CN104529211A

CN104529211A - 一种免烧结包壳高强度轻集料

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Publication number: CN104529211A
Application number: CN201410039530.7A
Authority: CN
Inventors: 郭金敏; 李惠霞; 孙宏举; 张永存; 王宏艳; 符浩; 秦丹丹; 尤培波; 戴润民; 高柯
Original assignee: Individual
Current assignee: DAI RUNMIN; Fu Hao; Gao Ke; Ge Jianli; Guo Jinmin; Qin Dandan; Sun Hongju; Wang Hongyan; You Peibo; Zhang Yongcun
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2034-01-27
Also published as: CN104529211B

Abstract

本发明涉及一种轻集料，具体涉及一种免烧结包壳高强度轻集料。它是由粉煤灰76.22份、生石灰2.03份、自制早强剂22.26份、元明粉1.52份制成。该产品具有不经烧结，生产工艺简单，粉煤灰消耗量大，产品质轻高强，生产周期短，设备投资少，经济效益可观等性质，从而达到减少能耗、降低堆积密度的目的。

Description

一种免烧结包壳高强度轻集料

技术领域

本发明涉及一种轻集料，具体涉及一种免烧结包壳高强度轻集料。

背景技术

陶粒又叫轻集料，它的生产按照按生产类型可分为：烧结型和免烧结型两大类。烧结型主要用于生产高强轻集料和应用于轻混凝土结构工程，但是这种方法存在着生产投资大、工艺复杂、能耗高的缺点，这就不便于推广而且与我国现行推行的节约能源政策不符。免烧结轻集料主要应用于混凝土中，这种方法具有生产投资少、能耗低的优点适合推广，但是免烧结轻集料由于生产过程中成本比较高、堆积密度比较高，这些严重阻碍着它的高效利用与推广。

张义顺主持的河南省科技厅项目《复合法生产高强度轻质陶粒的研究》中研制的轻质陶粒、郭金敏等研制的免烧结轻集料、绿色高强度陶粒。此种产品是以粉煤灰、石灰、石膏、少量水泥和化学复合剂为原料经过筛分按一定的配合比搅拌、造粒、裹浆及养护等工艺而研制出的一种免烧结包壳轻集料（绿色高强度陶粒）。它的堆积密度为880Kg/cm³，筒压强度为5.3MPa。

它的生产技术如下：（1）将生石灰磨碎，过0.315mm的筛；将粉煤灰过0.315mm的筛，均取筛下量。（2）配制ZZG化学复合剂，即将模数为3.5的水玻璃、少量的氯化钠和F料按一定的比例配合成ZZG化学复合剂（以后简称为化学复合剂）。（3）将磨好的石灰、筛分好的粉煤灰、熟石膏及化学复合剂按照一定的比例复合，并加水适量，放入砂浆搅拌机中搅拌。（3）将拌好的混合料，用成球盘制成直径为5～15mm左右的料球，将料球在室温下静置直到表面呈灰白色（即晾干），然后进行第一次裹浆，等裹浆的料球晾干后，用手轻轻错动稍微粘结在一起的料球，放入加速养护箱内进行常压蒸汽养护12小时，升温每小时不超过10℃，最高温度不超过80℃。（4）然后用同样的方法进行第二次裹浆与养护，最后得到陶粒成品。

裹浆液的水泥与石灰份数比为1：0.40。两次裹浆液都一样。料球的配方（以1千克粉煤灰为例）是：ZZG化学复合剂20 ml、生石灰占20%、石膏占5%、粉煤灰75%。

