CN113072351A

CN113072351A - 基于脱硫石膏和建筑垃圾的免烧砖及其制备方法

Info

Publication number: CN113072351A
Application number: CN202110362562.0A
Authority: CN
Inventors: 于冬雪
Original assignee: Sichuan Institute of Building Research
Current assignee: Sichuan Institute of Building Research
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2021-07-06

Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，公开了一种基于脱硫石膏和建筑垃圾的免烧砖，按重量份计，所述免烧砖的原料包括脱水脱硫石膏70～90份、建筑垃圾5～25份、改性玄武岩纤维2～5份、有机硅防水剂0.1～0.5份和水15～25份；本发明还公开了该免烧砖的制备方法，包括以下步骤：S1.按配比称取上述材料；S2.将脱水脱硫石膏、建筑垃圾、改性玄武岩纤维与有机硅防水剂混合均匀，得到混合干料；S3.将所述混合干料与水混合均匀，得到混合浆料；S4.将所述混合浆料压制成型，得到坯体；S5.所述坯体经养护处理，即得；本发明的免烧砖无需额外添加水泥，能够大量消纳脱硫石膏和建筑垃圾，强度高，具有良好的抗裂性能和耐水性能；此外，该免烧砖的制备工艺简单、成本低，适合工业生产。

Description

基于脱硫石膏和建筑垃圾的免烧砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体是基于脱硫石膏和建筑垃圾的免烧砖及其制备方法。

背景技术

脱硫石膏是燃煤电厂烟气脱硫技术排放的工业固体废弃物，其主要成分为CaSO₄·2H₂O。脱硫石膏具有与天然石膏相似的物理和化学特性，可以作为胶凝材料用于建筑和建材等工业领域。建筑垃圾是城市建设过程中产生的渣土、废旧混凝土和废旧砖石等废弃物。建筑垃圾中较为坚硬的无机组分再生利用时，可以替代天然砂石作为地砖、墙砖、混凝土、砂浆等建材制品的骨料。脱硫石膏和建筑垃圾等大宗工业固体废弃物的资源化、规模化综合利用，是“十四五”期间的重要任务之一。免烧砖是一种利用各类尾矿和工业废渣等生产的新型墙体材料，其应用广泛，属于全免增值税的建材制品。利用脱硫石膏和建筑垃圾等大宗工业固体废弃物制备免烧砖，不仅可以大规模消耗废弃资源，而且可以实现免烧砖的低成本制备，同时会产生可观的社会、经济和环境效益。

对此，中国专利文献CN202011106098.0，申请日20201016，名称为：一种高强度复合免烧砖的制备方法，公开了将脱硫石膏制备为石膏晶须作为补强材料(约占固体原材料的4％)，将水泥作为胶凝材料(约占固体原材料的40％)，采用黄沙天然骨料，添加玄武岩纤维提高韧性和抗疲劳性能，最后将原材料在高压(25～27MPa)下压制成型所得到的免烧砖。

中国专利文献CN201810116946.2，申请日20180713，名称为：一种用建筑垃圾微粉-再生砂制备的环保砖及其制备方法，公开了添加建筑垃圾微粉和建筑垃圾再生砂以消纳建筑垃圾，同时添加水泥(约占固体原材料的10％)与少量脱硫石膏(约占固体原材料的10％)作为胶凝材料，最后将原材料在高压(15～20MPa)下压制成型后，进行蒸压养护(在160～190℃、0.5～1.2MPa的条件下蒸养12～18h)所得到的免烧砖。

