CN102010173B

CN102010173B - 一种保温抗裂生土砖制备方法

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Publication number: CN102010173B
Application number: CN2010105441178A
Authority: CN
Inventors: 贾兴文; 钱觉时; 张亚杰; 范英儒; 张琳; 张志伟
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2030-11-15
Also published as: CN102010173A

Abstract

本发明公开了一种保温抗裂生土砖制备方法，其特点在于，采用了煅烧脱硫石膏、脱硫灰、农作物秸秆粉、可再分散乳胶粉、表面活性剂、粘土、加上水固比为0.3~0.5的水，再采用混合、搅拌、成型养护等步骤制备。本方法有效地利用了燃煤电厂脱硫废弃物和农业固体废弃农作物秸秆，具有成本低廉、便于生产、力学性能和耐久性较好，以及具有良好抗裂性和热工性能，可以再生循环利用等优点。<b/>

Description

一种保温抗裂生土砖制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于村镇建筑的墙体材料，具体涉及一种生土砖。

背景技术

生土泛指未经焙烧而仅仅经过简单密实加工的原状土类材料，生土经压制或浇注成型后成为多种尺寸的砖，生土砖可用于砌筑1~3层的生土建筑。从人类社会形成以来，“生土”一直是最主要的建筑材料，中国的生土建筑已经至少有6000多年的历史，许多古老的生土建筑保存至今，成为中华文明的见证和历史瑰宝。目前全世界仍然有大约1/3的人口居住在生土建筑中，我国农村至今尚有1亿多人居住在各种类型的生土建筑中。生土材料就地取材，不需要高温焙烧，经过简单加工就可以用于修建生土建筑。而且生土建筑废弃后，生土材料可以直接还田作为耕种土壤或再次用于修建生土建筑，因此生土材料是一种可重复利用的节能环保材料。

传统的生土材料主要是采用粘土和农作物秸秆制备，利用粘土的絮凝结构特性使生土材料在干燥后产生强度，同时利用秸秆的纤维增韧特性来提高生土材料的抗裂性，此外生土材料还具有相对较好的热工性能，因此生土材料在一些偏远的农村地区仍然大量应用。但是生土材料也存在着诸多缺陷，如抗压强度低，干燥收缩大，易开裂，耐水性差，生产生土材料时劳动强度大，装饰性差等。上述缺陷导致生土材料逐渐处于被淘汰的边缘。随着农村经济的快速发展，农村居民对住宅的需求也日益增大，农村修建住宅使用的建筑材料主要是粘土砖、石头、混凝土砌块和木材，基本上摒弃了生土材料。生产粘土砖、石头、混凝土砌块不仅能耗很高而且还会破坏环境，同时也导致大量的村镇建筑成为高能耗建筑，不利于我国的建筑节能和经济的可持续发展。

生土材料的生产能耗极低，仅为烧结粘土砖生产能耗的1%，为了环境保护和缓解能源消耗的压力，人们开始重新审视生土建筑和生土材料。传统的生土材料和现代工业文明衍生出来的水泥基建筑材料以及烧结粘土砖相比，其强度、耐水性等性能均明显较差；但是生土材料具有可重复利用、取材容易、环境协调性以及热工性能好等特点，因此如果能够利用现代工业技术改进古老的生土材料，使其获得较高的强度和良好的耐久性，就可能使生土成为广大农村地区重要的建筑材料，也可能使传统生土建筑重新焕发生机。

目前对生土材料的改性主要集中在利用水泥、石灰等胶凝材料对生土进行改性，以提高生土材料的强度和耐久性，虽然在一定程度上改善了生土材料的力学性能，但是又衍生出诸多问题。例如，石灰改性生土才就存在存在如下缺点：

①石灰改性生土材料强度发展缓慢，不利于模具周转，导致生土材料早期耐水性极差；

②干缩大、易开裂，可能导致改性生土建材墙体产生严重的、无法解决的开裂问题，严重影响生土建筑墙体的美观，并导致热工性能明显下降；

③易软化、耐水性差，体积稳定性差。

水泥改性生土材料是通过机械搅拌作用，将水泥浆与粘土混合，可以提高生土材料的强度，其缺陷主要有：

①成本高，干燥收缩率较大，易开裂；

②体积稳定性难以达到要求，在干湿变化较大的环境中，其体积稳定性会逐渐变差，导致严重开裂，甚至丧失强度；

③水泥是强碱性材料，不利于生土材料废弃后的循环再利用。

生土材料的开发应遵循与环境相协调的原则，但是水泥、石灰等材料改性不仅消耗宝贵资源和能源，而且水泥和石灰水化后所具有的强碱性导致生土材料碱度很高，不利于生土材料废弃后的再生循环利用。另外，经水泥和石灰改性的生土材料体积稳定性也难以达到要求。

