CN111233424A - 一种以煤基固废为原料制备的建筑板材及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以煤基固废为原料制备的建筑板材及方法，一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，包括以下步骤：I、钢渣碱液处理：II、制备钢渣胶凝材；III、制备地聚合物前驱体；IV、将预处理的钢渣胶凝材按比例加入到地聚合物前驱体中，搅拌混合均匀，经制模、成型、蒸养、烘干、砂光，得到板材。一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法制到的建筑板材。本发明工艺简单、原料来源广、制造成本低、生产过程能源消耗少；制备出的板材具有轻质、隔音、隔热、防水、防火、断裂强度高等特点。同时，使用本发明能够大量高效地利用工业废料粉煤灰、脱硫石膏、废旧纺织纤维，对节约资源和保护环境意义重大，符合建筑业的可持续发展战略。

Description

一种以煤基固废为原料制备的建筑板材及方法
技术领域
本发明涉及一种建筑板材及方法，尤其涉及一种以煤基固废为原料制备的建筑板材及方法。
背景技术
地质聚合物是一种具有三维网状结构的无定形态胶凝材料，由含有活性成分SiO2和A12O3的材料通过碱激发制备而成。它作为一种新型化学激发材料，有着比水泥更优异的性能，如早期强度高、耐高温、耐酸碱腐蚀、低膨胀率等。最初常用的原材料为粘土和偏高岭土，后来研究者们发现很多固体废弃物，如粉煤灰、矿渣、尾矿渣、钢渣均可以用来制备地质聚合物。
钢渣是炼钢过程中的副产物，其产生量随着钢铁行业的迅猛发展逐年增加。钢渣含有的氧化物主要是CaO、MgO、FeO和SiO2，其矿物组成决定了钢渣具有一定的火山灰活性，但是受钢渣形成过程中热处理条件影响，它的活性并不高，因此通常情况下，钢渣作为填料添加到水泥中。钢渣在建筑领域的应用钢渣可以用于生产钢渣水泥。钢渣中含有50％以上的C2S和C3S，具有一定的反应活性，它是生产水泥的良好原料。钢渣水泥有着更好的耐磨性、耐腐蚀和抗冻等特点。
粉煤灰是煤燃烧过程中产生的工业副产品，主要来自发电厂，我国是一个以燃煤为主的国家，煤炭在能源结构中占比高达70％，这就导致了每年有大量的粉煤灰产生。粉煤灰的堆存不仅占用了大量土地面积，而且污染了环境。粉煤灰用来替代粘土生产水泥或者作为混凝土材料，其他的主要处理方式为填埋。粉煤灰的主要化学成分为SiO2、A12O3、CaO，同时还含有少量的氧化铁、氧化镁。除含有无定形的玻璃体外，粉煤灰中还存在石英、莫来石、赤铁矿等晶体物质。在碱激发条件下，无定型态的SiO2、A12O3发生解聚，生成[SiO4-]四面体和[AIO4-]四面体，这些四面体之间进而发生缩聚反应，生成新的网络结构胶凝材料。
粉煤灰是以煤炭为燃料的大型火电发电厂排出的主要固体废弃物。脱硫石膏(排烟脱硫石膏)，是对含硫燃料产生的烟气进行脱硫净化而得到的主要副产物。由于我国以煤炭为主要能源，尤其是在内蒙古中西部，大型火力发电厂以煤炭为燃料，伴随着电力的输送，每年排放出大约1200万吨高铝粉煤灰，且其历年的存积量已超过1亿吨。上述粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废的处理和利用，已然成为制约煤-电-灰-铝循环产业发展的瓶颈。此外，煤基固废被大量堆存，不仅占用了大量的耕地，而且带来了严重的环境污染问题，导致大量村庄被迫搬迁。因此，如何解决或缓解这些问题，已是刻不容缓。
目前对废旧纺织纤维的利用大部分停留在纺织领域，少量回收用于建筑材料生产。废旧纺织品在建材领域的利用，实际上主要还仅仅停留在作为增强材料的简单添加，甚至还只是废旧纺织品简单的固化处理。上述废旧纺织品用于建材生产制造过程中，往往未经任何处理；而且，从天然再生纤维素纤维、人造纤维到各种各类的合成纤维，其纤维制品的理化性能指标差别巨大，因而，这种不加选择的添加或者固化处理方式，很难避免导致相应建筑材料质量和使用安全性能的降低，甚至可能埋下事故的隐患。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种以煤基固废为原料制备的建筑板材及方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，包括以下步骤：
