CN107337400B - 磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明具体公开了磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料，包括如下成分：磨细煤气化粗渣、水泥、河砂和水；且公开了其制备方法，即将各成分在常温下混合，搅拌均匀，即得。同时还公开了磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料在修复古建筑中的应用。本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料为青黑色，呈自然的仿古色，将其用于古建筑修复时，无需着色处理或掺加颜料，且其密度小，铺设轻便，具有良好的抗压强度和抗折强度，并且具有耐高温、耐腐蚀、防腐性能。另外，本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料可以在免烧的条件下迅速成型，不仅能降低建筑成本，实现资源再利用，还能有效避免煤渣的二次污染，符合绿色、生态发展战略。

Description

磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料及其制备方法和应用。
背景技术
中国具有悠久的历史和灿烂的文化，璀璨的古代文明展现出独特的艺术魅力。古文物凝聚了中华民族深邃的智慧和伟大的创新精神，譬如蜿蜒万里的古长城、气势恢宏的大明宫、底蕴深厚的故宫以及无数寄托着前人智慧的古建筑物，成为中华民族宝贵的物质和精神财富。但是，随着时间的推移，受风化、酸雨、冻融及腐蚀等诸多环境因素的影响，许多铭刻着中华民族智慧结晶的名胜古迹正在消逝，给人类文明的传承与发展留下了不少遗憾。为了进一步弘扬博大精深的中华文化，重现古丝路文明之辉煌，开展古建筑的修复和再现是时代的需求，民族的责任，有助于文明传承，具有重要的历史意义。
煤气化技术的应用极大地推动煤炭化工行业的发展，煤气化技术相比传统的直接燃烧虽然显著地减少了环境污染问题，但气化过程中也产生了大量的煤气化残渣，煤气化产能以合成氨产量估算，全年生产合成氨约9000万吨，煤气化装置全年需要煤炭量约13.5亿吨，以灰含量18％计算、碳转化率94％计算，则每年产生3.04亿吨灰渣，这对实现煤气化技术的近零排放提出了新的课题，如果采用填埋的方式处理这些煤气化渣需要占用大量的土地资源和运输成本，同时也是一种资源浪费，其渗滤液还会对土壤、地下水源造成严重污染，也是周边地区大气沙尘的主要来源，亟待综合开发利用。煤气化渣分为粗渣和细渣，其中粗渣是一种极为复杂的无机混合物，以硅酸盐、硫铝酸盐以及各种金属氧化物的混合物存在，通常以氧化物的形式来表示煤灰的组成。化学分析表明，除未完全气化的碳外，粗渣主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2和SO2等氧化物构成。将煤气化粗渣应用于土木工程材料领域是一项新兴的环保技术，不仅能降低建筑成本，而且实现了废物利用，符合绿色、生态发展战略。
发明内容
本发明的目的在于解决对受风化、冻融、酸雨及腐蚀等诸多环境因素影响的古建筑进行修复和再现，提供一种磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料，其特征在于，包括如下成分：磨细煤气化粗渣、水泥、河砂和水。
优选地，磨细煤气化粗渣60～75份、水泥3～7份、河砂15～25份、水8～11份。
优选地，所述磨细煤气化粗渣的平均粒径为30～50μm，比表面积为240～260m2/kg。
优选地，所述水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg。
优选地，所述河砂为中砂。
优选地，所述磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料还包括如下成分：盐和碱。
优选地，所述碱0.02～0.06份、所述盐0.05～0.15份。
优选地，所述盐为氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的混合物；其中，氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的质量比为1:(1～0.8):(1～1.5)。
优选地，所述碱为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物；其中，氢氧化钠与氢氧化钙的质量比为1:5～1:4。
(二)磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料的制备方法，其特征在于，将磨细煤气化粗渣、水泥、河砂、水、盐和碱在常温下混合，搅拌均匀，即得。
优选地，所述搅拌是将磨细煤气化粗渣、水泥和水先低速搅拌60s，再加入中砂高速搅拌30s，停止90s，最后加入盐和碱，高速搅拌60s。
优选地，所述低速搅拌的速度为自转140±5r/min，公转62±5r/min；高速搅拌的速度为自转285±10r/min公转125±10r/min。
(三)磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料在修复古建筑中的应用。
优选地，将磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料制成仿古砖对古建筑进行修复。
