一种煤矸石山覆盖处置用密封材料及施工方法

摘要

本发明公开了一种煤矸石山覆盖处置用密封材料及施工方法。该密封材料由固体废弃物、外加剂和水组成，所述外加剂包括离子固化剂和激发剂，其中离子固化剂占固体废弃物质量的0.25％～0.5％，激发剂占固体废弃物质量的0.5％～0.75％；水占固体废弃物质量的27.5％～29.3％；所述固体废弃物由质量百分比为50％～60％的赤泥、22.5～35％的粉煤灰、2.5～7.5％的脱硫石膏及5％～10％的石灰组成；所述激发剂由30％～35％的聚合活性铝，10％～20％的氢氧化钠，10～20％的硅酸钠及35～40％的水泥组成；所述离子固化剂由质量百分比为50％～60％的层状双金属氢氧化物和质量百分比为40％～50％的氯化铵组成。本发明满足煤矸石山处理所需要的力学性能、密封性能、及环保性能指标，在消纳大量固体废弃物如赤泥、粉煤灰、脱硫石膏的同时，降低煤矸石山自燃风险。

权利要求

1.一种煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述密封材料由固体废弃物、外加剂和水组成，所述外加剂包括离子固化剂和激发剂，其中离子固化剂占固体废弃物质量的

0.25％～0.5％，激发剂占固体废弃物质量的0.5％～0.75％；水占固体废弃物质量的

27.5％～29.3％；所述固体废弃物由质量百分比为50％～60％的赤泥、22.5～35％的粉煤灰、2.5～7.5％的脱硫石膏及5％～10％的石灰组成；所述激发剂由30％～35％的聚合活性铝，10％～20％的氢氧化钠，10～20％的硅酸钠及35～40％的水泥组成；所述离子固化剂由质量百分比为50％～60％的层状双金属氢氧化物和质量百分比为40％～50％的氯化铵组成。

2.如权利要求1所述的煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述密封材料的最大干密度为1.29～1.32g/cm3，最佳含水率在27.5％～29.3％。

3.如权利要求1所述的煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述密封材料的容

3 3 3 3

重为1660kg/m ～1700kg/m ，所述离子固化剂的容重为1170kg/m～1230kg/m ，所述激发剂的容重为1050kg/m3～1140kg/m3。

4.如权利要求1所述的煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述层状双金属氢氧化物为C-LDHs，具体采用Mg-Al-CO3型或Ca-Al-CO3型LDHs经500℃煅烧后冷却至室温制得。

5.如权利要求1所述的煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述NH4Cl的纯度≥

99.0％，杂质NaCl≤0.2％，水不溶物≤0.02％，硫酸盐≤0.04％。

6.如权利要求1所述的煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述聚合活性铝为聚合氯化铝、聚合硫酸铝或聚合硅酸铝。

7.如权利要求1所述的煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述氢氧化钠的纯度≥98-99％，杂质Na2CO3≤0.5-1％，NaCl≤0.03-0.08％，Fe2O3≤0.005-0.01％。

8.如权利要求1所述的煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述硅酸钠模数n在2.0～3.0之间。

9.如权利要求1所述的煤矸石山覆盖处置用密封材料，其特征在于，所述水泥为硅酸盐水泥。

10.一种处理煤矸石山混凝土的施工方法，其特征在于，所述施工方法为将煤矸石与权利要求1至9任一项所述的密封材料碾压堆放，底部一次层为煤矸石，厚度为2～3m，随后在其上覆盖一层厚度为20～40cm的所述密封材料，再经过一天养护固化后，再在其上覆盖一层2～3m的煤矸石，按此结构交替层层碾压堆放，最后顶层碾压堆放所述密封材料，顶层覆盖厚度为30～50cm。

说明书

一种煤矸石山覆盖处置用密封材料及施工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及煤矸石山覆盖与固体废弃物处理技术领域，具体来说是一种煤矸石山覆盖处置用密封材料及施工方法。

