CN112341057A - 一种高性能石膏建材制品及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种高性能的石膏建材制品及其制法，该制品是微波辅助连续反应挤出、以石膏为主要成分的建材制品，其内部具有仿生微观结构；制品原料的质量分数为：建筑石膏或α‑石膏10%～80%，水泥0～20%，骨料10%～30%，缓凝剂0.05%～0.3%，纤维0.05%～0.3%，水10%～30%，配料总和为100%。制法：1）按配方称取石膏、水泥、石英砂，搅拌混匀，得到混合物料；2）称取纤维，与混合物料混匀;3）将缓凝剂溶于水，混匀；4）混合料中加入缓凝剂水溶液，搅拌混匀，采用连续反应挤出机，结合微波辅助系统，挤出石膏建材制品。本制品强度高、耐水性好，可广泛应用于需要坚实性能的室内外隔断和装饰。

Description

一种高性能石膏建材制品及其制造方法

技术领域

本发明涉及含有硫酸钙的建筑材料以及制造方法，尤其涉及一种高性能的含石膏建材制品以及制造方法。

背景技术

石膏(硫酸钙)是重要的建材原料，在工业生产、社会生活中应用广泛，但天然石膏矿产储量有限，限制了大量的采用。工业生产中每年产生了大量副产石膏，例如火电厂脱硫所产生的脱硫石膏、磷化工副产的磷石膏等工业废弃物，长期以来，大量工业副产石膏的堆存，不仅占用大量耕地，而且还会对地下水、土壤、植被和大气环境造成污染，一直是制约行业发展的难点之一，也是环境污染治理的重点和难题。因此，研究可被建筑行业大量应用的新型石膏产品以及先进的制造工艺设备，成为国家、行业和社会的关注重点。

当前石膏资源化的利用，主要集中在水泥行业(用作水泥缓凝剂、制硫酸联产水泥)、建筑工程基础材料(用作道路基层材料、充填骨料)、农业领域(用作盐碱地改良剂、制备硫酸钾)等。尽管上述方法在一定程度上推动了石膏资源化利用技术的发展，但仍存在石膏制品力学性能、耐水性能、耐候性能不高等问题，从而导致其综合利用程度低、使用规模小、产品附加值不高等问题。针对石膏利用技术已公开一些专利，如CN102180700 A号公开了一种将磷石膏用来制备轻质隔墙板及砌块的方法；CN104557127B号公开了一种耐水型发泡石膏保温材料及其制备方法；CN109574615B号公开了一种石英石泥浆改性磷石膏制备高掺量固废物胶凝材料的方法；CN110423137 A号公开了一种新型环保磷石膏高强轻质墙材制品及其制备方法；CN106431105B号公开了利用工业副产石膏制备建筑材料的方法等等。这些专利技术各有优点，但均没有涉及能够通过反应挤出方法、诱发胶凝材料在水化过程中形成特定微观结构晶体，从而获得内部具有类似于天然生物体的仿生微观组织结构的高性能石膏建材制品问题。

发明内容

本发明旨在提供一种高性能石膏建材制品的制备方法，以实现解决传统石膏建材制品存在的强度低、耐水性差等问题。

本发明提供的高性能石膏建材制品的制法，是指采用反应挤出获得具有仿生组织结构的高性能石膏建材产品的制备方法，同时实现高性能石膏建材制品规模化生产与应用。

发明人提供的高性能石膏建材制品，是采用连续反应挤出方法结合微波辅助装置共同作用实现的，该高性能石膏建材制品是以石膏为主要成分的建材制品，特征在于其微观结构中有类似于天然生物体的微观组织结构；

所述石膏建材制品原料组分的质量分数为：建筑石膏10％～80％，水泥0～20％，骨料10％～30％，缓凝剂0.05％～0.3％，纤维0.05％～0.3％，水10％～30％，且各配料之和为100％。

