CN101704657B - 以铝土矿与脱硫石膏为基料的自流平材料及其制备方法 - Google Patents

以铝土矿与脱硫石膏为基料的自流平材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以铝土矿和脱硫石膏为基料的自流平材料及其制备方法，其主要组分质量百分比如下：脱硫石膏粉20-60％，铝土矿粉20-55％，铝酸盐水泥0-20％，硅酸盐水泥5-20％，还包括少量的外加剂及细骨料。将各组分按照一定的质量百分比在混料机中混合均匀，包装，即得自流平材料。使用时，将混合胶结料与水按照一定的水灰比快速混合均匀，即可施工。本发明可直接利用脱硫石膏和天然铝土矿制备自流平材料，生产工艺简单，能耗低，成本较低，所制备的自流平材料具有凝结时间适中，强度合理的特点，可广泛应用于各类地面找平。

Description

以铝土矿与脱硫石膏为基料的自流平材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种以铝土矿、脱硫石膏为主要组分，以铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、细骨料、减水剂、乳胶粉等为辅助物料的自流平材料及其制备方法。
背景技术
我国能源结构以燃煤为主，烟气脱硫规模日益增大，随之产生大量的脱硫石膏。脱硫石膏主要由含两个结晶水的硫酸钙组成，以二水硫酸钙计，品位一般在90％左右，范围85-95％。脱硫石膏不仅是我国面临的大宗废弃物资源化利用问题，也是规模巨大的固废污染防治问题，迫切需要予以解决。脱硫石膏产生量如此巨大，客观上需要大规模的资源化利用途径才能有效消纳。而地面自流平材料(Self-Leveling materials of Floor)应该是脱硫石膏规模化利用的最佳选择之一。地面自流平材料是一种以无机或有机胶凝材料为基础、加入各种改性助剂、用于地面自找平的新型地面材料。无机自流平材料按基料不同，分为水泥基和石膏基两类。石膏基自流平材料通常以α半水石膏、β半水石膏、天然无水石膏等为基料。石膏基自流平材料具有高流动性、初凝时间长、终凝时间适当、早期及后期强度较高、与基底粘结力高等特点，可广泛应用于室内地面建筑。采用脱硫石膏制备石膏基自流平材料是一种规模化利用钙法脱硫副产物的技术，有可能既解决钙法烟气脱硫产物处理与处置问题，又提供一种有广阔应用前景的产品。目前，以生成钙矾石为主要水化物的混合胶凝材料基自流平材料已经是大部分商业产品的主流配方。
自流平材料在1972-1973年首先由日本住宅公团对石膏基、水泥基自流平材料作了基础研究，随后出现了石膏基自流平材料商品。1980年代，美国、德国等发达国家相继研究开发了地面自流平(砂浆)材料，并得到了较广泛的应用。我国石膏基自流平材料的研究处于起步阶段，直到2006年才有以硬石膏为基料制备地面自流平材料的报道(杨新亚，王锦华.硬石膏基地面自流平材料研究[J].国外建材科技，2006，27(1)：10-12)，研究内容仅限于基本组成物料的配比和相关性能测试。另一方面，由于自流平材料巨大的市场前景，已经出现一些专利申请，如中国发明专利200410053030.5公开的一种普通硅酸盐水泥为基料的“高性能水泥基自流平材料”；中国发明专利200510061004.1公开的一种以铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、重碱为主要组分的“自流平水泥及其生产工艺”；中国发明专利200510120515.6公开的一种以石膏尾矿粉、矿渣粉、普通水泥为主要组分的“石膏尾矿自流平材料及其制备方法”；中国发明专利200510072440.9公开的“一种石膏基自流平地面找平材料及其制备方法”；中国发明专利申请200710069007.9公开的“一种脱硫石膏自流平材料及其制备方法”。我国的石膏基自流平砂浆标准于2007年正式颁布，表明我国开始规范石膏基自流平材料市场。
脱硫石膏属于二水石膏，本身不具有胶凝性能，但是基于反应生成高结合水和较高强度的钙矾石的基本原理，可以有效实现资源化利用脱硫石膏制备自流平材料，其前提是要求提供生成钙矾石所需的富含铝离子、硅离子的矿物质。铝土矿是我国的优势矿种，尤其是品位偏低的铝土矿储量巨大，可作为石膏基自流平材料的物料之一。
发明内容
本发明提供了一种以脱硫石膏、铝土矿为主要组分，容易达到石膏基自流平材料性能指标、制备工艺简单、制备成本低的脱硫石膏自流平材料及其制备方法。
