一种绿色固废基胶固粉凝胶材料及其制备方法

摘要

本发明提供一种绿色固废基胶固粉凝胶材料，属于环保、凝胶材料技术领域，所述凝胶材料按质量份计，包括以下组分：胶固粉2.5‑3.5份、尾砂9.5‑14.7份、水4.75‑7.35份。本发明还提供一种绿色固废基胶固粉凝胶材料的制备方法，所述制备方法包括制备废钢渣树脂组合物、制备改性粉煤灰、制备胶固粉凝胶材料。本发明的胶固粉凝胶材料终凝抗压强度为0.19‑0.20MPa，拆模后抗压强度为0.29‑0.30Mpa，7d抗压强度为3.3‑3.4Mpa，28d抗压强度为5.0‑5.2Mpa；本发明的胶固粉凝胶材料,低温下强度损失小，冻后强度平均值损失为3.2‑3.4%。

权利要求

1.一种绿色固废基胶固粉凝胶材料，其特征在于，所述凝胶材料按质量份计，包括以下组分：胶固粉2.5‑3.5份、尾砂9.5‑14.7份、水4.75‑7.35份；

所述胶固粉凝胶材料的制备方法包括制备废钢渣树脂组合物、制备改性粉煤灰、制备胶固粉凝胶材料；

所述制备废钢渣树脂组合物，将废钢渣粉碎至80‑120目投入去离子水中制得废钢渣分散液，并添加0.08‑0.12mol/L的盐酸溶液混合均匀，再加入异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液，在73‑80℃下搅拌130‑180min，固液分离后用去离子水清洗并干燥得到表面改性废钢渣，将表面改性废钢渣分散于甲苯中，添加二苯基硅烷并以1300‑1700r/min高速搅拌15‑

30min，然后加入聚苯基甲基硅氧烷和对羟基苯磺酸，减压蒸发得到废钢渣树脂组合物；

所述废钢渣与去离子水的质量比为1：3.5‑4.5；所述盐酸溶液与废钢渣的质量比为1：

1.5‑2.5；所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液质量浓度为30‑40%；所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与废钢渣的质量比为2.5‑3.5：2；所述表面改性废钢渣与甲苯质量比为2:4‑

6；所述二苯基硅烷与表面改性废钢渣质量比为1:9‑11；所述聚苯基甲基硅氧烷与表面改性废钢渣质量比为2:2.5‑3.5；所述对羟基苯磺酸与表面改性废钢渣质量比为1:450‑550；

所述制备改性粉煤灰，将粉煤灰和水混合得到粉煤灰分散液，加热至63‑70℃，向分散液中加入脂肪族聚氧乙烯醚和氧化锆粉末，在63‑70℃下搅拌180‑240min，然后喷雾干燥得到改性粉煤灰；

所述粉煤灰与水的质量比为1:6‑8；所述脂肪族聚氧乙烯醚与粉煤灰的质量比为1:9‑

11；所述氧化锆粉末与粉煤灰的质量比为1:19‑21；

所述制备胶固粉凝胶材料包括制备胶固粉、制备凝胶材料；

所述制备胶固粉，所述胶固粉按质量份计，包括以下组分：硅酸盐水泥熟料18‑22份、废钢渣树脂组合物6‑8份、改性粉煤灰30‑40份、电石渣4.5‑5.5份、脱硫石膏9‑11份、废陶瓷粉

1.8‑2.2份、氢氧化钙0.8‑1.2份、乙氧基三苯基硅烷0.8‑1.2份。

2.根据权利要求1所述的一种绿色固废基胶固粉凝胶材料，其特征在于：所述凝胶材料灰砂比为1:3.8‑4.2。

3.根据权利要求1所述的一种绿色固废基胶固粉凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述胶固粉的制备方法，将硅酸盐水泥熟料、废钢渣树脂组合物、改性粉煤灰、电石渣、脱硫石膏、废陶瓷粉、氢氧化钙、乙氧基三苯基硅烷混合均匀得到胶固粉。