I、钢渣碱液处理：对钢渣进行预处理得到钢渣微粉，然后调节钢渣微粉的碱度；
II、按比例将钢渣微粉与矿渣微粉、脱硫石膏粉及水泥熟料混合成钢渣胶凝材；
III、将粉煤灰破碎、粉磨，使比表面积达到480m2/kg，按比例加入纸浆、水、增强纤维混合制成地聚合物前驱体；
IV、将预处理的钢渣胶凝材按比例加入到地聚合物前驱体中，搅拌混合均匀，经制模、成型、蒸养、烘干、砂光，得到板材。
进一步地，步骤I中，钢渣的预处理过程为：先粗碎，分离出大渣钢；然后中细碎，处理分离出大渣钢后的钢渣，用钢渣专用棒磨机对钢渣进行破碎，将钢渣破碎到10mm以下，通过可变磁场干式磁选机使其中的渣铁分离并将金属全部回收；细碎抛尾的钢渣进入干式磨机进行加工，最后得到钢渣微粉。
进一步地，步骤I中，钢渣的碱度表示为：M＝W(CaO)/W(SiO2)+W(P2O5)，
其中，M表示碱度，W(CaO)表示钢渣主要成分中碱性氧化物的含量比，W(SiO2)+W(P2O5)表示钢渣主要成分中酸性氧化物的含量比；调节钢渣的碱度，直到M＞2.5时，停止调节。
进一步地，步骤II为选取钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏粉、水泥熟料分别按重量份20-30：5-30：3-10：3-20的配比混合均匀，获得板材用钢渣胶凝材；
步骤III中地聚合物前驱体含有粉煤灰、纸浆、水、增强纤维的重量比为15-45：5-10：30-40：5-10；所述纸浆为打浆度20～70°SR的牛皮纸浆。
进一步地，步骤IV为将钢渣胶凝材与地聚合物前驱体按重量份60～80：20-30的配比混合均匀，混合均匀后加入到预制模具中复合成型并在180℃高温、1MPa高压的釜内蒸压24小时后脱模，再经浇水养护30-62h，取出烘干、砂光即得成型板材。
进一步地，步骤III中增强纤维的制备方法为：将废旧纺织纤维洗涤除尘、烘干、剪切成段、机械磨制后，在纤维预处理液中浸渍、再自然晾干，后再经表面电晕处理后，制得板材用增强纤维。
进一步地，纤维预处理液为石蜡乳液、明胶乳液、二甲基硅油、皂化松香乳液中的一种或几种。
一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法制到的建筑板材。
本发明工艺简单、原料来源广、制造成本低、生产过程能源消耗少；制备出的板材具有轻质、隔音、隔热、防水、防火性能好、断裂强度高等特点。同时，使用本发明能够大量高效地利用工业废料粉煤灰、脱硫石膏、废旧纺织纤维，对节约资源、节省能源和保护环境意义重大，符合建筑业的可持续发展战略。
本发明制得板材为新型环保建材，具有以下优点：
1)优良的防火性能：万一发生火灾时，板材不会燃烧，也不会产生有毒烟雾。
2)防潮性能好：极好的防潮性能，在空气相对湿度为90％的环境下，仍能保持性能的稳定，不翘曲、不会膨胀或变形。
3)隔热，隔音：导热系数很低，有良好的隔热保温性能，同时具有很好的隔音能力。
4)耐久，使用寿命长：性能稳定，耐酸碱，不会腐蚀，也不会遭潮气或虫蚁等损害，而且强度和硬度随时间增长而增长，可保证有超长的使用寿命。
5)安全，无害：无有害纤维和粉尘飞散，也没有任何有害辐射，因此可广泛用于各种建筑物中。
6)可锯、可刨、可钉、可靠、安全环保、高强度、性能稳定、具有质轻、保温、防冲击、易加工、易装饰等优良特点。
7)坚实可靠，不易受损破裂，可广泛应用于高层和公共建筑物的防火隔墙板、吊顶板、风道、各种船舶的隔仓板，以及防火门等。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，包括以下步骤：
I、钢渣碱液处理：对钢渣进行预处理得到钢渣微粉，然后调节钢渣微粉的碱度；
II、按比例将钢渣微粉与矿渣微粉、脱硫石膏粉及水泥熟料混合成钢渣胶凝材；得到的钢渣胶凝材，具有耐磨、水化热量小、耐盐酸腐蚀、价格低廉的特点，可作为道路用水泥、制品用水泥等。
III、将粉煤灰破碎、粉磨，使比表面积达到480m2/kg，按比例加入纸浆、水、增强纤维混合制成地聚合物前驱体；
IV、将预处理的钢渣胶凝材按比例加入到地聚合物前驱体中，搅拌混合均匀，经制模、成型、蒸养、烘干、砂光，得到板材。