本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料中，在复合激发剂即碱和盐的作用下，一方面，浆液中的OH-浓度大幅增加，OH-将促使煤渣中的Si-O和A1-O键断裂，同时碱溶液可侵蚀煤渣颗粒而形成表面缺陷，加速煤渣中析出的SiO2、Al2O3与水泥水化产物Ca(OH)2发生火山灰活性反应，并生成结构致密的水化硅酸钙和水化铝酸钙等水硬性胶凝物质；另一方面，Al3+、Ca2+、OH-、SO4 2-可促进煤渣的胶凝水化进程，由于生成的水化产物量多而且致密，可用于提高磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料的强度。
煤气化粗渣中含有Fe2O3、TiO2、MgO和未完全气化的碳等物质，Fe2O3、TiO2、MgO能有效地提高本发明的抗压与抗折强度、耐高温和耐腐蚀的性能。当煤碳高温气化时，残碳趋于石墨化。在常温下，石墨具有良好的化学稳定性，能有效提高磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料的耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀性能。并且残碳又是一种多微孔结构，能有效地吸附有害杂质，进一步提升材料的防腐性能。残碳为黑色，为磨细煤气化粗渣水泥基材料增添一种古朴自然的气息，使这种材料十分适合作为仿古材料。
本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料的优点主要为：
(1)本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料为青黑色，呈自然的仿古色，将其用于古建筑修复时，不需要着色处理或掺加颜料，且密度小，铺设轻便，高抗压强度、抗折强度且具有耐高温、耐腐蚀、防腐性能。
(2)本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料相比于传统高温烧制的仿古材料，磨细煤气化粗渣与水泥经掺水拌和，随之发生胶凝硬化反应，按照工程要求制作相应模具，压制成型，无需高温煅烧，即可在免烧的条件下制备仿古建材，更为低碳、环保、节能，符合绿色发展理念和社会需要。
(3)将磨细煤气化粗渣应用于土木工程材料领域是一项新兴的环保技术，不仅能降低建筑成本，实现资源再利用，还能有效避免煤渣的二次污染，符合绿色、生态发展战略。
(4)实现古建筑的修复与重现，保护中华传统文化，引导文化旅游产业向纵深发展，具有显著的社会与经济效益。
(5)本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料可以制成砖，可用于诸多建筑的承重墙体。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
实施例1
原料配方：磨细煤气化粗渣60kg、普通硅酸盐水泥3kg、中砂25kg、水8kg、碱0.02kg、盐0.05kg。
其中，碱为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物，氢氧化钠的质量与氢氧化钙的质量比为1:5；盐为氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的混合物，氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的质量比为1:1:1；磨细煤气化粗渣的平均粒径为30μm，比表面积为260m2/kg；普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg；中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5～0.35mm。
制备方法：将煤气化粗渣在室温下自然晾干，含水率＜1％，然后，采用滚筒式球磨机，球磨煤气化粗渣60min，比表面积为260m2/kg，得磨细煤气化粗渣，然后将上述磨细煤气化粗渣、普通硅酸盐水泥掺水低速搅拌60s，再加入中砂高速搅拌30s，停止90s，最后加入盐和碱，高速搅拌60s，即得；其中，低速搅拌的速度为自转140±5r/min，公转62±5r/min；高速搅拌的速度为自转285±10r/min，公转125±10r/min。
实施例2
原料配方：磨细煤气化粗渣65kg、普通硅酸盐水泥5kg、中砂20kg、水9kg、碱0.02kg、盐0.05kg。
其中，碱为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物，氢氧化钠与氢氧化钙的质量比为1:4；盐为氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的混合物，氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的质量比为1:0.8:1.5；磨细煤气化粗渣的平均粒径为35μm，比表面积255m2/kg；普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg；中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5～0.35mm。
制备方法：将煤气化粗渣在室温下自然晾干，含水率＜1％，然后，采用滚筒式球磨机，球磨煤气化粗渣50min，比表面积为255m2/kg，得磨细煤气化粗渣，然后将上述磨细煤气化粗渣、普通硅酸盐水泥掺水低速搅拌60s，再加入中砂高速搅拌30s，停止90s，最后加入盐和碱，高速搅拌60s，即得；其中，低速搅拌的速度为自转140±5r/min，公转62±5r/min；高速搅拌的速度为自转285±10r/min，公转125±10r/min。
实施例3
原料配方：磨细煤气化粗渣65kg、普通硅酸盐水泥水泥6kg、中砂15kg、水9kg、碱0.04kg、盐0.10kg。