因此，利用现代建筑技术队生土材料进行改性，制备具有良好力学性能、良好耐久性、热工性能好、可循环再生利用的生土材料对降低村镇建筑能耗，改善农村生态环境和居住条件，促进固体废弃物综合利用具有重要意义。

我国燃煤灰渣排放量已经达到4亿吨，这些燃煤灰渣中主要为煤中无机物燃烧后残留灰渣，也有相当比例为煤燃烧过程中SO₂气体的脱硫或固硫废弃物，由于燃煤电厂环境保护的加强，近年来燃煤电厂的脱硫或固硫废弃物排放量呈快速增长趋势，这些脱硫废弃物未得到有效利用。

此外，我国农作物秸秆总产量高达7~10 亿t，其中稻草秸秆2.3亿t、玉米秸秆2.2 亿t、小麦秸秆1.2亿t、豆类和秋杂粮作物秸秆1亿t、花生等作物秸秆1亿t。稻草秸秆量已占世界产量的37%左右，还有大量的野生植物秸秆，成为宝贵的可再生资源。整体上来看，我国的秸秆利用率和利用水平都很低，由于秸秆得不到合理利用，很多地区出现大面积焚烧秸秆的情况，严重污染空气，并威胁航空及高速公路的交通安全。由于现有的技术仍然难以充分利用每年产生的秸秆，因此开发有效地大量利用秸秆生产建筑材料的技术具有重要应用价值。

故，如何有效利用上述工业和农业废弃物，并开发一种成本低廉，力学性能和热工性能均非常优异使其宜于实施的轻质生土砖，具备较大的研究意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是，怎样有效利用燃煤电厂脱硫废弃物和农业固体废弃农作物秸秆，提供一种成本低廉、便于生产、力学性能和耐久性较好，以及具有良好抗裂性和热工性能，可以再生循环利用的保温抗裂生土砖制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种保温抗裂生土砖制备方法，其特征在于，采用了如下质量份比例的材料：

煅烧脱硫石膏：15~25

脱硫灰：15~30

农作物秸秆粉：10~20

可再分散乳胶粉：0.15~0.5

表面活性剂：0.05~0.15

粘土：25~60

加上水固比为0.3~0.5的水，

采用如下步骤制备：a、将上述质量份比例的煅烧脱硫石膏、脱硫灰、可再分散乳胶粉、粘土和农作物秸秆粉搅拌并混合均匀，然后加入部分比例的水搅拌混合，形成生土拌合物待用；b、将上述质量份比例的表面活性剂加入质量倍数为20~30倍的水后，再加入所述质量份比例的表面活性剂，混合搅拌至气泡大量形成后待用；c、将b步骤得到混合物加入到a步骤得到混合物中，搅拌均匀，形成可流动的生土料浆；d、将c步骤得到的生土料浆浇注到制砖模具中，待成型2~3小时后拆模；拆模后养护7~14d即可。

本技术方案中，采用的煅烧脱硫石膏是指脱硫石膏经煅烧后生成的半水石膏，可以直接从电厂购买，其主要成分是半水石膏。煅烧脱硫石膏加水拌合后，很快溶解于水，生成不稳定的过饱和溶液，溶液中的半水石膏经过水化反应转化为二水石膏；由于二水石膏比半水石膏的比半水石膏的溶解度低，所以二水石膏在溶液中处于高度过饱和状态，二水石膏晶体很快析出，同时浆体中的自由水也因水化和蒸发而逐渐减少，使得浆体逐渐减少，结晶颗粒之间的距离减小，晶体形成凝聚结构，同时二水石膏晶体与粘土颗粒的絮凝结构相互填充和交错，使生土材料具有凝结硬化快、早期强度发展快的特点，使本发明涉及的生土砖在生产时可以快速脱模。同时半水石膏凝结硬化过程的微膨胀特性也有助于显著降低生土砖的干燥收缩率，提高生土砖的抗裂性。

