一种固废基滨海岩溶绿色充填材料及其制备方法、应用

技术领域

本发明属于注浆材料技术领域，具体涉及一种固废基滨海岩溶绿色充填材料及其制备方法、应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

近年来，随着我国海洋开发及沿海地区的快速发展，大量基础交通工程、水利水电工程、深部矿山建设在滨海地区投入建设，其中滨海岩溶发育区及采空区在地下空间开发施工过程中极易诱发地表塌陷、突涌水等灾害，造成人员伤亡，财产损失。

注浆技术已然成为地下工程灾害治理的最常规和最有效的手段之一，但发明人发型，目前充填工程以传统硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥类高水充填材料等为主，部分充填材料中掺入胶凝活性较高的粉煤灰和高炉矿渣微粉。在矿山工程中，多采用尾矿进行采空区回填，比如煤矿中采用煤矸石复合水泥制备充填材料，铁矿中采用铁尾矿复合水泥制备充填材料。

但上述现有技术中，充填材料多应用于普通岩溶发育区及采空区的充填工程，而滨海岩溶发育区及采空区地质环境特殊，充填材料受海水侵蚀严重，要求充填材料具备力学强度高、抗海水侵蚀能力强的特点。此外，现有的充填材料以传统水泥为基体材料，因充填工程材料需求量大，导致目前充填工程成本较高。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种固废基滨海岩溶绿色充填材料及其制备方法、应用。封堵材料具有凝结时间短、力学强度高、结石体微膨胀、抗海水侵蚀能力强、安全无毒、成本低等优点。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种固废基滨海岩溶绿色充填材料，包括如下重量份的原料，赤泥20-60份、高炉矿渣10-40份、高铁型冶金渣5-20份、固废石膏3-10份、激发剂4-15份、致密剂0.5-3份、改性剂1-8份。

固废基滨海岩溶绿色充填材料中的赤泥以及高炉矿渣中的硅铝质组分含量较高，在激发剂作用下可以制备具有三维骨架结构的地聚物类胶凝材料，生成的结石体具有凝结时间短、力学强度高、抗侵蚀能力强等特点；掺入的固废石膏主要成分为硫酸钙，可以提升地聚物类胶凝材料力学强度的作用，此外固废石膏还可以提高充填材料的膨胀特性，进而减少充填材料的使用量；掺入的高铁型冶金渣中含有大量铁质组分，在水化过程中可生成铁铝酸盐相水化产物，提高充填材料的抗海水侵蚀特性；掺入的致密剂可以协同提升材料的工作性能，减小结石体的孔隙率，优化孔隙结构，防止海水中侵蚀离子的入侵；改性剂的掺入可以进一步提升充填材料的抗侵蚀特性。

通过高铁相冶金渣和致密剂、改性剂等组分，提升了本发明产品的抗侵蚀性能和微膨胀特性。

在本发明的一些实施方式中，包括如下重量份的原料，赤泥45-55份、高炉矿渣30-40份、高铁型冶金渣10-15份、固废石膏6-8份、激发剂8-10份、致密剂0.5-1份、改性剂1-3份。

在本发明的一些实施方式中，包括如下重量份的原料，赤泥50份、高炉矿渣40份、高铁型冶金渣10份、固废石膏6-8份、激发剂8-10份、致密剂1份、改性剂2份。

在本发明的一些实施方式中，激发剂占赤泥、高炉矿渣、高铁型冶金渣、脱硫石膏四者总和的重量百分比为5-15％。

在本发明的一些实施方式中，赤泥为拜耳法赤泥、烧结法赤泥、联合法赤泥中的一种或几种；优选为拜耳法赤泥。

在本发明的一些实施方式中，高炉矿渣的比表面积为300-400m

在本发明的一些实施方式中，高铁型冶金渣为钢渣、铁尾矿、镍渣等中的一种或几种；优选为钢渣。

在本发明的一些实施方式中，高铁型冶金渣中的铁含量>15％；优选为15-20％。选择高铁型的冶金渣的原因为高铁型冶金渣在水化过程中可以形成铁相的水化产物，进而提升产品的抗侵蚀性能。

在本发明的一些实施方式中，固废石膏为脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、盐石膏、柠檬酸石膏、钛石膏中的一种或几种；优选为脱硫石膏、磷石膏或氟石膏。

在本发明的一些实施方式中，激发剂为水泥熟料、硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠、工业废碱等中的一种或几种；优选为硅酸钠或氢氧化钠。