该种陶粒（属于免烧结轻集料）的缺陷：

（1）堆积密度为880Kg/cm³，作为轻质材料，，堆积密度偏大。

（2）筒压强度为5.3MPa，筒压强度偏小。

（3）需要两次裹浆造壳，两次蒸汽养护，每次蒸汽养护时间为12小时，每次裹浆造壳均需要2小时。生产周期长，能耗大。

（4）性价比低。复合法生产1立方米陶粒的成本价格在78元左右。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷而提供一种生产免烧结轻集料及其制备方法，该方法工艺简单、生产周期短，适合工业化规模生产。该材料轻质高强，适合用于高层和大跨度建筑工程、桥梁工程、地下工程、水利工程等工程建设中。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。一种免烧结包壳高强度轻集料,其特征在于它是由以下重量份配比的原料制成：粉煤灰 76.22 份、生石灰 2.03 份、自制早强剂 22.26份、元明粉 1.52份。

所述的自制早强剂是由三乙醇胺与氯化钙按1：40比例混合而成。

所述的轻集料的制备方法为：

（1）、按组份称取上述各原料备用；

（2）、将称取的粉煤灰、生石灰分别粉碎、研磨，过0.315mm目筛；

（3）、将称取的自制早强剂、元明粉、通过步骤（2）粉碎、研磨的粉煤灰、生石灰加入适量的水，放入搅拌机中搅拌，得混合料A；

（4）、将混合料A用成球盘制成直径为5--15mm左右的料球，在常温下静置晾干；

（5）、将通过步骤（4）制成的料球用网洞尺寸小于5mm的滤网盛装并过包壳浆液；

（6）、将料球从浆液取出，然后把滤网摊铺地面并晾置半小时，再把料球放入加速养护箱内，在升温速度每小时不超过10℃、最高温度不超过60℃条件下，进行常压蒸汽养护6小时，即得本发明产品。

所述的包壳浆液是由42.5级普通硅酸盐水泥、五水偏硅酸钠按 1：0.05比例均匀混合而成。

本发明涉及的产品的性质和用途：

该产品具有不经烧结，生产工艺简单，粉煤灰消耗量大，产品质轻高强，生产周期短，设备投资少，经济效益可观等性质，从而达到减少能耗、降低堆积密度的目的。

用该产品做建筑墙体，可降低墙体自重35%；高层建筑用该产品做混凝土，仅楼板一项即能降低建筑物自重约16%，并节约钢材10%左右。

将该产品引入建材领域会减少材料运输重量，降低劳动强度，尤其在砂石比较昂贵的地区，大大地提高了经济效益。

该产品大大节约能源与资金。采用烧结法生产粉煤灰陶粒，工艺复杂，能耗高，生产成本高，规模小。

该产品广泛用于高层和大跨度建筑工程、桥梁工程、地下工程、水利工程等工程建设中。

本发明轻集料的优点：

（1）本发明轻集料具有质轻高强的特点，超过同类产品的性能。

（2）同类产品需要两次蒸汽各12小时的蒸汽养护时间，两次裹浆造壳，而本发明轻集料需要一次裹浆造壳，一次6小时的蒸汽养护，生产工序减少，便于操作，可以缩短生产周期，降低能耗，大大提高生产效率。

（3）生产1立方米本发明轻集料的成本价格在60元左右，而张义顺、郭金敏（2005年）研制的陶粒成本价格在78元左右，全国烧结陶粒的平均价格为120元/ m³左右，以上均没有考虑物价上涨因素。相比之下，本发明轻集料的生产成本较低。

（4）用该产品做建筑墙体，可降低墙体自重35%；高层建筑用该产品做混凝土，仅楼板一项即能降低建筑物自重约16%，并节约钢材10%左右。

说明书附图

图1为本发明工艺图

图2为各龄期强度的因素趋势图

具体实施方式：

一种免烧结包壳高强度轻集料,其特征在于它是由以下重量份配比的原料制成：粉煤灰 76.22 份、生石灰 2.03 份、自制早强剂 22.26份、元明粉 1.52份。