一种以铝土矿与脱硫石膏为基料的自流平材料，以脱硫石膏、铝土矿为主要成分，以铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和细骨料等辅料为次要组分，各组分的质量百分比如下：
脱硫石膏粉    20-60％
铝土矿粉      20-55％
铝酸盐水泥    0-20％
硅酸盐水泥    5-20％
乳胶粉        0-4.0％
减水剂        0.1-0.8％
消泡剂        0.05-0.5％
细骨料        0-20％。
一种优选的以铝土矿与脱硫石膏为基料的自流平材料，以脱硫石膏、铝土矿为主要成分，以铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和细骨料等辅料为次要组分，各组分的质量百分比如下：
脱硫石膏粉    30-45％
铝土矿粉      25-35％
铝酸盐水泥    6-10％
硅酸盐水泥    10-15％
乳胶粉        2-3％
减水剂        0.4-0.5％
消泡剂        0.1-0.3％
细骨料        7-12％。
所述优选的以铝土矿与脱硫石膏为基料的自流平材料，其中脱硫石膏中有效的钙离子、铝土矿提供的水铝石、铝酸盐水泥提供的铝离子接近形成钙矾石的化学计量，铝酸盐水泥和硅酸盐水泥中的胶凝组分满足胶凝材料初期水化速率快的要求，并促进胶凝材料的后期粘结作用。
本发明所述脱硫石膏是钙基湿法烟气脱硫副产物，其基本成分是质量百分比85-95％的二水硫酸钙，含水率约10％，将其在低于20-90℃条件下干燥，然后破碎、过筛，使粒径小于1mm。对于石膏基胶凝材料，脱硫石膏原始的颗粒粒径过粗，材料的胶凝性能难以发挥。由于脱硫石膏的颗粒粒径大部分分布在1mm以下，本发明最大限度的利用了脱硫石膏的颗粒粒径分布，即使在不进行破碎的前提下也能在较大掺量(＞30％)条件下，使自流平材料有较小的水灰比、良好的流动性和足够的强度。
本发明所述的铝土矿为以三水铝石为主、高岭石为次、少量一水铝石的天然矿物粉料，三氧化铝质量含量30-60％，将其破碎、过筛、干燥，粒径小于0.5mm。铝土矿粉与脱硫石膏复合水化胶凝过程中起到提供硅离子和铝离子的作用，有利于生成胶凝材料中重要的钙矾石矿物。
本发明所述铝酸盐水泥为GB201-2000定义的铝酸盐水泥。添加铝酸盐水泥主要是向自流平材料提供水化初期所需要的水铝化物，弥补铝土矿提供铝离子速率较慢的不足，有利于加快自流平材料的钙矾石生成，同时也提高胶凝材料的粘结强度。
本发明所述硅酸盐水泥为GB 175-1999定义的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥。在铝土矿提供材料水化所需的铝离子的速率满足要求时，廉价的硅酸盐水泥可以替代价格较高的铝酸盐水泥，同时增强胶凝材料的粘结强度。
本发明所述乳胶粉为以乙烯和醋酸乙烯为单体的聚合物粉体，例如瓦克(WACKER)聚合物材料(上海)有限公司的
Figure G2009101552681D00041
5011L。
本发明所述细骨料为细石英砂，粒径最优小于2mm。
本发明所述减水剂为聚羧酸系减水剂，如苏州鑫龙化学建材有限公司的PC高效减水剂。
本发明所述消泡剂为有机硅消泡剂，例如江苏赛欧信越消泡剂有限公司的改性聚硅氧烷有机硅消泡剂XPJ820。
本发明所述自流平材料的制备方法如下：
将脱硫石膏在20℃-90℃条件下干燥，然后破碎、过筛，使粒径小于1mm，将铝土矿破碎、干燥、过筛，粒径小于0.5mm，将这两种基料与本发明所述其他辅助物料按规定的质量百分比在混料机中混合均匀，即得所述自流平材料。本发明所述的脱硫石膏自流平材料使用时，按水灰比0.3-0.5加水充分搅拌均匀后施工。
本发明所述以铝土矿和脱硫石膏为基料的自流平材料水化硬化基本机理如下：
(1)胶结料遇水后，铝土矿中的水化铝与铝酸盐水泥中的铝酸钙迅速发生水化，在有(脱硫)石膏存在的条件下生成以钙矾石为主的水化矿物；(2)钙矾石的析出控制了物料之间的早期反应，加上减水剂的空间位阻作用，延缓了矿物组分的早期水化速率，使得材料具有一定的流动度，为胶凝材料提供了足够的施工时间；(3)在凝结过程，大量生成钙矾石晶体、还有钙黄长石、绿泥石等矿物晶体，这些晶体交错连生，形成材料内部的空间网状结构，提供了材料早期强度的内在基础；(4)凝结过程还产生大量水胶体，如水化硅酸钙、水铝胶、铁质胶体，填充于主要矿物如钙矾石晶体之间的空隙，提高了胶凝材料的密实性，增强了材料的强度。