然而，上述专利文献所公开的免烧砖仍然存在以下缺点：

1.脱硫石膏的利用率较低，需要额外添加水泥等辅助胶凝材料；

2.成型压力偏大，对设备要求较高，低生产能耗与高产品性能难以同时得到保证；

3.由于脱硫石膏的吸湿性较强，导致以脱硫石膏为主要原材料的建材制品耐水性较差，长期应用于潮湿环境容易导致强度下降；

4.虽然添加玄武岩纤维可以提高免烧砖的抗裂性能，但由于玄武岩纤维表面光滑，与其它原材料的粘合性较弱，从而削弱了其在免烧砖中的增强效果。

因此，我们亟需一种无需额外添加水泥，能够大量消纳脱硫石膏和建筑垃圾，并且强度高、抗裂性能和耐水性能良好、制备工艺简单以及成本低的免烧砖。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，提供一种基于脱硫石膏和建筑垃圾的免烧砖，达到了使其在无需额外添加水泥的条件下，不仅能够大量消纳脱硫石膏和建筑垃圾，而且能够提高抗裂性能和耐水性能，并且强度高的效果。

需要注意的是，水泥作为传统的胶凝材料，通常用在混凝土、砂浆和免烧砖等的制备过程中，主要起到胶结其它物料和产生一定机械强度的作用。水泥虽然胶结性能非常好，但是经济性不强，随着我国大力倡导发展循环经济、节能环保、治污减排等，同样具有胶凝性能的大宗工业固体废弃物(比如脱硫石膏、钢渣等)被用来部分替代水泥，用于混凝土、砂浆、免烧砖等建材的制备，这样既可降低生产成本又可治理环境污染。但由于这些固体废弃物的来源较为复杂，存在含有影响材料胶凝性能的杂质或者本身的胶凝性能需要激发剂激发才能得到发挥(活性较弱)等问题，导致其胶凝性能相比于水泥较弱。因此现有技术中为了保证免烧砖等产品的强度，仍需要额外添加一定量水泥作为辅助。

由此可知，本发明为了实现上述目的，需要克服的技术壁垒至少有：

1.在不添加水泥的条件下，大掺量固体废弃物的免烧砖强度难以保证；

2.脱硫石膏免烧砖的耐水性不好，长期受水侵蚀容易物料剥落、结构松散；

3.在不添加水泥的条件下，脱硫石膏和建筑垃圾综合作用时的抗裂性能不好，现有技术中的大量研究均未考虑砖坯的抗裂性，虽然也有研究通过添加纤维以改善抗裂性，但玄武岩纤维的表面光滑，与其它原材料的粘合性并不好，从而削弱了其在免烧砖中的增强效果。

上述目的是通过以下技术方案来实现的：基于脱硫石膏和建筑垃圾的免烧砖，按重量份计，所述免烧砖的原料包括脱水脱硫石膏70～90份、建筑垃圾5～25份、改性玄武岩纤维2～5份、有机硅防水剂0.1～0.5份和水15～25份。