所述的轻集料的制备方法为：

（1）、按组份称取上述各原料备用；

包壳浆液是由42.5级普通硅酸盐水泥、五水偏硅酸钠按 1：0.05比例均匀混合而成。

本发明试验方法与试验方案

1、试验方法

粉煤灰活性激发试验按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行试验，胶砂试件的尺寸为40mm×40mm×160mm。胶砂试件制备时，先将称量好的粉煤灰、水泥、砂、生石灰、元明粉、自制早强剂拌合均匀。然后再倒入称量好的水中，放置于行星搅拌机上进行机械搅拌，至搅拌均匀为止。最后用振动台装模成型，将试模和下料漏斗卡紧在振动台的中心，将搅拌好的全部胶砂均匀地装入下料漏斗中，开动振动台，胶砂通过漏斗流入试模，振动（120±5）s 停车。振动完毕，取下试模，用刮平尺刮去其高出试模的胶砂并抹平。试件放置1 d后拆模，拆模后每天对试件标准养护至28 d龄期。

本发明轻集料的性能测试按照《轻集料及其试验方法》GB/T 17431.1-2010、GB/T 17431.2-2010进行。

2、粉煤灰活性率（抗压强度比）测试计算方法

首先制作水泥砂浆基准体（灰砂比1:3，水灰比0.5），然后用30％的粉煤灰等量取代水泥制作另外一组试块，28天标准养护后的抗压强度比值即为粉煤灰的抗压强度比，也可以称为活性率，计算公式为：

式中：RS——抗压强度比，％；

——基准砂浆试块抗压强度，MPa；

——加入粉煤灰的试块抗压强度，MPa。

3、粉煤灰活性激发正交试验方案

在激发剂配方的优化阶段选择了两个因素，同时在每个因素中选择了三个具有代表性的水平点。正交设计采用了可以容纳四因素三水平的正交表。试验采用粉煤灰-石灰-硫酸盐基本系统，原材料为一级粉煤灰、生石灰及元明粉（无水硫酸钠），试验中共有三种组分，当另外两种组分用量确定时，第三种组分用量也随之确定，故以生石灰和元明粉两种因素的三个掺量水平，选择可容纳四因素三水平L9（34）的正交表来安排试验，试验共分9组。试验采用粉煤灰-石灰-硫酸盐基本系统，原材料为一级粉煤灰、生石灰及自制早强剂（成分组成：三乙醇胺和和CaCl₂，总占2.03%）。正交试验安排见表3。

