一种纳米改性全固废型矿井充填材料及其制备方法和应用

本发明涉及工业固体废弃物资源化利用，具体是一种纳米改性全固废型矿井充填材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、碱激发胶凝材料技术是当前绿色环保建材领域的一个重要研究方向，这类材料利用矿渣、粉煤灰、偏高岭土等工业固废作为主要原料，在碱性条件下激活潜在的水硬活性，成为替代传统胶凝材料的环保选择。其优势在于原料资源丰富、高强度、低成本、环保特性显著，同时具有良好的耐腐蚀性、耐火性及对重金属离子的固定能力。然而，现有研究一方面集中在原料选择单一，无法发挥各种工业固废协同处理的优势；另一方面碱性激发剂大多采用水玻璃、氢氧化钠等强碱体系，而碳酸钠等弱碱激发剂虽具有低碳低碱的优势，却面临凝结时间长、早期强度低等挑战，限制了其广泛应用。

2、面对能源开采导致的地下空洞及地面塌陷问题，传统的矿井充填材料存在成本高昂、效率低下、强度不足和凝结缓慢等缺陷，迫切需要一种成本效益更高、性能更优的充填材料。鉴于此，利用多源固废协同作用制备回填材料成为理想的解决方案，既能有效利用工业废弃物，又符合经济和环保要求。

3、因此，迫切需要开发一种既能够资源化利用多种固废，又能够使用弱碱激发剂的低碳低碱型的矿井充填材料。

技术实现思路

1、为解决现有技术的不足，本发明提供一种纳米改性全固废型矿井充填材料及其制备方法和应用，旨在提供一种采用镍渣、粉煤灰微珠、市政垃圾焚烧灰以及电石渣作为前驱体，以弱碱碳酸钠为激发剂，同时结合纳米二氧化硅、纳米二氧化钛等纳米材料进行改性来降低弱碱带来的不利影响，采用煤矸石作为粗骨料、金矿尾砂作为细骨料，制备一种可作为矿井回填材料的新型纳米材料改性全固废混凝土。本发明制备纳米改性全固废型矿井充填材料的方法不仅能够有效利用固废资源，减少环境污染，还可通过调节前驱体的组成和纳米材料的改性，克服了碳酸钠激发胶凝材料的缺陷，为矿井回填提供一种工艺简单、凝结时间和强度可根据要求调节的矿井充填材料。

2、具体而言，本发明提供了一种纳米改性全固废型矿井充填材料，按重量份数计，包括以下组分：

3、高炉镍渣25-36.4份；电石渣25-35.3份；粉煤灰微珠18.2-25份；市政垃圾焚烧灰15.7-25份；碳酸钠2-6份；水35-50份；金矿尾砂100-200份；煤矸石125-250份；柠檬酸钠1.2-1.8份；酒石酸1.0-1.4份；纳米二氧化硅0.56-1.4份；纳米二氧化钛0.84-1.4份。

4、在本发明的一些具体实施方案中，所述碳酸钠4份；所述水35份。

5、在本发明的一些具体实施方案中，所述电石渣中cao含量为96％以上；所述粉煤灰微珠中sio2含量为55％，al2o3含量为23.5％，fe2o3含量为6.8％；所述高炉镍渣中sio2含量为33.3％，cao含量为22.3％，al2o3含量为16％；所述市政垃圾焚烧灰中sio2含量为28％，cao含量为54％。

6、在本发明的一些具体实施方案中，所述电石渣中cao含量为97.5％；所述粉煤灰微珠中sio2含量为59.4％，al2o3含量为23.3％，fe2o3含量为5.5％；所述高炉镍渣中sio2含量为33.15％，cao含量为22.5％，al2o3含量为21.94％；所述市政垃圾焚烧灰中sio2含量为31.2％，cao含量为53.9％。

7、本发明还提供了上述纳米改性全固废型矿井充填材料的制备方法，包括如下步骤：

8、s1.原料烘干：将高炉镍渣、电石渣、粉煤灰微珠以及市政垃圾焚烧灰进行烘干；

9、s2.原料研磨：将烘干后的高炉镍渣、电石渣、市政垃圾焚烧灰分别粉磨，然后筛分，将筛分后的粉末状的高炉镍渣、电石渣、粉煤灰微珠、市政垃圾焚烧灰以及烘干后的粉煤灰微珠按照重量份数进行粉末混合得到复合粉料；