本技术方案中，采用的脱硫灰是指循环流化床锅炉脱硫灰，其主要成分为烧粘土质矿物、α-石英、游离氧化钙和Ⅱ-CaSO₄；由于脱硫灰中含有烧粘土质矿物（活性SiO₂和Al₂O₃）以及一定量的f-CaO和Ⅱ-CaSO₄，因此自身即可组成火山灰反应系统。与水混合后，脱硫灰自身组分之间可以发生火山灰反应，从而生成具有水硬性的物质，如C-S-H和钙矾石等。脱硫灰中f-CaO含量较高，f-CaO可以和脱硫灰中的烧粘土质矿物发生水化反应，而CaSO₄和脱硫灰中的Ⅱ-CaSO₄则起到了激发作用，CaO-SiO₂-Al₂O₃系统与CaSO₄和脱硫灰中Ⅱ-CaSO₄的水化相互影响。因此脱硫灰中的CaO-SiO₂-Al₂O₃系统的火山灰水化反应活性提高了生土材料的后期强度，同时也使生土材料具有较好的耐水性。

本技术方案中采用的农作物秸秆粉，是指选自水稻、小麦和玉米等农作物秸秆，再破碎为长度1~5mm的纤维状秸秆粉；秸秆粉可以有效提高土砖的抗裂性，通过秸秆纤维的增韧再结合煅烧脱硫石膏水化时的微膨胀作用，从而可以有效解决生土材料干燥收缩大、易开裂的问题，显著提高生土建筑的热工性能和美观性。

本技术方案中采用的可再分散乳胶粉，为日常化工产品，添加它后可以显著改善半水石膏等无机胶凝材料与农作物秸秆的界面粘结强度，提高成型后砂浆的密实度和耐水性，并有助于提高生土砖的抗裂性。

本技术方案中采用的表面活性剂，是指能形成吸附界面膜，降低表面张力的物质；本技术方案中优选采用非离子型表面活性剂，利用非离子型表面活性剂具有润湿和分散作用，并且在水-半水石膏体系中搅拌时能够捕获大量空气的原理，使半水石膏浆体搅拌后，形成含气量极大的水-空气泡-半水石膏体系，由于水-空气泡具有良好的滚珠润滑作用，使生土材料经过短时间搅拌后就可以形成流变性极好的类似于微沫的轻质料浆，以便于生土材料更容易成型。由于料浆中含有大量的空气泡。生土材料料浆凝结硬化以后，生土砖中会含有大量的封闭孔，将显著改善生土砖的热工性能，有助于降低村镇建筑的建筑能耗。

本技术方案中采用的粘土，是指取自闲置荒地的宜于制砖的粘性土壤，将其晒干破碎后过5mm孔径的筛得到；优选可用于种植的、无腐殖质的粘性土；粘性土的塑性指数大于10，液性指数为0.25~0.75。

本技术方案中，所述的“水固比”是指总用水量与煅烧脱硫石膏、脱硫灰和粘土三种固体材料的质量比。步骤a中所述“加入部分比例的水”是指所需水比例总量里面减去步骤b中用水量后的比例量。步骤b中所述“气泡大量形成”是气泡生成速率为最大的时候左右。技术方案中，先将煅烧脱硫石膏、脱硫灰、可再分散乳胶粉、粘土、农作物秸秆粉加水拌合均匀后，再加入拌合均匀的表面活性剂与水的混合物；这样是因为采用上述步骤可以提高生土拌合物的易浇注性，显著降低生土砖的干密度，从而降低生土砖的导热系数。步骤d中的“养护”是指将拆模得到的砖坯搁置于室外一段时间待其自然干燥硬化，养护时需防雨。

本发明在实际应用时可以采用浇注方式成型。本发明涉及的生土材料无需采用特殊搅拌设备和施工设备，施工方便，原材料成本低，热工性能、力学性能和保温性能均明显优于传统的生土材料。本发明用于砌筑生土建筑时，常规的砌筑工艺即可满足要求，且生土砖与混凝土、页岩砖、砌块、石材等基础垫层的粘接强度较高，生土砖体积稳定性好，生土建筑不易出现开裂和沉降等质量问题。

