CN103717549A - 利用了煤灰的砂浆或混凝土组合物及其用途 - Google Patents

利用了煤灰的砂浆或混凝土组合物及其用途 Download PDF

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Abstract

为了制备具有较高的抗压强度而无需使用砂子的砂浆，本发明提供一种对于包含煤灰7.5重量份、水泥1.5至3.0重量份、熟石膏1.0至2.0重量份、生石灰(CaO)1.0至2.0重量份、缓凝剂0.01至2.0重量份、以及增稠剂0.01至0.5重量份的固体成分拌合水而制得的砂浆组合物。

Description

利用了煤灰的砂浆或混凝土组合物及其用途
技术领域
本发明涉及砂浆或混凝土组合物及其用途，更为详细地讲，涉及利用了煤灰的砂浆或混凝土组合物及其用途。
背景技术
一般来讲，在石灰或水泥中掺入砂子并用水拌合而制备砂浆，一旦除去水分则砂浆变得坚硬，因此，砂浆主要用于砌筑砖头或石材之类。水泥砂浆包括波特兰水泥砂浆和天然水泥砂浆，而就上述波特兰水泥砂浆而言，混合3重量份的砂子和1重量份的水泥并对此混合适量的水而制得，就天然水泥砂浆而言，混合2重量份的砂子和1重量份的水泥而制得。在为这些水泥砂浆的情况下，耗费大量水泥且作为骨料的砂子的使用量较大，使得建筑费用上升，且存在这些砂浆干燥时抗压强度并不太高的问题。
另一方面，煤灰(coal ash)是在火力发电厂等烧煤后所残留的不燃成分，其区分为粉煤灰或飞灰(fly ash)和灰渣或底灰(bottom ash)，而煤灰的主成分为二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化铁(Fe2O3)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、二氧化钛(TiO2)等。这些煤灰作为代表性的工业废料其用途并不理想而几乎全部被填埋等，而导致严重的环境污染问题。
为此，在争相尝试再生利用上述煤灰，而作为这种技术已有韩国公开专利公报第2002-0065190号、韩国专利第237557号、韩国专利公告第86-001754号、韩国专利公开公报第1999-0011079号等。韩国公开专利公报第2002-0065190号所涉及的是对于粉煤灰60重量%、固化用混合剂23重量%、以及砂子17重量%加适量的水并搅拌之后通过砖头成型机而成型的煤灰砖头。韩国专利第237557号所涉及的是将废渣30-80重量份、废旧型砂10-40重量份、煤灰5-20重量份、水泥15-20重量份、以及水20重量份混合而制备的砂浆组合物。韩国专利公告第86-001754号所涉及的是包括以凝结剂在煤灰中混匀波特兰水泥、硅藻土、以及镁水泥后以1kg/cm2的压力成型并以65℃的蒸汽进行养护的步骤的煤灰砖头的制备方法。韩国专利公开公报第1999-0011079号所涉及的是以将氧化钙(CaO)和水泥、氟化钾(KF)、硫酸钙(CaSO4)、硫酸钠(Na2SO4)、氯化钙(CaCl2)混合的化学组合物1至4.5%和煤灰40至90%以及水泥20至23%混合而制备的煤灰作为主要材料的砌块制备方法。
发明内容
技术课题
但这些现有的利用了煤灰的砂浆或砖头的制备方法，由于受所使用的煤灰的使用量所限而存在不能完全排除砂子的使用或不能降低水泥的使用量的问题，且在制备过程中须进行烧结或者须经中高温或高温养护过程等而存在制备工序复杂的缺点。
本发明旨在解决包括如上所述的问题在内的各种问题，本发明的目的在于提供一种不仅以煤灰替代砂子而完全排除使用砂子等骨料，而且如通常的砂浆制备过程那样在常温下进行养护，并且砖头等成型体的抗压强度远比现有的水泥砂浆成型体优良的砂浆或混凝土组合物及其用途。但这些课题只是例示而已，本发明的范围并不限定于此。
解决课题方案