上述原料组分的优选质量分数为：建筑石膏10％～80％，水泥10％～20％，骨料10％～20％，缓凝剂0.05％～0.3％，纤维0.1％～0.3％，水10％～30％，且各配料之和为100％。

上述挤出工艺所用的挤出机配备了微波辅助系统。石膏建材制品通过连续反应挤出方法和微波辅助共同作用实现，该工艺使物料在挤出压力作用下更为密实，产品质量更加可控。在各原料组分充分搅拌的前提下，机械能诱发胶凝材料在水化过程中形成特定微观结构的晶体，并与同为水化产物的无定形凝胶共同组成具有相间多层级交叠仿生组织结构特征的材料。

上述原料组分中，所述建筑石膏为天然石膏、工业副产物石膏按任意比例经改性、破碎得到；经改性后的石膏中半水石膏的含量≥50％；经破碎后的石膏粒径满足0.2mm方孔筛筛余≤10％；其中工业副产物石膏包括经过改性的脱硫石膏、磷石膏或其它工业石膏废弃渣。

上述原料组分中，所述骨料为加工破碎过筛小于3mm的石英砂或者石灰石，优选石英砂；所述石英砂为普通石英砂，精制石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂及硅微粉中的任意一种。

上述原料组分中，所述缓凝剂为木质素磺酸盐类缓凝剂、糖蜜缓凝剂、羟基羧酸及其盐类缓凝剂、动物蛋白类缓凝剂、硼酸盐类缓凝剂中的任意一种或彼此之间的任意组合。

上述原料组分中，所述纤维为合成纤维(如聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维)、植物纤维(如：竹纤维、亚麻纤维、大豆蛋白纤维、玉米纤维)、矿物纤维(如玄武岩纤维)、抗碱玻璃纤维中的一种或彼此之间的任意混合，其纤维直径≤200μm、长度≤10mm。

上述制品内部具有仿生微观结构，是指制品内部的微观结构紧密排列有序，呈现多层级交叠的仿生组织特征。

发明人提供的高性能石膏建材制品的制法包括以下步骤：

1)将建筑石膏、水泥熟料、骨料按配方质量分数称取，在干燥条件下搅拌均匀混合，得到混合物料，备用；

2)称取纤维，将其与混合物料搅拌混合均匀，备用；

3)将缓凝剂溶于水中，搅拌混合均匀，现配现用；

4)根据配料质量配比，在步骤1的混合物料和步骤2的纤维中加入步骤3配好的缓凝剂水溶液，混合搅拌均匀，转入成型挤出机挤出石膏建筑材料制品，经养护后，即为具备仿生组织结构特征的高性能石膏建材制品。

上述制法中，所述挤出机的挤出压力≥4MPa、相邻螺杆螺纹啮合间距≥3mm。具体组成包括位于机械操作台上侧的传动齿件、搅拌器、进料口筒段、挤出螺杆(含不同的螺纹模块)、压头、模具、传送装置、切割设备、温度传感器、压力传感器，以及位于机械操作台下侧的动力电机、减速机和中控箱等。

进一步的特征为：

全套生产线从物料存储、参配、混合到挤出成品板材进行全自动化生产和电脑微机中央控制，可达到标准化生产，产品质量稳定。

挤出机的挤出成型前置混料区安装有微波辅助系统，包括微波发生装置、波导等。借助于微波，可对固体颗粒在水化过程中实现均匀预热，确保反应过程的温度均匀，提升反应挤出过程中石膏水化结晶的晶体成核速率及粒度分布的一致性；同时在挤出应力的定向束缚下，实现硫酸钙晶体的定向、定形生长，从而获得多层紧密交叠的致密结构，使块体材料具有较高宏观力学性能和较好的耐候性能。

