一种煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料及其制备方法

本发明属于胶结材料，具体涉及一种煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料及其制备方法。

背景技术：

1、煤矿矿井在采掘过程中会产生大量包括煤尘颗粒以及其他矿井固体废弃物颗粒的污水。污水中颗粒杂质在水仓中沉淀形成井下水仓煤泥，长期不处理会导致排水系统受阻，危及矿井排水安全。此外在煤炭洗选过程中，除煤炭外的其他杂质被洗选而出也会形成洗选煤泥。煤泥作为采掘、洗选过程中产生的煤矿废弃物难以利用，带来了侵占储存空间、污染环境、水质处理困难等问题。近年来煤炭产量不断增加，煤泥的产量也随之增多，给煤矿生产带来了沉重的经济和社会负担。

2、煤泥含有丰富的煤及黏土类矿物，组成物质中硅、铝、碳等资源含量占比大，比表面积大，与其他材料反应时接触面积大，其作为原料使用可以大幅减少原材料制备成本。目前，在固废综合利用领域，煤泥的主要应用领域有电厂燃烧、制作型煤用于居民取暖或制作建筑材料等，然而，目前仍缺乏可实现煤泥的低成本、大规模的处置技术。

3、现有技术中，将煤泥用于胶结材料制作胶结充填材料，将煤泥、水泥、粉煤灰等与碱性激发剂混合，通过调整原材料的配比和碱激发剂的种类，可以获得不同性能的地聚合物产品，满足不同工程的需求，其采用的碱激发剂种类相对较为单一，主要集中在无机碱性物质如氢氧化钠和硅酸钠等，导致无法充分激发煤泥等原料中的活性成分。部分现有的碱激发剂在引发地聚合反应时效率较低，需要较高的碱浓度和较长的反应时间才能达到理想的地聚物生成量，从而限制了地聚合反应的效果和程度。同时，对于成分复杂或活性较低的原料如煤泥等，传统的碱激发剂激发效果并不理想。此外，现有的碱激发地聚物固废复合胶结材料在长期使用过程中会出现性能退化和结构破坏等问题，缺乏长期稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料及其制备方法，通过对煤泥进行活化，增加煤泥的反应活性，与碱性激发剂反应形成地聚物的三维网络结构，促进地聚物凝胶的形成，并增加其交联密度，从而赋予胶结材料优异的力学性能和化学稳定性，提高胶结材料的抗压强度和耐久性。

2、为了实现上述目的，本申请采用的技术方案为：

3、本发明的第一个目的是提供一种煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，所述复合胶结材料由如下质量百分比的原料组成：地聚物材料50～70％，骨料15～30％，外加剂0.1～1％和溶剂15～30％，合计100％；所述地聚物材料由活化煤泥和碱性激发剂以质量比为7～8：2～3混合而成。

4、进一步的，所述碱性激发剂的制备方法包括以下步骤：

5、将异辛酸滴加至搅拌状态的硅酸钾溶液，滴加结束后进行老化，然后调节ph至11～13，过滤得到碱性激发剂。

6、进一步的，所述活化煤泥的制备方法包括以下步骤：

7、将煤泥进行脱水处理至含水率40～60％，然后在700℃～900℃下热活化处理，冷却后得到活化煤泥。

8、进一步的，所述硅酸钾溶液和异辛酸的质量比为4～6：1～2，所述硅酸钾溶液为质量浓度40～60％的硅酸钾水溶液。

9、进一步的，滴加过程的温度为40～50℃，老化的温度为60～70℃，老化的时间为2～4h。

10、进一步的，所述热活化的时间为6～8h，所述活化煤泥包括以下质量分数的物质：sio2为10～50％，al2o3为10～40％，fe2o3为2～15％，cao为2～10％，mgo为1～5％，所述活化煤泥颗粒粒径小于200目。

11、进一步的，所述骨料为煤矿产生的固体废弃物煤矸石、粉煤灰及脱水煤泥中的一种或多种，所述骨料的粒径≤2.0mm，所述脱水煤泥的含水率为40～60％。

12、进一步的，所述外加剂为萘系高效减水剂，硫酸钠的含量≤5％。

13、进一步的，所述溶剂为水、煤泥水的一种或两种，所述煤泥水中固体质量分数≤15％。

14、本发明的第二个目的是提供上述煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料的制备方法，包括以下步骤：