其中，碱为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物，氢氧化钠与氢氧化钙的质量比为1:4.5；盐为氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的混合物，氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的质量比为1:0.8:1.5；磨细煤气化粗渣的平均粒径为40μm，比表面积为250m2/kg；普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg；中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5～0.35mm。
制备方法：将煤气化粗渣在室温下自然晾干，含水率＜1％，然后，采用滚筒式球磨机，球磨煤气化粗渣40min，比表面积为250m2/kg，得磨细煤气化粗渣，然后将上述磨细煤气化粗渣、普通硅酸盐水泥掺水低速搅拌60s，再加入中砂高速搅拌30s，停止90s，最后加入盐和碱，高速搅拌60s，即得；其中，低速搅拌的速度为自转140±5r/min，公转62±5r/min；高速搅拌的速度为自转285±10r/min，公转125±10r/min。
实施例4
原料配方：磨细煤气化粗渣70kg、普通硅酸盐水泥7kg、中砂20kg、水10kg、碱0.06kg、盐0.10kg。
其中，碱为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物，氢氧化钠与氢氧化钙的质量比为1:5；盐为氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的混合物，氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的质量比为1:1:1.2；磨细煤气化粗渣的平均粒径为45μm，比表面积245m2/kg；普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg；中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5～0.35mm。
制备方法：将煤气化粗渣放置在烘箱中，设置温度105℃，烘4.5小时，含水率＜1％，然后，采用滚筒式球磨机，球磨煤气化粗渣35min，比表面积为245m2/kg，得磨细煤气化粗渣，然后将上述磨细煤气化粗渣、普通硅酸盐水泥掺水低速搅拌60s，再加入中砂高速搅拌30s，停止90s，最后加入盐和碱，高速搅拌60s，即得；其中，低速搅拌的速度为自转140±5r/min，公转62±5r/min；高速搅拌的速度为自转285±10r/min，公转125±10r/min。
实施例5
原料配方：磨细煤气化粗渣75kg、普通硅酸盐水泥6kg、中砂15kg、水11kg、碱0.04kg、盐0.15kg。
其中，碱为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物，氢氧化钠与氢氧化钙的质量比为1:5；盐为氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的混合物，氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的质量比为1:0.9:1.4；磨细煤气化粗渣的平均粒径为50μm，比表面积240m2/kg；普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg；中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5～0.35mm。
制备方法：将煤气化粗渣放置在烘箱中，设置温度100℃，烘4小时，含水率＜1％，然后，采用滚筒式球磨机，球磨煤气化粗渣30min，比表面积为240m2/kg，得磨细煤气化粗渣，然后将将上述磨细煤气化粗渣、普通硅酸盐水泥掺水低速搅拌60s，再加入中砂高速搅拌30s，停止90s，最后加入盐和碱，高速搅拌60s，即得；其中，低速搅拌的速度为自转140±5r/min，公转62±5r/min；高速搅拌的速度为自转285±10r/min，公转125±10r/min。
实施例6
原料配方：磨细煤气化粗渣75kg、普通硅酸盐水泥7kg、中砂15kg、水11kg、碱0.06kg、盐0.15kg。
其中，碱为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物，氢氧化钠与氢氧化钙的质量比为1:4；盐为氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的混合物，氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的质量比为1:1:1；磨细煤气化粗渣的平均粒径为50μm，比表面积约240m2/kg；普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg；中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5～0.35mm。
制备方法：将煤气化粗渣放置在烘箱中，设置温度110℃，烘5小时含水率＜1％，然后，采用滚筒式球磨机，球磨煤气化粗渣30min，比表面积为240m2/kg，得磨细煤气化粗渣，然后将上述磨细煤气化粗渣、普通硅酸盐水泥掺水低速搅拌60s，再加入中砂高速搅拌30s，停止90s，最后加入盐和碱，高速搅拌60s，即得；其中，低速搅拌的速度为自转140±5r/min，公转62±5r/min；高速搅拌的速度为自转285±10r/min，公转125±10r/min。
对比实施例