反应挤出结合模具成型的方式确定挤出制品最佳形状、尺寸、均质性、密度等，为养护固化做好准备。

发明人指出：晶体生长形态可以通过外约束力条件控制。相较于常规的浇筑工艺，采用挤出工艺，使物料处在“晶体溶解--超饱和析出结晶”的动态平衡过程中，在挤出约束力作用下可以实现硫酸钙晶体的定向、定形生长，从而获得多层紧密交叠的致密结构，使块体材料具有较高宏观力学性能和较好的耐候性能。挤出工艺可根据物料成型的几何形状作预先设计配置，物料成型受力分布更为合理，更易于确保石膏混合建材挤出件尺寸稳定、避免弯曲和断裂现象。微波辅助系统提供的电磁波，可对物料颗粒在水化过程中实现均匀预热，确保水化和挤出过程的温度得到合理控制。所述缓凝剂是一种能够延长凝结时间的添加剂，使新拌石膏浆体能够在较长的时间内保持塑性，便于产品成型操作；所述石英砂或石灰石骨料经机械破碎、磨细，与浆料构成较强的粘接力，增强浆料的抗折、抗压强度。所述水泥在水化过程中生成水化硅酸钙等水化产物，用以填充空隙，增加致密性，交联水泥水化产物，使之形成多层级结构，促进复合材料强度提升。

本发明具有以下优点：⑴采用天然石膏或经改性的大宗工业固废石膏作为主要原料制备得到强度高、耐水性好的建材制品，为石膏资源的高性能、规模化利用提供解决方案，符合生态文明建设的要求，有利于相关行业的可持续发展，对建设节约型社会、发展循环经济具有积极的现实意义；⑵将生物矿化的机理引入石膏建材制备，通过对原料配伍、比例、浓度等因素进行耦合调控，通过挤出机挤出压力的约束和定向诱导结晶反应作用，制备出仿生结构材料，通过结构相似实现了功能的相近，获得良好力学性能、较高耐水性的石膏新型建材。传统浇铸成型技术生产的石膏墙材强度仅为3.5MPa左右，而本技术生产的石膏墙材强度达到20MPa以上；(3)本发明配备了微波辅助系统，与连续挤出工艺共同实现高性能石膏建材的制备，用以解决传统螺杆挤出工艺中存在的产品水分不易调节、温度不易控制、产品性能不稳定等缺陷；(4)用本发明生产的石膏建材制品具有强度高、耐水性好等优点，可广泛应用于室内隔断和室内外装饰。

附图说明

图1为本发明的建材制品断口SEM图，

图2为海洋动物鲍鱼外壳，

图3为鲍鱼贝壳珍珠层的SEM图，用作与图1比较。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种高性能石膏建材制品，由以下质量分数的原料制备而成：石膏20％、水泥熟料20％、石英砂30％、缓凝剂0.05％、纤维0.05％、水29.9％；

