權(quán)利要求
1.適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料，其特征在于：包括煤基固廢、膠凝材料、發(fā)泡劑和水，其中，煤基固廢和膠凝材料的質(zhì)量百分數(shù)為：煤基固廢70-75%、膠凝材料25-30%；發(fā)泡劑占煤基固廢的質(zhì)量百分數(shù)為0.062-0.075%；水占煤基固廢的質(zhì)量百分數(shù)為60-75%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料，其特征在于：所述煤基固廢煤矸石、尾礦中的任意一種或兩種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料，其特征在于：所述膠凝材料包括水泥、硅酸鈉、生石灰中的任意一種或由水泥、粉煤灰、高爐礦渣和硅灰組成的多組分膠凝材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料，其特征在于：所述水泥、粉煤灰、高爐礦渣和硅灰的質(zhì)量百分比為：水泥41-45%、粉煤灰1%、高爐爐渣40-44%、硅灰14%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料，其特征在于：所述發(fā)泡劑包括鋁粉和雙氧水中的任意一種。
6.適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：
第一步，準備原料，將煤基固廢破碎并用球磨儀球磨至80目的細粉，按比例稱取各組分；
第二步，混合原料制備漿體：將煤基固廢和膠凝材料混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機轉(zhuǎn)速為2000-3200r/min，攪拌均勻后，加入發(fā)泡劑，控制整個攪拌溫度為50-70℃，繼續(xù)攪拌3-5min；
第三步，漿體注模進行發(fā)泡養(yǎng)護：將攪拌均勻的漿體倒入模具內(nèi)，覆膜并置于70℃恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)進行發(fā)泡并進行養(yǎng)護；
第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護8-12小時后取出發(fā)泡體，脫去模具；
第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥14-18h，干燥完成后取出制塊，用破碎機破碎成顆粒狀；
第六步，篩分粒徑控制顆粒級配：將破碎后的顆粒用電動篩篩分，控制顆粒粒徑范圍為1-3mm，所制即為可以用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料。
說明書
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于基固廢綜合利用及礦區(qū)生態(tài)修復的材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料及其制備方法。
背景技術(shù)
[0002]我國北方地區(qū)氣候特點主要以寒冷干燥為主，氣溫在-20℃至40℃范圍內(nèi)發(fā)生季節(jié)性變化，由于氣候特點所致，經(jīng)常性的發(fā)生凍融現(xiàn)象。凍融是因為冬季氣溫低，導致土壤表層溫度和部分深層土壤溫度在0℃左右循環(huán)性變化，土壤內(nèi)部水分以“液態(tài)-固態(tài)-液態(tài)”的形式發(fā)生相態(tài)變化并發(fā)生位置遷移，改變了土壤原有的結(jié)構(gòu)組成和微生物活性，影響地表的熱力學性質(zhì)和水文特征，對土壤氮素、碳素的釋放及生物地球循環(huán)過程造成一定影響，繼而影響到土壤的肥力和植物的生長發(fā)育。據(jù)統(tǒng)計，目前我國存在凍融現(xiàn)象的地區(qū)面積多達七百多萬平方千米，包括季節(jié)性凍融和多年凍融，后者主要集中在東北部地區(qū)和高海拔地區(qū)，即常年處于凍融作用的影響下。礦區(qū)的生態(tài)修復目前主要集中在本身結(jié)構(gòu)的改善、重塑、礦區(qū)土壤肥力恢復以及相應(yīng)的土壤砷、鎘、鉻、鉛、鋅等重金屬元素的處理方面，其主要關(guān)注點在于水的保有量、流失率，植物的生長情況以及重金屬的析出問題，即礦區(qū)環(huán)境安全性。
[0003]凍融作用會破壞生態(tài)修復材料的結(jié)構(gòu)，導致其性能發(fā)生一定的退化，且由于本身原料來源于煤基固廢、水泥等固廢，所以其受凍融作用的影響會發(fā)生一定的重金屬析出問題。材料結(jié)構(gòu)的改變直接影響著礦區(qū)生態(tài)修復結(jié)果的好壞，包括礦區(qū)土壤的保水性能、抗流失性能、土壤容重、土壤強度以及土壤的透氣性能。
[0004]煤矸石等煤基固廢是煤炭開采過程中及工業(yè)生成中常見的固體廢棄物，產(chǎn)量巨大，占地面積廣，處理難度大，隨意的堆積排放對堆放地的環(huán)境造成非常大的影響。研究發(fā)現(xiàn)，煤矸石等煤基固廢的元素組成與土壤類似，是一種天然的富含硅、鋁、鐵、硫、鈣等元素，且含有少量鉀、有機質(zhì)以及對植物生長有益的微量元素的潛在性土壤替代品或者補充品，可將煤矸石與土壤結(jié)構(gòu)改善、土壤生態(tài)修復等結(jié)合起來，起到固廢的資源化處置與生態(tài)修復的協(xié)同化處理作用。
[0005]利用煤基固廢制備生態(tài)修復材料近年來成為研究的重點，而將這種材料與實際環(huán)境相結(jié)合的研究與專利報道較少，國內(nèi)專利“一種固廢基多孔材料、制備及用于煤矸石山生態(tài)修復的材料”（公開號：CN112897972B）公開了以煤矸石、粉煤灰、脫硫石膏、水泥等為原料，加入某種菌根菌固體菌劑，制備固廢基多孔材料，用于煤矸石山的生態(tài)修復。并未發(fā)現(xiàn)利用煤基固廢制備用于礦區(qū)生態(tài)修復且具有一定環(huán)境適應(yīng)能力的材料的專利文獻報道。