背景技术

[0002] 煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、含有硫化物且比煤坚硬的黑灰色岩石。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。我国每平均生产1亿吨煤炭，排放矸石1400万吨左右；从煤炭洗选加工来看，每洗选1亿吨炼焦煤排放矸石量2000万吨，每洗1亿吨煤，排放矸石量1500万吨。因而，全国煤矿现有煤矸石山1500余座，堆积量30亿吨以上(占中国工业固体废物排放总量的40％以上)。占地1.3万公顷，且以每年约1亿吨的速度递增，形成新增占地400多公顷。已成为我国累计存量和占地最多的工业废物。全国目前煤矸石的处置方式只有堆存处置的方式。

[0003] 煤矸石的大量堆放，不仅压占土地，更为严重的是严重影响生态环境。煤矸石中的硫化物含量的多少和其原煤质量密切相关，煤分为褐煤、烟煤和无烟煤，因此煤矸石中的硫化物含量的多少是因地因煤而异。煤矸石中的硫化物逸出或经雨水浸出会产生酸性水，污染地下水；煤矸石山还会发生自燃并有可能引发火灾，一座煤矸石山自燃可长达几年或几十年，目前虽有多种灭火方法，不仅耗资大而且难以排除复燃的可能性，并且排放出二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体污染大气环境。

[0004] 赤泥亦称红泥，是从铝土矿中提炼氧化铝后排出的工业固体废物。赤泥因生产工艺的不同分为拜尔法赤泥、烧结法赤泥或联合法赤泥。一般平均每生产1吨氧化铝，附带产生1.0～2.0吨赤泥。中国作为世界第4大氧化铝生产国，每年排放的赤泥保守估计在3500万吨以上，据中国有色金属工业协会最新统计，截止2015年底全国赤泥累计存量达到3.5亿吨，预计2020年将达到5.5亿吨。

[0005] 赤泥是多孔结构，具有较大的比表面积，较强的吸附性。密度为2700～2900g/cm3，颗粒直径0.088～0.25mm，熔点1200～1250℃，塑性指数17.0～30.0，孔隙比2.53～2.95，比表面积64.09～186.9m2/g。由于赤泥中含有大量的强碱性化学物质，稀释10倍后其pH值仍为11.25-11.50，其原土pH为12以上，超过了中国国家规定的排放标准GB5058-85《有色金属工业固体废物污染控制标准》。极高的pH值决定了赤泥对生物和金属、硅质材料的强烈腐蚀性。高碱度的污水渗入地下或进入地表水，使水体pH值升高，以致超出国家规定的相应标准，同时由于pH值的高低常常影响水中化合物的毒性，因此还会造成更为严重的水污染。

[0006] 由于赤泥的化学碱难以脱除且含量大，又含重金属离子及其他多种杂质，对于赤泥的无害化利用一直难以进行，因此，赤泥废渣的处理和综合利用成为一个世界性的大难题。中国目前多采用堆存处置、填充洼地、排入海中的方式处理。其中以堆存处置、填充洼地的方式为主。然而，这些处置方式不仅占用大量土地，且赤泥中的化学成分入渗土地易造成土地碱化、地下水污染，人们长期摄取这些物质，必然会影响身体健康。所以最大限度的减少赤泥的危害，已成为一项急需解决、迫在眉睫的难题。

[0007] 发明专利CN201210136449公开了一种赤泥直接覆盖煤矸石山防止自燃的施工方法(专利号：CN201210136449.1)，但该专利公开的方法中，赤泥没有经过处理，其可溶性碱金属离子和其它有害金属离子会随着雨水的冲刷而浸出，对土壤造成污染。且赤泥直接制备覆盖材料其强度等级低，服役寿命较短。

发明内容

[0008] 本发明要解决的技术问题在于提供一种密封性好、强度高、成本较低的煤矸石山覆盖处置用密封材料及施工方法。

[0009] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0010] 一种煤矸石山覆盖处置用密封材料，所述密封材料由固体废弃物、外加剂和水组成，所述外加剂包括离子固化剂和激发剂，其中离子固化剂占固体废弃物质量的0.25％～0.5％，激发剂占固体废弃物质量的0.5％～0.75％；水占固体废弃物质量的27.5％～
29.3％；所述固体废弃物由质量百分比为50％～60％的赤泥、22.5～35％的粉煤灰、2.5～
7.5％的脱硫石膏及5％～10％的石灰组成；所述激发剂由30％～35％的聚合活性铝，10％～20％的氢氧化钠，10～20％的硅酸钠及35～40％的水泥组成；所述离子固化剂由质量百分比为50％～60％的层状双金属氢氧化物和质量百分比为40％～50％的氯化铵组成。

