CN109553423B - 用于生产耐火混凝土砖的组分及耐火混凝土砖 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产耐火混凝土砖的组分，所述组分包含水泥基胶凝材料、再生细骨料和再生粗骨料，所述水泥基胶凝材料包括铝酸盐水泥，所述再生细骨料包含重量百分比为10‑50%的尺寸为600微米或以下的再生碎玻璃颗粒，所述混凝土砖因所述碎玻璃颗粒在高温下的熔化而表现出导热系数随温度升高而降低的性质。由所述组分生产的混凝土砖具有至少3小时的耐火时间、低于2000kg/m3的密度和至少7MPa的抗压强度。

Description

用于生产耐火混凝土砖的组分及耐火混凝土砖
技术领域
本发明涉及掺有再生物料的混凝土，更具体的来说是涉及包含有再生玻璃的耐火混凝土。
背景技术
混凝土是由骨料(如沙子和碎石)与胶凝材料(如水泥)结合在一起而形成的复合材料。通常来说，骨料是通过采挖矿石并将其破碎到所需尺寸而制成。但是，采挖会破坏当地环境，而且矿石场往往远离那些需要大量骨料的地方。
随着人们对过度开采天然骨料越来越多担忧，再生材料越来越多的被作为为骨料的新来源，以实现可持续性发展。建筑废料是现时一种主要的再生骨料来源，如再生混凝土骨料和再生红砖骨料；这些再生骨料可被用来生产混凝土产品，如低等级的混凝土和非承重混凝土砖。使用建筑废料生产绿色混凝土砖的做法已在不同的地区成功实施，并且越来越多地被人们接受。但是，现有绿色混凝土砖产品的耐火性能一般，尤其是那些强度相对较高的产品，这无疑限制了绿色混凝土砖在高耐火要求场合(例如四小时耐火性能)中的应用。随着人们对现代建筑尤其是高层建筑的耐火性能要求越来越高，业界亟需对建筑材料的耐火性能进行改进和提高。因现有包含再生废料的混凝土砖的耐火性能一般，有需要研发出一种包含有再生废料的耐火混凝土砖。
发明内容
为了解决上述现有绿色混凝土砖耐火性能一般的问题，本发明通过配方/组分/配比设计发明了一种绿色耐火混凝土砖。如下文所述，本发明的实现包括以下一系列过程：混凝土砖的实验室制备和表征(抗压强度、密度和耐火性能)、混凝土砖的工厂试生产以及混凝土砖的标准耐火试验。本发明通过掺入选定尺寸的废碎玻璃及选定的水泥并采用优化的混凝土配合比实现了绿色混凝土砖至少三小时的耐火性能；以某些配合比制成的绿色混凝土砖甚至可以达到四小时耐火。
具体地讲，本发明涉及生产绿色耐火混凝土砖的组分，该组分包含：含有铝酸盐水泥的水泥基胶凝材料、再生细骨料和再生粗骨料；其中，再生细骨料10-50％的重量是再生碎玻璃颗粒(≤600微米)。由于碎玻璃颗粒在足够高温度下会逐渐融化，采用上述组分生产出来的混凝土砖的导热系数会随着温度上升而下降。
附图说明
图1(a)至1(d)显示的是不同配比水泥浆体的体积随温度的变化情况。
图2(a)至2(d)显示的是不同配比水泥浆体的导热系数随温度的变化情况。
图3(a)至3(b)显示的是以100％再生骨料和100％再生碎玻璃为骨料制成的砂浆砖在耐火测试中的温升曲线。
图4(a)至4(b)显示的是以小于0.6mm和大于2.36mm的再生碎玻璃颗粒为骨料制成的砂浆砖在耐火测试中的温升曲线。
图5是以不同细骨料/粗骨料比例(F/C)制成的混凝土砖的照片。
图6显示的是以三条优化配合比制成的混凝土砖在耐火测试中的温升曲线。
图7显示的是采用优化配合比在工厂批量生产出的混凝土砖。
图8显示的是由在工厂生产出的混凝土砖砌成的墙体样本的背火面在标准耐火试验中的最大温升曲线和平均温升曲线。
具体实施方式
