一种低成本绿色环保型固废基胶凝材料及应用的制作方法

本发明属于无机胶凝材料，具体涉及一种低成本绿色环保型固废基胶凝材料及应用。

背景技术：

1、矿产资源是人类社会生存、经济发展与人民生活水平提高的重要物质基础。矿业是我国国民经济的基础和支柱产业之一，也是后发经济效益辐射面最宽的产业之一。尽管矿业在国民经济发展中具有不可替代的作用，但采矿工业在为人类提供原材料的同时，也对生态环境造成严重的污染和损害。为治理矿山大量产生的“三废”问题，目前国内采用充填采矿法，进行原位回填。而作为传统胶凝材料的水泥，因成本高，且井下充填体强度不理想，不能实现矿山经济效益最大化。

2、传统水泥用于井下充填(特别是全尾充填或者超细尾砂充填)存在如下问题：

3、1、矿山井下环境复杂，地下水丰富，矿坑积水严重，导致充填体强度低；

4、2、选矿尾砂较细，含泥量高，强度上升慢，生产周期长，综合成本高；

5、3、矿山一般地处偏远之地，水泥运输成本较高；

6、4、泌水率高，巷道积水，增加排水成本；

7、5、不能有效固结选矿尾砂中的重金属和选矿药剂，污染地下水；

8、6、原材料来源具有局限性，且生产硅酸盐水泥能耗高，污染环境，不利于实现双碳目标。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低成本绿色环保型固废基胶凝材料，以解决如何提高胶凝材料在环境复杂矿山井中充填体强度不足的问题；本发明的目的在于提供一种低成本绿色环保型固废基胶凝材料在矿山井下充填中的应用，提供一种替代传统硅酸盐水泥的胶凝材料，解决传统硅酸盐水泥适应性差的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种低成本绿色环保型固废基胶凝材料，包括a组分和b组分，按照重量份计：

4、a组分：

5、

6、b组分：

7、水玻璃溶液：1-5份。

8、(1)cao+h2o→ca(oh)2；

9、(2)水泥熟料中矿物3cao.sio2、2cao.sio2在水溶液中反应如下：

10、3cao.sio2+h2o→c-s-h+ca(oh)2；

11、2cao.sio2+h2o→c-s-h+ca(oh)2；

12、(3)矿渣、冶炼渣中的活性sio2、al2o3，将与ca(oh)2作用，反应如下：

13、活性sio2+m1ca(oh)2+ap→m1cao.sio2aq；

14、活性al2o3+m2ca(oh)2+ap→m2cao.al2o3aq；

15、上述反应的水化产物m1cao.sio2aq、m2cao.al2o3aq将是矿渣胶凝性能的主要贡献者(注:aq代表溶液)。

16、(4)在上述碱性环境下，再加入一定量的石膏，矿渣的胶凝活性进一步较为充分地发挥出来，并得到了较高的强度。反应过程如下：

17、活性al2o3+3ca(oh)2+3(caso4.2h2o)→3cao.al2o3.3caso4.32h2o

18、(5)矿渣提供ca2+和a13+离子，冶炼渣提供二价金属阳离子和oh-离子，石膏提供ca2+和so42-离子，共同形成极难溶的钙矾石推动反应不断进行。nsioz-mal2o3qca+rca(oh)2+sh2o+3mcaso4-2h2o＝nsioz(q+r-3m)cao.(s+r-27m)h2o+m(3cao-al2o3-3caso4-32h2o)；

19、(6)水玻璃提供na+和硅酸根离子，提高整个反应的活性。

20、冶炼渣是冶炼生铁或其他金属时的副产品，其中含有大量sio2与cao。在经过磨细和复合激发后，形成具有高强度的复合激发胶凝材料。新型胶凝材料的水化产物为钙矾石、c-s-h凝胶、钙硅石，形成速度快，产生量大，细针状的钙矾石和凝胶交叉生长在一起，使体系具有较好的胶结性能，能够形成较高的初期、最终强度。本发明中优化矿渣微粉、冶炼渣、氟石膏、水泥熟料、石灰等的占比，交叉生长形成的密实的网状结构能够牢固的包裹住全尾砂中的细小颗粒，因此，相比水泥，全尾砂-新型胶凝材料制备充填体在较低的灰砂比条件下依旧能够满足矿山充填要求。

21、作为本发明的进一步方案：粒化高炉矿渣微粉为在高炉冶炼生铁时，所得以硅铝酸盐为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后经粉磨，具有潜在水硬性材料；粒化高炉矿渣微粉的玻璃体(质量分数)含量≥70％、质量级别：≥s95级。