根据本发明的一个方案，提供一种砂浆组合物，该砂浆组合物对于包含煤灰7.5重量份、水泥1.5至3.0重量份、熟石膏1.0至2.0重量份、生石灰(CaO)1.0至2.0重量份、缓凝剂0.01至2.0重量份、以及增稠剂0.01至0.5重量份的固体成分拌合水而制得。
在上述砂浆组合物中，上述煤灰可以是飞灰(fly ash)，灰渣(bottom ash)或它们的混合物。
在上述砂浆组合物中，上述水泥可以是波特兰水泥、高炉矿渣水泥或火山灰硅酸盐水泥。
在上述砂浆组合物中，上述缓凝剂是为了抑制砂浆的快速固化的目的而使用，上述缓凝剂可以是水泥/混凝土用减水剂、水泥用水化延迟剂、无机酸、醇、氨基酸、蛋白质或糖分、或它们的混合物，而上述蛋白质可以是明胶，上述氨基酸可以是脯氨酸或谷氨酸。
在上述砂浆组合物中，上述增稠剂是为了提高砂浆或混凝土的粘结性能、凝聚作用而添加的添加剂，上述增稠剂可以是纤维素系增稠剂、聚丙烯酰胺系水溶性高分子、聚乙烯醇或聚乙酸乙烯酯，上述纤维素系增稠剂可以使用甲基纤维素、醋酸甲基纤维素或乙基纤维素。
并且，在根据本发明的一实施例的砂浆组合物中，在上述固体成分中能够进一步包含选自由抗裂剂、抗菌剂、耐久性改进剂、减水剂、速凝剂、膨胀剂、发泡剂、以及外加剂构成的组中的1种以上的混凝土添加剂。
在上述砂浆组合物中，在具有砂浆组合物的适宜的流动性的范围内可以添加适量的水，而相对于水泥含量可添加100至300重量%的水。
根据本发明的另一方案，提供一种包含上述砂浆组合物1重量份和骨料0.5至3重量份的混凝土组合物。
在上述混凝土组合物中，上述骨料可以是细骨料、粗骨料、废旧型砂、建筑废料、高炉矿渣、陶瓷片或它们的混合骨料。
根据本发明的另一方案，提供一种含有煤灰的人造建筑材料的制备方法，该方法包括：成型上述砂浆组合物的建筑材料成型步骤；以及在常温下养护所成型的成型体的养护步骤。
在上述人造建筑材料的制备方法中，上述建筑材料可以是人造砂子、人造碎石或砖头。
根据本发明的另一方案，提供一种通过上述制备方法制备的含有煤灰的人造建筑材料。
发明效果
根据如上所述那样构成的本发明的一实施例，全然不使用骨料也能够制备养护后具有较高的抗压强度的砂浆，能够制备抗压强度较高而降低水泥耗费量的混凝土。不仅如此，在以根据本发明的一实施例的砂浆组合物制备建筑材料的情况下，耐火性和隔音性远比通常的水泥砖头优良。当然，本发明的范围并不由这种效果所限定。
具体实施方式
根据本发明的一个方案，提供一种砂浆组合物(mortar)，该砂浆组合物对于包含煤灰7.5重量份、水泥1.5至3.0重量份、熟石膏1.0至2.0重量份、生石灰(CaO)1.0至2.0重量份、缓凝剂0.01至2.0重量份、以及增稠剂0.01至0.5重量份的固体成分拌合水而制得。
在上述砂浆组合物中，上述煤灰可以是飞灰(fly ash)，灰渣(bottom ash)或它们的混合物。
就煤灰而言，在细粉末碳燃烧时，从燃烧排出气体中首先产生向锅炉部分的下方下落并由水速冷的块状灰，将它称为灰渣(bottom ash)或熟料灰(clinker ash)，接着产生从节约装置、供气装置部分的热回收装置下落的灰，将它称为煤渣灰(cinder ash)。但大部分的煤灰捕集于最后一道工序的电集尘器中，将它称为飞散灰或飞灰(fly ash)。观察这三种煤灰在整体上所占的比率，灰渣占10至15%，煤渣灰占3至7%，且飞灰占80至90%。就煤灰粒子的大小而言，灰渣为0.1至10mm，煤渣灰为0.1至1mm，飞灰为1至100μm左右。其中占煤灰的大部分的飞灰和灰渣的化学组成和物理特性如下表1。
表1
[Table 1]
煤灰的化学组成及物理特性
Figure BDA0000461261770000041
上述煤灰由于其构成成分具有与水泥相似的特性，因此在摸索其作为水泥替代材料的用途。但在构成成分的具体成分比中与水泥的差异较大，因而并不是能够百分之百代替水泥的状态，尚未报告有以煤灰代替如砂子那样的细骨料或如碎石那样的粗骨料的方法。
在上述砂浆组合物中，上述水泥可以是波特兰水泥(portland cement)、高炉矿渣水泥(blast furnace slag cement)或火山灰硅酸盐水泥(Portlandpozzolan cement)。