在某些实施方案中，所述脱水脱硫石膏是脱硫石膏经脱水处理制得的半水石膏。

在某些实施方案中，所述脱水处理的温度为120～150℃，时间为1～2h。

在某些实施方案中，所述建筑垃圾包括混凝土、沙子和瓦片。

在某些实施方案中，所述建筑垃圾为细骨料。

在某些实施方案中，所述改性玄武岩纤维的制备方法，是将玄武岩纤维置于盐酸溶液中浸泡1～2h，洗涤，再置于硅烷偶联剂中浸泡1～2h，经干燥处理，即得。

在某些实施方案中，所述玄武岩纤维是长度为2～5mm的短切纤维。

在某些实施方案中，所述盐酸溶液的质量浓度为37％。

在某些实施方案中，所述硅烷偶联剂的质量浓度为2％。

本发明的目的之二在于提供制备上述免烧砖的方法，以至少达到制备工艺简单、成本低，适合工业生产的效果。

上述目的是通过以下技术方案来实现的：制备上述免烧砖的方法，包括以下步骤：

S1.按配比称取所述脱水脱硫石膏、建筑垃圾、改性玄武岩纤维、有机硅防水剂和水；

S2.将所述脱水脱硫石膏、建筑垃圾、改性玄武岩纤维与有机硅防水剂混合均匀，得到混合干料；

S3.将所述混合干料与水混合均匀，得到混合浆料；

S4.将所述混合浆料压制成型，得到坯体；

S5.所述坯体经养护处理，即得。

在某些实施方案中，S4中，所述压制成型的成型压力为10～15MPa，保压时间为10～60s。

在某些实施方案中，S5中，所述养护处理，是先将所述坯体置于混凝土标准箱中养护，脱模后再进行自然养护。

在某些实施方案中，所述混凝土标准箱中养护的时间为12～48h。

在某些实施方案中，所述混凝土标准箱中养护的温度为18～22℃，湿度为≥95％。

在某些实施方案中，所述自然养护的时间为≥7d。

在本发明中，所述脱硫石膏(二水石膏)经脱水处理，使得CaSO₄·2H₂O转化为CaSO₄·0.5H₂O，其在砖坯制备过程中发生水化反应，重新生成CaSO₄·2H₂O(重结晶)，过程中二水石膏晶体逐渐生长并形成相互交联的结晶结构网，从而赋予了所述免烧砖极高的机械强度；同时，CaSO₄·0.5H₂O在水化过程中能够粘结所述建筑垃圾、改性玄武岩纤维和有机硅防水剂，从而使免烧砖形成稳定结构。此外，玄武岩纤维为新型无机环保绿色纤维材料，与脱硫石膏和建筑垃圾两种无机原材料具有良好的亲和性，具有高断裂强度和优良的耐化学性，而本发明通过对玄武岩纤维进一步改性，增加了表面粗糙度，提高了表面能，可增强与脱硫石膏和建筑垃圾之间的粘合性，从而提高了免烧砖的抗裂性能；同时，本发明通过添加有机硅防水剂，提高了免烧砖的耐水性能。

需要注意的是，所述脱硫石膏的胶结特性必须经过CaSO₄·0.5H₂O向CaSO₄·2H₂O的转化过程才能形成空间网络晶体结构，从而提供强度来源。对于未经脱水的脱硫石膏，其晶体结构为独立的块状，而非相互交织的网络结构，将其直接用于免烧砖制备，其本质发挥的仅是填料的作用，仍需要添加额外的胶凝材料。

需要另外指出的是，所述免烧砖中水的添加量不宜过多，否则在制备所述混合浆料的过程中，脱水脱硫石膏会在砖坯压制为密实结构前全部转化为CaSO₄·2H₂O(脱水脱硫石膏的水化速度很快，只有几分钟)，这将使其和未经脱水处理的脱硫石膏一样仅仅起到填料的作用。然而，本发明通过对所述免烧砖中水的配比进行限定，使得制备所述混合浆料的过程中，一部分的CaSO₄·0.5H₂O转化为了CaSO₄·2H₂O，另一部分CaSO₄·0.5H₂O在所述坯体置于混凝土标准箱(湿度≥95％)中养护的过程中发生向CaSO₄·2H₂O的转化，即在砖坯压制成型后，逐步发展形成CaSO₄·2H₂O的相互交织三维网络晶体结构，从而赋予了所述免烧砖机械强度和结构稳定性(胶结其余物料)。

应当理解的是，虽然中国专利文献CN202011106098.0中的免烧砖同样具有极高的强度，但其中水泥的用量很高，约占固体原料的40％，因此水泥对其产品抗压强度的贡献非常大。同时，根据发明人前期的实验结果，免烧砖的抗压强度随成型压力(压制时的压强)的变化趋势为：随着成型压力的增大，免烧砖的抗压强度首先快速提高，然后增加趋势趋于平缓，即免烧砖的抗压强度随着成型压力的增大一直是逐步增加的。由此可知，上述专利文献中成型压力高达25～27MPa，其必然也对抗压强度的提高起到了积极的促进作用。因此，可以推断，若是去掉上述专利文献的免烧砖中的水泥，并且降低成型压力，其产品的强度必然显著降低。

需要注意的是，本发明中的“和/或”是指，通过“和/或”连接的前后两个技术特征既可以为并列关系，也可以为择一选用关系。例如，“A和/或B”包含“A”、“B”和“A+B”三种情况。