表1　因素水平表

注：生石灰、元明粉、自制早强剂均为占粉煤灰的百分比。

表2　正交试验L₉（3⁴）正交表

3、试验数据分析及结论

试验结果见下表3。

表3 粉煤灰活性激发试验结果

A、从材料的用途分析

根据材料选择其各龄期抗折、抗压强度作为主要研究对象，对试验结果的直观分析如下：

从表4的9次试验结果可以看出，3d、7d和28d的抗折、抗压强度均为第四组的最高，相应的组合为生石灰29.2％，元明粉2％。

B、极差分析：

计算结果如下表4：

表4粉煤灰试验结果极差分析

3d强度的极差：生石灰（1.30）＜元明粉（2.09）；

7d强度的极差：生石灰（2.84）＞元明粉（2.89），二者大小相差无几；

28d强度的极差：生石灰（2.82）＞元明粉（2.27）。

C、方差分析：

3d强度：

9次强度平均值3d＝（6.58＋5.82＋……＋3.78）/9＝5.51

方差生石灰＝（5.78－5.51）2＋（6.03－5.51）2＋（4.73－5.51）2＝0.95

元明粉＝（6.51－5.51）2＋（5.61－5.51）2＋（4.42－5.51）2＝2.20

生石灰＜元明粉

7d强度：

9次强度平均值7d＝（10.34＋10.06＋……＋8.69）/9＝10.79

方差生石灰＝（9.64－10.79）2＋（12.47－10.79）2＋（10.27－10.79）2＝4.42

元明粉＝（12.01－10.79）2＋（11.25－10.79）2＋（9.12－10.79）2＝4.49

生石灰＞元明粉

28d强度：

9次强度平均值28d＝（15.31＋14.57＋……＋14.50）/9＝15.51

方差生石灰＝（14.42－15.51）2＋（17.24－15.51）2＋（14.86－15.51）2＝4.60

元明粉＝（16.80－15.51）2＋（15.19－15.51）2＋（14.53－15.51）2＝2.73

生石灰＞元明粉

从各龄期强度的因素趋势图上可以直接观察得出，生石灰在2水平（29.2％）、元明粉在1水平（2％）时，拥有最大的抗压强度，这与表4直接观察的第四组强度最高的组分相一致，即生石灰29.2％与元明粉2％为最佳掺量，能够达到较高的抗压强度。

由试验结果的极差与方差分析可以得出：3d时，元明粉对于强度的影响大于生石灰；7d强度，二者相差不大，生石灰略高于元明粉，共同起主导作用；28d时，生石灰已超越元明粉，成为影响强度的主要因素。这说明元明粉对于系统的早期强度贡献最大，而生石灰在早期较少参与粉煤灰的水化反应，在中后期才慢慢体现出对粉煤灰潜在活性的激发作用。二者对于系统强度的贡献时期有所不同，相辅相成，缺一不可。

试验中采取的是以粉煤灰为试验基体，生石灰与元明粉均以占粉煤灰的百分比添加，转化为一个基本系统时的配方及各龄期强度如表6

表5基本系统配方及各龄期强度

4、本发明轻集料的料球制作

根据粉煤灰活性激发试验确定出料球的组份，然后进行本发明的轻集料的料球试验。料球各组分质量比为：粉煤灰：自制早强剂：生石灰：元明粉=76.22：2.03：22.26：1.52。按照料球的成球工艺形成料球。

5、本发明轻集料的包壳浆液的优化试验

在包壳浆液的试验研究中，包壳浆液成分有三种配制方案，见表7。

表6 包壳浆液的优选方案

本发明轻集料试验按照《轻集料及其试验方法》GB/T 17431.1-2010、GB/T 17431.2-2010进行。对料球分别用三种包壳浆液进行一次包壳浆液和一次蒸汽养护。通过对比试验进行测定，优选出一种包壳浆液。测定结果见表8。

表7 不同包壳浆液的陶粒的筒压强度及堆积密度

从上表可以看出：方案2的筒压强度、筒压强度/堆积密度（单位堆积密度强度）最高。因此选择方案2的包壳浆液即水泥与五水偏硅酸钠质量比1：0.05作为轻集料试验的包壳浆液。

料球经过一次裹浆及一次蒸汽养护就得到本发明的包壳高强度轻集料。

6、本发明包壳轻集料制品及性能

按照上述配比及养护工艺，我们进行多次重复试验，试验结果基本相同。轻集料轻易就可达到 10MPa 以上的筒压强度。依据《轻集料及其试验方法》GB/T 17431.1-2010、GB/T 17431.2-2010 标准，对试验所获得的免烧结包壳轻集料进行性能检测。

本发明轻集料的外观呈灰白色，其物理性能测定结果如下：干燥状态下的堆积密度为805kg/m³，轻集料的表观密度为1300 kg/m³，筒压强度为11.1MPa，空隙率为34.8%，干燥状态下0.5h 的吸水率为8.0%，1h的吸水率为10.1%，1d的吸水率为12.9%。轻集料的粒径d规格为Φ5-15mm的混合级配。其中：d＜ 5mm占 ≯5%，d＝8-12 mm占68%，d＝12-15 mm占22%，d ＞15mm ≯5%。

根据本发明轻集料具有内核和外壳层的特点，其堆积密度为805 kg/m³，形成堆积密度大于 500kg/m³的普通轻粗集料高强轻集料以满足工程的需要。经过多次试验，采用本发明轻集料可配制出28天强度为60-85MPa的高强轻集料高性能混凝土。

