一种制备掺玄武岩纤维和碳纳米管的锂长石尾砂胶结充填体的方法与流程

本发明涉及矿山充填材料制备，特别涉及一种制备掺玄武岩纤维和碳纳米管的锂长石尾砂胶结充填体的方法。

背景技术：

1、随着经济的发展，对矿产品需求大幅度增加，矿业开发规模随之加大。金属矿山在工作过程中产生大量的尾砂、废渣等固体废物；加之许多可利用的金属矿品位日益降低，为了满足矿产品日益增长的需求，选矿规模越来越大，因此产生的选矿尾矿数量也将增加，而大量堆存的尾矿，给矿业、环境及经济等造成不少环境难题。尾矿胶结填充技术是使采矿作业更加稳定高效，且减少固体废物的方案。通常尾矿胶结充填材料主要由尾矿、粘结剂和水制备而成。有的时候为了满足回填结构的设计强度要求，可以通过加入化学物质，胶凝材料和纤维材料来增强充填体的力学性能。

2、为了保证胶结体结构的抗压强度，减少干燥收缩和形变等情况引起的开裂，微小裂纹扩展和块状脱离的情况，通过采用掺入纤维的方法，提高构件的承载能力和减缓峰值后的急速破坏，纤维的抗拉强度在胶结体内部起到桥接作用，从而减少构件的早期开裂的情况。为了降低水泥等相关材料成本，研究人员通过掺入混合纤维，来增强胶结回填土的耐久性、强度等，从而获得抗压、抗拉以及韧性等物理性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种制备掺玄武岩纤维和碳纳米管的锂长石尾砂胶结充填体的方法，通过绿色环保的玄武岩纤维，提高充填体的抗弯强度和抗压强度，加入碳纳米管提高充填体的抗压强度，加入硅烷偶联剂改性碳纳米管并改善充填体的离析、泌水现象；通过掺入玄武岩纤维和碳纳米管悬浮液作锂长石尾砂胶结充填体试样，对其进行三点弯曲测试，单轴抗压实验，获得掺玄武岩纤维和碳纳米管锂长石尾砂胶结充填体试验的抗弯强度值，抗压强度值，比较其抗弯强度和抗压强度的大小，得到最优的硅烷偶联剂、固体含量、碳纳米管含量，纤维含量以及水泥与尾砂比例，以获得最佳的掺玄武岩纤维和碳纳米管锂长石尾砂胶结充填体比例。

2、具体而言，本发明提供如下技术方案：

3、一种制备掺玄武岩纤维和碳纳米管的锂长石尾砂胶结充填体的方法，包括：

4、步骤s1、取羧基化碳纳米管，聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，并加第一部分水，搅拌后得到初步碳纳米管悬浮液，再加入硅烷偶联剂，超声得到碳纳米管悬浮液；硅烷偶联剂具有三种作用；一是作为水泥的增稠剂，二是作为碳纳米管的改性剂，三是作为玄武岩纤维的整理剂提高表面附着力。

5、步骤s2、取锂长石尾砂和玄武岩纤维作为骨料，水泥为胶凝材料，搅拌均匀得到第一混合物；玄武岩纤维是一种新型绿色材料，相比于传统的聚乙烯纤维等复合材料，其生产更加环保，不需要石油等不可再生能源；同时玄武岩纤维的成分和玻璃纤维类似，硅烷偶联剂在工业中是作为玻璃纤维整理剂，能有效提高玻璃纤维的附着力、强度，因此硅烷偶联剂也可以改性处理玄武岩纤维、碳纳米管。

6、步骤s3、将碳纳米管悬浮液加入第一混合物中并再次搅拌得到第二混合物；玄武岩纤维在宏观层面上能够增加强度，提高延性和强度，碳纳米管作为纳米材料在微观层面上，能够减少孔隙，桥接裂缝和促进水化产物生成，两者之间具有协同作用。值得注意的是，由于悬浮液中的硅烷偶联剂是混凝土添加剂的一种，能够与矿物表面和水化产物的oh键反应，形成更加紧密的结构，因此不能直接在步骤s2中加入碳纳米管悬浮液，而是需要按本发明的步骤进行原料加入。

7、步骤s4、将第二部分水加入第二混合物中并再次搅拌，得到一定固含量的料浆；

8、步骤s5、将料浆倒入模具中并进行养护，即得到掺玄武岩纤维和碳纳米管的锂长石尾砂胶结充填体。

9、其中制备中的水分两次加入，第一次在步骤s1将50％水加入制备碳纳米管悬浮液，第二次在步骤s4加入剩余的50％；硅烷偶联剂选用kh-550、kh-560、kh-570、kh-792中的其中一种；碳纳米管选用羧基化多壁碳纳米管(cntcooh)；pvp与碳纳米管的质量为1：1，并且碳纳米管的质量不得超过水泥质量的0.2％，硅烷偶联剂的质量为碳纳米管质量的10倍；羧基化处理后的碳纳米管相比普通碳纳米管，不仅分散性更好，并且硅烷偶联剂会与羧基化的碳纳米管的cooh键发生化学反应，形成矿物、水化产物、碳纳米管互连体，进一步提升强度。

