一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料及其制備、應用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，按重量份數計，其原料包括如下組成：赤泥20-30份，建筑垃圾微粉20-30份，建筑垃圾細集料30-40份，煤矸石10-20份，微膨脹劑5-10份，鋁粉0.1-1份，引氣劑0.1-1份，減水劑0.1-1份，纖維素醚0.1-1份，穩(wěn)泡劑0.1-1份，原料的總量滿足98-102份。本發(fā)明不需摻入水泥，很好地利用赤泥、建筑垃圾、煤矸石等固體廢棄物，產品具備良好的流動性和持續(xù)膨脹性，充填材料穩(wěn)定性好，結構密實，具有固體廢棄物利用率高、材料性能穩(wěn)定、產品質量可靠的優(yōu)點。
【專利說明】一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料及其制備、應用 方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于建筑材料類，提供一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料及其制 備、應用方法。

【背景技術】
[0002] 隨著我國經濟的迅速發(fā)展，固體廢棄物的堆存越來越多，大量固體廢棄物不僅占 用了土地，而且也給人類生活環(huán)境帶來了嚴重污染和危害，現已受到了全社會的廣泛關注。 數據顯示，建筑垃圾、赤泥、煤矸石等固體廢固體廢棄物堆存總量達20億噸以上。其中，建 筑垃圾的綜合利用率不足5%，赤泥、煤矸石等固體廢棄物的綜合利用率也低于10%，遠遠 低于發(fā)達國家70%及以上的綜合利用率。固體廢棄物的長期堆存一方面浪費土地資源，影 響人類的生活環(huán)境，不利于資源的可持續(xù)發(fā)展和資源的回收再利用；另一方面，赤泥、煤矸 石等固體廢棄物中常含有重金屬物質，長期堆存極易對周邊環(huán)境的水、土和空氣造成污染。
[0003] 另一方面，隨著采礦技術的發(fā)展，充填采礦的技術已經得到了很大的發(fā)展。充填采 礦可以為礦床開采的整體安全提供支撐，有效的保護礦區(qū)及周邊的生態(tài)環(huán)境，提高礦床開 采全過程的技術經濟指標，具有極好的社會效益。充填采礦對于充填材料的性能有較高的 要求，要求充填材料具有較好的流動性能、保水性能、力學性能以及可操作性能等。傳統的 充填材料采用水泥配合砂石、尾礦、副產石膏等進行制備，制備的充填材料不僅經濟成本較 高，充填材料的工作性能也無法完全滿足充填的需要。如何利用廉價易得的材料制備性能 優(yōu)異的充填材料是采礦行業(yè)面臨的重要課題。
[0004] 如何合理有效的利用固體廢棄物已成為十分嚴峻的問題。在已有的文獻中，對固 體廢棄物制備生態(tài)充填材料已有大量的報道，分析這些文獻，主要包括以下內容：
[0005] 1.關于充填材料的流動性，在現有的固體廢棄物充填材料研究中，通常是控制水 膠比來實現充填材料保有一定的流動性，同時控制摻入固體廢棄物的顆粒，減少棱角突出 廢料的使用，并在體系允許的情況下加大粉煤灰等顆粒較圓滑的固體廢棄物的摻入。而且 在現有的體系當中，對于減水劑、保水劑等外加劑的依賴性很大，一般需要加入2-5%的外 加劑才能滿足對流動性的要求。
[0006] 2.關于固體廢棄物的大摻量，在對現有的固體廢棄物充填體系的報道中，研究較 多的有尾礦配合粉煤灰、水泥制備充填材料，脫硫石膏配合赤泥、水泥制備充填材料，赤泥 配合礦渣、水泥制備充填材料等，在這些體系中，水泥或水泥熟料的摻量一般為20-30 %左 右，尾砂、赤泥、礦渣等固體廢棄物的摻量基本上能達到50-70%。
[0007] 3.關于充填材料力學性能及穩(wěn)定性，在現有的研究中，多半是采用加大水泥或水 泥熟料等膠凝材料的摻量以及減小固體廢棄物顆粒尺寸，以保證充填材料有良好的早期強 度和力學穩(wěn)定性。
[0008] 但現有的充填材料研究中，對于建筑垃圾、煤矸石的利用還很少，對于水泥、水泥 熟料、激發(fā)劑、減水劑等材料的依賴性還很強，并且對于充填材料后期性能的研究還不充 分。同時，現有的固體廢棄物充填材料對于材料充填的微膨脹性能研究較少，研究充填材料 微膨脹性能對于充填密實性、結構穩(wěn)定性都有十分重要的作用。雖然赤泥、尾礦等材料在充 填材料中的使用已經有較長的歷史，但固體廢棄物的堆存量還在逐年遞增，再加上對建筑 垃圾、煤矸石等固體廢棄物回收利用的研究還不夠。因此，充分利用赤泥、建筑垃圾、煤矸 石、高鈣粉煤灰等固體廢棄物的物理化學組成，利用各種材料的物理化學特性相互激發(fā)，減 少充填材料對于水泥或水泥熟料等膠凝材料以及外加劑的依賴，降低充填成本，加大固體 廢棄物利用率，這對于充填材料的研究與改善以及響應節(jié)能環(huán)保號召都有著十分重要的意 義。