10、s3.原料配比：按照重量份数称取固体碳酸钠颗粒；

11、s4.混合搅拌：将纳米二氧化硅、纳米二氧化钛加入部分水中，通过物理方法使其完全溶解；随后将上s2中的复合粉料以及s3中配比的固体碳酸钠颗粒倒入搅拌机中，低速干拌；接着将剩余水份、酒石酸、柠檬酸钠以及纳米二氧化硅与纳米二氧化钛悬浊液倒入搅拌机，充分混合后得到制备完成的纳米改性的碱激发多元复合胶凝材料；最后加入煤矸石和金尾矿砂作为粗细骨料，充分搅拌得到纳米改性的碱激发混凝土，即纳米改性全固废型矿井充填材料。

12、在本发明的一些具体实施方案中，所述s1中烘干的时间为14h，烘干的温度控制在50℃。

13、在本发明的一些具体实施方案中，所述s1中烘干的时间为20h。

14、在本发明的一些具体实施方案中，所述s2中研磨的时间为50min，所述s2中筛分为过200目筛。

15、在本发明的一些具体实施方案中，所述s2中研磨的时间为60min。

16、在本发明的一些具体实施方案中，所述s2中研磨的时间为70min，所述s2中筛分为过200目筛。

17、在本发明的一些具体实施方案中，所述s4中干拌时间为50s；所述s4中将剩余水份、酒石酸、柠檬酸钠以及纳米二氧化硅与纳米二氧化钛悬浊液倒入搅拌机后旋转搅拌50s后，所述s4中加入骨料后旋转搅拌120s。

18、在本发明的一些具体实施方案中，所述s4中干拌时间为30s；所述s4中将剩余水份、酒石酸、柠檬酸钠以及纳米二氧化硅与纳米二氧化钛悬浊液倒入搅拌机后旋转搅拌60s后，所述s4中加入骨料后旋转搅拌120s。

19、在本发明的一些具体实施方案中，所述s4中物理方法包括机械搅拌。

20、在本发明的一些具体实施方案中，所述s4中物理方法包括机械搅拌和超声波分散。

21、本发明还提供了一种建筑材料，包括所述的纳米改性全固废型矿井充填材料或所述纳米改性全固废型矿井充填材料制备方法所制备的纳米改性全固废型矿井充填材料。

22、本发明还提供了所述的纳米改性全固废型矿井充填材料或所述纳米改性全固废型矿井充填材料制备方法所制备的米改性全固废型矿井充填材料在矿井回填工程、建筑工程、桥梁工程、公路工程或隧道工程中的应用。

23、本发明相对于现有技术具有如下的显著优点及效果：

24、1、资源高效利用与废物处理：通过大量采用镍渣、粉煤灰微珠、电石渣、金矿尾砂、煤矸石等工业废渣作为原材料，不仅有效降低了生产成本，还为这些大宗固废找到了新的处理途径，减少了对土地资源的占用和环境污染，体现了循环经济和可持续发展理念。

25、2、环保节能与低成本：具有“全固废”、“免烧结”的特点，仅需常温混合即可使用，大大节省了能源消耗和降低了碳排放，简化了生产工艺，降低了充填材料的成本，且仅需少量纳米材料作为添加剂，即可达到优异的充填性能。

26、3、安全简便的激发剂应用：采用碳酸钠作为激发剂，相比传统的水玻璃激发剂，操作更简便，危险性低。碳酸钠无需额外调整模数，直接与胶凝材料混合，且其低ph值降低了操作风险。同时，碳酸钠激发体系的低收缩率提高了体积稳定性，减少了结构开裂的风险。

27、4、高性能与快速固化：通过精心设计的组分比例，特别是弱碱性碳酸钠与其他废渣及纳米材料的协同作用，实现了快速凝固(初凝12分钟，终凝23分钟)和高抗压强度(2小时≥5.0mpa至28天≥40mpa)，表明该材料是一种高性能、速凝型的充填材料，适用于多种工程需求。

28、5、增强材料性能与耐久性：引入的纳米材料如二氧化硅和二氧化钛不仅提升了早期强度和水化程度，还通过改性微观结构，增强了材料的密实度和耐久性，提高了整体力学性能。

29、6、环境与经济效益：综合上述技术效果，该发明不仅有利于碱激发材料的广泛应用，为新型节能建筑材料的研发奠定基础，还带来了显著的经济、社会和环境效益，包括减少土地破坏、减轻环境污染，以及推动建材行业的绿色转型。

30、综上所述，本发明通过创新性地利用工业废渣并结合纳米技术，成功开发了一种既环保又高效的新型弱碱激发混凝土，其技术方案在多个层面上展示了重要的技术进步和社会价值。