一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料及其制备方法，属于矿山充填材料技术领域。所述木质纳米纤维素改性胶结充填材料的原料按质量份数计包括：水泥300～450份、粉煤灰100～150份、细骨料500～550份、煤矸石1000～1200份、改性木质纳米纤维素0.3～0.6份和水400～500份；所述改性木质纳米纤维素为阳离子苯丙乳液改性的木质纳米纤维素。本发明专利技术通过对矿山充填材料的配方及制备过程进行优化，制备出高强度的、能够用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料，为采空区构成的地下空间进行再利用的构想提供了基础。提供了基础。提供了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及矿山充填材料
，特别涉及一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]对于煤矿资源来说，大量煤矿被开采出去，形成了采空区，导致矿体上部覆岩的力学平衡被打破，在重力和应力作用下，便产生裂隙和断移，地下水乘虚而入，通过裂隙向采空区渗漏，这又加速了覆岩的破坏，引起岩层和地表移动，最终形成了采空塌陷区。塌陷区不仅会导致地下水枯竭，耕地破坏，生态环境恶化，还会使当地房屋受损，道路地裂变形，高速公路、铁路、机场等重大工程以及城市建筑因处理采空区塌陷而增加建设难度和费用。同时，煤矿开采后遗留的矸石也会对水、土、空气造成污染。
[0003]因此，对采空区进行胶结充填，不仅能够控制矿山地压活动、避免地表塌陷、保障采矿安全，而且能够消耗大量的尾矿、矸石等矿山固体废弃物。然而相对于采空区，采矿本身所产生的尾矿、矸石等矿山固体废弃物并不能满足填充的需要，同时，对于采空区的地下空间也难以再利用。
[0004]目前，已有人提出了对采空区构成的地下空间进行再利用的构想(结构充填开采)。结构充填开采，是指根据煤层分布及其围岩特点，通过采前规划和固废资源化，在采空区关键位置针对性的布置柱(墩)状、条带(墙)状或十字形、箱形等结构充填体，随采随充形成“充填体
‑
直接顶”复合承载结构，有效控制上覆岩层移动变形，同时在煤矿采空区构建出大量长期稳定的地下空间，并根据需求将其加以利用的开采方法。
[0005]为了实现这一构想，对于结构充填材料的强度指标，必然有较高的要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料及其制备方法。通过对常规矿山充填材料的配方进行优化，制备一种高强度的、能够用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0008]本专利技术技术方案之一：提供一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料，原料按质量份数计包括：水泥300～450份、粉煤灰100～150份、细骨料500～550份、煤矸石1000～1200份改性木质纳米纤维素0.3～0.6份和水400～500份；
[0009]所述改性木质纳米纤维素为阳离子苯丙乳液改性的木质纳米纤维素。
[0010]优选的，所述阳离子苯丙乳液与所述木质纳米纤维素的质量比为1:2。
[0011]优选地，所述水泥的强度等级不低于42.5。
[0012]优选地，所述粉煤灰的比表面积≥300m2/kg；所述细骨料为尾砂，细度模数为2.2～1.6；所述煤矸石的粒径≤20mm。
[0013]优选地，所述木质纳米纤维素的直径为5～20nm，长度为1～3μm，长径比为50～300。
[0014]本专利技术技术方案之二：提供一种上述用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料的制备方法，包括以下步骤：
[0015](1)将粉碎后的废弃木质浸泡于柠檬酸
‑
柠檬酸钠缓冲溶液中，加入木聚糖酶酶解，酶解液灭活后加入阳离子苯丙乳液，球磨，制得改性木质纳米纤维素溶液；
[0016](2)将步骤(1)制得的改性木质纳米纤维素溶液加水稀释，先用一部分稀释液浸泡煤矸石，稀释液加入量为刚好浸没煤矸石，再将剩余稀释液与水泥、粉煤灰、细骨料混合，最后将所有物料混合，制得用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料。
[0017]优选地，步骤(1)中所述柠檬酸
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柠檬酸钠缓冲溶液的pH值为4.0～5.0；所述浸泡的时间为12～24h；所述废弃木质的加入量为所述柠檬酸
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柠檬酸钠缓冲溶液质量的4～6％。