步骤I中，钢渣的预处理过程为：先粗碎，分离出大渣钢；然后中细碎，处理分离出大渣钢后的钢渣，用钢渣专用棒磨机对钢渣进行破碎，将钢渣破碎到10mm以下，通过可变磁场干式磁选机使其中的渣铁分离并将金属全部回收；目的一是尽可能回收钢渣中的渣铁，二是为后续的钢渣粉加工中实现节能降耗、降低生产成本做准备，因为进入磨机的渣颗粒越小、含铁量越低则磨机的能耗越低；细碎抛尾的钢渣进入干式磨机进行加工，最后得到钢渣微粉。
钢渣专用棒磨机对钢渣进行破碎，实现对渣、钢的彻底剥离。且产品粒度比较均匀，过粉碎矿粒少，产品粒度在3mm左右。配和可变磁场干式磁选机将金属全部回收。
钢渣主要由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO及少量MnO、FeO、P2O5、金属Fe组成，是一种由多种矿物组成的固熔体，所含的C3S、C2S等为活性矿物，具有水硬胶凝性。钢渣的化学组成与硅酸盐水泥熟料很相似，但硅钙含量低。在熔融状态下加入安定性改质剂，消除f-CaO所造成的不稳定性，将以SiO2为主要成分，包含Al2O3、CaO、MgO等调节成分的钢渣安定性改质剂加入熔融钢渣中，SiO2、Fe2O3与f-CaO生成硅酸钙或铁酸钙，消除其不稳定性，增加了耐磨水泥矿物的含量，可以扩大钢渣的安全使用范围。
步骤I中，钢渣的碱度表示为：M＝W(CaO)/W(SiO2)+W(P2O5)，
其中，M表示碱度，W(CaO)表示钢渣主要成分中碱性氧化物的含量比，W(SiO2)+W(P2O5)表示钢渣主要成分中酸性氧化物的含量比；调节钢渣的碱度，直到M＞2.5时，停止调节。按照碱度可将钢渣分为低、中、高碱度钢渣。M＜1.8称为低碱度钢渣，M＝1.8～2.5称为中碱度钢渣，M＞2.5称为高碱度。钢渣用作胶凝材料时，要求硅酸三钙要尽可能高，当碱度达到M大于2.5以上时，钢渣的主要矿物为C3S。
步骤II为选取钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏粉、水泥熟料分别按重量份20-30：5-30：3-10：3-20的配比混合均匀，获得板材用钢渣胶凝材；
钢渣微粉掺量为0～30％时，随着掺量的增加钢渣胶凝材结构逐渐变得更加密实均匀，这是由于钢渣中氧化钙含量较多，其发生水化反应生成的C-S-H凝胶填充了由于水分蒸发而产生的微细孔，使得微观结构更加密实，这也是强度增大的原因。
石膏成分水汽渗透性和PH值，与人的皮肤的化学一物理性质一样被称为“可近皮肤”的建材，顶棚不会有水及受潮，霉菌不可能滋长。《神农本草经》、《开宝本草》中记载：石膏，性辛、甘、大寒，归肺、胃经，可养阴清热，除烦止渴，活血止痛，收敛生肌。这充分说明含石膏成分的建材是卫生的，而且也是一种非常全面的绿色建材，完全符合持续发展的方针。
步骤III中地聚合物前驱体含有粉煤灰、纸浆、水、增强纤维的重量比为15-45：5-10：30-40：5-10；纸浆为打浆度20～70°SR的牛皮纸浆。
步骤IV为将钢渣胶凝材与地聚合物前驱体按重量份60～80：20-30的配比混合均匀，添加胶黏剂脲醛树脂3-15‰、润滑剂为十八烷酸9-16‰，添加粘结剂和润滑剂可以提高各组分间的粘结性和原料的脱模性能，使制作出的板材具有良好的综合性能。混合均匀后加入到预制模具中复合成型并在180℃高温、1MPa高压的釜内蒸压24小时后脱模，再经浇水养护30-62h，取出烘干、砂光即得成型板材。
蒸压养护即产品在180℃高温、1MPa高压的釜内经过24小时化学反应生成一种性能稳定的"托贝莫来石"晶体。产品内生成的"托贝莫来石"晶体愈多，则产品的性能愈稳定。因此生产的板材具有防火、防潮、耐久、变形率低、隔热等特点，尤其适合用作建筑内部的墙板和吊顶板等。
步骤III中增强纤维的制备方法为：将废旧纺织纤维洗涤除尘、烘干、剪切成段、机械磨制后，在纤维预处理液中浸渍、再自然晾干，后再经表面电晕处理后，制得板材用增强纤维。经过处理后的废旧纺织纤维，其不仅与钢渣胶凝材之间具有较好的附着和结合能力，能够直接用于板材的生产；而且，由于其与钢渣胶凝材之间有机结合成一体，因而对板材的整体抗压、抗剪切强度具有较好的增强作用。
采用粉煤灰、脱硫石膏、废旧纺织纤维等废旧回收物，既有利于生产成本的减低，又利于资源节约和节能环保，符合循环经济的理念。采用高钢渣胶凝材，一方面降低了制造成本；另一方面降低了整个生产过程单位产品的综合能耗；工业废弃物粉煤灰的掺加，一方面利用成本的降低；另一方面，还有利于改善制作过程中胶凝材料的流动性、和易性；此外还有利于减水、润滑和缓凝，从而有利于工业化生产。
