CN112757458A - 一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，其特征在于：在方料固化过程中，压制好的方料完全初凝后，方料中心内部产生的大量水合反应热与方料外缘周边及方料上下两面产生的温度梯度被外部的温度补偿方料固化装置加以补偿，外部补偿的热量通过方料模具传递到方料外缘周边及方料上下两面，降低方料内部与方料外沿的温度梯度，降低方料固化过程中由于温度梯度产生的破坏应力。采用本发明的工艺制造的无机人造石方料不仅提高板材强度，更重要的是提高板材强度均匀性，能大幅减少板材的开裂，大幅降低废品率，提高无机人造石板材质量，缩短生产周期，提高产量。
Description
技术领域
本发明涉及无机人造石性能的方料固化技术领域，特别是涉及一种通过温度补偿提高以无机硅酸盐水泥作为胶凝材料的无机人造石的方料固化技术工艺。
背景技术
随着对生态环境保护的加强，无节制地开采石材资源用于建筑材料将被严格控制。以高耐用性人造石材取代天然石材用于建筑装修已成为建筑材料一个新的领域。
现代人造石制造工艺始于意大利百力通(Breton)1987年10月6日的专利US4698010，工艺的整体流程大致是：混料-布料-压制-固化-切割-打磨-抛光-加工。利用现有的岗石生产线生产无机人造石方料效率高，产量大，是人造石行业的创新。但随着大规模无机人造石方料的生产与应用，一个困扰无机人造石方料制造与应用的难题随之出现：开裂现象。要么是方料在制造过程中整块方料开裂，或即使方料不开裂，在加工方料成为板材时锯出的板材也会出现开裂。这种板材开裂现象的发生随机性很大，有的在锯板时立即开裂，有的规格板安装后一两天即开裂，有的在安装后一个星期左右开裂，有的则在安装一个多月后仍开裂。深圳市多条地铁线于2019开始大规模应用无机人造石取代传统的花岗石，规格板安装后出现开裂成为深圳地铁线使用无机人造石最大的质量问题。
无机人造石方料板材开裂现象不仅造成废品率增加，安装后板材开裂翻工修复造成成本大幅上升，更重要的是，这种常见的板材开裂现象打击了消费者对使用无机人造石这种环保健康的建筑装饰材料的信心。为解决无机人造石方料及加工板材与应用开裂问题，业内进行各种尝试：调整助剂、添加纤维、延长脱模时间等。
调整助剂比较有效的方法主要是通过添加高分子聚合物乳液。通过添加高分子聚合物乳液减少板材开裂，添加量一定要达到一定的程度，通常添加量为水泥量的7-15％(固含量)。添加高分子聚合物乳液可以减少板材开裂，但成本增加。此外，添加高分子聚合物乳液后生产出来的产品就不是严格意义上的无机人造石了。高分子聚合物乳液是有机化合物，添加量少起不到作用，添加量大所生产出来的板材就难免不带有“有机”的特征，如容易变形、防火等级下降、室外使用是否会受到限制等等。
添加纤维除了增加成本外，无机人造石作为面装饰性材料需要考虑表观效果，能选择的纤维种类及规格有限。例如钢丝纤维具有较强的抗裂性能，但抛磨后钢丝外露，限制了使用。聚丙烯(PP)纤维、聚乙烯(PE)纤维、聚乙烯醇(PVA)纤维等有机高分子纤维作为混凝土增强材料可以防止混凝土开裂，但用在无机人造石方料制造，加少不起作用，加多了成本增加，而且打磨抛光时纤维毛外露明显。此外，PP、PE、PVA纤维分散不好结团出现在板面时，形成板材质量问题的另一个因素。至于延长脱模时间只是为了确保方料在脱模前具有足够的强度经得起脱模过程的一些机械扰动，本质上无法解决方料板材开裂问题。
因此，找出无机人造石方料生产及板材加工应用开裂的原因及解决方法成为无机人造石方料制造可持续性发展的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，采用本发明的工艺固化的无机人造石方料不仅提高板材强度，更重要的是提高板材强度均匀性，能大幅减少板材的开裂，大幅降低废品率，提高无机人造石板材质量，缩短生产周期，提高产量。
本发明是这样实现的：
一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，其特征在于：压制好的方料完全初凝后，在方料固化过程中，方料中心内部产生的大量水合反应热与方料外缘周边及方料上下两面产生的温度梯度被外部的温度补偿方料固化装置加以补偿，外部补偿的能量以热的形式通过方料模具传递到方料外缘周边及方料上下两面，降低方料内部与方料外沿的温度梯度，降低方料固化过程中由于温度梯度产生的破坏应力。