【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種利用多 元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，廢棄物利用率高、流動性好、力學性能良好并兼具微膨脹性 能。
[0010] 本發(fā)明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：
[0011] 一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，按重量份數計，其原料包括如下組成： 赤泥20-30份，建筑垃圾微粉20-30份，建筑垃圾細集料30-40份，煤矸石10-20份，微膨脹 劑5-10份，鋁粉0. 1-1份，引氣劑0. 1-1份，減水劑0. 1-1份，纖維素醚0. 1-1份，穩(wěn)泡劑 〇. 1-1份，原料的總量滿足98-102份。
[0012] 按上述方案，所述赤泥由拜爾法生產氧化鋁過程中排出的，經KKTC烘干、球磨機 粉磨至勃氏比表面積8500cm2/g左右。
[0013] 按上述方案，所述建筑垃圾微粉和建筑垃圾細集料由建筑垃圾破碎、篩分后獲得， 要求所述建筑垃圾微粉細度0. l-o. 2_，建筑垃圾細集料細度0. 3-0. 75_。
[0014] 按上述方案，所述煤矸石是煤炭開采和洗選過程中被分離出來的廢棄巖石，經破 碎、粉磨至勃氏比表面積8500cm2/g左右。
[0015] 按上述方案，所述微膨脹劑為高鈣粉煤灰。
[0016] 按上述方案，所述引氣劑為動植物蛋白類引氣劑。
[0017] 按上述方案，所述減水劑采用萘磺酸鹽減水劑。
[0018] 按上述方案，所述穩(wěn)泡劑為蛋白類穩(wěn)泡劑。
[0019] 上述利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料的制備方法：按重量份數稱取各原料， 將占赤泥總量15-100% (質量分數）的赤泥進行高溫脫水處理；將占的建筑垃圾微粉總量 的20-100% (質量分數）的建筑垃圾微粉進行高溫脫水處理，然后與余量的赤泥、余量的建 筑垃圾微粉和其他原料混合均勻即可。根據技術效果和成產成本的綜合考慮，制備方法的 優(yōu)選方案為：將占赤泥總量15-25% (質量分數）的赤泥進行脫水處理，優(yōu)選將占的建筑垃 圾微粉總量的20-35% (質量分數）的建筑垃圾微粉進行脫水處理，然后與余量的赤泥、余 量的建筑垃圾微粉和其他原料混合均勻即可。
[0020] 上述利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料的應用方法：將所述利用多元固體廢棄 物的生態(tài)充填材料，按適當比例加水攪拌成料漿，通過泵送進行充填。其中水的質量優(yōu)選為 所述利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料總質量的15-25%。
[0021] 本發(fā)明所述的性能良好生態(tài)充填材料的技術原理主要如下：
[0022] 建筑垃圾中80%左右為磚瓦、混凝土結構廢棄物，經分揀破碎篩分后分離為建筑 垃圾微粉和建筑垃圾細集料，建筑垃圾微粉中含有大量C-S-H凝膠等水化產物、未水化的 水泥顆粒等物資，具有一定的潛在水化活性和微集料效應，對原材料中部分赤泥和部分建 筑垃圾微粉進行預脫水處理，進一步提升赤泥與建筑垃圾微粉的活性；赤泥由拜爾法生產 氧化鋁過程中排出的，赤泥的主要礦物組成為文石、方解石、蛋白石等，這使得赤泥有一定 的膠結性能，再加上赤泥含堿量較高，可以作為堿性激發(fā)劑對建筑垃圾微粉等活性物料的 活性激發(fā)起到積極作用，進一步促進建筑垃圾微粉參與水化反應，而建筑垃圾微粉的活性 和微集料作用對材料的增長也有促進作用；建筑垃圾細集料和煤矸石細集料充當填充的主 體結構材料，在赤泥-建筑垃圾微粉互激作用下，形成具有一定力學性能的充填材料；
[0023] 在動植物蛋白引氣劑的作用下，料漿中產生大量的氣泡，形成氣泡的水膜在表面 張力的作用下，形狀趨于球形，而球形的氣泡在料漿中起到軸承作用，它們分散在漿體中， 阻止了水化產物之間的搭接關系，使料漿內部結構粘度降低及降低顆粒之間的摩擦力，使 得充填材料漿體具有極好的流動性；