在为上述水泥中最普遍使用的波特兰水泥的情况下，化学组成及物理特性如下表2。
表2
[Table 2]
波特兰水泥的化学组成及物理特性
Figure BDA0000461261770000051
在上述砂浆组合物中，上述熟石膏是硫酸钙半水盐的俗称，其化学为式CaSO4·H2O。上述熟石膏还称为烧石膏、半水石膏或煅烧石膏，是以120～130℃加热石膏(CaSO4·2H2O)而去除其结晶水的3/4则生成的粉末。在为熟石膏粉末的情况下，比重为1.7g/cm3，粉末的单位体积重量为1.0g/cm3。熟石膏虽然是使用最为悠久的水泥材料，但目前仅限于石膏板等建筑内部装修材料使用。
在上述砂浆组合物中，上述生石灰是钙的氧化物，一般来讲，在隔绝了空气的状态下加热碳酸钙(CaCO3)则失去二氧化碳(CO2)而生成生石灰。
CaCO3(S)→CaO(S)+CO2(G)(在真空下加热)
生石灰其熔点为2,572℃，沸点为2,850℃，比重为3.3g/cm3，粉末的单位体积重量为1.0g/cm3，若置放在空气中则吸收水和二氧化碳而成为氢氧化钙(熟石灰)和碳酸钙(石灰石)。生石灰的使用极为有限，生石灰由于熔点较高而用来抹熔炉、坩埚的内壁，且在炼钢领域用作脱硫剂以及脱磷剂，并在农业领域用于中和酸化的土地，且在建筑领域主要是在制备轻质泡沫混凝土时作为辅料投入等。
本发明人等确认出下述方案并完成了本发明。即、在以煤灰为主要材料对该煤灰混合一定重量比的水泥、熟石膏、生石灰粉末、缓凝剂、以及增稠剂之后加适量的水而制备砂浆。在该情况下，补偿煤灰的缺少氧化钙等的物理性质，从而即便不使用砂子且不追加使用能量也能够低廉地生产优质的砂浆，而且，在对于上述砂浆混合粗骨料来制备钢筋混凝土而不使用砂子的情况下，也能够制备具有优良的特性的混凝土。尤其，在利用根据本发明的一实施例的砂浆组合物而制备如砖头那样的建筑材料的情况下，这种建筑材料的抗压强度符合KS标准，导热系数只不过是普通水泥砖头的1/3左右，且吸水率较高，因而非常适合用作建筑内部装修材料。
本发明的砂浆组合物在混合煤灰和水泥而制备砂浆时，若以煤灰和水泥以外的熟石膏和生石灰作为添加物添加，则生成钙矾石(ettringite)而提高成型物的早期强度，且水泥中雪硅钙石(tobermorite)增加使得后期强度增加。
若在水泥中拌合熟石膏，则水泥成分中的C3A(3CaO·Al2O3)与熟石膏反应而生成钙矾石，上述钙矾石生成过程如下述反应式。
3CaO·Al2O3+3CaSO4·H2O+xH2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O
水泥+熟石膏+水→钙矾石
雪硅钙石生成过程如下述反应式。
CaO·SiO2·H2O(II)→Ca5Si6O16(OH)2·4H2O
C-S-H(II)→雪硅钙石
但在如上所述的过程中随煤灰及水泥和熟石膏的混合比会发生出现速凝现象的问题。
在本发明中，本发明人等为了弥补这种问题，通过添加适量的缓凝剂来任意调整了利于作业的时间之内的凝结速度。
基于抑制砂浆的快速固化的目的使用上述缓凝剂，上述缓凝剂可以是水泥/混凝土用减水剂、水泥用水化延迟剂、无机酸、醇或糖分。
本发明在具体实施例中所使用的缓凝剂是明胶(gelatin)，包含在明胶内的谷氨酸(glutaminate或glutamic acid)或脯氨酸(proline)在碱性水溶液中起反应而发生羟基(COOH)的加水分解。此时，羟基中的质子(H+)分离而形成的羟基负离子(COO-)围裹煤灰-水泥-熟石膏中的Ca2+的结晶表面而延迟凝结。由上述谷氨酸或脯氨酸引起的加水分解反应式如下。
1)谷氨酸
2)脯氨酸
Figure BDA0000461261770000071
从上述式子可知，碱溶液中添加适量缓凝剂即可适宜地调节成型物的凝结速度。