本发明直接利用脱硫石膏为基料之一，无需将其转化为半水或无水石膏；以丰富的天然铝土矿为基料之一，只需要简单的破碎、粉磨，即可利用。以脱硫石膏和天然铝土矿为基料、少量参加水泥的自流平材料，生产工艺简单，能耗低，生产成本低，所制备的自流平材料凝结时间适中，达到石膏基自流平材料的性能指标。
具体实施方式：
实施例1：
脱硫石膏粉        55％
铝土矿粉          26％
铝酸盐水泥        8％
硅酸盐水泥        6％
乳胶粉
Figure G2009101552681D00051
5011L    1％
PC高效减水剂        0.3％
消泡剂XPJ820        0.1％
石英砂              3.6％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.31加水拌匀后施工。该配方的基本性能为：流动度211mm，30min流动度损失2mm，初凝时间2h，终凝时间4.6h，可工作时间2.6h，绝干抗折强度7.6MPa，绝干抗压强度21MPa，收缩率0.031％。
实施例2：
脱硫石膏粉        50％
铝土矿粉          26％
铝酸盐水泥        6％
硅酸盐水泥        10％
乳胶粉
Figure G2009101552681D00052
5011L    1.5％
PC高效减水剂    0.3％
消泡剂XPJ820    0.2％
石英砂          6％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.33加水充分搅拌均匀后施工。该配方的基本性能为：流动度204mm，30min流动度损失2.7mm，初凝时间1.7h，终凝时间4.4h，可工作时间2.7h，绝干抗折强度7.8MPa，绝干抗压强度25MPa，收缩率0.033％。
实施例3：
脱硫石膏粉        40％
铝土矿粉          31.4％
铝酸盐水泥        8％
硅酸盐水泥        10％
乳胶粉
Figure G2009101552681D00061
5011L    2.1％
PC高效减水剂        0.4％
消泡剂XPJ820        0.1％
石英砂              8％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.34加水搅拌均匀后施工。该配方的基本性能为：流动度197mm，30min流动度损失1.1mm，初凝时间1.5h，终凝时间3.9h，可工作时间2.4h，绝干抗折强度9.7MPa，绝干抗压强度43MPa，收缩率0.01％。
实施例4：
脱硫石膏粉        35％
铝土矿粉          35％
铝酸盐水泥        3％
硅酸盐水泥        16％
乳胶粉5011L    2.1％
PC高效减水剂        0.6％
消泡剂XPJ820        0.3％
石英砂              8％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.37加水搅拌均匀后施工。该配方的基本性能为：流动度195mm，30min流动度损失1.7mm，初凝时间1.5h，终凝时间3.8h，可工作时间1.7h，绝干抗折强度8.4MPa，绝干抗压强度33MPa，收缩率0.026％。
实施例5：
脱硫石膏粉        30％
铝土矿粉          40％
铝酸盐水泥        2％
硅酸盐水泥        12％
乳胶粉
Figure G2009101552681D00071
5011L    2.67％
PC高效减水剂    0.25％
消泡剂XPJ820    0.08％
石英砂          13％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.34加水搅拌均匀后施工。该配方的基本性能为：流动度205mm，30min流动度损失2.1mm，初凝时间1.5h，终凝时间3.7h，可工作时间2.2h，绝干抗折强度7.9MPa，绝干抗压强度29MPa，收缩率0.014％。