在本发明的一些实施方式中，致密剂为纳米碳酸钙、石墨烯类材料、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、金属有机骨架材料、超细硅灰等中的一种或几种；优选为纳米二氧化硅或超细硅灰。

在本发明的一些实施方式中，改性剂为硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、重烧氧化镁等中一种或几种；优选为硫铝酸盐水泥或铁铝酸盐水泥。

第二方面，上述固废基滨海岩溶绿色充填材料的制备方法，具体步骤为：

将各原料进行干燥、粉磨处理后混合得到固废基滨海岩溶绿色充填材料。

第三方面，一种动水抗分散封堵材料，包括上述的固废基滨海岩溶绿色充填材料和水。

在本发明的一些实施方式中，固废基滨海岩溶绿色充填材料和水的重量比为115-125:100。

进一步，固废基滨海岩溶绿色充填材料和水的重量比为118-121:100。

第四方面，上述固废基滨海岩溶绿色充填材料或动水抗分散封堵材料在高速铁路、高速公路、城市轨道交通、大型水利水电工程、深部矿山建设等领域中的应用。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的高抗侵蚀滨海岩溶充填材料所用基体材料(赤泥、高炉矿渣、高铁型冶金渣、固废石膏)全部为固废，制备成本较低；

2、本发明的高抗侵蚀滨海岩溶充填材料具有凝结时间短、力学强度高、结石体微膨胀、高抗海水侵蚀等特点。

3、本发明提供的充填材料安全无毒，不会造成环境污染等问题。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

高炉矿渣为冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣。

钢渣为炼钢过程中的一种副产品，它由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。

下面结合实施例对本发明进一步说明

实施例1

一种高抗侵蚀固废基滨海岩溶绿色充填材料及其制备方法，包括如下步骤：

(1)称取拜耳法赤泥50份，高炉矿渣微粉40份，钢渣10份，脱硫石膏7份，硅酸钠8份，纳米二氧化硅1份，硫铝酸盐水泥熟料2份，溶于100份水中，充分搅拌，制成固废基滨海岩溶绿色充填材料；

(2)按照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法测试实施例1制备的动水抗分散封堵材料的各项性能指标，结果如表1所示。

表1各项性能指标

实施例2

一种高抗侵蚀固废基滨海岩溶绿色充填材料及其制备方法，包括如下步骤：

(1)称取拜耳法赤泥50份，高炉矿渣微粉40份，钢渣10份，氢氧化钠10份，超细硅灰1份，铁铝酸盐水泥熟料2份，氟石膏6份，溶于100份水中，充分搅拌，制成固废基滨海岩溶绿色充填材料；

(2)按照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法测试实施例2制备的动水抗分散封堵材料的各项性能指标，结果如表2所示。

表2各项性能指标

实施例3

一种高抗侵蚀固废基滨海岩溶绿色充填材料及其制备方法，包括如下步骤：

(1)称取拜耳法赤泥50份，高炉矿渣微粉40份，钢渣10份，氢氧化钠10份，磷石膏8份，超细硅灰1份，铁铝酸盐水泥熟料2份，溶于100份水中，充分搅拌，制成固废基滨海岩溶绿色充填材料；

(2)按照GB/T50081-2002普通混凝土力学性能试验方法测试实施例3制备的动水抗分散封堵材料的各项性能指标，结果如表3所示。

表3各项性能指标

通过实施例1和实施例3的对比可知激发剂、固废石膏、致密剂、改性剂影响初凝时间、抗压强度、抗蚀系数，可见不同的组合，有利于缩短初凝时间，提高抗压强度，增大抗蚀系数。

通过实施例2和实施例3的对比可知，固废石膏选择氟石膏或磷石膏对得到的动水抗分散封堵材料的影响，选择磷石膏和其它材料的配合降低了初凝时间，提高了抗压强度，抗蚀系数增大。

实施例4

与实施例3相比，将改性剂改为硫铝酸盐水泥，两种水泥的区别在于：硫铝酸盐水泥中铁相含量少，但是形成的钙矾石具有微膨胀特性。得到的固废基滨海岩溶绿色充填材料的性能如表4所示。同时，硫铝酸盐水泥和其它组分配合实现降低了初凝时间，提高了抗压强度。

表4各项性能指标

实施例5

与实施例3相比，将高铁型冶金渣改为铁尾矿，钢渣和铁尾矿中的含铁量不同，钢渣的含铁量较高。得到的固废基滨海岩溶绿色充填材料的性能如表5所示。实施例3中钢渣和其它组分的配合有利于降低初凝时间，提高抗压强度，增大抗蚀系数，增大膨胀系数。

表5各项性能指标

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。