4.根据权利要求1所述的一种绿色固废基胶固粉凝胶材料的制备方法，其特征在于：所述制备凝胶材料，将胶固粉、尾砂、水混合得到凝胶材料。

说明书

一种绿色固废基胶固粉凝胶材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种绿色固废基胶固粉凝胶材料及其制备方法，属于环保、凝胶材料技术领域。

背景技术

[0002] 随着当今采矿技术的发展和对环境、材料保护的不断加强，大多数矿井采取充填开采方法，胶固粉是一种用来填充井下或矿山的新型胶凝材料，它可以使用很多工业固体废料制成，保护环境同时还可以降低成本，由于其有较好的水固性，可以在短时间内完成凝固进而实现完成对矿道及采空区的支护作用，被广泛用于矿山充填、地下注浆、道路建设等领域。

[0003] 胶固粉为充填开采中重要环节，成型时间和抗压强度影响开采的效率以及安全问题。

[0004] CN103553482A公开了一种专用于煤矿充填的无机复合胶凝材料及其制备方法，解决了现有技术中存在的早强与缓凝的问题，充填膏体达到了4小时不凝固（或微凝）且塌落度在230mm以上，充填体8小时拆模且强度在0.1mpa以上的充填工艺技术要求，但是其8小时拆模后强度为0.1Mpa，强度较低，而且其低温下强度损失大，由于北方矿山或井下存在温度低的环境，需要减小填充材料在低温下强度损失，保证低温环境下的强度。

[0005] 综上所述，现有技术存在以下问题：

[0006] （1）现有胶固粉凝胶材料，凝结后初期强度仍然较低；

[0007] （2）现有胶固粉凝胶材料，低温下强度损失大。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，通过对原料进行改性制成凝胶材料，实现以下发明目的：

[0009] （1）胶固粉凝胶材料，凝结后初期强度高；

[0010] （2）胶固粉凝胶材料，低温下强度损失小。

[0011] 为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

[0012] 一种绿色固废基胶固粉凝胶材料，所述凝胶材料按质量份计，包括以下组分：胶固粉2.5‑3.5份、尾砂9.5‑14.7份、水4.75‑7.35份；

[0013] 所述凝胶材料灰砂比为1:3.8‑4.2。

[0014] 以下是对上述技术方案的进一步改进：

[0015] 所述制备方法包括制备废钢渣树脂组合物、制备改性粉煤灰、制备胶固粉凝胶材料。

[0016] 所述制备废钢渣树脂组合物，将废钢渣粉碎至80‑120目投入去离子水中制得废钢渣分散液，并添加0.08‑0.12mol/L的盐酸溶液混合均匀，再加入异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液，在73‑80℃下搅拌130‑180min，固液分离后用去离子水清洗并干燥得到表面改性废钢渣，将表面改性废钢渣分散于甲苯中，添加二苯基硅烷并以1300‑1700r/min高速搅拌15‑30min，然后加入聚苯基甲基硅氧烷和对羟基苯磺酸，减压蒸发得到废钢渣树脂组合物。

[0017] 所述废钢渣与去离子水的质量比为1：3.5‑4.5；

[0018] 所述盐酸溶液与废钢渣的质量比为1：1.5‑2.5；

[0019] 所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液质量浓度为30‑40%；

[0020] 所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与废钢渣的质量比为2.5‑3.5：2；

[0021] 所述表面改性废钢渣与甲苯质量比为2:4‑6；

[0022] 所述二苯基硅烷与表面改性废钢渣质量比为1:9‑11；

[0023] 所述聚苯基甲基硅氧烷与表面改性废钢渣质量比为2:2.5‑3.5；

[0024] 所述对羟基苯磺酸与表面改性废钢渣质量比为1:450‑550。

[0025] 所述制备改性粉煤灰，将粉煤灰和水混合得到粉煤灰分散液，加热至63‑70℃，向分散液中加入脂肪族聚氧乙烯醚和氧化锆粉末，在63‑70℃下搅拌180‑240min，然后喷雾干燥得到改性粉煤灰。