进一步优选，所述压制好的方料初凝后，在方料中心水合热引起方料中心温度升高的同时，从方料模具外部通过温度补偿方料固化装置给方料外缘周边及方料上下两面加热。
进一步优选，所述温度补偿方料固化装置内设置有可编程逻辑控制器PLC，加热升温速度及温度极限由可编程逻辑控制器PLC控制，所述可编程逻辑控制器PLC控制的加热程序根据方料固化过程的温度分布及变化设计，加热速度及温度极限与方料固化过程的升温速度及最高温度相匹配，加热升温速度为每小时15-20℃。
进一步优选，在方料固化过程中，所述方料通过温度补偿方料固化装置加热18-24小时后将方料脱模。
进一步优选，所述方料脱模后用塑料薄膜及保温毯包裹方料，直至方料温度降至室温即可将方料转入下工序加工。
无机人造石方料最常见的规格尺寸是2400x1600x(800-900)mm、700x1800x(900-1100)mm、3200x1600x(1000-1200)mm(长x宽x高)。为了缩短生产周期及获得尽快的早期强度，生产无机人造石方料常用的水泥是52.5标号水泥，无机人造石方料生产过程中的固化属于大体量混凝土(mass concrete)固化，大体量混凝土固化需要通过使用低放热水泥、用粉煤灰取代部分水泥、甚至预埋散热管等措施降低水合反应过程中的温度峰值，特别是要采取措施降低混凝土内部与外部的温度差，即温度梯度。如果混凝土最高温度部位与最低温度部位差超过35华氏度或20摄氏度，产生的热应力就有可能足以使混凝土开裂。
无机人造石方料制造为了提高模具周转速度及提高产量，采用能提高早期强度的52.5水泥。作为装饰性材料，在绝大多情况下，由于颜色的限制，不可能用粉煤灰取代部分水泥以降低水合反应热。本申请通过试验发现，无机人造石方料制造过程中方料中心内部温度高达70℃以上，内部温度分布很不均匀，方料内部的温度与方料外表温度差远超混凝土开裂公认的20摄氏度应力极限温度。
本发明突出的实质性特点和显著的进步是：
1、本发明的一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，特别是以无机硅酸盐水泥作为胶凝材料的无机人造石的方料固化技术，用此技术固化的无机人造石方料不仅提高板材强度，更重要的是提高板材强度均匀性，能大幅减少板材的开裂，大幅降低废品率，提高无机人造石板材质量，缩短生产周期，提高产量。本申请因而提出温度补偿固化以降低方料温度梯度的工艺，有效地解决了无机人造石方料制造过程中方料开裂及板材铺装过程中开裂的问题。
2、本发明的温度补偿方料固化工艺不仅能提高方料的固化质量，减少废品率，还因为方料在温度更加均匀的环境下固化，板材强度均匀，避免了后续安装使用时由于板材强度不均匀薄弱部位容易受损开裂的现象。此外，温度补偿方料固化工艺充分利用大方料固化放出的热量与外加热量平衡，使整块方料在高温高湿度下固化，极大地缩短了固化时间，提高了产量。例如，普通的室温固化即使不考虑开裂风险通常也需要三周以上才能加工锯板，而温度补偿固化7-10天即可加工锯板，而且板材质量比三周常温固化的方料锯出的板材质量更好。
附图说明
图1是方料模具横截面示意图；
图2是无机人造石方料温度分布测试点示意图；
图3是方料固化温度分布及变化曲线图；
图4是模具-方料-温度补偿加热横截面示意图。
附图标记名称及序号说明：
1、方料模具，2、无机人造石方料块，3、温度补偿方料固化装置，4、混凝土保温土工布，5、可编程逻辑控制器PLC。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的权利要求书做进一步说明，但不构成对本发明的任何限制，任何以本发明的技术方案为基础所作出的有限次修改仍然属于本发明所要保护的内容。
一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，其特征在于：在方料固化过程中，压制好的方料完全初凝后，方料中心内部产生的大量水合反应热与方料外缘周边及方料上下两面产生的温度梯度被外部的温度补偿方料固化装置加以补偿，外部补偿的能量以热的形式通过方料模具传递到方料外缘周边及方料上下两面，降低方料内部与方料外沿的温度梯度，降低方料固化过程中由于温度梯度产生的破坏应力。