[0018]优选地，步骤(1)中所述木聚糖酶的加入量为所述废弃木质质量的0.8～1.0％；所述酶解的温度为45～55℃，时间为1.5～2h；所述球磨的转速为2000～2500rpm，时间为5～6h。
[0019]本专利技术选用木聚糖酶对废弃木质进行酶解，原因在于木聚糖酶在去除半纤维素成分的同时也会使一部分木质素脱落，使植物细胞壁的原纤维网络更清晰地被暴露出来，再经后续的球磨处理，可以得到更细，长径比更高的木质纳米纤维素。
[0020]优选地，步骤(1)中所述废弃木质包括废木材、废秸秆和废纸浆中任意一种或多种。
[0021]优选地，步骤(2)中所述浸泡的时间为12～16h。
[0022]本专利技术的有益技术效果如下：
[0023]本专利技术选用木质纳米纤维素用于改性胶结充填材料，使其能够满足深地结构充填所需，选用木质纳米纤维素的优势在于，相较于其他纳米材料改性混凝土，木质纳米纤维素天然具备良好的分散性，其他纳米材料不仅价格昂贵，同时在使用时需要加入表面活性剂并进行超声分散，即使采用了分散措施，仍然容易团聚，不仅效果不好，材料成本及时间成本也高。本专利技术选用的木质纳米纤维素则能够很好地解决这一问题。
[0024]另外，用于深地结构充填的材料为不同物料组成的复合材料，既然是复合材料，各物料之间必然存在结合界面，而界面作用是影响材料性能的关键因素。本专利技术的深地结构充填材料由胶结基质包裹骨料形成，这种材料承载变形损伤往往始于界面过渡区，优化各材料间的界面过渡区(浆岩胶结界面)，是改善深地结构充填材料的关键。
[0025]本专利技术通过选用木质纳米纤维素来改性深地结构充填材料，优势在于：1.木质纳米纤维素能够在煤矸石与胶结基质间的浆岩胶结界面形成桥接；2.以往在纳米到小微米尺度孔隙和界面微裂隙内难以生成水化产物，但因为木质纳米纤维素是纳米尺度，又有较高的长径比，能够以它为成核位点发生水化反应，增强浆岩胶结界面；3.由于木质纳米纤维素本身的高强度特性，水化产物包裹交错的木质纳米纤维素生成的胶结基体具有更强的强度；4.木质纳米纤维素的质地决定了它对水化反应的优化，合理的木质纳米纤维素含量保障了水泥的持续水化反应，避免了水泥水化反应过快带来的危害。
[0026]同时，本专利技术选用阳离子苯丙乳液改性木质纳米纤维素，阳离子苯丙乳液的阳离
子表面带正电荷，能够更好地与带负电的木质纳米纤维素结合。经阳离子苯丙乳液改性的木质纳米纤维素，具有更好的粘结性，在改性深地结构充填材料时，能够更好的附着于胶结基质与骨料的表面，进一步改善了岩胶结界面，使得深地结构充填材料的强度进一步提高。
[0027]在制备过程中，本专利技术先利用改性木质纳米纤维素的稀释液预处理煤矸石，是由于煤矸石为掘进、开采和洗煤过程中排出的固体废物，是由泥质和砂质页岩构成的混合物；对于泥质页岩，由于其具有吸水性，作为骨料时，会争夺胶结基质中的水分，导致浆岩胶结界面强度降低，而利用稀释液对其进行预处理时，能够使泥质页岩先吸收一定的水分，同时浸泡过程中改性木质纳米纤维素附着于泥质页岩表面，阻止其在与胶结基质混合时争夺胶结基质中的水分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料，其特征在于，原料按质量份数计包括：水泥300～450份、粉煤灰100～150份、细骨料500～550份、煤矸石1000～1200份、改性木质纳米纤维素0.3～0.6份和水400～500份；所述改性木质纳米纤维素为阳离子苯丙乳液改性的木质纳米纤维素。2.根据权利要求1所述的用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料，其特征在于，所述阳离子苯丙乳液与所述木质纳米纤维素的质量比为1:2。3.根据权利要求1所述的用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料，其特征在于，所述水泥的强度等级不低于42.5。4.根据权利要求1所述的用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料，其特征在于，所述粉煤灰的比表面积≥300m2/kg；所述细骨料为尾砂，细度模数为2.2～1.6；所述煤矸石的粒径≤20mm。5.根据权利要求1所述的用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料，其特征在于，所述木质纳米纤维素的直径为5～20nm，长度为1～3μm，长径比为50～300。6.一种权利要求1～5任一项所述的用于深地结构充填的木质纳米纤维素改性胶结充填材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将粉碎后的废弃木质浸...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴疆宇，马丹，浦海，尹乾，张凯，王逸鸣，杨朔，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：