[0011] 上述方案中，所述密封材料的最大干密度为1.29～1.32g/cm3，最佳含水率在27.5％～29.3％。

[0012] 上述方案中，所述密封材料的容重为1660kg/m3～1700kg/m3，所述离子固化剂的容重为1170kg/m3～1230kg/m3，所述激发剂的容重为1050kg/m3～1140kg/m3。

[0013] 上述方案中，所述层状双金属氢氧化物为C-LDHs，具体采用Mg-Al-CO3型或Ca-Al-CO3型LDHs经500℃煅烧后冷却至室温制得。

[0014] 上述方案中，所述NH4Cl的纯度≥99.0％，杂质NaCl≤0.2％，水不溶物≤0.02％，硫酸盐≤0.04％。

[0015] 上述方案中，所述聚合活性铝为聚合氯化铝、聚合硫酸铝或聚合硅酸铝。

[0016] 上述方案中，所述氢氧化钠的纯度≥98-99％，杂质Na2CO3≤0.5-1％，NaCl≤0.03-0.08％，Fe2O3≤0.005-0.01％。

[0017] 上述方案中，所述硅酸钠模数n在2.0～3.0之间。

[0018] 上述方案中，所述水泥为硅酸盐水泥。

[0019] 一种处理煤矸石山混凝土的施工方法，所述施工方法为将煤矸石与权利要求1至9任一项所述的密封材料碾压堆放，底部一次层为煤矸石，厚度为2～3m，随后在其上覆盖一层厚度为20～40cm的所述密封材料，再经过一天养护固化后，再在其上覆盖一层2～3m的煤矸石，按此结构交替层层碾压堆放，最后顶层碾压堆放所述密封材料，顶层覆盖厚度为30～50cm。

[0020] 上述方案中，赤泥为氧化铝工业拜耳法赤泥。

[0021] 按照上述组分及方法所制得的赤泥基密封材料与现有技术相比，强度高：1d强度可达1.5MPa，28天抗压强度可达3.5MPa。密封性能好：空气渗透系数≤2.0×10-10m2，渗水系数≤3.2×10-6cm/s。耐久性能好：水稳性≥0.85，抗冻性≥0.85，抗酸侵蚀≥0.85。pH≤12.5，重金属离子溶出完全符合《生活垃圾填满场控制标准》(16889-2008)。

[0022] 本发明基于碱激发材料的基本原理，充分利用赤泥中的强碱快速激发粉煤灰等材料中的SiO2、Al2O3，迅速形成水化产物，提供早期强度。同时，外加剂中的聚合活性铝进一步促使硅铝质玻璃体溶解，保证材料强度在中后期持续增长，从而协调其早期强度产生与后期强度的发展。引入脱硫石膏产生钙矾石(AFt)晶体，一方面进一步密实材料结构，提升材料密封与耐候性能；另一方面，利用AFt能在材料内部形成微膨胀应力的特性，显著降低材料的收缩系数，提升材料的抗裂性能。在碱激发体系形成后，Na+主要用于平衡水化产物中的负电荷，被化学固化于水化产物中，难以溶出。碱激发材料所形成的水化产物具有巨大的比表面积，包裹重金属离子，对其进行物理固封。同时，外加剂中的层状双氢氧化物，通过结构重建进一步稳定/固化Na+和有害离子。

[0023] 本发明具有以下有益效果：

[0024] 1、赤泥等工业固废基本无成本，外加剂掺量低，成本低廉，便于企业应用和推广。

[0025] 2、与传统覆盖材料相比，强度高，密封性能好，服役寿命长。

[0026] 3、可有效固化赤泥等工业固废中含有的有害离子。溶出浓度满足《生活垃圾填埋场控制标准》的相关规定。

[0027] 4、降低了煤矸石山自燃风险，具有显著的社会效益和经济效益。

具体实施方式

[0028] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明本发明的具体实施方式。

[0029] 实施例1

[0030] 本实施例提供一种赤泥粉煤灰密封胶凝材料，原料为：赤泥500kg，粉煤灰400kg，脱硫石膏50kg，石灰50kg，激发剂5kg，离子固化剂2.5kg，所需水量为275kg。