为确保建筑及建筑使用者在火灾中足够安全，重要一点是要确保建筑的结构构件在一定的时间内不坍塌并保持一定的性能，并且构件可阻挡火势的蔓延和热的传播。因此，建筑材料需要根据相关的耐火标准进行评级，以确保使用相关材料建成的建筑足够安全。耐火性能的评级标准包括完整性和隔热性两个方面。完整性是衡量建筑材料样本阻止火焰和热气穿过以及保证在背火面不出现火焰的性能。隔热性则是衡量样本将背火面的温升控制在特定水平以下的性能。
本发明的创新性在于在混凝土砖中掺入某些选定尺寸的废玻璃颗粒来改进砖的耐火性能，这主要是通过掺入玻璃颗粒来改进砖的隔热性能。通常，碎玻璃在温度达到约600℃时开始软化，而且温度越高，玻璃的流动性越好。当暴露于火灾时，尺寸较小的碎玻璃颗粒，例如尺寸不大于600微米的，会吸收热量并逐渐熔化(在1000℃以下)，从而使得在一定时间内穿过混凝土砖的热量减少；此外，玻璃的熔化会使得混凝土砖的导热性降低，这也一定程度延缓了当火面的热量穿过混凝土砖。这是因为，玻璃从固态相变为液态相的过程会吸收热量，而且熔化玻璃的导热系数低于相应固态玻璃颗粒的导热系数。
为提高混凝土砖的耐火性能，本发明对影响混凝土砖耐火性的几个重要材料因素进行了研究并据此对混凝土砖配比进行了优化。具体研究内容包括水泥的种类和含量、水灰比(水与水泥的质量比)、骨料与水泥的比例、骨料中粗细骨料的尺寸和比例以及骨料的类型和含量等。采用合适的混凝土配比及材料有时可使混凝土砖的耐火时间加倍。
如下文所述，本发明利用废玻璃颗粒及其他混凝土原材料成功制备出了耐火混凝土砖。在一个实施例的实施方案中，耐火混凝土砖的组分包含了尺寸不大于600微米的废玻璃颗粒以及铝酸盐水泥；更具体地讲，该组分通过使用轻质骨料来改善混凝土砖的隔热性能，并通过采用较低的水灰比，较少的凝结材料以及合适的骨料级配来减少混凝土砖在火中的破坏。
本发明采用了BS 476第22部分及BS EN 1364-1中列明的耐火实验方法来评估混凝土砖的耐火性能。根据这两项标准，完整性和隔热性是评定样品耐火等级的两个主要指标。在进行耐火实验时，由待测试混凝土砖砌成的3m x 3m墙体样本被安装在耐火实验炉的开口位置，一面当火，而另一面背火。实验开始后，实验炉中的喷火枪被点燃喷火，而炉中的温度则遵循标准规定的温升曲线逐渐升高到最高1200℃。为了测量墙体样本背火面的温升，5个热电偶被贴在墙体样本的背火面；而为了评价墙体样本的完整性，实验人员会在实验过程中监测墙体样本的开裂情况，火苗窜出情况以及挠曲情况。
水泥组分：
本发明中混凝土砖的不同组分是通过水泥类凝结材料粘结在一起的。本发明因此开发出了一种具有低导热性的复合水泥凝结材料并将其应用到了最终的耐火混凝土砖产品中。如下文所述，本发明试配了不同组合的复合水泥凝结材料并对其性能进行了测试。
在本发明中，高炉矿渣粉(GGBS)、粉煤灰(FA)、硅粉(SF)和铝酸盐水泥(AC)，作为部分普通硅酸盐水泥的替代材料，被添加到普通硅酸盐水泥(OPC)中共混形成复合水泥凝结材料。高炉矿渣粉：高炉矿渣粉是通过将高炉中的铁溶渣(金属矿石分离(例如熔炼)出金属后的残留物；炼铁和炼钢的一种副产物)进行淬火然后研磨而得到的。高炉矿渣粉的主要成分是氧化钙(CaO，30-50％)、氧化硅(SiO2，28-38％)、氧化铝(Al2O3，8-24％)和氧化镁(MgO，1-18％)。本说明书除特别指明外，所提到百分比均为重量百分比。粉煤灰：粉煤灰是煤燃烧过程中生成的颗粒物随烟气逸出而形成的煤燃烧产物。取决于煤的成分，不同粉煤灰含有不同量的二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氧化钙(CaO)。微硅粉：微硅粉是使用电弧炉生产硅或硅铁合金时的一种副产物，是一种颗粒尺寸在100-200nm范围内的无定形SiO2。铝酸盐水泥：铝酸盐水泥含有由石灰材料与铝质材料反应而生成的铝酸钙。