發(fā)明內(nèi)容
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種利用煤矸石等煤基固廢制備具備疏松多孔結(jié)構(gòu)、擁有優(yōu)良保水性能、抗流失性能以及一定的抗凍融能力的可以用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料，以解決礦區(qū)生態(tài)問題及實際修復中所遇到的凍融現(xiàn)象。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料，包括煤基固廢、膠凝材料、發(fā)泡劑和水，其中，煤基固廢和膠凝材料的質(zhì)量百分數(shù)為：煤基固廢70-75%、膠凝材料25-30%；發(fā)泡劑占煤基固廢的質(zhì)量百分數(shù)為0.062-0.075%；水占煤基固廢的質(zhì)量百分數(shù)為60-75%。
[0008]進一步地，所述煤基固廢煤矸石、尾礦中的任意一種或兩種。
[0009]進一步地，所述膠凝材料包括水泥、硅酸鈉、生石灰中的任意一種或由水泥、粉煤灰、高爐礦渣和硅灰組成的多組分膠凝材料。
[0010]進一步地，所述水泥、粉煤灰、高爐礦渣和硅灰的質(zhì)量百分比為：水泥41-45%、粉煤灰1%、高爐爐渣40-44%、硅灰14%。
[0011]進一步地，所述發(fā)泡劑包括鋁粉和雙氧水中的任意一種。
[0012]一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料的制備方法，包括如下步驟：
第一步，準備原料，將煤基固廢破碎并用球磨儀球磨至80目的細粉，按比例稱取各組分；
第二步，混合原料制備漿體：將煤基固廢和膠凝材料混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機轉(zhuǎn)速為2000-3200r/min，攪拌均勻后，加入發(fā)泡劑，控制整個攪拌溫度為50-70℃，繼續(xù)攪拌3-5min；
第三步，漿體注模進行發(fā)泡養(yǎng)護：將攪拌均勻的漿體倒入模具內(nèi)，覆膜并置于70℃恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)進行發(fā)泡并進行養(yǎng)護；
第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護8-12小時后取出發(fā)泡體，脫去模具；
第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥14-18h，干燥完成后取出制塊，用破碎機破碎成顆粒狀；
第六步，篩分粒徑控制顆粒級配：將破碎后的顆粒用電動篩篩分，控制顆粒粒徑范圍為1-3mm，所制即為可以用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料。
[0013]本發(fā)明的有益效果如下：
本發(fā)明利用煤矸石等煤基固廢制備用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料，既解決了煤基固廢資源化利用的問題，又起到了以廢治廢的目的。本發(fā)明制備的固廢基生態(tài)修復的材料，具備非常好的孔隙結(jié)構(gòu)，具備一定的抗凍融能力，與同類型的生態(tài)修復的材料相比，其抵抗凍融作用的影響是其最大特點。而本法所進行的凍融操作是以模擬實際情況為主，具有一定的代表性。本法制備的生態(tài)修復材料，可以明顯改善礦區(qū)土壤的組成結(jié)構(gòu)、提高土壤的保水量、降低土壤流失率、改善土壤的透氣性，且能夠減輕凍融作用對其性能的影響，是一種潛力巨大的礦區(qū)生態(tài)修復材料。本發(fā)明制備工藝和過程簡單，原料及工藝成本低，可以進行規(guī)?；纳a(chǎn)。
[0014]該生態(tài)修復材料主要以煤矸石等常見的煤基固廢為原料，就地取材，原材料數(shù)量巨大，成本較低，且制備成的生態(tài)修復材料主要用于礦區(qū)的生態(tài)修復，不種植農(nóng)作物或其他可能進入食物鏈的植物，只種植觀賞性或者有益于改善礦區(qū)生態(tài)的耐環(huán)境且易成活的植物，以此實現(xiàn)礦區(qū)的修復和生態(tài)植被的恢復。該生態(tài)修復材料結(jié)構(gòu)疏松多孔，具有一定的保水性、抗流失性和環(huán)境安全性，對多種植物具有非常好的適用性，并且能夠抵抗環(huán)境因素的影響，特別是北方地區(qū)經(jīng)常發(fā)生的凍融現(xiàn)象。
附圖說明
[0015]圖1為本發(fā)明的制備方法流程圖；
圖2為本發(fā)明實施例1制備的修復材料的微觀掃描電鏡圖Ⅰ；
圖3為本發(fā)明實施例1制備的修復材料的微觀掃描電鏡圖Ⅱ；
圖4為本發(fā)明實施例1制備的修復材料的微觀掃描電鏡圖Ⅲ；
圖5為本發(fā)明實施例1制備的修復材料抗凍融性能測試圖。
具體實施方式
[0016]實施例1
本實施提供了一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料及其制備方法，具體制備方法為：
第一步，準備原料：將煤矸石破碎并用球磨儀球磨至粒徑大小為80目的細粉，按比例分別稱取煤矸石粉、水泥、鋁粉和水，即總重量以100計，其中煤矸石粉75%，水泥25%；鋁粉占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為0.075%，水占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為72%；