纤维预处理液为石蜡乳液、明胶乳液、二甲基硅油、皂化松香乳液中的一种或几种。纤维预处理液成分均具有良好的化学稳定性好、表面张力小、稀释分散性好等特点；经过上述预处理液处理后的纤维刚性增强，表面韧性增强和防水性能的提高。同时，还有利于纤维与钢渣胶凝材等加水拌合过程中用水量的减少，从而有利于最终成型的板材强度的提高。
一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法制到的建筑板材。选取粉煤灰、脱硫石膏、废旧纺织纤维等废旧回收物作为板材基础材料，不仅具有低成本、利废环保的原料优势，而且制取的板材具有保温节能、防火、隔音、防潮耐久、能钉挂吊、重量轻、施工方便等最终产品优势。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。
实施例一：
一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，包括以下步骤：
I、钢渣碱液处理：对钢渣进行预处理得到钢渣微粉，然后调节钢渣微粉的碱度；
II、分别按重量份20、5、3、3依次称取钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏粉、水泥熟料混合均匀，获得板材用钢渣胶凝材；
III、按重量份称取15份粉煤灰破碎、粉磨，使比表面积达到480m2/kg，按重量份5份、30份、5份加入纸浆、水、增强纤维混合制成地聚合物前驱体；
IV、按重量份60份的钢渣胶凝材加入到20份地聚合物前驱体中并混合均匀，混合均匀后加入到预制模具中复合成型并在180℃高温、1MPa高压的釜内蒸压24小时后脱模，再经浇水养护30h，取出烘干、砂光即得成型板材。
经测试，上述板材的抗折强度为11MPa、抗压强度为2.85MPa、导热系数(常温)为0.028W/(m·k)、燃烧性能为A1级、隔热温差为30℃，阻燃级别为HBF级、吸水率≤0.5％。
实施例二：
一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，包括以下步骤：
I、钢渣碱液处理：对钢渣进行预处理得到钢渣微粉，然后调节钢渣微粉的碱度；
II、分别按重量份30、30、10、20依次称取钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏粉、水泥熟料混合均匀，获得板材用钢渣胶凝材；
III、按重量份称取45份粉煤灰破碎、粉磨，使比表面积达到480m2/kg，按重量份10份、40份、10份加入纸浆、水、增强纤维混合制成地聚合物前驱体；
IV、按重量份80份的钢渣胶凝材加入到30份地聚合物前驱体中并混合均匀，混合均匀后加入到预制模具中复合成型并在180℃高温、1MPa高压的釜内蒸压24小时后脱模，再经浇水养护62h，取出烘干、砂光即得成型板材。
经测试，上述板材的抗折强度为16MPa、抗压强度为2.95MPa、导热系数(常温)为0.038W/(m·k)、燃烧性能为A1级、隔热温差为31℃，阻燃级别为HBF级、吸水率≤0.5％。
实施例三：
一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，包括以下步骤：
I、钢渣碱液处理：对钢渣进行预处理得到钢渣微粉，然后调节钢渣微粉的碱度；
II、分别按重量份23、13、5、8依次称取钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏粉、水泥熟料混合均匀，获得板材用钢渣胶凝材；
III、按重量份称取25份粉煤灰破碎、粉磨，使比表面积达到480m2/kg，按重量份7份、33份、7份加入纸浆、水、增强纤维混合制成地聚合物前驱体；
IV、按重量份67份的钢渣胶凝材加入到23份地聚合物前驱体中并混合均匀，混合均匀后加入到预制模具中复合成型并在180℃高温、1MPa高压的釜内蒸压24小时后脱模，再经浇水养护41h，取出烘干、砂光即得成型板材。
经测试，上述板材的抗折强度为13MPa、抗压强度为2.80MPa、导热系数(常温)为0.030W/(m·k)、燃烧性能为A1级、隔热温差为30℃，阻燃级别为HBF级、吸水率≤0.5％。
实施例四：
一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，包括以下步骤：