[0026] 所述粉煤灰与水的质量比为1:6‑8；

[0027] 所述脂肪族聚氧乙烯醚与粉煤灰的质量比为1:9‑11；

[0028] 所述氧化锆粉末与粉煤灰的质量比为1:19‑21。

[0029] 所述制备胶固粉凝胶材料包括制备胶固粉、制备凝胶材料；

[0030] 所述制备胶固粉，所述胶固粉按质量份计，包括以下组分：硅酸盐水泥熟料18‑22份、废钢渣树脂组合物6‑8份、改性粉煤灰30‑40份、电石渣4.5‑5.5份、脱硫石膏9‑11份、废陶瓷粉1.8‑2.2份、氢氧化钙0.8‑1.2份、乙氧基三苯基硅烷0.8‑1.2份；

[0031] 所述胶固粉的制备方法，将硅酸盐水泥熟料、废钢渣树脂组合物、改性粉煤灰、电石渣、脱硫石膏、废陶瓷粉、氢氧化钙、乙氧基三苯基硅烷混合均匀得到胶固粉；

[0032] 所述制备凝胶材料，将胶固粉、尾砂、水混合得到凝胶材料。

[0033] 与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：

[0034] 本发明的胶固粉凝胶材料具有缓凝效果，初凝时间为250‑260min，终凝时间为340‑350min，450‑460min后可拆模；

[0035] 本发明的胶固粉凝胶材料终凝抗压强度为0.19‑0.20MPa，拆模后抗压强度为0.29‑0.30Mpa，7d抗压强度为3.3‑3.4Mpa，28d抗压强度为5.0‑5.2MPa（GB‑T 39489‑2020）；

[0036] 本发明的胶固粉凝胶材料,低温下强度损失小，冻后强度平均值损失为3.2‑3.4%（JGJ/T70‑2009）；

[0037] 本发明的胶固粉凝胶材料抗收缩性能好，线缩率为1.2‑1.3%（GB‑T 39489‑2020）。

具体实施方式

[0038] 实施例1

[0039] （1）制备废钢渣树脂组合物

[0040] 将废钢渣粉碎至100目投入去离子水中制得废钢渣分散液，并添加0.1mol/L的盐酸溶液混合均匀，再加入异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液，在75℃下搅拌150min，固液分离后用去离子水清洗并干燥得到表面改性废钢渣，将表面改性废钢渣分散于甲苯中，添加二苯基硅烷并以1500r/min高速搅拌20min，然后加入聚苯基甲基硅氧烷和对羟基苯磺酸，减压蒸发得到废钢渣树脂组合物；

[0041] 所述废钢渣与去离子水的质量比为1：4；

[0042] 所述盐酸溶液与废钢渣的质量比为1：2；

[0043] 所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液质量浓度为35%；

[0044] 所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与废钢渣的质量比为3：2；

[0045] 所述表面改性废钢渣与甲苯质量比为2:5；

[0046] 所述二苯基硅烷与表面改性废钢渣质量比为1:10；

[0047] 所述聚苯基甲基硅氧烷与表面改性废钢渣质量比为2:3；

[0048] 所述对羟基苯磺酸与表面改性废钢渣质量比为1:500。

[0049] （2）制备改性粉煤灰

[0050] 将粉煤灰和水搅拌混合，得到粉煤灰分散液，将粉煤灰分散液加热至65℃，向分散液中加入脂肪族聚氧乙烯醚和氧化锆粉末，在65℃下搅拌200min，然后喷雾干燥得到改性粉煤灰；

[0051] 所述粉煤灰与水的质量比为1:7；

[0052] 所述脂肪族聚氧乙烯醚与粉煤灰的质量比为1:10；

[0053] 所述氧化锆粉末与粉煤灰的质量比为1:20。

[0054] （3）制备胶固粉凝胶材料

[0055] a、制备胶固粉

[0056] 所述胶固粉按质量份计，包括以下组分：硅酸盐水泥熟料20份、废钢渣树脂组合物7份、改性粉煤灰35份、电石渣5份、脱硫石膏10份、废陶瓷粉2份、氢氧化钙1份、乙氧基三苯基硅烷1份；