原料配方：磨细煤气化粗渣70kg、普通硅酸盐水泥7kg、中砂20kg、水10kg。
其中，磨细煤气化粗渣的平均粒径为30μm，比表面积260m2/kg；普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg；中砂，细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.5～0.35mm。
制备方法：将煤气化粗渣在室温下自然晾干，含水率＜1％，然后，采用滚筒式球磨机，球磨煤气化粗渣60min，比表面积为260m2/kg，得磨细煤气化粗渣，然后将上述磨细煤气化粗渣、普通硅酸盐水泥掺水低速搅拌60s，再加入中砂高速搅拌30s，即得；其中，低速搅拌的速度为自转140±5r/min，公转62±5r/min；高速搅拌的速度为自转285±10r/min，公转125±10r/min。
上述实施例1-6和对比实施例中，磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料的制备方法中，搅拌是按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30-2005)进行搅拌的。
依据《混凝土砖建筑技术规范》(CECS257：2009，中国工程建设协会标准)混凝土砖强度等级，将实施例1-6和对比实施例的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料通过模具制备成仿古砖，进行性能试验，其性能试验结果见表1，其中仿古砖的尺寸为240mm*115mm*53mm。
表1磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料制备的仿古砖强度试验结果
建筑用砖强度等级如表2所示。
表2建筑用砖强度等级
通过表1、表2试验数据可知，实施例1-6添加碱、盐得到的仿古砖抗压强度均能满足MU20型建筑用砖技术要求，其中实施例3～6均能达到MU25技术要求，并且实施例1-6添加了碱和盐后得到的仿古砖的抗折强度、抗压强度远远高于对比实施例。且随着磨细煤气化粗渣、水泥份量的增加，仿古砖的强度先增大后降低，当磨细煤气化粗渣、水泥、河砂的份数分别在70kg、7kg、20kg时，仿古砖强度最大；随着碱、盐的增加，仿古砖强度先增大后趋于平缓，当碱取0.06kg，盐取0.10kg后再增加碱、盐掺量，仿古砖强度变化不明显。
使用实施例1-6和对比实施例制备的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料对古建筑进行修复，对于表面残损、内部结构稳定的古建筑，首先将磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料按照工程需要采用适当的模具制成砖、瓦等各类仿古材料，标准养护28天后，即可对古建筑进行修复；其中，制成的仿古砖也可用于诸多建筑的承重墙体；对于结构补强类古建筑的修复，是将本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料作为特种干粉砂浆，根据补强要求，制备成素混凝土或钢筋混凝土，对古建筑进行修复。
本发明的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料为青黑色，呈自然的仿古色，因此，将其用于修复古建筑时，不需要着色处理或掺加颜料；并且密度小，铺设轻便，具有卓越的抗压、抗折强度且具有耐高温、耐腐蚀、防腐性能。
将磨细煤气化粗渣应用于土木工程材料领域是一项新兴的环保技术，不仅能降低建筑成本，实现资源再利用，还能有效避免煤渣的二次污染，符合绿色、生态发展战略。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料，其特征在于，包括如下成分：
磨细煤气化粗渣、水泥、河砂、水、盐和碱；其中，所述煤气化粗渣中含有Fe2O3、TiO2、MgO和未完全气化的碳；所述河砂为中砂；所述成分的重量份如下：磨细煤气化粗渣60～75份、水泥3～7份、河砂15～25份、水8～11份；所述盐为0.05～0.15份、碱为0.02～0.06份；所述盐为氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的混合物；其中，氯化钙、硫酸钙和硫酸铝的质量比为1:(1～0.8):(1～1.5)；所述碱为氢氧化钠和氢氧化钙的混合物；其中，氢氧化钠与氢氧化钙的质量比为1:4～1:5；所述磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料为青黑色。
2.根据权利要求1所述的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料，其特征在于，所述磨细煤气化粗渣的平均粒径为30～50μm，比表面积为240～260m2/kg。
3.根据权利要求1所述的磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，比表面积为不小于330m2/kg。
4.根据权利要求1-3任一项所述磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料的制备方法，其特征在于，将磨细煤气化粗渣、水泥、河砂、水、盐和碱在常温下混合，搅拌均匀，即得。
5.根据权利要求1-3任一项所述磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料在修复古建筑中的应用：将所述磨细煤气化粗渣水泥基仿古材料制成仿古砖、仿古瓦对古建筑进行修复。
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