[0031] 其中，激发剂成分及含量分别为：聚合氯化铝30％、氢氧化钠15％、硅酸钠15％、水泥40％。离子固化剂成分及含量分别为层状双氢氧化物50％、氯化铵50％。层状双金属氢氧化物为C-LDHs，具体采用Mg-Al-CO3型或Ca-Al-CO3型LDHs经500℃煅烧后冷却至室温制得。

[0032] 该赤泥粉煤灰密封胶凝材料的制备步骤如下：

[0033] a、所有的固体原材料按照比例加入搅拌机进行混合均匀。

[0034] b、将外加剂加入到水中，进行充分拌和。

[0035] c、将拌和好的水溶液按照配比加入混合均匀的干料中，然后充分搅拌均匀。

[0036] 本实施例还提供一种处理煤矸石山混凝土的施工方法，其特征在于，所述施工方法为将煤矸石与密封材料碾压堆放，底部一次层为煤矸石，厚度为2～3m，随后在其上覆盖一层厚度为20～40cm的所述密封材料，再经过一天养护固化后，再在其上覆盖一层2～3m的煤矸石，按此结构交替层层碾压堆放，最后顶层碾压堆放所述密封材料，顶层覆盖厚度为30～50cm。

[0037] 实施例2

[0038] 本实施例提供一种赤泥粉煤灰密封胶凝材料，原料为：赤泥550kg，粉煤灰315kg，脱硫石膏60kg，石灰75kg，激发剂7.5kg，离子固化剂5kg，所需水量为282kg。

[0039] 其中，激发剂成分及含量分别为：聚合硫酸铝30％、氢氧化钠20％、硅酸钠10％、水泥40％。离子固化剂成分及含量分别为层状双氢氧化物60％、氯化铵40％。

[0040] 该赤泥粉煤灰密封胶凝材料的制备步骤如下：

[0041] a、所有的固体原材料按照比例加入搅拌机进行混合均匀。

[0042] b、将外加剂加入到水中，进行充分拌和。

[0043] c、将拌和好的水溶液按照配比加入混合均匀的干料中，然后充分搅拌均匀。

[0044] 本实施例还提供一种处理煤矸石山混凝土的施工方法，其特征在于，所述施工方法为将煤矸石与密封材料碾压堆放，底部一次层为煤矸石，厚度为2～3m，随后在其上覆盖一层厚度为20～40cm的所述密封材料，再经过一天养护固化后，再在其上覆盖一层2～3m的煤矸石，按此结构交替层层碾压堆放，最后顶层碾压堆放所述密封材料，顶层覆盖厚度为30～50cm。

[0045] 实施例3

[0046] 本实施例提供一种赤泥粉煤灰密封胶凝材料，原料为：赤泥600kg，粉煤灰225kg，脱硫石膏75kg，石灰100kg，激发剂10kg，离子固化剂7.5kg，所需水量为297kg。

[0047] 其中，激发剂成分及含量分别为：聚合氯化铝35％、氢氧化钠15％、硅酸钠15％、水泥35％。离子固化剂成分及含量分别为层状双氢氧化物50％、氯化铵50％。

[0048] 该赤泥粉煤灰密封胶凝材料的制备步骤如下：

[0049] a、所有的固体原材料按照比例加入搅拌机进行混合均匀。

[0050] b、将外加剂加入到水中，进行充分拌和。

[0051] c、将拌和好的水溶液按照配比加入混合均匀的干料中，然后充分搅拌均匀。

[0052] 本实施例还提供一种处理煤矸石山混凝土的施工方法，其特征在于，所述施工方法为将煤矸石与密封材料碾压堆放，底部一次层为煤矸石，厚度为2～3m，随后在其上覆盖一层厚度为20～40cm的所述密封材料，再经过一天养护固化后，再在其上覆盖一层2～3m的煤矸石，按此结构交替层层碾压堆放，最后顶层碾压堆放所述密封材料，顶层覆盖厚度为30～50cm。

[0053] 上述实施例的部分性能的测试结果见下表1和表2。

[0054] 表1本发明的密封材料的指标要求及测试结果:

[0055]

[0056] 表2本发明的密封材料的指标要求及测试结果:

[0057]

[0058] 注*：ND代表未检测出

[0059] 上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。