15、按质量百分比称取各组分；将活化煤泥和碱性激发剂混合得到地聚物材料浆料，然后依次加入骨料、外加剂和溶剂搅拌混合，得到煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果：

17、(1)本发明提供一种煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，通过活化煤泥和碱性激发剂反应形成稳定三维网络结构的地聚物，碱激发剂在地聚合反应中起到桥接或模板作用，促进地聚物凝胶的形成，并增加其交联密度，从而赋予胶结材料优异的力学性能和化学稳定性，提高胶结材料的抗压强度和耐久性。

18、(2)本发明通过对煤泥进行活化处理，提高煤泥的相容性和分散性，增加煤泥的比表面积和孔隙率，提高煤泥的吸附性能，从而增强煤泥与碱性激发剂反应的活性以及煤泥和碱性激发剂之间的相互作用，促进加快水化反应速度，改性碱激发剂有助于优化胶结材料的微观孔结构，减少大孔和毛细孔的数量，增加小孔和凝胶孔的比例，提高材料的密实性和抗渗透性。

19、(3)本发明采用硅酸钾和异辛酸经化学作用形成络合物，能够有效地解构原料中的硅酸盐和铝酸盐矿物，解构后的硅酸盐和铝酸盐离子在碱性环境中进行再聚合，形成地聚物的三维网络结构，同时，改性碱激发剂在地聚合反应中起到桥接或模板作用，促进地聚物凝胶的形成，并增加其交联密度同时，改性碱激发剂还能够改善不同原料颗粒之间的界面过渡区，增强颗粒之间的粘结力，提高整体性能。

20、(4)本发明以煤泥为主要原料，煤泥含量可以达到70％，实现对不同含水率煤泥的多层次大批量使用，通过利用煤泥、煤矸石、粉煤灰等工业固体废弃物作为主要原料，不仅显著降低生产成本，而且还能减少环境污染，同时能够有效促进资源的循环利用，制备的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料能够应用于在建筑、道路或桥梁等工程领域，一定程度上替代传统水泥基材料，降低碳排放并拓展市场应用前景。

技术特征：

1.一种煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，所述复合胶结材料由如下质量百分比的原料组成：地聚物材料50～70％，骨料15～30％，外加剂0.1～1％和溶剂15～30％，合计100％；所述地聚物材料由活化煤泥和碱性激发剂以质量比为7～8：2～3混合而成。

2.根据权利要求1所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，所述碱性激发剂的制备方法包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，所述活化煤泥的制备方法包括以下步骤：

4.根据权利要求2所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，所述硅酸钾溶液和异辛酸的质量比为4～6：1～2，所述硅酸钾溶液为质量浓度40～60％的硅酸钾水溶液。

5.根据权利要求2所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，滴加过程的温度为40～50℃，老化的温度为60～70℃，老化的时间为2～4h。

6.根据权利要求3所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，所述热活化的时间为6～8h，所述活化煤泥包括以下质量分数的物质：sio2为10～50％，al2o3为10～40％，fe2o3为2～15％，cao为2～10％，mgo为1～5％，所述活化煤泥颗粒粒径小于200目。

7.根据权利要求1所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，所述骨料为煤矿产生的固体废弃物煤矸石、粉煤灰及脱水煤泥中的一种或多种，所述骨料的粒径≤2.0mm，所述脱水煤泥的含水率为40～60％。

8.据权利要求1所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，所述外加剂为萘系高效减水剂，硫酸钠的含量≤5％。

9.据权利要求1所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料，其特征在于，所述溶剂为水、煤泥水的一种或两种，所述煤泥水中固体质量分数≤15％。

10.一种权利要求1所述的煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明属于胶结材料技术领域，公开了一种煤泥基碱激发地聚物固废复合胶结材料及其制备方法。所述复合胶结材料由如下质量百分比的原料组成：地聚物材料50～70％，骨料15～30％，外加剂0.1～1％和溶剂15～30％，合计100％；所述地聚物材料由活化煤泥和碱性激发剂以质量比为7～8：2～3混合而成。本发明通过对煤泥进行活化，增加煤泥的反应活性，与碱性激发剂反应形成地聚物的三维网络结构，促进地聚物凝胶的形成，并增加其交联密度，从而赋予胶结材料优异的力学性能和化学稳定性，提高胶结材料的抗压强度和耐久性。技术研发人员：顾伟,王允卿,陈靓,徐大龙,缪阔受保护的技术使用者：中国矿业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11