但仅凭熟石膏则含水率较低，导致抹灰操作性降低，若不使用粘接提高剂就不能调节熟石膏的固化时间。为此，若在熟石膏中均匀拌合微量增稠剂则提高含水率并改进抹灰操作性，能够延迟石膏的固化。
上述增稠剂是为了提高砂浆或混凝土的粘结性能、凝聚作用而添加的添加剂，上述增稠剂可以是纤维素系(cellulose)增稠剂、聚丙烯酰胺(polyacrylamide)水溶性高分子、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)或聚乙酸乙烯酯(polyvinylacetate)，作为上述纤维素系增稠剂能够使用甲基纤维素(methylcellulose)、醋酸甲基纤维素(methylcellulose acetate)或乙基纤维素(ethylcellulose)。
而且，在上述固体成分中能够进一步包含选自由抗裂剂、抗菌剂、耐久性改进剂、减水剂、速凝剂、膨胀剂、发泡剂、以及外加剂构成的组中的1种以上的混凝土添加剂。
在上述砂浆组合物中，在具有砂浆组合物的适宜的流动性的范围内可以添加适量的水，而相对于水泥含量可添加100至300重量%的水。
过去，本发明人为了替代砂子使用煤灰并通过煤灰、水泥、以及熟石膏的组合来制备砖头而做出了持久的努力，但未能制得具有所要求的物理性质的砖头。为此，在煤灰、水泥、以及熟石膏中追加混合生石灰(CaO)并对此追加掺入如上所述的缓凝剂和增稠剂而制备了砂浆。其结果，成功制得具有较佳的物理性质的砖头并完成了本发明。
如上所述的结果可解释为，在为煤灰的情况下，虽然在钙矾石或雪硅钙石生成过程中所使用的氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)的含量非常高，但氧化钙(CaO)的含有量较低，因而尽管追加掺入氧化钙的含量较高的水泥，上述反应也没有顺利地进行。
根据本发明的另一方案，提供一种包含上述砂浆组合物1重量份和骨料0.5至3重量份的混凝土组合物。
在上述混凝土组合物中，上述骨料可以是细骨料、粗骨料、废旧型砂、建筑废料、高炉矿渣、陶瓷片或它们的混合骨料，还可以仅使用不含细骨料的粗骨料。
根据本发明的另一方案，提供一种含有煤灰的人造建筑材料的制备方法，该方法包括：成型上述砂浆组合物的建筑材料成型步骤；以及在常温下养护所成型的建筑材料的养护步骤。
在上述人造建筑材料的制备方法中，上述建筑材料可以是人造砂子、人造碎石或砖头。
在上述人造建筑材料的制备方法中，在为人造砂子的情况下，能够在养护砂浆组合物的过程中利用适当大小的筛子来成型粒子，在为上述人造碎石或砖头的情况下，分别在碎石或砖头形态的模子中浇注砂浆组合物并养护之后从上述模子分离已干燥的碎石或砖头即可制得上述人造碎石或砖头。
根据本发明的另一方案，提供一种通过上述制备方法制备的含有煤灰的人造建筑材料。
下面通过实施例和实验例进一步详细说明本发明。本发明能够以互不相同的方式具体实现而并不限定于下面所公开的实施例和实验例，为了完整地公开本发明并为了使本领域技术人员完全地理解发明的范畴而提供下面的实施例和实验例。
实施例
砂浆的制备：
在粗粉碎成10mm以下的煤灰7.5kg、水泥1.5kg、熟石膏1kg、生石膏1kg混合了作为缓凝剂的明胶1kg和作为增稠剂的甲基纤维素100g之后，添加2.7L水而制备了具有适宜的流动性的砂浆。根据各成分的水分含量能够调节上述水。
砖头的制备：
在长方形的砖头成型模子中浇注上述所制备的砂浆之后，在常温下养护了7天。
平板的制备：
将上述所制备的砂浆成型为90mm厚的平板(90×333×500mm)，并在常温下养护了7天。
实验例
实验例1：抗压强度、吸水率、以及导热系数的测定：
委托大田所在的韩国建设生活环境试验研究院测定了上述所制备的砖头的抗压强度、吸水率、以及导热系数，其结果如下表3。
表3
[Table 3]
煤灰砖头的物理特性
试验项目 试验结果 试验方法
吸水率 27.3% KS L 85202007
抗压强度 86.7kgf/cm2 KS L 85202007
导热系数 0.269kcal/mh℃ KS L 9016