[0057] 将硅酸盐水泥熟料、废钢渣树脂组合物、改性粉煤灰、电石渣、脱硫石膏、废陶瓷粉、氢氧化钙、乙氧基三苯基硅烷混合均匀得到胶固粉；

[0058] b、制备凝胶材料

[0059] 所述凝胶材料按质量份计，包括以下组分：胶固粉3份、尾砂12份、水6份；

[0060] 将胶固粉、尾砂、水混合得到凝胶材料；

[0061] 所述凝胶材料灰砂比为1:4。

[0062] 实施例1的胶固粉凝胶材料具有缓凝效果，初凝时间为260min，终凝时间为340min，450min后可拆模；

[0063] 实施例1的胶固粉凝胶材料终凝抗压强度为0.20MPa，拆模后抗压强度为0.30Mpa，7d抗压强度为3.4Mpa，28d抗压强度为5.2MPa（GB‑T 39489‑2020）；

[0064] 实施例1的胶固粉凝胶材料,低温下强度损失小，冻后强度平均值损失为3.2%（JGJ/T70‑2009）；

[0065] 实施例1的胶固粉凝胶材料抗收缩性能好，线缩率为1.2%（GB‑T 39489‑2020）。

[0066] 实施例2

[0067] （1）制备废钢渣树脂组合物

[0068] 将废钢渣粉碎至80目投入去离子水中制得废钢渣分散液，并添加0.12mol/L的盐酸溶液混合均匀，再加入异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液，在73℃下搅拌180min，固液分离后用去离子水清洗并干燥得到表面改性废钢渣，将表面改性废钢渣分散于甲苯中，添加二苯基硅烷并以1300r/min高速搅拌30min，然后加入聚苯基甲基硅氧烷和对羟基苯磺酸，减压蒸发得到废钢渣树脂组合物；

[0069] 所述废钢渣与去离子水的质量比为1：3.5；

[0070] 所述盐酸溶液与废钢渣的质量比为1：1.5；

[0071] 所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液质量浓度为30%；

[0072] 所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与废钢渣的质量比为3.5：2；

[0073] 所述表面改性废钢渣与甲苯质量比为2:4；

[0074] 所述二苯基硅烷与表面改性废钢渣质量比为1:9；

[0075] 所述聚苯基甲基硅氧烷与表面改性废钢渣质量比为2:2.5；

[0076] 所述对羟基苯磺酸与表面改性废钢渣质量比为1:450。

[0077] （2）制备改性粉煤灰

[0078] 将粉煤灰和水搅拌混合，得到粉煤灰分散液，将粉煤灰分散液加热至63℃，向分散液中加入脂肪族聚氧乙烯醚和氧化锆粉末，在63℃下搅拌240min，然后喷雾干燥得到改性粉煤灰；

[0079] 所述粉煤灰与水的质量比为1:6；

[0080] 所述脂肪族聚氧乙烯醚与粉煤灰的质量比为1:9；

[0081] 所述氧化锆粉末与粉煤灰的质量比为1:19。

[0082] （3）制备胶固粉凝胶材料

[0083] a、制备胶固粉

[0084] 所述胶固粉按质量份计，包括以下组分：硅酸盐水泥熟料18份、废钢渣树脂组合物6份、改性粉煤灰30份、电石渣4.5份、脱硫石膏9份、废陶瓷粉1.8份、氢氧化钙0.8份、乙氧基三苯基硅烷0.8份；

[0085] 将硅酸盐水泥熟料、废钢渣树脂组合物、改性粉煤灰、电石渣、脱硫石膏、废陶瓷粉、氢氧化钙、乙氧基三苯基硅烷混合均匀得到胶固粉；

[0086] b、制备凝胶材料

[0087] 所述凝胶材料按质量份计，包括以下组分：胶固粉2.5份、尾砂9.5份、水4.75份；

[0088] 将胶固粉、尾砂、水混合得到凝胶材料；

[0089] 所述凝胶材料灰砂比为1:3.8。

[0090] 实施例2的胶固粉凝胶材料具有缓凝效果，初凝时间为250min，终凝时间为350min，460min后可拆模；

[0091] 实施例2的胶固粉凝胶材料终凝抗压强度为0.19MPa，拆模后抗压强度为0.29Mpa，7d抗压强度为3.3Mpa，28d抗压强度为5.1MPa（GB‑T 39489‑2020）；