[0024] 在加入鋁粉發(fā)泡劑之后，鋁粉與水在赤泥提供的堿性環(huán)境作用下，持續(xù)反應生成 氫氣，持續(xù)產生的氣體在充填材料中擴散，使得充填材料具有持續(xù)膨脹的性能，再加上充填 材料中摻入了適量高鈣粉煤灰，其f-CaO含量較高，f-CaO持續(xù)水化產生微膨脹；鋁粉與高 鈣粉煤灰的持續(xù)作用使得充填材料在礦井下能夠具有一定的微膨脹特性，使充填更加密 實；
[0025] 通過上述原理所得的多元固體廢棄物充填材料具有廢棄物利用率高、流動性好、 力學性能良好并兼具微膨脹性能。
[0026] 與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0027] 1)本發(fā)明原料主要均為赤泥、建筑垃圾和煤矸石等固體廢棄物，廢棄物利用率可 達到99%以上，其減排效益明顯，可有效提高廢棄物的使用率和使用量；
[0028] 2)本發(fā)明采用對部分赤泥、建筑垃圾微粉進行預脫水處理，使其具備較好的膠凝 活性，從而取代水泥的摻入，不但保證了充填材料的性能要求，也降低了礦山充填成本，符 合節(jié)能減排的要求；
[0029] 3)本發(fā)明利用纖維素醚、動植物蛋白和減水劑搭配的方式向充填材料內部引入氣 泡，使得充填材料具有良好流動性，不但方便了充填操作，也使得充填的效果更佳；
[0030] 4)本發(fā)明利用高鈣粉煤灰等含硫量較高的固體廢棄物，在控制其摻量的情況下， 使充填材料具備一定的微膨脹性能，同時，在后期由鋁粉提供持續(xù)膨脹的膨脹源，使材料的 微膨脹速率及程度在可控范圍，充填材料具備微膨脹性能對于充填的密實性及安全性都有 很大程度的提高。
[0031] 綜上，本發(fā)明制備的生態(tài)充填材料具有良好的技術經濟效果，克服了現有充填材 料中存在的赤泥、建筑垃圾、煤矸石等固體廢棄物利用率不高、水泥摻入較多、對減水劑、保 水劑、激發(fā)劑等外加劑依賴很強，以及充填材料結構穩(wěn)定性、充填密實性較差等缺點。本發(fā) 明不需摻入水泥，很好地利用赤泥、建筑垃圾、煤矸石等固體廢棄物，產品具備良好的流動 性和持續(xù)膨脹性，充填材料穩(wěn)定性好，結構密實，具有固體廢棄物利用率高、材料性能穩(wěn)定、 產品質量可靠的優(yōu)點。

【具體實施方式】：
[0032] 為了更好地理解本發(fā)明，下面結合實施例進一步闡明本發(fā)明的內容，但本發(fā)明不 僅僅局限于下面的實施例。
[0033] 下述實施例中建筑垃圾微粉和建筑垃圾細集料由建筑垃圾破碎、篩分后獲得，微 粉細度〇· 1-0. 2mm，細集料細度0· 3-0. 75mm ;赤泥由拜爾法生產氧化鋁過程中排出的，經 烘干、球磨機粉磨至勃氏比表面積8500cm2/g左右；煤矸石是煤炭開采和洗選過程中獲得， 經烘干、粉磨至勃氏比表面積8500cm 2/g左右；高鈣粉煤灰是從火力發(fā)電廠獲得，細度為 10 μ m左右。動植物蛋白引氣劑、錯粉、萘磺酸鹽減水劑、纖維素醚、蛋白類穩(wěn)泡劑均為市售 工業(yè)級產品。
[0034] 實施例1
[0035] -種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，按重量份數計，其原料包括如下組成： 赤泥25份，建筑垃圾微粉25份，建筑垃圾細集料30份，煤矸石14份，高鈣粉煤灰5份，蛋 白類鋁粉0. 2份，動植物蛋白引氣劑0. 2份，萘磺酸鹽減水劑0. 2份，纖維素醚0. 2份，穩(wěn)泡 劑0. 2份，原料的總量滿足100份。
[0036] 上述利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料的制備方法：按上述重量份稱取各原 料，取赤泥中20%和建筑垃圾微粉中的30%在800°C下進行預脫水處理，然后與余量的赤 泥、余量的建筑垃圾微粉和其他原料混合均勻即可。
[0037] 上述利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料的應用方法：將所述利用多元固體廢棄 物的生態(tài)充填材料1〇〇份，加入18份水攪拌成料漿，通過泵送至礦井進行充填。
[0038] 本實施例制備的充填材料廢物利用率99%，材料的流動度為245mm，流動性良好， 滿足泵送的需要，充填材料3d強度為2. 4MPa，28d強度為6. 8MPa，力學性能滿足充填的需 要，并且該實施例中的充填材料后期體積膨脹比例為4. 5 %，微膨脹性較好。
[0039] 實施例2
[0040] 一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，按重量份數計，其原料包括如下組成： 赤泥30份，建筑垃圾微粉20份，建筑垃圾細集料34份，煤矸石10份，高鈣粉煤灰5份，鋁 粉〇. 4份，動植物蛋白引氣劑0. 2份，萘磺酸鹽減水劑0. 2份，纖維素醚0. 1份，蛋白類穩(wěn)泡 劑〇. 1份，原料的總量滿足100份。