7、本发明轻集料轻质高强的机理分析

（1）石灰与元明粉的作用

当粉煤灰仅与石灰混合后，首先是生石灰水化生成 Ca(OH)₂并电离出 Ca²⁺和 OH^-，由于粉煤灰颗粒表面的电负性，它要吸附Ca²⁺，在 OH^-的作用下，吸附Ca²⁺的粉煤灰活性颗粒水化生成钙硅比较小的CSH 凝胶，而原铝硅玻璃体中的AlO₂ ^-在钙离子的作用下并不像原来那样生成水化铝酸钙，而是夹杂在水化硅酸钙凝胶中，这层凝胶将粉煤灰颗粒包裹在其中，阻碍粉煤灰活性颗粒继续吸附钙离子，使水化速度和程度降低。

当元明粉与粉煤灰混合时，粉煤灰本身含有少量的CaO，它能够为粉煤灰的水化提供一定的Ca²⁺，但由于CaO含量有限，使得生成的 CSH 凝胶很少。试验证明在粉煤灰中单掺硫酸盐，如 Na₂SO₄，其电离出来的 Na⁺ 、SO₄ ^2-并不能破坏 Si-O、Al-O 键而与粉煤灰活性颗粒发生水化反应。

而作为粉煤灰-石灰-硫酸盐系统其水化情况就不同了，首先是生石灰水化生成Ca(OH)₂，经电离产生出Ca²⁺，在 Ca²⁺的作用下粉煤灰活性颗粒的表面首先水化生成CSH 凝胶，而铝硅玻璃体中的活性氧化铝不能与Ca²⁺作用生成 CAH，而夹杂在 CSH 凝胶中或溶于液相中，水化到一定程度生成的CSH凝胶将粉煤灰颗粒完全包裹，这会阻碍粉煤灰颗粒吸附 Ca²⁺，使得水化减慢。如果无硫酸盐的存在，随着时间的延长，粉煤灰颗粒表面的SO₄ ^2-、AlO₂ ^- 不断溶出，SO₄ ^2-、AlO₂ ^-浓度比凝胶外的大，而凝胶外的Ca2+浓度比凝胶内的大，这样SO₄ ^2--、AlO^2-通过渗透压向凝胶外扩散，Ca²⁺向包裹层内扩散，通过扩散作用，水化仍能进行，但速度极其缓慢，由于粉煤灰颗粒表面的凝胶外层的Ca²⁺浓度较大，CSH 凝胶继续吸收Ca²⁺反应，使凝胶的钙硅比增大转化成网状的、结晶较好的CSH，使包裹层变厚。然而在掺 N Na₂SO₄后，Na₂SO₄能迅速溶解于水并电离生成 Na⁺和 SO₄ ^2-，SO₄ ^2--将加速粉煤灰的水化，其主要作用在以下几个方面：

①SO₄ ^2-在Ca²⁺的共同作用下与夹杂在粉煤灰颗粒表面凝胶中的AlO₂ ^-及溶于液相中的AlO₂ ^-直接生成钙矾石。一开始粉煤灰颗粒的钙矾石晶体是针状的，随着水化反应的继续这些晶体将长大成棒状钙矾石晶体，这样就会在粉煤灰颗粒表面形成空洞或缝隙，Ca²⁺就会通过这些空洞和缝隙吸附到粉煤灰颗粒表面，使粉煤灰水化继续进行。

②SO₄ ^2-能置换CSH凝胶中的部分 SiO4^4- 离子，这种置换主要发生在粉煤灰颗粒表面凝胶包裹层的外围，被置换出的 SiO4^4-游离出来，与包裹层外的Ca²⁺又生成CSH。