综上所述，本发明还具有以下优点：

（1）本发明所使用的主要原材料煅烧脱硫石膏、脱硫灰、农作物秸秆，均为来源广泛、价格低廉的材料，有效利用了工艺和农业废弃产物，因此生产成本低，便于生产和推广应用。本发明涉及的生土砖废弃后，经过破碎可以再生循环利用，不产生建筑垃圾。

（2）表面活性剂在水中经搅拌后形成的水-空气泡-胶凝材料体系具有良好的滚珠润滑作用，可以显著提高生土料浆的流动性，便于浇注成型，显著降低生土砖的干密度和导热系数，使生土砖干密度可以低于800kg/m³，导热系数可以低于0.20W/(m·K)。

（3）利用半水石膏凝结硬化快、微膨胀的特点，可以显著提高生土材料的早期强度，缩短硬化时间，且干燥收缩率明显降低，随着半水石膏掺量的提高，生土砖的干燥收缩值可以低至0.5~0.7mm/m，有助于提高生土砖的抗裂性。此外，还可以显著缩短脱模时间，通常2~3小时即可脱模，加快了模具的周转。

（4）在生土中掺加农作物秸秆粉，可以提高生土砖的抗裂性，降低生土砖的干密度和导热系数，还可以促进农业固体废弃物的综合利用。

（5）脱硫灰具有一定的水硬性，掺加脱硫灰可以显著改善生土砖的耐水性，使生土砖的软化系数可以大于0.5；同时，可以提高生土砖的后期力学性能，28d和90d龄期的抗压强度与不掺加脱硫灰的生土砖相比可以提高20%~50%，力学性能优良。

（6）通过掺加聚合物乳胶粉，可以显著改善半水石膏等无机胶凝材料与农作物秸秆的界面粘结强度，提高成型后砂浆的密实度和耐水性，并有助于提高生土砖的抗裂性。

（7）干密度为800~1000 kg/m³的生土砖的28d抗压强度可以达到2.0MPa，28d抗折强度可以达到0.8MPa；90d抗压强度可以达到3.0MPa，90d抗折强度可以达到1.2MPa；导热系数为0.2~0.3 W/(m·K)，是一种保温抗裂的生土砖。

具体实施方式

下面结合具体实施例和实验验证数据对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

本实施例中采用如下质量份比例的材料：

煅烧脱硫石膏：15

脱硫灰：15

玉米秸秆粉：10

可再分散乳胶粉(EVA)：0.15

皂角苷非离子型表面活性剂:0.05

粘土：60

水：水固比为0.3，

采用如下步骤制备：a、将上述质量份比例的煅烧脱硫石膏、脱硫灰、可再分散乳胶粉、粘土和农作物秸秆粉搅拌并混合均匀，然后加入部分比例的水搅拌混合，形成生土拌合物待用；b、将上述质量份比例的表面活性剂加入质量倍数为20~30倍的水后，再加入所述质量份比例的表面活性剂，混合搅拌至气泡大量形成后待用；c、将b步骤得到混合物加入到a步骤得到混合物中，搅拌均匀，形成可流动的生土料浆；d、将c步骤得到的生土料浆浇注到制砖模具中，待成型后2~3小时拆模；拆模后养护7~14d得到。