铝酸盐水泥中的氧化铝(Al2O3)约占所有组分的39％至80％，而氧化钙(CaO)约占20％至40％。氧化铝和氧化钙通常以铝酸一钙(CaAl2O4)的形式存在。普通硅酸盐水泥：普通硅酸盐水泥是一种水凝水泥，通常包含不同比例的氧化钙、二氧化硅和氧化铝。硅酸盐水泥的组成包括61-67％的CaO、19-23％的SiO2、2.5-6％的Al2O3、0-6％的Fe2O3和1.5-4.5％的硫酸盐。硅酸盐水泥的各种组分在ASTM C150/C150M-16中有详细列明。该两份标准公开的内容以引用方式并入本文，并且标准中指明的任何组分均可用作本发明的普通硅酸盐水泥。
为了确定出一个或多个复合水泥凝结材料的优化配比，本发明配制及测试了多种不同配比的复合水泥。表1列出了复合水泥配比的详细情况。对于所有的配比，水与粉末的质量比都被设定为0.35。在这些配比中，普通硅酸盐水泥替代材料的含量从0％连续增加到30％(每10％为一个增量)。因工作性能的缘故，微硅粉的含量最大为15％(每5％为一个增量)。
表1：复合水泥凝结材料的配合比
组别 粉煤灰 高炉矿渣粉 硅粉 铝酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 水
对照组 0 0 0 0 1 0.35
C90FA10 0.1 0 0 0 0.9 0.35
C80FA20 0.2 0 0 0 0.8 0.35
C70FA30 0.3 0 0 0 0.7 0.35
C90G10 0 0.1 0 0 0.9 0.35
C80G20 0 0.2 0 0 0.8 0.35
C70G30 0 0.3 0 0 0.7 0.35
C95SF5 0 0 0.05 0 0.95 0.35
C90SF10 0 0 0.1 0 0.9 0.35
C85SF15 0 0 0.15 0 0.85 0.35
C90AC10 0 0 0 0.1 0.9 0.35
C80AC20 0 0 0 0.2 0.8 0.35
C70AC30 0 0 0 0.3 0.7 0.35
在本发明中，复合水泥与水混合后制成的浆体被制备成所需尺寸的样品。在模中养护24小时后，样品被从模中取出并浸入水槽中继续养护27天。样品随后被放入105℃炉子中进行干燥。干燥后的样品随后被转移到马弗炉中并在一定温度下进行加热处理。本发明采用的加热温度包括室温、300℃、600℃、900℃和1200℃。样品被转移到马弗炉后，炉膛以3℃/min的速率开始升温直至达到目标温度，随后在此温度保持2小时。炉膛随后经历自然冷却。为了评估加热处理对样品热稳定性及隔热性能的影响，本发明测量了所有样品加热前后的体积变化及导热系数变化。
图1(a)、1(b)、1(c)和1(d)分别显示了含有高炉矿渣粉(GGBS)、粉煤灰(FA)、硅粉(SF)和铝酸盐水泥(AC)的复合水泥样品在不同温度加热后的剩余体积比(加热后体积与加热前体积的比例)。由图1可以看出，所有复合水泥样品的体积在加热后均会减少，而且加热温度越高，体积减少幅度越大。在所有样品中，以铝酸盐水泥取代30％普通硅酸盐水泥的样品其体积变化最小，剩余体积达87.4％。根据这些结果，建议采用含有30％铝酸盐水泥的复合水泥作为耐火混凝土砖的凝结材料。
除了以体积变化表征的热稳定性外，凝结材料的隔热性能也很重要，因为凝结材料对整个混凝土砖的隔热性能贡献很大。图2(a)、2(b)、2(c)和2(d)分别显示了含有GGBS、FA、SF和AC的复合水泥样品在不同温度加热后的导热系数。由图2可以看出，在室温至900℃范围内，所有复合水泥样品加热后的导热系数随温度增加而逐渐降低。但是，复合水泥样品在1200℃加热后的导热系数却高过其在900℃加热后的导热系数。原因推测如下：在室温至900℃范围内的导热系数下降是由C-S-H和CH高温分解造成的，该分解会导致样品中形成很多孔；而样品在1200℃加热会发生烧结，从而结构上变得比较紧密及导热系数增大。在所有复合水泥样品中，含有铝酸盐水泥的复合水泥样品的导热系数最低，尤其是在铝酸盐水泥含量比较高的情况下。含有铝酸盐水泥的复合水泥样品的导热系数最低可达到0.52W/mk。