所述压制好的方料初凝后，在方料中心水合热引起方料中心温度升高的同时，从方料模具外部通过温度补偿方料固化装置3给方料外缘周边及方料上下两面加热，，加热升温速度为每小时15-20℃。
所述温度补偿方料固化装置3内设置有可编程逻辑控制器PLC5，加热升温速度及温度极限由可编程逻辑控制器PLC5控制，所述可编程逻辑控制器PLC5控制的加热程序根据方料固化过程的温度分布及变化设计，加热速度及温度极限与方料固化过程的升温速度及最高温度相匹配。在方料固化过程中，所述方料通过温度补偿方料固化装置3加热18-24小时后将方料脱模。方料脱模后用塑料薄膜及保温毯包裹方料，直至方料温度降至室温即可将方料转入下工序加工。
试验过程：
1、方料固化过程温度测试
用来测试温度分布的方料配方如表1：
方料模具为压制岗石用的钢模具，钢板厚度约50mm，压制好后的方料在钢模具内的横截面如示意图1所示。
方料尺寸为2700x1800x1000mm，方料温度分布测试点如图2。三支长度为500mm，测试范围为-50至300℃的数字显示热电偶温度计在方料固化前分别被插入A、B、C三个位置，插入深度500mm。A测温点距钢模具端头板100mm，B测温点距钢模具侧板100mm，C测温点为2700x1800x1000mm方料的正中。D测温点为暴露于环境的方料上表面，该点温度用红外温度计测量，测温持续48小时，测试数据列如表2所示：
由温度随时间变化的记录数据制成的方料固化温度分布及变化曲线如图3所示。
2、试验数据分析：
从表2的温度测试数据及图3的温度分布及变化曲线可以看出，无机人造石方料块中心C点与无机人造石方料块A点的温度差超过20℃的时间持续22个小时，无机人造石方料块中心C点与无机人造石方料块B点的温度差超过20℃的时间持续4个小时，无机人造石方料块中心C点与无机人造石方料块表面D点的温度差超过20℃的时间超过40个小时。由于方料模具是导热良好的金属模具，可以认为模具内与模具紧密接触的无机人造石方料块表面与金属模具具有相同温度，因此可以认为无机人造石方料块中心C点与无机人造石方料块整个外缘表面的温度差超过20℃的时间都超过40个小时；而期间最大温差超过40℃，温差超过30℃的时间超过30个小时。
如此大的温度梯度及持续如此长的时间产生的应力足于使方料开裂，但由于无机人造石方料块是被限制在坚固的钢模具内固化，所以在脱模前的裂缝往往不明显，一旦脱模，有的无机人造石方料块立即裂成两半。即使不裂成两半的无机人造石方料块，在锯板加工过程中也时常有板块开裂，切成规格板安装后也时常有板块在安装、使用时开裂。这种质量问题可以从方料固化过程温度分布得到解释：持续长时间的、异常高的温度梯度表明整块方料是在极不均匀的环境下固化，无机人造石方料内部异常高的温度梯度产生的应力足以破坏方料的整体结构均匀性，使方料开裂。即使不马上开裂的方料，其应力也足以使无机人造石方料块内部产生暗裂等强度损坏现象。这些暗裂或强度受损部位在无机人造石方料块加工过程中由于机械力的作用发生了开裂；躲过了加工过程中开裂的板材在切成规格板安装后或在短期使用后发生开裂，这是由于那些暗裂或强度受损部位在安装过程或使用过程中，由于安装材料的收缩、人流的踩踏施加的应力叠加在方料固化时产生的应力残留超过了板材的强度所致，所以解决无机人造石方料开裂和板材开裂的问题必须要解决方料固化过程中的温度梯度问题。
本发明温度补偿方料固化装置其构造截面图如图4所示，方料模具四周及上部包裹有加热毯，优选地，加热毯由五块组成，分别包裹方料模具的四个侧面及覆盖在方料模具上部，每块加热毯配置有独立的发热元件，五块加热毯可以连成一个整体然后受控于一个控温热电偶接到可编程逻辑控制器PLC控制箱。优选地，五块加热毯各自受控于独立的热电偶作为独立的加热单元连接到可编程逻辑控制器PLC。加热毯的这种分布方式及独立受控能确保即使在一块、甚至是两块加热毯因故障而不工作时，温度补偿功能不丧失或不完全丧失。
优选地，加热毯由四块组成，分别包裹钢模的四个侧面，方料模具上方覆盖保温性能良好的保温毯，每块加热毯配置有独立的发热元件，四块加热毯可以连成一个整体然后受控于一个控温热电偶接到可编程逻辑控制器PLC。优选地，四块加热毯各自受控于独立的热电偶作为独立的加热单元连接到可编程逻辑控制器PLC，加热毯的这种分布方式及独立受控能确保即使在一块、甚至是两块加热毯因故障而不工作时，温度补偿功能不丧失或不完全丧失。
