材料后期体积膨胀比例为4. 5 %，微膨胀性较好。
[0039] 实施例2
[0040] 一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，按重量份数计，其原料包括如下组成： 赤泥30份，建筑垃圾微粉20份，建筑垃圾细集料34份，煤矸石10份，高钙粉煤灰5份，铝 粉〇. 4份，动植物蛋白引气剂0. 2份，萘磺酸盐减水剂0. 2份，纤维素醚0. 1份，蛋白类稳泡 剂〇. 1份，原料的总量满足100份。
[0041] 上述利用多元固体废弃物的生态充填材料的制备方法：按上述重量份称取各原 料，取配比中赤泥的25%和建筑垃圾微粉的25%在800°C下进行预脱水处理，然后与余量 的赤泥、余量的建筑垃圾微粉和其他原料混合均匀即可。
[0042] 上述利用多元固体废弃物的生态充填材料的应用方法：将所述利用多元固体废弃 物的生态充填材料100份，加入20份水搅拌成料浆，通过泵送至矿井进行充填。
[0043] 本实施例制备的充填材料废物利用率99%，材料的流动度为260mm，流动性良好， 满足泵送的需要，充填材料3d强度为2. 2MPa，28d强度为6. 6MPa，力学性能满足充填的需 要，并且该实施例中的充填材料后期体积膨胀比例为5. 3%，微膨胀性较好。
[0044] 实施例3
[0045] 一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，按重量份数计，其原料包括如下组成： 赤泥20份，建筑垃圾微粉28份，建筑垃圾细集料35份，煤矸石10份，高钙粉煤灰6份，铝 粉〇. 5份，动植物蛋白引气剂0. 1份，萘磺酸盐减水剂0. 2份，纤维素醚0. 1份，蛋白类稳泡
【权利要求】
1. 一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，其特征在于按重量份数计，其原料包括 如下组成：赤泥20-30份，建筑垃圾微粉20-30份，建筑垃圾细集料30-40份，煤矸石10-20 份，微膨胀剂5-10份，铝粉0. 1-1份，引气剂0. 1-1份，减水剂0. 1-1份，纤维素醚0. 1-1份， 稳泡剂0. 1-1份，原料的总量满足98-102份。
2. 根据权利要求1所述的一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，其特征在于所述 赤泥经l〇〇°C烘干、球磨机粉磨至勃氏比表面积8500cm 2/g左右。
3. 根据权利要求1所述的一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，其特征在于所述 建筑垃圾微粉细度0. 1-0. 2_，建筑垃圾细集料细度0. 3-0. 75_。
4. 根据权利要求1所述的一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，其特征在于所述 煤石干石是废弃岩石，经破碎、粉磨至勃氏比表面积8500cm 2/g左右。
5. 根据权利要求1所述的一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，其特征在于所述 微膨胀剂为高钙粉煤灰。
6. 根据权利要求1所述的一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，其特征在于所述 引气剂为动植物蛋白类引气剂。
7. 根据权利要求1所述的一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，其特征在于所述 减水剂采用萘磺酸盐减水剂。
8. 根据权利要求1所述的一种利用多元固体废弃物的生态充填材料，其特征在于所述 稳泡剂为蛋白类稳泡剂。
9. 根据权利要求1-8之一所述的利用多元固体废弃物的生态充填材料的制备方法，其 特征在于按重量份数称取各原料，将占赤泥总量15-100 %的赤泥在高温下进行脱水处理； 将占建筑垃圾微粉总量的25-100%的建筑垃圾微粉在高温下进行脱水处理，然后与余量的 赤泥、余量的建筑垃圾微粉和其他原料混合均匀即可。
10. 根据权利要求1-9之一所述的利用多元固体废弃物的生态充填材料的应用方法， 其特征在于将所述利用多元固体废弃物的生态充填材料加水搅拌成料浆，通过泵送进行充 填。
【文档编号】C04B18/16GK104086216SQ201410348843
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】蹇守卫, 张吕东, 马保国, 李相国, 黄健, 谭洪波, 莫志胜 申请人:武汉理工大学