第二步，混合原料制備漿體：將稱量好的原料均勻混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機的轉(zhuǎn)速為3200r/min，均勻加入鋁粉，并控制整個攪拌溫度為65℃，繼續(xù)攪拌4min；
第三步，漿體注模進行發(fā)泡養(yǎng)護：將攪拌均勻的漿體倒入模具內(nèi)，覆膜并置于70℃恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)進行發(fā)泡并進行養(yǎng)護；
第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護10h后取出發(fā)泡體，脫去模具；
第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥16h，干燥完成后取出制塊，用破碎機破碎成顆粒狀；
第六步，篩分粒徑控制顆粒級配：將破碎后的顆粒用電動篩篩分，控制顆粒粒徑范圍為1-3mm，所制即為可以用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料。
[0017]從圖2、圖3和圖4可知，從微觀上揭示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是充滿著針織網(wǎng)狀的疏松多孔結(jié)構(gòu)。
[0018]實施例2
本實施提供了一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料及其制備方法，具體制備方法為：
第一步，準備原料：將煤矸石破碎并用球磨儀球磨至粒徑大小為80目的細粉，按比例分別稱取煤矸石粉、水泥、鋁粉和水，即總重量以100計，其中煤矸石粉70%，水泥30%；鋁粉占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為0.072%，水占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為65%；
第二步，混合原料制備漿體：將稱量好的原料均勻混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機的轉(zhuǎn)速為2800r/min，均勻攪拌均勻后加入鋁粉，并控制整個攪拌溫度為70℃，繼續(xù)攪拌4min；
第三步，漿體注模進行發(fā)泡養(yǎng)護：將攪拌均勻的漿體倒入模具內(nèi)，覆膜并置于70℃恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)進行發(fā)泡并進行養(yǎng)護；
第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護9h后取出發(fā)泡體，脫去模具；
第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥16h，干燥完成后取出制塊，用破碎機破碎成顆粒狀；
第六步，篩分粒徑控制顆粒級配：將破碎后的顆粒用電動篩篩分，控制顆粒粒徑范圍為1-3mm，所制即為可以用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料。
[0019]實施例3
本實施提供了一種適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料及其制備方法，具體制備方法為：
第一步，準備原料：將尾礦破碎并用球磨儀球磨至粒徑大小為70目的細粉，按比例分別稱取尾礦粉、水泥、鋁粉和水，即總重量以100計，其中尾礦粉72%，水泥28%，鋁粉占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為0.07%，水占煤矸石粉和水泥的質(zhì)量百分比為67%；
第二步，混合原料制備漿體：將稱量好的原料均勻混合于容器內(nèi)，設(shè)置攪拌機的轉(zhuǎn)速為2800r/min，均勻攪拌均勻后加入鋁粉，并控制整個攪拌溫度為60℃，繼續(xù)攪拌4min；
第三步，漿體注模進行發(fā)泡養(yǎng)護：將攪拌均勻的漿體倒入模具內(nèi)，覆膜并置于70℃恒溫恒濕養(yǎng)護箱內(nèi)進行發(fā)泡并進行養(yǎng)護；
第四步，發(fā)泡體脫模：在養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護12小時后取出發(fā)泡體，脫去模具；
第五步，制塊干燥并破碎：將脫去模具的成型制塊放于105℃干燥箱內(nèi)干燥16h，干燥完成后取出制塊，用破碎機破碎成顆粒狀；
第六步，篩分粒徑控制顆粒級配：將破碎后的顆粒用電動篩篩分，控制顆粒粒徑范圍為1-3mm，所制即為可以用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料。
[0020]表1 實施例產(chǎn)品的性能指標
“?——”表示未檢測。
[0021]表2為本發(fā)明實施例1的產(chǎn)品安全性能測試圖，通過產(chǎn)品凍融前和凍融后重金屬的析出情況來說明其具備一定的安全性能，其各項數(shù)據(jù)均遠低于《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風險管控標準》（GB15618-2018）中關(guān)于各重金屬的含量要求。
[0022]表2
聲明：
“適用于北方礦區(qū)生態(tài)修復的材料及其制備方法” 該技術(shù)專利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學習研究，如用于商業(yè)用途，請聯(lián)系該技術(shù)所有人。
我是此專利(論文)的發(fā)明人(作者)
1607
編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來源：山西大學
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2025年03月20日 ~ 22日 