观察上述结果，抗压强度超过了关于煤灰砖头的KS基准即80kgf/cm2。但根据上述KS L 85202007基准，由于在将已养护的砖头在水中浸渍两个小时而使砖头吸水的状态下测定抗压强度，因此，在未吸水的状态下测定时上述抗压强度有望提高，在根据本发明的一实施例的火山灰砖头的情况下养护了7天，在通过长时间养护而进行上述的雪硅钙石生成反应的情况下，抗压强度有望进一步提高。
吸水率为27.3%，这比水泥砖头的基准吸水率即15%以下高出82%左右，但这一点在将以根据本发明一实施例的砂浆组合物制备的砖头用作建筑内部装修材料的情况下可以成为如下有利的特性，即、夏季吸收过度的湿气，与此相反地、冬季放出湿气而能够调节室内的湿度。作为选项，在以防水剂涂敷处理根据本发明的一实施例的煤灰砖头的情况下，即便用作建筑外部装修材料也无妨。
实验例2：隔音试验
按照ISO 140在声源室容积为77.7m3、吸音室容积为218m3、开口部面积为5.88m2、以及具备了声源1/3音程频带杂音的测定环境的残响室，对于按照上述实施例制备的煤灰平板共6次进行下隔音试验并求出了平均值，其结果如表4。
表4
[Table 4]
煤灰平板的隔音效果
频率(Hz) 传递损失(dB)
125 36.0
160 35.3
200 39.8
250 37.6
315 37.0
400 34.6
500 36.8
630 39.8
800 42.9
1.0k 46.3
1.25k 48.6
1.6k 49.6
2.0k 51.0
2.5k 53.5
3.15k 55.5
4.0k 55.0
*STC：43(dB)
上述结果仅次于ALC砌块200mm+10mm双面预拌砂浆的隔音成绩(参照//www.alc.or.kr/sta-03.htm，社团法人韩国轻质泡沫混凝土协会网页)，在以根据本发明一实施例的砂浆制备内部装修板材的情况下，能够在构成更薄的墙体的同时得到优良的防音效果。
参考上述的实施例以及实验例说明了本发明，而这只是例示而已，本领域技术人员清楚由此可进行各种变形并会有等同的其它实施例。因此，本发明的真正的保护范围应由所附的权利要求书的技术思想决定。

Claims (10)

1.一种砂浆组合物，其特征在于，
对于包含煤灰7.5重量份、水泥1.5至3.0重量份、熟石膏1.0至2.0重量份、生石灰(CaO)1.0至2.0重量份、缓凝剂0.01至2.0重量份、以及增稠剂0.01至0.5重量份的固体成分拌合水而制得。
2.根据权利要求1所述的砂浆组合物，其特征在于，
上述煤灰是飞灰(fly ash)、灰渣(bottom ash)或它们的混合物。
3.根据权利要求1所述的砂浆组合物，其特征在于，
上述水泥是波特兰水泥、高炉矿渣水泥或火山灰硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的砂浆组合物，其特征在于，
上述缓凝剂是水泥/混凝土用减水剂、水泥用水化延迟剂、无机酸、醇、氨基酸、蛋白质或糖分、或它们的混合物。
5.根据权利要求1所述的砂浆组合物，其特征在于，
上述增稠剂是纤维素系增稠剂、聚丙烯酰胺系水溶性高分子、聚乙烯醇或聚乙酸乙烯酯。
6.一种混凝土组合物，其特征在于，
包含权利要求1至5中任一项所述的砂浆组合物1重量份和骨料0.5至3重量份。
7.根据权利要求6所述的混凝土组合物，其特征在于，
上述骨料是细骨料、粗骨料、废旧型砂、建筑废料、高炉矿渣、陶瓷片或它们的混合骨料。
8.一种含有煤灰的人造建筑材料的制备方法，其特征在于，包括:
成型权利要求1至5中任一项所述的砂浆组合物的成型步骤；以及
在常温下养护所成型的成型体的养护步骤。
9.根据权利要求8所述的含有煤灰的人造建筑材料的制备方法，其特征在于，
上述人造建筑材料是人造砂子、人造碎石或砖头。
10.一种以权利要求8的制备方法制备的含有煤灰的人造建筑材料。
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