10、原料质量比：玄武岩纤维∶碳纳米管∶pva∶硅烷偶联剂∶锂长石尾砂∶水泥∶水＝1∶0.04-0.5∶0.04-0.5∶0.4-5∶99.2-443.2∶11.3-99.8∶83.6-269.2；

11、料浆固含量为65-75％。

12、可选的，步骤s1中，碳纳米管选用95％纯度以上的羧基化碳纳米管，内径3-5nm，外径8-15nm，长度5-15微米，碳纳米管悬浮液的制备需要在45摄氏度下超声处理30min。

13、可选的，步骤s2中，玄武岩纤维长度为6-12mm，水泥选用强度42.5的普通硅酸盐水泥，搅拌时间不少于2min。

14、可选的，步骤s3中，搅拌时间不少于3min。

15、可选的，步骤s4中，搅拌时间不少于3min。

16、可选的，步骤s5中，养护过程为将充填体放置在养护温度为(20±5)℃、相对湿度为(95±5％)的恒温恒湿养护箱中养护7d。

17、可选的，硅烷偶联剂最优为kh-792，原料最优配比为碳纳米管0.1％(即碳纳米管占水泥的质量分数)，纤维0.4％(即纤维占(纤维+水泥)的质量分数)，固体含量70％(即水泥+尾砂/水+水泥+尾砂)，水泥质量与尾砂质量比1/4。

18、可选的，掺玄武岩纤维和碳纳米管锂长石尾砂胶结充填体在空间充填中的应用。

19、本发明所用锂长石尾砂取自宜春某矿山尾砂，尾砂颗粒较细，呈灰白色；

20、充填体试样制备条件优化：根据正交试验设计，按照四种偶联剂，含量为碳纳米管质量10倍；碳纳米管质量从0.05-0.2％(水泥质量分数)每组增量为0.05％，玄武岩纤维含量从2％～8％，每组增量为2％；固体含量为65％、68％、70％以及75％；水泥与尾砂的比例为1/4、1/6、1/8以及1/10的比例共分为16组。称取羧基化碳纳米管，聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，硅烷偶联剂，按照比例加入50％的水放入超声处理器中45摄氏度处理30min，得到碳纳米管悬浮液；锂长石尾砂、水泥和玄武岩纤维放入搅拌机中均匀混合搅拌3分钟，然后碳纳米管悬浮液进行搅拌，然后按比例加入剩余的50％的水进行搅拌。随后将制备的填充浆料倒入标准模具中，长方体模具尺寸为40mm×40mm×160mm，圆柱形模具为直径50mm，高度100mm。

21、充填体试样养护：将制备好的全部充填体试样放置到养护温度为(20±5)℃、相对湿度为(95±5％)的恒温恒湿养护箱中养护龄期为7d。

22、充填体试样三点弯曲试验弯曲强度测试：在达到预定的7天固化时间后，将试块取出，上下两面打磨平整，以达到三点弯曲实验的平整度要求。三点弯曲实验使用的是电子万能试验机，试验实际跨度值为100mm，加载速率为0.1mm/min，本试验取加载点的位移作为试块挠度的弯曲挠度值，试验过程中电脑记录全过程，最终可获得试块的位移-荷载曲线，抗弯强度；每组试样取三个充填体试样进行测试，求取平均值作为最终抗弯强度值，同组充填体试样的强度值误差在±15％范围内；万能电子压力机的最大荷载为20000n，压力传感器的精度为0.01n，位移传感器的精度为0.001mm。

23、充填体试样单轴抗压强度强度测试：在达到预定的7天固化时间后，将试块取出，上下两面打磨平整，以达到单轴抗压实验的平整度要求。单轴抗压实验使用的是电子万能试验机，试验加载速率为0.1mm/min，试验过程中电脑记录全过程，最终可获得试块的应力-应变曲线，抗压强度；每组试样取三个充填体试样进行测试，求取平均值作为最终抗压强度值，同组充填体试样的强度值误差在±15％范围内；万能电子压力机的最大荷载为20000n，压力传感器的精度为0.01n，位移传感器的精度为0.001mm。

24、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

25、本发明的利用玄武岩纤维、碳纳米管和锂长石尾砂作为骨料制备掺玄武岩纤维和碳纳米管锂长石尾砂胶结充填体的方法能够显著改善充填体的抗弯强度，提高抗压强度减少纤维的用量。降低了胶结填充的水泥用量，使矿山运行更符合绿色开采的原则，并且减少了纤维用量，有利于提高胶结体的工作性能，流动性更好，更加适合现场应用和绿色开采。