22、作为本发明的进一步方案：按照质量百分数计，粒化高炉矿渣微粉包括25％-45％sio2、30％-45％cao、11％-20％al2o3、1％-5％fe2o3、1％-15％mgo、1％-2％s。

23、作为本发明的进一步方案：冶炼渣为锑渣、铜渣和铅锌渣中的一种或多种按照任意比例混合；冶炼渣中38μm以下的粒径占比不小于90％，且d50＝10-15μm；冶炼渣中含有两种或两种以上活性成分，所述活性成分包括sio2、fe2o3、al2o3和cao；sio2在冶炼渣中占比20-50％；fe2o3在冶炼渣中占比20-50％；al2o3在冶炼渣中占比5-15％；cao在冶炼渣中占比20-50％。

24、作为本发明的进一步方案：氟石膏：作为该胶凝材料的硫酸盐激发剂。氟石膏中三氧化硫含量(质量分数)≥45％。

25、作为本发明的进一步方案：水泥熟料由主要含cao、sio2、al2o3、fe2o3的原料，按照适当比例磨成细粉烧制部分熔融所得以硅酸钙为主要矿物成分的水硬性胶凝物质。水泥熟料中硅酸钙矿物(3cao.sio2+2cao.sio2)含量≥70％；水泥熟料强度指标：3d≥26.0mpa；28d≥52.5mpa。

26、锅炉底渣煤为电厂、工业和民用锅炉及其他设备燃煤后排出的废渣。锅炉底渣煤包括二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、碳及少量镁、硫等。锅炉底渣煤具有以下作用：

27、1、助磨材料：上述配比中的材料，在混合粉磨时容易粘球，不易加工；

28、2、分散材料：锅炉底渣中含有碳、灰渣，碳粉、灰渣具有“润滑作用”，使加工后的粉体不易板结，特别是能有效解决石膏在粉磨过程中团聚现象；

29、3、提高化学反应的活性。

30、作为本发明的进一步方案：所述水玻璃溶液的波美度≥40。

31、作为本发明的进一步方案：一种低成本绿色环保型固废基胶凝材料通过如下步骤制备：

32、按照配方称取a组分原料，用螺旋输送机输送至球磨机或立磨机粉磨至比表面积≥400m2/kg；将a组分和b组分混合得到所述胶凝材料。

33、接着将上述a、b材料运送至矿山备用，使用时同时将a、b材料依次称量好加入尾砂搅拌桶中搅拌均匀即可；a组分原料的混合及储存过程严禁水分渗入。

34、作为本发明的进一步方案：粉磨至比表面积≥400m2/kg。

35、一种低成本绿色环保型固废基胶凝材料在矿山井下充填中的应用，灰砂比为1：4-20。

36、本发明的有益效果：

37、本发明提供了一种低成本绿色环保型固废基胶凝材料，利用冶炼厂在提炼金属时产生的冶炼渣、在高炉冶炼生铁时产生的粒化高炉矿渣微粉以及电厂、工业和民用锅炉及其他设备燃煤后排出的锅炉底渣，以工业固废为主要原料，克服现有技术的不足，提供一种原料来源广泛、二氧化碳排放量低、能源消耗低、有效消纳固废、有效固化重金属、优良的耐富水环境、盐碱环境的胶凝材料替代传统硅酸盐水泥。本发明制备的新型胶凝材料以工业固废利用为主，易生产，具有高强度、低成本等特能，适用于复杂的矿山充填体系。

38、本发明制备的低成本绿色环保型固废基胶凝材料具有以下优势：

39、1、充填强度高：实际使用结果证明本发明中的新型胶凝材料对细粒级的尾砂有较强的胶结能力，在相同的灰砂比、充填浓度时，胶凝材料的充填强度比普通水泥高100％以上。

40、2、全尾砂浆体的流动性好：本发明中的新型胶凝材料与水泥相比，尾砂浆体流动度高10％以上。

41、3、抗离析性好：普通水泥用于全尾砂充填时，经常出现严重的泌水和离析现象：表层浓度较下层低得多，表层难以硬化，影响施工作业、降低充填体质量。但本发明中的新型胶凝材料用于全尾砂充填时，由于和易性好，提高了其抗离析性能和充填性能，保证了充填体的各龄期强度，稳定了充填质量。

42、4、低水化热：本发明中的新型胶凝材料与普通水泥相比，其熟料的用量极少甚至不用，其水化热很低，在井下进行大面积充填时，不会产生充填体膨胀和产生裂纹现象；

43、5、成本低廉：在满足相同尾砂充填强度要求时，新型胶凝材料的实际用量较水泥少50％以上。根据充填体一般强度要求，实际灰砂比达1：8-1：10，提高了尾砂利用量和采矿回填量，减少充填成本。