考虑到复合水泥热稳定性及隔热两方面的性能，含有30％铝酸盐水泥的复合水泥是适用于生产本发明耐火混凝土砖的水泥凝结材料的一个优化配比。
玻璃颗粒尺寸：
在本发明中，再生废玻璃颗粒被用作混凝土砖的细骨料及隔热材料。
为了比较再生细骨料和未筛分再生废玻璃颗粒的隔热性能，本发明对含有再生细骨料及含有再生废玻璃颗粒的砂浆砖做了实验室耐火试验。所用砂浆的具体配比如表2所示。马弗炉被用于进行实验室耐火试验。进行实验时，砂浆砖样本被放置于马弗炉炉膛开口位置，一面暴露于炉膛中的高温，而另一面则暴露于常温空气中。马弗炉炉膛中的温度变化与BS 476-22或BS EN 1364-1中规定的温升曲线大致一致。为测量样本背热面的温升，砂浆砖背热面安装有五个热电偶。
两种样本在实验室耐火实验后均无明显的完整性问题。图3(a)和3(b)显示出了含有再生细骨料和未筛分再生废玻璃的砂浆砖背热面在实验室耐火试验中的温升曲线。由图3可见，未筛分过的再生废玻璃颗粒对砂浆砖的隔热性能无明显改善。为了优化混凝土砖的隔热性能，本发明然后对不同尺寸废玻璃颗粒的隔热性能进行了研究。研究的玻璃颗粒尺寸包括<0.6mm、0.6-1.18mm、1.18-2.36mm和2.36-4.75mm。用于本研究的样品同样为如表2所示含有再生废玻璃颗粒的砂浆。
表2：含有再生细骨料或再生废玻璃颗粒的砂浆配合比
普通硅酸盐水泥 再生废玻璃/再生细骨料 水
1 0.5 0.3
所有样本在实验室耐火实验后均无明显的完整性问题。图4(a)和4(b)显示出了用尺寸小于0.6mm的再生废玻璃颗粒和用尺寸大于2.36mm的再生废玻璃颗粒制备的砂浆砖背热面在实验室耐火实验中的温升曲线。由图4(a)和4(b)可以看出，采用较小尺寸(<0.6mm)再生玻璃颗粒的砂浆砖的隔热性能明显优于含有较大尺寸玻璃(>2.36mm)的砂浆砖。因此，尺寸不大于600微米的再生玻璃颗粒被选用于制备耐火混凝土砖。
细骨料与粗骨料的比例：
在本发明中，用于生产耐火混凝土砖的再生细骨料的尺寸范围大约在0.075mm至4.75mm之间，而再生粗骨料的尺寸范围大约在4.75mm至9.5mm之间。
为了生产出表面平整密实的混凝土砖，本发明对细骨料与粗骨料的不同比例进行了研究，包括2、2.5、3、3.5和4(细骨料用量比粗骨料用量)。根据上述比例制备出的混凝土砖样本的照片分别如图5(a)至5(e)所示。
由图5照片中显示出的混凝土砖外观可以看出，为制备出表面平整度可被接受的混凝土砖，细骨料与粗骨料的用量比应大于3。
最终配合比：
基于以上结果，本发明的发明人员设计出了四款不同的耐火混凝土砖配比，作为本发明耐火混凝土砖的实例。表3给出了该四款不同耐火混凝土砖实例的具体配比。
表3：实例耐火混凝土砖的配合比(质量比)
Figure BDA0001542642740000061
图6(a)至6(c)分别是根据配合比1至3制备出的混凝土砖在实验室耐火试验中的背热面温升曲线，而三种砖在5小时的实验室耐火实验后均无明显的完整性问题。根据标准BS 476-22或BS EN 1364-1，样本背火面的平均温升及最高温升分别需要低于140℃和180℃。由图6可见，所有三种配合比即使在五小时后都能通过耐火试验的隔热性能指标。由此可见，普通硅酸盐水泥拌合铝酸盐水泥作为水泥凝结材料可有效地增强混凝土砖的耐火性能。