在方料完全初凝后，在启动加热毯加热前在方料面上覆盖多层混凝土保温土工布，用水淋湿土工布，使土工布完全被水饱和。
可编程逻辑控制器PLC的加热程序根据方料固化过程温度测试的结果设定。具体地，压制好后的方料在四个小时后水合反应开始提速，方料内部温度开始急剧上升，加热毯因此在方料压好后四个小时启动加热。优选地，加热毯在方料压好后三小时四十五分钟启动加热，以弥补由于加热毯与方料模具之间存在的空隙导致的传热滞后。优选地，可编程逻辑控制器PLC的加热程序设计将四块加热毯分成两组，两侧面为一组，两端头为另一组，两组加热时间交错5分钟。这样的程序设计能使阶梯式升温朝线性升温倾斜，优化补偿升温效果。加热毯的加热升温速度每小时控制在15-20度，最高加热温度设计在70℃，持续18-24小时。
可编程逻辑控制器PLC程序完成后3-5个小时即可给方料脱模，脱模后的方料立即用混凝土保温土工布包裹保温以减小方料内部与方料表面的温差。包裹后的方料放置在室温下大约5-7天后内外温度基本均匀，与环境温度一样，方料即可以进行后续加工。
3、结论：使用同样的配方及方料尺寸压制了三块方料，没有使用温度补偿工艺固化，结果两块方料脱模后整块方料发生开裂，另一块方料虽然脱模时没有开裂，但加工锯板时也出现了板面开裂。而使用同样配方同样尺寸但采用温度补偿工艺固化的两块方料，脱模后没有开裂现象，脱模后十天锯板加工也没有出现裂板现象。
温度补偿工艺不仅能提高方料的固化质量，减少废品率，还因为方料在温度更加均匀的环境下固化，板材强度均匀，避免了后续安装使用时由于板材强度不均匀薄弱部位容易受损开裂的现象。此外，温度补偿固化工艺充分利用大方料固化放出的热量与外加热量平衡，使整块方料在高温高湿度下固化，极大地缩短了固化时间，提高了产量。例如，普通的室温固化即使不考虑开裂风险通常也需要三周以上才能加工锯板，而温度补偿固化7-10天即可加工锯板，而且板材质量比三周常温固化的方料锯出的板材质量更好。
上述温度补偿方料固化装置为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，本发明的精神实质和原理是降低方料固化过程中的温度梯度从而减小热应力，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的改变、装饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，其特征在于：在方料固化过程中，压制好的方料完全初凝后，方料中心内部产生的大量水合反应热与方料外缘周边及方料上下两面产生的温度梯度被外部的温度补偿方料固化装置加以补偿，外部补偿的热量通过方料模具传递到方料外缘周边及方料上下两面，降低方料内部与方料外沿的温度梯度，降低方料固化过程中由于温度梯度产生的破坏应力。
2.根据权利要求1所述的一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，其特征在于：所述压制好的方料初凝后，在方料中心水合热引起方料中心温度升高的同时，从方料模具外部通过温度补偿方料固化装置给方料外缘周边及方料上下两面加热。
3.根据权利要求2所述的一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，其特征在于：所述温度补偿方料固化装置内设置有可编程逻辑控制器PLC，温度补偿方料固化装置的加热升温速度及温度极限由可编程逻辑控制器PLC控制，加热升温速度为每小时15-20℃。
4.根据权利要求3所述的一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，其特征在于：在方料固化过程中，所述方料通过温度补偿方料固化装置加热18-24小时后将方料脱模。
5.根据权利要求4所述的一种通过温度补偿提高无机人造石性能的方料固化工艺，其特征在于：所述方料脱模后用塑料薄膜及保温毯包裹方料，直至方料温度降至室温即可将方料转入下工序加工。
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