本发明的有益效果是：

1.本发明的脱硫石膏属于无机胶凝材料，通过脱水处理以及混合浆料制备过程的水化反应逐渐生长并形成相互交联的结晶结构网，赋予了免烧砖极高的机械强度，同时其在水化过程中粘结建筑垃圾、改性玄武岩纤维和有机硅防水剂，使免烧砖形成了稳定结构，最终使其充分发挥了胶凝属性，使得免烧砖中无需额外添加水泥等常规高成本的胶凝材料。

2.本发明的建筑垃圾作为骨料，能够在免烧砖中起到骨架和抵抗变形的作用。

3.本发明的改性玄武岩纤维能够有效预防裂缝的出现和扩展，提高免烧砖的抗裂性能。

4.本发明的有机硅防水剂分散性强、与水和易性好，低掺量即可表现出良好的防水效果。

5.本发明提供了一种脱硫石膏和建筑垃圾的高价值处理方式，脱水脱硫石膏和建筑垃圾在免烧砖固体原料中的比重约占95％，尤其是脱水脱硫石膏的占比可高至90％，在减少固废堆存和环境污染的同时，实现固废的资源化利用，有效降低生产成本，兼具良好的社会效益、环境效益和经济效益。

6.本发明免烧砖的制备工艺简单、可操作性强、生产能耗低，适合工业大规模生产，并且整个工艺步骤对设备要求低、工艺条件温和、易于生产作业。

7.本发明的免烧砖抗压强度高、抗裂性能优、耐水性能好，符合《非烧结垃圾尾矿砖》JC/T422-2007最高标准等级MU25的质量要求，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的实施例1～7中制备所述免烧砖的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1

1.基于脱硫石膏和建筑垃圾的免烧砖，按重量份计，其原料包括脱水脱硫石膏80份、建筑垃圾16.2份、改性玄武岩纤维3.5份、有机硅防水剂0.3份和水20份。

其中，脱水脱硫石膏是脱硫石膏在150℃下脱水1h制得的半水石膏；建筑垃圾是由混凝土、沙子和瓦片等加工而成的细骨料；

改性玄武岩纤维的制备方法，是将玄武岩纤维(长度为2～5mm的短切纤维)置于37wt％的盐酸溶液中浸泡1h，以对其进行活化，再置于2wt％的硅烷偶联剂中浸泡1h，干燥后去除表面多余的硅烷偶联剂，即得。

2.制备上述免烧砖的方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1.按配比称取脱水脱硫石膏、建筑垃圾、改性玄武岩纤维、有机硅防水剂和水；

S2.将脱水脱硫石膏、建筑垃圾、改性玄武岩纤维与有机硅防水剂混合均匀，得到混合干料；

S3.将混合干料与水混合均匀，得到混合浆料；

S4.将混合浆料置于模具中压制成型，成型压力为12MPa，保压时间为30s，得到第一坯体；

S5.将第一坯体置于混凝土标准箱中养护24h，得到第二坯体；

S6.将第二坯体自然养护7d，即得。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于免烧砖的原料中各组分的含量不同：按重量份计，包括脱水脱硫石膏70份、建筑垃圾24.9份、改性玄武岩纤维5份、有机硅防水剂0.1份和水15份。

实施例3

实施例3与实施例1的区别在于免烧砖的原料中各组分的含量不同：按重量份计，包括脱水脱硫石膏90份、建筑垃圾7.5份、改性玄武岩纤维2份、有机硅防水剂0.5份和水25份。

实施例4

实施例4与实施例1的区别在于免烧砖的制备方法中压制成型的成型压力不同：成型压力为10MPa。

实施例5

实施例5与实施例1的区别在于免烧砖的制备方法中压制成型的成型压力不同：成型压力为15MPa。

实施例6

实施例6与实施例1的区别在于免烧砖的制备方法中压制成型的保压时间不同：保压时间为10s。

实施例7

实施例7与实施例1的区别在于免烧砖的制备方法中压制成型的保压时间不同：保压时间为60s。

对照例1

对照例1与实施例7的区别在于免烧砖中的玄武岩纤维未经改性处理。

对照例2

对照例2与实施例7的区别在于免烧砖中不含改性玄武岩纤维。

对照例3

对照例3与实施例7的区别在于免烧砖中不含有机硅防水剂。

性能检测试验

按照《砌墙砖试验方法》GB/T 2542-2012，将实施例1～7和对照例1～3的免烧砖进行抗压强度、抗折强度和常温浸水吸水率测试，以分别表征免烧砖的抗压、抗裂和耐水性能。

