本發明專利技術公開了一種碳化復合膠凝材料及其制備方法和應用，屬于固廢資源化利用和綠色井下充填材料技術領域。碳化復合膠凝材料的制備原料包括基料、水和CO<subgt;2</subgt;，基料包括以下質量份的組分：粉煤灰20～90份，礦渣粉5.5～45份和電石渣粉4.5～55份；水與基料的質量之比為0.5:1，CO<subgt;2</subgt;與基料的比例關系為1.7L:1kg。制備方法包括以下步驟：破碎電石渣和高爐礦渣，得電石渣粉和礦渣粉；將基料混合均勻，加水制成漿體；向漿體中通入CO<subgt;2</subgt;并攪拌均勻，即得。本發明專利技術提供的碳化復合膠凝材料性能優異，能夠代替水泥材料的使用有效填充井下孔隙，還大大降低CO<subgt;2</subgt;排放量，為工業固廢的資源化利用提供了一種有效的技術方案。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于固廢資源化利用和綠色井下充填材料，具體涉及一種碳化復合膠凝材料及其制備方法和應用。
技術介紹
1、煤炭、油氣等地下資源在開采過程會形成井下空隙、裂縫和采空區域等，這不僅會影響巖層的整體性和穩定性，導致油氣泄漏甚至地質沉陷問題，而且會破壞開采區域周邊的生態環境，造成環境污染。預留煤柱是煤炭開采過程中為防止采空區塌陷而常采用的方式，但仍然無法避免影響巖層的整體性和穩定性，導致油氣泄漏甚至地質沉陷等問題，還會造成大量的煤炭資源浪費。目前，通過向井下裂縫或采空區域注入充填膠凝材料，使其井下區域形成穩定的力學結構，能夠防止井下采空區域的周圍巖層出現失穩現象，進而實現井下采空區域的充填加固和穩定封堵，這對井下資源的安全開采具有重要意義。
2、近年來，隨著煤炭、油氣等地下資源開采行業對井下回填需求的增加，低成本、高性能充填材料的開發逐漸成為研究者們關注的重點。現有的充填材料大多采用水泥和固廢復配的方式，雖然保證了一定的強度，但是水泥具有較高的原料成本。同時，煤炭開采過程中會產生大量的粉煤灰等煤基固廢，大量固廢的堆積不僅會浪費資源，而且會侵占大量耕地，引發土壤和地下水污染，固廢的綜合資源化利用勢在必行。更重要的是，隨著低碳環保理念的深入發展，我國煤電等高排放行業在減碳、固碳治理、礦井采空區回填材料替代等方面出現重大需求，二氧化碳(co2)碳化工業固體廢棄物(簡稱固廢)的技術也迎來迅猛的發展態勢。通過高效利用固廢，著力構建清潔、低碳、安全、高效的礦井生產體系，這為co2碳化耦合固廢基礦井填充材料的開發和應用提供了機遇。</p>
技術實現思路
1、針對上述現有技術，本專利技術提供一種碳化復合膠凝材料及其制備方法和應用，具有成本較低、環境友好性強、資源循環利用的特點，該方法不僅能夠充分消納工業固廢，實現二氧化碳的固定封存，還能夠實現水泥材料的替代，減少二氧化碳的排放。
2、為了達到上述目的，本專利技術所采用的技術方案是：提供一種碳化復合膠凝材料，制備原料包括基料、水和co2，基料包括以下質量份的組分：粉煤灰20～90份，礦渣粉5.5～45份和電石渣粉4.5～55份；水與基料的質量之比為0.5:1，co2與基料的比例關系為1.7l:1kg。
3、本專利技術采取上述技術方案的有益效果是：本專利技術采用的粉煤灰主要成分為硅鋁酸鹽，是一種低活性的玻璃體結構材料；采用的礦渣粉主要成分為硅鋁酸鹽，是一種具有高活性的玻璃體結構材料，在碳化過程中能被活化；采用的電石渣粉是體系的堿激發劑和主要固碳劑，主要成分是氫氧化鈣和碳酸鈣。在碳化復合膠凝材料使用過程中，電石渣對高爐礦渣進行堿激發生成交聯的水化硅酸鈣(c-s-h)，碳化生成的碳酸鈣在膠凝體系中填充c-s-h孔隙、提供成核點位和發揮稀釋效應，從而促進堿激發反應的進行；礦渣粉碳化活化后能更容易發生堿激發反應；粉煤灰有微集料效應，能有效填充于水化產物的孔隙中，使水化產物連接緊密，同時置換出水化產物孔隙內的部分自由水，改善了漿體的流動性，也提高了漿體的后期強度；co2與電石渣中的氧化鈣或氫氧化鈣發生反應，固碳的同時會生成碳酸鈣，能夠填充到c-s-h結構中；同時也能夠促進礦渣中少量的硅酸鈣發生反應，生成c-s-h。在制備原料的共同作用下，碳化復合膠凝材料可以有效發揮材料性能，不會因為沒有水泥熟料粉而出現性能的降低。
4、在上述技術方案的基礎上，本專利技術還可以做如下改進。
5、進一步，碳化復合膠凝材料，基料包括以下質量份的組分：粉煤灰40份，礦渣粉35份，電石渣粉25份。
6、進一步，粉煤灰的平均粒徑為40～50μm。
7、進一步，礦渣粉的平均粒徑為20～30μm。
8、進一步，電石渣粉的平均粒徑為55～65μm，其中氫氧化鈣的含量大于60％。
9、進一步，碳化復合膠凝材料的制備方法，包括以下步驟：
10、(1)機械處理：破碎電石渣和高爐礦渣，得電石渣粉和礦渣粉；
11、(2)原料混合制漿：將電石渣粉、礦渣粉和粉煤灰混合均勻，得基料，加水制成漿體；
12、(3)制備碳化復合膠凝材料：在常溫常壓以及攪拌條件下，向所述漿體中通入co2，以1kg基料計，所通入的co2總量為1.7l；攪拌速度為350～450r/min，即得碳化復合膠凝材料。
13、進一步，步驟(3)向漿體中通入co2體積濃度為10％～99.5％的氣體，通氣與攪拌時間為10～100min。