根据表3所列四个配合比，在工厂中采用半干制砖法进行了混凝土砖的批量生产。图7是在工厂生产出的混凝土砖的照片。实验表明，根据本发明配合比生产出的混凝土砖的密度均低于2000kg/m3，而强度均在10MPa以上。除了实例所用半干制砖法，本发明耐火混凝土砖也可用其他混凝土砖制备方法制备，如浇筑法。
根据标准BS EN 1364-1或BS 476-22中列明的实验方法，对由根据表3中配合比2制备出来的混凝土砖砌成的3m x 3m x 0.1m(厚度)的墙体样本进行了三小时的全尺寸标准耐火试验。结果表明，在三小时耐火实验后，该墙体样本在隔热性、完整性和挠曲方面均满足耐火试验标准中的要求。图8显示出了该墙体样本的背火面的最大温升曲线和平均温升曲线。在三小时后，墙体样本背火面的最大温升和平均温升分别为约80℃和65℃，这远低于相关标准中列明的温升指标。
本领域技术人员由上述描述内容可知，本发明技术方案的实施形式多种多样。因此，尽管已结合具体的实例描述了实施方案，但是实施方案的范围不应受此限制，因为本领域技术人员在研究了本说明书和权利要求书之后会显而易见地想到其他修改方案。

Claims (10)

1.一种用于生产耐火混凝土砖的组分，所述组分包含水泥基胶凝材料、再生细骨料和再生粗骨料，所述再生细骨料的尺寸范围大约在0.075mm至4.75mm之间，而再生粗骨料的尺寸范围大约在4.75mm至9.5mm之间,所述再生细骨料和所述再生粗骨料的组份重量百分比为75％至90％,所述水泥基胶凝材料包括30％铝酸盐水泥，所述再生细骨料包含10-50％的尺寸为600微米或以下的再生碎玻璃颗粒；因所述碎玻璃颗粒在高温下会熔化，由所述组分生产的混凝土砖的导热系数会随温度升高而下降，其中所述再生细骨料与所述再生粗骨料的质量比大于3。
2.根据权利要求1所述的组分，其中所述水泥基胶凝材料占全部所述组分的重量百分比为5％至15％。
3.根据权利要求1所述的组分，其中所述水泥基胶凝材料还包括一种或多种选自粉煤灰、GGBS或硅粉的替代材料以替代部分普通硅酸盐水泥，所述替代材料在水泥基胶凝材料中的重量百分比为10-50％。
4.根据权利要求1所述的组分，其中所述组份还包含重量百分比为5％至10％的水。
5.根据权利要求1所述的组分，其中由所述组份生产出的混凝土砖具有低于2000kg/m3的密度、不低于7MPa的抗压强度和至少3小时的耐火时间。
6.一种根据权利要求1的组分生产的耐火混凝土砖。
7.一种耐火混凝土砖，具有至少7MPa的抗压强度，所述耐火混凝土砖包含水泥基胶凝材料、重量百分比至少为75％的再生细骨料和再生粗骨料，所述再生细骨料的尺寸范围大约在0.075mm至4.75mm之间，而再生粗骨料的尺寸范围大约在4.75mm至9.5mm之间,所述水泥基凝胶材料包括30％铝酸盐水泥，所述再生细骨料包含重量百分比为10-50％的尺寸为600微米或以下的再生碎玻璃颗粒，所述混凝土砖因所述碎玻璃颗粒在高温下的熔化而表现出导热系数随温度升高而降低的性质，其中所述再生细骨料与所述再生粗骨料的质量比大于3，其中所述混凝土砖具有低于2000kg/m3的密度和至少3小时的耐火时间。
8.根据权利要求7所述的耐火混凝土砖，其中所述水泥基胶凝材料占全部所述组分的重量百分比为5％至15％。
9.根据权利要求7所述的耐火混凝土砖，其中所述水泥基胶凝材料还包括一种或多种选自粉煤灰、GGBS或硅粉的替代材料以替代部分普通硅酸盐水泥，所述替代材料在水泥基胶凝材料中的重量百分比为10-50％。
10.根据权利要求7所述的耐火混凝土砖，还包含重量百分比为5％至10％的水。
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