I、钢渣碱液处理：对钢渣进行预处理得到钢渣微粉，然后调节钢渣微粉的碱度；
II、分别按重量份26、21、7、15依次称取钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏粉、水泥熟料混合均匀，获得板材用钢渣胶凝材；
III、按重量份称取35份粉煤灰破碎、粉磨，使比表面积达到480m2/kg，按重量份8份、36份、8份加入纸浆、水、增强纤维混合制成地聚合物前驱体；
IV、按重量份74份的钢渣胶凝材加入到26份地聚合物前驱体中并混合均匀，混合均匀后加入到预制模具中复合成型并在180℃高温、1MPa高压的釜内蒸压24小时后脱模，再经浇水养护50h，取出烘干、砂光即得成型板材。
经测试，上述板材的抗折强度为14MPa、抗压强度为2.90MPa、导热系数(常温)为0.035W/(m·k)、燃烧性能为A1级、隔热温差为30℃，阻燃级别为HBF级、吸水率≤0.5％。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：
I、钢渣碱液处理：对钢渣进行预处理得到钢渣微粉，然后调节钢渣微粉的碱度；
II、按比例将钢渣微粉与矿渣微粉、脱硫石膏粉及水泥熟料混合成钢渣胶凝材；
III、将粉煤灰破碎、粉磨，使比表面积达到480m2/kg，按比例加入纸浆、水、增强纤维混合制成地聚合物前驱体；
IV、将预处理的钢渣胶凝材按比例加入到地聚合物前驱体中，搅拌混合均匀，经制模、成型、蒸养、烘干、砂光，得到板材。
2.根据权利要求1所述的以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，其特征在于：所述步骤I中，钢渣的预处理过程为：先粗碎，分离出大渣钢；然后中细碎，处理分离出大渣钢后的钢渣，用钢渣专用棒磨机对钢渣进行破碎，将钢渣破碎到10mm以下，通过可变磁场干式磁选机使其中的渣铁分离并将金属全部回收；细碎抛尾的钢渣进入干式磨机进行加工，最后得到钢渣微粉。
3.根据权利要求2所述的以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，其特征在于：所述步骤I中，钢渣的碱度表示为：M＝W(CaO)/W(SiO2)+W(P2O5)，
其中，M表示碱度，W(CaO)表示钢渣主要成分中碱性氧化物的含量比，W(SiO2)+W(P2O5)表示钢渣主要成分中酸性氧化物的含量比；调节钢渣的碱度，直到M＞2.5时，停止调节。
4.根据权利要求3所述的以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，其特征在于：所述步骤II为选取钢渣微粉、矿渣微粉、脱硫石膏粉、水泥熟料分别按重量份20-30：5-30：3-10：3-20的配比混合均匀，获得板材用钢渣胶凝材；
所述步骤III中地聚合物前驱体含有粉煤灰、纸浆、水、增强纤维的重量比为15-45：5-10：30-40：5-10；所述纸浆为打浆度20～70°SR的牛皮纸浆。
5.根据权利要求4所述的以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，其特征在于：所述步骤IV为将钢渣胶凝材与地聚合物前驱体按重量份60～80：20-30的配比混合均匀，混合均匀后加入到预制模具中复合成型并在180℃高温、1MPa高压的釜内蒸压24小时后脱模，再经浇水养护30-62h，取出烘干、砂光即得成型板材。
6.根据权利要求5所述的以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，其特征在于：所述步骤III中增强纤维的制备方法为：将废旧纺织纤维洗涤除尘、烘干、剪切成段、机械磨制后，在纤维预处理液中浸渍、再自然晾干，后再经表面电晕处理后，制得板材用增强纤维。
7.根据权利要求6所述的以煤基固废为原料制备建筑板材的方法，其特征在于：所述纤维预处理液为石蜡乳液、明胶乳液、二甲基硅油、皂化松香乳液中的一种或几种。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的以煤基固废为原料制备建筑板材的方法制到的建筑板材。
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