结果如下表所示：

由上表可知：

实施例1～7的免烧砖性能指标均符合《非烧结垃圾尾矿砖》JC/T422-2007最高标准等级MU25的质量要求，免烧砖具有良好的抗压、抗裂和耐水性能，适宜工业化生产。

对比实施例1、实施例2和实施例3，各组分存在最优配比，某一组分占比太高或太低均会限制免烧砖的强度。

对比实施例1、实施例4和实施例5，成型压力增大，免烧砖抗压强度、抗折强度增加，吸水率下降，表明免烧砖的抗压、抗裂和耐水性能提高。

对比实施例5、实施例6和实施例7，保压时间延长，免烧砖抗压强度、抗折强度增加，吸水率下降，表明免烧砖的抗压、抗裂和耐水性能提高。

结合实施例7和对照例1能够看出，对照例1中玄武岩纤维未经改性，其抗折强度低于实施例7。这说明，玄武岩纤维经改性处理，由于纤维表面的粗糙度增加，可增强纤维与其它原材料的粘合性，免烧砖的抗裂性能更优。

结合实施例7和对照例2能够看出，对照例2中未加入改性玄武岩纤维和未经改性的玄武岩纤维，其抗折强度低于实施例7；同时，结合对照例2和对照例1可以看出，对照例2抗折强度低于对照例1。这说明，由于玄武岩纤维可以有效预防免烧砖裂缝的出现和扩展，添加纤维后免烧砖的抗裂性能更优。

结合实施例7和对照例3能够看出，对照例3中未加入有机硅防水剂，其吸水率高于实施例7。这说明，防水剂的加入可以明显改善免烧砖的耐水性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.基于脱硫石膏和建筑垃圾的免烧砖，其特征在于，按重量份计，所述免烧砖的原料包括脱水脱硫石膏70～90份、建筑垃圾5～25份、改性玄武岩纤维2～5份、有机硅防水剂0.1～0.5份和水15～25份。

2.根据权利要求1所述的免烧砖，其特征在于，所述脱水脱硫石膏是脱硫石膏经脱水处理制得的半水石膏。

3.根据权利要求2所述的免烧砖，其特征在于，所述脱水处理的温度为120～150℃，时间为1～2h。

4.根据权利要求1所述的免烧砖，其特征在于，所述建筑垃圾包括混凝土、沙子和瓦片，和/或，所述建筑垃圾为细骨料。

5.根据权利要求1所述的免烧砖，其特征在于，所述改性玄武岩纤维的制备方法，是将玄武岩纤维置于盐酸溶液中浸泡1～2h，洗涤，再置于硅烷偶联剂中浸泡1～2h，经干燥处理，即得。

6.根据权利要求5所述的免烧砖，其特征在于，所述玄武岩纤维是长度为2～5mm的短切纤维，和/或，所述盐酸溶液的质量浓度为37％，和/或，所述硅烷偶联剂的质量浓度2％。

7.制备权利要求1～6任一项所述的免烧砖的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S3.将所述混合干料与水混合均匀，得到混合浆料；

S4.将所述混合浆料压制成型，得到坯体；

S5.所述坯体经养护处理，即得。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，S4中，所述压制成型的成型压力为10～15MPa，保压时间为10～60s。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，S5中，所述养护处理，是先将所述坯体置于混凝土标准箱中养护，脱模后再进行自然养护。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，S5中，所述混凝土标准箱中养护的时间为12～48h，和/或，所述自然养护的时间为≥7d。