14、進一步，向漿體中通入co2體積濃度為99.5％的氣體，通氣與攪拌時間為10min。
15、進一步，步驟(3)中攪拌速度為400r/min。
16、進一步，將碳化復合膠凝材料用于制備路基填充材料或礦井充填材料。
17、本專利技術采取上述進一步技術方案的有益效果是：高爐礦渣粉能夠為體系提供具有火山灰活性的ca、si、al、o網絡結構，經碳化活化后，在電石渣堿性條件下斷鍵重組，生成c-s-h、水化鋁酸鈣(c-a-h)或者水化硅鋁酸鈣(c-s-a-h)膠凝物質，此時粉煤灰和體系中的碳酸鈣能夠快速填充在這些網絡結構中，發揮協同作用為復合膠凝體系提供強度。
18、本專利技術的有益效果是：
19、(1)本專利技術的碳化復合膠凝材料具有較高的反應活性，能夠替代傳統含水泥的膠凝材料并應用到路基、礦井的充填中，有效為體系提供膠凝活性；
20、(2)本專利技術的碳化復合膠凝材料能夠將工業固廢利用起來，具有適用性強、成本較低、環境友好性強、資源循環利用的特點；
21、(3)本專利技術的碳化復合膠凝材料能夠在保證強度的情況下結合co2，有效實現了二氧化碳的固定封存，固碳率達到3％左右；
22、(4)本專利技術的碳化復合膠凝材料有較好的輸送性能，能夠滿足充填過程較長距離的輸送；碳化復合膠凝材料的凝結時間降低，初凝時間大于480min，終凝時間小于640min，平均縮短160min，避免使用早凝劑，進而降低制備成本；泌水率降低，材料穩定性增強；坍落度增大，材料微型坍落度值均大于120mm。
23、(5)本專利技術的碳化復合膠凝材料能夠在碳化后實現復合膠凝材料的強度尤其是早期強度的顯著提升，這是單純電石渣作為堿激發難以實現的，電石渣激發礦渣和粉煤灰往往只能保證后期強度；碳化復合膠凝材料3天抗壓強度為5.56mpa，較碳化前的3.32mpa相對提升67.47％，28天抗壓強度為21.46mpa，較碳化前的18.21mpa相對提升17.85％。
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【技術保護點】
1.一種碳化復合膠凝材料，其特征在于，制備原料包括基料、水和CO2，所述基料包括以下質量份的組分：粉煤灰20～90份，礦渣粉5.5～45份和電石渣粉4.5～55份；所述水與基料的質量之比為0.5:1，所述CO2與基料的比例關系為1.7L:1kg。
2.根據權利要求1所述的碳化復合膠凝材料，其特征在于，所述基料包括以下質量份的組分：粉煤灰40份，礦渣粉35份和電石渣粉25份。
3.根據權利要求1或2所述的碳化復合膠凝材料，其特征在于：所述粉煤灰的平均粒徑為40～50μm。
4.根據權利要求1或2所述的碳化復合膠凝材料，其特征在于：所述礦渣粉的平均粒徑為20～30μm。
5.根據權利要求1或2所述的碳化復合膠凝材料，其特征在于：所述電石渣粉的平均粒徑為55～65μm，其中氫氧化鈣的含量大于60％。
6.權利要求1～5任一項所述的碳化復合膠凝材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.根據權利要求6所述的碳化復合膠凝材料的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)向漿體中通入CO2體積濃度為10％～99.5％的氣體，通氣與攪拌時間為10～100min。
8.根據權利要求7所述的碳化復合膠凝材料的制備方法，其特征在于：向漿體中通入CO2體積濃度為99.5％的氣體，通氣與攪拌時間為10min。
9.根據權利要求6所述的碳化復合膠凝材料的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)中攪拌速度為400r/min。
10.權利要求1～5任一項所述的碳化復合膠凝材料的應用，其特征在于：將所述碳化復合膠凝材料用于制備路基填充材料或礦井充填材料。
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【技術特征摘要】
1.一種碳化復合膠凝材料，其特征在于，制備原料包括基料、水和co2，所述基料包括以下質量份的組分：粉煤灰20～90份，礦渣粉5.5～45份和電石渣粉4.5～55份；所述水與基料的質量之比為0.5:1，所述co2與基料的比例關系為1.7l:1kg。
2.根據權利要求1所述的碳化復合膠凝材料，其特征在于，所述基料包括以下質量份的組分：粉煤灰40份，礦渣粉35份和電石渣粉25份。
3.根據權利要求1或2所述的碳化復合膠凝材料，其特征在于：所述粉煤灰的平均粒徑為40～50μm。
4.根據權利要求1或2所述的碳化復合膠凝材料，其特征在于：所述礦渣粉的平均粒徑為20～30μm。
5.根據權利要求1或2所述的碳化復合膠凝材料，其特征在于：所述電石渣粉的平均粒徑為55～65μm，其...
【專利技術屬性】
技術研發人員：岳海榮，任宇，任靜，彭紹為，王超，宋磊，周昶安，馬奎，鐘山，梁斌，
申請(專利權)人：四川大學，
類型：發明
國別省市：
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