实施例2

本实施例中采用如下质量份比例的材料：

煅烧脱硫石膏：15

脱硫灰：20

玉米秸秆粉：15

可再分散乳胶粉(EVA)：0.20

皂角苷非离子型表面活性剂:0.05

粘土：50

水：水固比为0.40，具体制备步骤同实施例1。

实施例3

本实施例中采用如下质量份比例的材料：

煅烧脱硫石膏：20

脱硫灰：20

玉米秸秆粉：15

可再分散乳胶粉(EVA)：0.30

皂角苷非离子型表面活性剂:0.10

粘土：45

水：水固比为0.4，具体制备步骤同实施例1。

实施例4

本实施例中采用如下质量份比例的材料：

煅烧脱硫石膏：20

脱硫灰：30

玉米秸秆粉：20

可再分散乳胶粉(EVA)：0.40

皂角苷非离子型表面活性剂:0.12

粘土：30

水：水固比为0.45，具体制备步骤同实施例1。

实施例5

本实施例中采用如下质量份比例的材料：

煅烧脱硫石膏：25

脱硫灰：20

玉米秸秆粉：20

可再分散乳胶粉(EVA)：0.40

皂角苷非离子型表面活性剂:0.15

粘土：35

水：水固比为0.45，具体制备步骤同实施例1。

实施例6

本实施例中采用如下质量份比例的材料：

煅烧脱硫石膏：25

脱硫灰：30

玉米秸秆粉：20

可再分散乳胶粉(EVA)：0.50

皂角苷非离子型表面活性剂:0.15

粘土：25

水：水固比为0.5，具体制备步骤同实施例1。

本实施例1～6的保温抗裂生土砖均可以作为砌筑单层村镇建筑的墙体材料，其中，实施例5为力学性能最佳的配合比；实施例4是导热系数最低的配合比。

实验结果

将实施例4、实施例5的原材料混合搅拌均匀并按照国家标准《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ70—2009）的要求成型试件，测试力学性能、导热系数和干燥收缩。实验方法和结果如下：

（1）生土砖的抗折强度和抗压强度的测定参照《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ70—2009），试验结果见表1。

表1保温抗裂生土砖的力学性能/MPa

Figure 2010105441178100002DEST_PATH_IMAGE001

（2）生土砖的干燥收缩值测定参照《建筑砂浆基本性能试验方法》（JGJ70—2009），试验结果见表2。

表2 保温抗裂生土砖的干燥收缩值(mm/m)

龄期	3d	7d	14d	28d
					实施例4	0.2	0.4	0.5	0.7
实施例5	0.1	0.3	0.4	0.5

（4）生土砖的干密度和导热系数测定参照《建筑保温砂浆》(GB/T20473—2006)，试验结果见表3。

表3 保温抗裂生土砖的干密度和导热系数

实施例	干密度(kg/m³)	导热系数(W/(m·K))
			4	840	0.21
5	965	0.30

根据以上试验数据可以看出，本发明涉及的保温抗裂生土砖，干密度为800~1000kg/m³，导热系数约为0.2~0.3 W/(m.K)，明显小于普通的烧结粘土砖[烧结粘土砖的导热系数约为0.80~1.0W/(m.K)]，具有较好的保温性能；28d抗压强度大于2.0MPa，90d抗压强度可以超过3.0MPa，具有较好的力学性能；长期浸泡后，耐水系数大于0.5，具有良好的耐水性；传统生土材料的干燥收缩值高达50~100mm/m，而本发明的干燥收缩值仅为0.5~0.7mm/m，干燥收缩值极低，有助于提高生土建筑的抗裂性。以上数据说明本发明的保温抗裂性很好，同时具有良好的耐水性，在实际使用中不易产生干燥收缩裂缝，有助于提高村镇建筑的保温性能，避免了村镇建筑在使用过程中因开裂产生渗漏导致保温性能明显下降。

其中实施例4导热系数最低，热工性能最佳，有助于降低村镇建筑的使用能耗，促进村镇建筑的建筑节能；实施例5力学性能最佳，早期强度亦最佳，有助于加快施工速度；若以90天抗压强度计算，本发明完全可以用于砌筑单层村镇建筑以及农村仓储和养殖建筑的承重墙体。

Claims

1.一种保温抗裂生土砖制备方法，其特征在于，采用了如下质量份比例的材料：

煅烧脱硫石膏：15~25

脱硫灰：15~30

农作物秸秆粉：10~20

可再分散乳胶粉：0.15~0.5

表面活性剂：0.05~0.15

粘土：25~60

加上水固比为0.3~0.5的水，

采用如下步骤制备：a、将上述质量份比例的煅烧脱硫石膏、脱硫灰、可再分散乳胶粉、粘土和农作物秸秆粉搅拌并混合均匀，然后加入部分比例的水搅拌混合，形成生土拌合物待用；b、将上述质量份比例的表面活性剂加入质量倍数为20~30倍的水后，再加入所述质量份比例的表面活性剂，混合搅拌至气泡大量形成后待用；c、将b步骤得到混合物加入到a步骤得到混合物中，搅拌均匀，形成可流动的生土料浆；d、将c步骤得到的生土料浆浇注到制砖模具中，待成型2~3小时后拆模；拆模后养护7~14d即可；步骤a中所述加入部分比例的水是指所需水比例总量里面减去步骤b中用水量后的比例量。