[0092] 实施例2的胶固粉凝胶材料,低温下强度损失小，冻后强度平均值损失为3.3%（JGJ/T70‑2009）；

[0093] 实施例2的胶固粉凝胶材料抗收缩性能好，线缩率为1.3%（GB‑T 39489‑2020）。

[0094] 实施例3

[0095] （1）制备废钢渣树脂组合物

[0096] 将废钢渣粉碎至120目投入去离子水中制得废钢渣分散液，并添加0.08mol/L的盐酸溶液混合均匀，再加入异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液，在80℃下搅拌130min，固液分离后用去离子水清洗并干燥得到表面改性废钢渣，将表面改性废钢渣分散于甲苯中，添加二苯基硅烷并以1700r/min高速搅拌15min，然后加入聚苯基甲基硅氧烷和对羟基苯磺酸，减压蒸发得到废钢渣树脂组合物；

[0097] 所述废钢渣与去离子水的质量比为1：4.5；

[0098] 所述盐酸溶液与废钢渣的质量比为1：2.5；

[0099] 所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液质量浓度为40%；

[0100] 所述异丁基三甲氧基硅烷的甲醇溶液与废钢渣的质量比为2.5：2；

[0101] 所述表面改性废钢渣与甲苯质量比为2:6；

[0102] 所述二苯基硅烷与表面改性废钢渣质量比为1:11；

[0103] 所述聚苯基甲基硅氧烷与表面改性废钢渣质量比为2:3.5；

[0104] 所述对羟基苯磺酸与表面改性废钢渣质量比为1:550。

[0105] （2）制备改性粉煤灰

[0106] 将粉煤灰和水搅拌混合，得到粉煤灰分散液，将粉煤灰分散液加热至70℃，向分散液中加入脂肪族聚氧乙烯醚和氧化锆粉末，在70℃下搅拌180min，然后喷雾干燥得到改性粉煤灰；

[0107] 所述粉煤灰与水的质量比为1:8；

[0108] 所述脂肪族聚氧乙烯醚与粉煤灰的质量比为1:11；

[0109] 所述氧化锆粉末与粉煤灰的质量比为1:21。

[0110] （3）制备胶固粉凝胶材料

[0111] a、制备胶固粉

[0112] 所述胶固粉按质量份计，包括以下组分：硅酸盐水泥熟料22份、废钢渣树脂组合物8份、改性粉煤灰40份、电石渣5.5份、脱硫石膏11份、废陶瓷粉2.2份、氢氧化钙1.2份、乙氧基三苯基硅烷1.2份；

[0113] 将硅酸盐水泥熟料、废钢渣树脂组合物、改性粉煤灰、电石渣、脱硫石膏、废陶瓷粉、氢氧化钙、乙氧基三苯基硅烷混合均匀得到胶固粉；

[0114] b、制备凝胶材料

[0115] 所述凝胶材料按质量份计，包括以下组分：胶固粉3.5份、尾砂14.7份、水7.35份；

[0116] 将胶固粉、尾砂、水混合得到凝胶材料；

[0117] 所述凝胶材料灰砂比为1:4.2。

[0118] 实施例3的胶固粉凝胶材料具有缓凝效果，初凝时间为250min，终凝时间为340min，450min后可拆模；

[0119] 实施例3的胶固粉凝胶材料终凝抗压强度为0.20MPa，拆模后抗压强度为0.29Mpa，7d抗压强度为3.3Mpa，28d抗压强度为5.0MPa（GB‑T 39489‑2020）；

[0120] 实施例3的胶固粉凝胶材料,低温下强度损失小，冻后强度平均值损失为3.4%（JGJ/T70‑2009）；

[0121] 实施例3的胶固粉凝胶材料抗收缩性能好，线缩率为1.2%（GB‑T 39489‑2020）。