[0041] 上述利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料的制備方法：按上述重量份稱取各原 料，取配比中赤泥的25%和建筑垃圾微粉的25%在800°C下進行預脫水處理，然后與余量 的赤泥、余量的建筑垃圾微粉和其他原料混合均勻即可。
[0042] 上述利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料的應用方法：將所述利用多元固體廢棄 物的生態(tài)充填材料100份，加入20份水攪拌成料漿，通過泵送至礦井進行充填。
[0043] 本實施例制備的充填材料廢物利用率99%，材料的流動度為260mm，流動性良好， 滿足泵送的需要，充填材料3d強度為2. 2MPa，28d強度為6. 6MPa，力學性能滿足充填的需 要，并且該實施例中的充填材料后期體積膨脹比例為5. 3%，微膨脹性較好。
[0044] 實施例3
[0045] 一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，按重量份數計，其原料包括如下組成： 赤泥20份，建筑垃圾微粉28份，建筑垃圾細集料35份，煤矸石10份，高鈣粉煤灰6份，鋁 粉〇. 5份，動植物蛋白引氣劑0. 1份，萘磺酸鹽減水劑0. 2份，纖維素醚0. 1份，蛋白類穩(wěn)泡
【權利要求】
1. 一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，其特征在于按重量份數計，其原料包括 如下組成：赤泥20-30份，建筑垃圾微粉20-30份，建筑垃圾細集料30-40份，煤矸石10-20 份，微膨脹劑5-10份，鋁粉0. 1-1份，引氣劑0. 1-1份，減水劑0. 1-1份，纖維素醚0. 1-1份， 穩(wěn)泡劑0. 1-1份，原料的總量滿足98-102份。
2. 根據權利要求1所述的一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，其特征在于所述 赤泥經l〇〇°C烘干、球磨機粉磨至勃氏比表面積8500cm 2/g左右。
3. 根據權利要求1所述的一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，其特征在于所述 建筑垃圾微粉細度0. 1-0. 2_，建筑垃圾細集料細度0. 3-0. 75_。
4. 根據權利要求1所述的一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，其特征在于所述 煤石干石是廢棄巖石，經破碎、粉磨至勃氏比表面積8500cm 2/g左右。
5. 根據權利要求1所述的一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，其特征在于所述 微膨脹劑為高鈣粉煤灰。
6. 根據權利要求1所述的一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，其特征在于所述 引氣劑為動植物蛋白類引氣劑。
7. 根據權利要求1所述的一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，其特征在于所述 減水劑采用萘磺酸鹽減水劑。
8. 根據權利要求1所述的一種利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料，其特征在于所述 穩(wěn)泡劑為蛋白類穩(wěn)泡劑。
9. 根據權利要求1-8之一所述的利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料的制備方法，其 特征在于按重量份數稱取各原料，將占赤泥總量15-100 %的赤泥在高溫下進行脫水處理； 將占建筑垃圾微粉總量的25-100%的建筑垃圾微粉在高溫下進行脫水處理，然后與余量的 赤泥、余量的建筑垃圾微粉和其他原料混合均勻即可。
10. 根據權利要求1-9之一所述的利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料的應用方法， 其特征在于將所述利用多元固體廢棄物的生態(tài)充填材料加水攪拌成料漿，通過泵送進行充 填。
【文檔編號】C04B18/16GK104086216SQ201410348843
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權日:2014年7月22日
【發(fā)明者】蹇守衛(wèi), 張呂東, 馬保國, 李相國, 黃健, 譚洪波, 莫志勝 申請人:武漢理工大學