③活性氧化铝在有SiO4^4-存在下溶解度将明显增大，这显然也将促进活性氧化铝的水化。

正是由于有了硫酸盐和石灰的共同作用，才能使粉煤灰与水混合后获得足够的早期强度，满足一定工程应用的需要。显然，硫酸盐与石灰在基本系统中二者缺一不可。

（2）自制早强剂的早强作用

自制早强剂的起早强作用的主要原因是：氯化钙可和水泥中的铝酸三钙反应生成不溶性复盐——水化氯铝酸钙。

CaCl₂ + 3CaO·Al₂O₃ + H₂O → 3 CaO·Al₂O₃·3 CaCl₂·30 H₂O

或3 CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10 H₂O

氯化钙还可与水泥水化产物中的氢氧化钙反应，生成不溶性的氧氯化钙。

CaCl₂ +　Ca(OH)₂ + H₂O → CaCl₂·3Ca(OH)₂·12H₂O

或CaCl₂·Ca(OH)₂·H₂O

由于含有大量化学结合水（这类水与游离水不同，往往具有某些固体性质）的水化产物增多，固相比例增高，有助于水泥浆结构的形成而表现出较高的早期强度。另一方面由于上述反应的迅速进行，Ca(OH)₂数量减少，这也加速了C₃S等的水化反应，有利于提高早期强度。

由于三乙醇胺有乳化作用，在混合物中掺入三乙醇胺溶液，三乙醇胺分子吸附在水泥颗粒表面，形成一层带有电荷亲水膜，阻碍了水泥粒子的凝聚，产生悬浮稳定效应。同时三乙醇胺溶于水后，降低了溶液表面张力，使水泥颗粒更完整地与水接触，加速水对水泥颗粒的润湿和渗透，加强了由于水化作用引起的固相体积膨胀，使水泥颗粒胶化层不断剥落，强化了胶溶分散效应，且提高氧化钙在液相中溶解，所以三乙醇胺对水泥水化起一种催化作用。

微量的三乙醇胺虽不改变胶凝材料的水化生成物，却能加速胶凝材料的水化速度，也就是说三乙醇胺在水化过程中具有“催化”作用：三乙醇胺N原子中因有一对未共用电子，很容易与金属离子形成共价键，发生络合形成较为稳定的络合物，这些络合物在溶液中形成了许多的可溶区，从而提高水化产物的扩散速率(主要是能促进C₃A的水化)，并缩短胶凝材料水化过程中的潜伏期，在C₃A-CaSO₄-H₂O体系中主要体现为促进钙矾石(AFt)快速生成，提高胶凝材的早期强度，而且三乙醇胺对C₃S、C₂S的水化过程还具有一定的抑制作用，使得后期的水化产物得以充分地生长、致密，保证浆液结石体后期强度有一定的提高。

（5）本发明轻集料外壳的强度来源

本发明轻集料的强度来源于42.5级普通硅酸盐水泥、五水偏硅酸钠的作用，其力学理论基础为薄壳理论。薄壳主要以沿厚度分布的薄膜应力而不是沿厚度变化的弯曲应力来承受荷载，具有强度高、刚度大、材料省等优点。

Claims

1.一种免烧结包壳高强度轻集料,其特征在于它是由以下重量份配比的原料制成：粉煤灰 76.22 份、生石灰 2.03 份、自制早强剂 22.26份、元明粉 1.52份。

2.根据权利要求1所述的一种免烧结包壳高强度轻集料，其特征在于：自制早强剂是由三乙醇胺与氯化钙按1：40比例混合而成。

3.根据权利要求1所述的一种免烧结包壳高强度轻集料的制备方法，其特征在于：

（1）、按组份称取上述各原料备用；

（6）、将料球从包壳浆液取出，然后把滤网摊铺地面并晾置半小时，再把料球放入加速养护箱内，在升温速度每小时不超过10℃、最高温度不超过60℃条件下，进行常压蒸汽养护6小时，即得本发明产品。

4.根据权利要求3所述的一种免烧结包壳高强度轻集料，其特征在于：包壳浆液是由42.5级普通硅酸盐水泥、五水偏硅酸钠按 1：0.05比例均匀混合而成。