其中石膏为预处理改性石膏，缓凝剂为木质素磺酸盐类缓凝剂。

实施例2

一种高性能石膏建材制品，由以下质量分数的原料制备而成：石膏30％、水泥熟料25％、石英砂25％、缓凝剂0.05％、纤维0.05％、水19.9％；

其中石膏为预处理改性石膏，缓凝剂为糖蜜缓凝剂。

实施例3

一种高性能石膏建材制品，由以下质量分数的原料制备而成：石膏40％、水泥熟料20％、天然石英砂20％、缓凝剂0.1％、纤维0.1％、水19.8％；

其中石膏为预处理改性石膏，缓凝剂为羟基羧酸及其盐类缓凝剂。

实施例4

一种高性能石膏建材制品，由以下质量分数的原料制备而成：石膏50％、水泥熟料10％、石英砂19％、缓凝剂0.1％、环保纤维0.2％、水20.7％；

其中石膏为预处理改性石膏，缓凝剂为蛋白质缓凝剂。

上述实施例1至实施例4的建筑材料都是通过以下步骤制备而成：

1)将石膏、水泥熟料、石英砂按重量比例称取后预搅拌混合均匀制得混合料A；

2)将缓凝剂、环保纤维加入混合料A并搅拌均匀制得混合料B；

3)混合料B经过连续挤出成型、自然养护制得墙板、砌块等建材制品。

检测上述实施例1至实施例4制备的新型石膏建材制品的抗压强度、含水率、软化系数、耐火极限等。结果如下：

表1实施例1至实施例4制备新型石膏仿生建材制品性能参数与GB/T23451—2009《建筑用轻质隔墙条板》标准指标要求对比。

从表1可以得到，本发明制备的新型高性能石膏建材制品的强度高、耐水性高、隔音性能好、收缩小。

综上所述，本发明采用天然石膏或工业固废石膏作为主要原料制备的建材制品具有强度高、耐水性好等优点，可广泛应用于建筑外立面和室内外装饰材料。

以上实施例并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明。任何本专业技术人员依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种高性能的石膏建材制品，该制品是采用微波辅助反应挤出的方法制备得到，其特征在于该石膏建材制品是以石膏为主要成分的建材制品，其内部具有类似于天然生物体的仿生微观组织结构；

所述建材制品原料组分的质量分数为：建筑石膏或α-石膏10%～80%，水泥0～20%，骨料10%～30%，缓凝剂0.05%～0.3%，纤维0.05%～0.3%，水10%～30%，且各配料之和为100%。

2.如权利要求1所述的石膏建材制品，其特征在于该制品是采用螺杆挤出机反应挤出工艺，并以微波系统辅助反应制备的以石膏为主要成分的建材制品，其内部具有天然生物体的仿生微观组织结构;

所述建材制品原料组分的质量分数为：建筑石膏10%～80%，水泥10%～20%，骨料10%～20%，缓凝剂0.05%～0.3%，纤维0.1%～0.3%，水10%～30%，且各配料之和为100%。

3.如权利要求1或2之一所述的石膏建材制品，其特征在于所述的反应挤出工艺采用的微波辅助系统是由微波发生器与波导组合而成。

4.如权利要求1或2之一所述的石膏建材制品，其特征在于原料组分中，所述建筑石膏或α-石膏为天然石膏、工业副产物石膏按任意比例经改性、破碎得到的；经改性后的石膏中半水石膏的含量≥50%；其中工业副产物石膏包括脱硫石膏、磷石膏或其它工业副产石膏。

5.如权利要求1或2之一所述的石膏建材制品，其特征在于原料组分中，所述骨料为加工破碎过筛小于3 mm的石英砂或者石灰石；所述石英砂为普通石英砂、精制石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂及硅微粉中的任意一种或彼此之间的任意组合。

6.如权利要求1或2之一所述的石膏建材制品，其特征在于原料组分中，所述缓凝剂为木质素磺酸盐类缓凝剂、糖蜜缓凝剂、羟基羧酸及其盐类缓凝剂、动物蛋白类缓凝剂、硼酸盐类缓凝剂中的任意一种或彼此之间的任意组合。

7.如权利要求1或2之一所述的石膏建材制品，其特征在于原料组分中，所述纤维为合成纤维、植物纤维、矿物纤维、抗碱玻璃纤维中的一种或彼此之间的任意混合，其纤维直径≤200μm、长度≤10 mm。

8.如权利要求1所述的石膏建材制品，其特征在于所述该制品内部具有天然生物体的微观结构，是指制品内部的微观结构具有紧密排列有序，呈现多层级交叠的仿生组织特征。

9.制备权利要求1所述石膏建材制品的方法，其特征包括以下步骤：

1）将建筑石膏或α-石膏、水泥、骨料按配方质量分数称取，搅拌均匀混合，得到混合物料，备用；

2）称取纤维，将其与混合物料搅拌混合均匀，备用;

3）将缓凝剂溶于水中，搅拌混合均匀，现配现用；

4）根据配料质量配比，在步骤1的混合物料和步骤2的纤维中加入步骤3配好的缓凝剂水溶液，混合搅拌均匀，输入微波辅助的反应挤出机得到石膏建材制品，经养护后，即为具备仿生组织结构特征的高性能石膏建材制品。

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