实施例6：
脱硫石膏粉        26％
铝土矿粉          48％
硅酸盐水泥        16％
乳胶粉
Figure G2009101552681D00072
5011L     4.0％
PC高效减水剂      0.25％
消泡剂XPJ820      0.45％
石英砂            5.3％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.38加水搅拌均匀后施工。该配方的基本性能为：流动度214mm，30min流动度损失1.4mm，初凝时间1.4h，终凝时间3.3h，可工作时间1.9h，绝干抗折强度8.8MPa，绝干抗压强度35MPa，收缩率0.022％。
实施例7：
脱硫石膏粉      22％
铝土矿粉        51％
硅酸盐水泥      19.5％
乳胶粉
Figure G2009101552681D00073
5011L    1.7％
PC高效减水剂        0.33％
消泡剂XPJ820        0.07％
石英砂              5.4％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.39加水充分搅拌均匀后施工。该配方的基本性能为：流动度223mm，30min流动度损失1.4mm，初凝时间1.8h，终凝时间3.9h，可工作时间2.1h，绝干抗折强度8.2MPa，绝干抗压强度29MPa，收缩率0.028％。
实施例8：
脱硫石膏粉        54％
铝土矿粉          33％
铝酸盐水泥        5％
硅酸盐水泥        7％
乳胶粉5011L     0％
PC高效减水剂    0.6％
消泡剂XPJ820    0.4％
石英砂          0％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.39加水搅拌均匀后施工。该配方的基本性能为：流动度237mm，30min流动度损失2.9mm，初凝时间2.7h，终凝时间5.4h，可工作时间2.7h，绝干抗折强度7.6MPa，绝干抗压强度24MPa，收缩率0.04％。
实施例9：
脱硫石膏粉    49％
铝土矿粉      30％
铝酸盐水泥    9％
硅酸盐水泥    5％
乳胶粉
Figure G2009101552681D00082
5011L     0％
PC高效减水剂    0.5％
消泡剂XPJ820    0.3％
石英砂          6.2％
按上表规定的质量百分比制备自流平材料，按水灰比0.38加水搅拌均匀后施工。该配方的基本性能为：流动度230mm，30min流动度损失2.1mm，初凝时间2.2h，终凝时间4.3h，可工作时间2.1h，绝干抗折强度7.7MPa，绝干抗压强度29MPa，收缩率0.041％。
以上实施例中的乳胶粉为瓦克(WACKER)聚合物材料(上海)有限公司生产，减水剂为苏州鑫龙化学建材有限公司生产，消泡剂为江苏赛欧信越消泡剂有限公司生产。

Claims (6)

1.一种以铝土矿与脱硫石膏为基料的自流平材料，其特征在于：各组分的质量百分比如下：
Figure FDA0000133459610000011
所述的铝土矿粉中三氧化铝的质量百分含量为30-60％，粒径小于0.5mm；
所述的脱硫石膏粉是钙基湿法烟气脱硫副产物，其二水硫酸钙的质量百分含量为85-95％，粒径小于1mm。
2.根据权利要求1所述的自流平材料，其特征在于：所述乳胶粉为以乙烯和醋酸乙烯为单体的聚合物粉体。
3.根据权利要求1所述的自流平材料，其特征在于：所述细骨料为干燥的细石英砂。
4.根据权利要求1所述的自流平材料，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系减水剂。
5.根据权利要求1所述的自流平材料，其特征在于：所述消泡剂为有机硅消泡剂。
6.根据权利要求1-5任一所述的自流平材料的制备方法，包括：将铝土矿破碎、过筛、干燥，使粒径小于0.5mm；将脱硫石膏在20-90℃条件下干燥，然后破碎、过筛，使粒径小于1mm；与其它各组分按规定的重量比在混料机中充分混合均匀，即得自流平材料。
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