CN113087457A - 利用煤渣为原料的泡沫轻质土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用煤渣为原料的泡沫轻质土及其制备方法，其原料组成包括：煤渣400～1000份、水泥200～500份、复合掺和料10～50份、泡沫群15～50份以及水100～300份。本发明的配方和方法可在泡沫轻质土中掺入一定量的火电厂燃弃煤渣，不仅节约了原材料的成本同时还缓解了对环境的污染。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料领域，涉及到工业固体废弃物的再利用，具体为利用火力发电厂燃弃煤渣制备的泡沫轻质土及其制备方法。
背景技术
泡沫轻质土是一种将由物理发泡方法生成的泡沫群或者化学发泡剂与胶凝材料等按照特定比例混合均匀，经自然养护而形成的一种内含大量封闭气孔的轻质材料。由于其具有质量轻、抗压强度高、密度可调节、整体性好、高流动性、耐久性好、保温隔热以及良好的施工性等特点，常被作为工程填充材料、代替常规填土、保温材料等应用于道路及建筑保温领域。如桥台台背回填、道路加宽、陡坡路堤、滑坡路基、软土路基减荷、地下结构物减荷、隧道空洞注浆和冻土路基保温隔热等工程。
目前泡沫轻质土的制备多使用水泥为主要材料，具有较高的生产成本，较大的潜在热工能耗。煤渣是燃煤电厂排出的废渣，其活性主要来于煤渣中玻璃体所含活性SiO2、Al2O3等，由于煤渣的颗粒细度及表面形态对水化反应的负面影响，其制备的建材强度低、容易引起吸湿膨胀开裂，因而限制了其大范围的推广，大量的煤渣露天堆放，不仅危害环境，还占用了大量的土地。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用煤渣为原料的泡沫轻质土及其制备方法，该配方和方法可在泡沫轻质土中掺入一定量的火电厂燃弃煤渣，不仅节约了原材料的成本同时还缓解了对环境的污染。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种利用煤渣为原料的泡沫轻质土，其原料组成包括：煤渣400～1000份、水泥200～500份、复合掺和料10～50份、泡沫群15～50份以及水100～300份。
优选的是，所述煤渣为火电厂工业废渣，密度700～900kg/m3，组成成分包括比例为(40～50):(30～35):(4～20):(1～5)的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO；所述煤渣已经过筛及细化处理，粒径不大于5mm。
优选的是，所述泡沫群使用复合发泡剂，所述复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成；
其中，发泡剂为小憎水基团类表面活性剂，活性物不低于86％；稳泡剂复合物为20％～50％大分子物质增粘剂与50％～80％表面活性剂类稳泡剂复合形成。发泡剂可以是十二烷基硫酸钠，活性物不低于86％，但不限于此。稳泡剂为20％～50％羧甲基纤维素钠、50％～80％十二醇，羧甲基纤维素钠与十二醇纯度均不低于90％，但不限于此。
优选的是，所述泡沫群的泡沫孔结构的圆度为1.2～1.8，平均Feret直径为0.1～0.45mm；
其中，平均Feret直径在0.1mm～0.3mm之间的泡沫占总数的80±5％，平均Feret直径在0.3mm～0.45mm之间的泡沫占总数的20±5％。
优选的是，泡沫群密度在0.03～0.05g/mL，发泡倍数为15～30倍，半衰期为180～270min，1h沉降距为10～35mm，1h泌水率为25％～50％。
优选的是，所述复合掺和料为聚丙烯短纤维、纤维素、水泥早强剂中的至少一种。
优选的是，煤渣、水泥、复合掺和料和水形成的浆料在未加入泡沫群时，浆料的流动度在160～220mm，剪切速率为10s-1时，粘度在5～10Pa·s。
本发明还提供了一种泡沫轻质土的制备方法，包括以下步骤：
S1、煤渣细化处理：将煤渣过筛投入破碎机，分离出较大块状固体并对煤渣中可能含有的一般块状固体进行破碎磨粉，细化后的煤渣留取备用；
S2、料浆制备：将水泥、复合掺和料按照比例投入一级搅拌锅，以60～80r/min的转速搅拌30～60s，待水泥和复合掺和料混合均匀后，将水分成两份，向混合料中加入一份水继续搅拌1～2min，随后加入S1中所述细化处理后的煤渣和剩余一份水，搅拌2～3min，确保料浆均匀、无沉积后，将料浆经排料管排向二级搅拌锅；
S3、泡沫群制备：将复合发泡剂与水混合，对发泡剂进行合理稀释，随后向复合发泡剂中加入压缩空气，通过发泡装置制得细密、稳定的泡沫群接入一级搅拌锅的输出管；
S4、混合搅拌：S2中所述一、二级搅拌锅之间的排料管与泡沫输出管连接，料浆由一级搅拌锅通过排料管向二级搅拌锅传输过程中，通过排料管上的泡沫输出管道使泡沫群与料浆初步混合，同步投入二级搅拌锅进一步混合搅拌，确保泡沫群分布均匀，且料浆无沉积；
S5、浇筑养护：泡沫群和料浆混合工作完成后，通过泵送机与管道将泡沫轻质土泵送至浇筑区域进行浇筑，浇筑时尽可能保持出料口水平并贴近浇筑面，并同时进行人工找平，浇筑完成后覆盖薄膜进行养护。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明利用泡沫轻质土本身具有多孔的结构特点，大量封闭孔的存在可以阻碍水分由表层到内部的扩散，气孔所占体积也可以给煤渣膨胀提供足够的缓冲空间，对煤渣的吸湿膨胀有很好的兼容性，采用机械活化的方法，通过改变煤渣的颗粒细度、增大接触反应面积来提升煤渣的活性，将煤渣作为矿物掺合料应用于泡沫轻质土具有显著的成效，不仅减少了水泥用量节约了原材料的成本，使其更适用于大规模回填或填充工程，并有效的解决了当地工业废渣再利用的问题，节约了自然资源，保护了生态环境。
2、与其他废渣泡沫轻质土相比，本发明中的泡沫轻质土改善了大体积浇筑时常见的消泡、泌水离析等现象，使其气孔细腻且分布均匀，具有较好的力学性能、保温性能，对工程环境具有更好的兼容性。
3、本配方中煤渣密度在700～900kg/m3，相比其他细集料重量更轻、颗粒更小，可以提供更高的浇筑高度和更远的泵送距离而不产生沉降离析，制备的料浆也更均匀。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明利用煤渣为原料的泡沫轻质土制备方法的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
利用煤渣为原材料的泡沫轻质土配方为：煤渣700份、水泥300份、复合掺和料15份、泡沫群25份以及水160份。
实施例1中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；煤渣为火电厂工业废渣，密度850kg/m3，组成成分包括比例为45:30:9:4的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。复合掺合料采用聚丙烯短纤维；复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成，发泡剂为十二烷基硫酸钠，活性物不低于86％；稳泡剂为50wt％羧甲基纤维素钠和50wt％十二醇，羧甲基纤维素钠与十二醇纯度均不低于90％。
一种利用煤渣为原材料的泡沫轻质土，如图1所示，包括以下步骤：
S1、将煤渣过筛后投入破碎机，剔除煤渣中可能含有的大粒径块状固体，细化后的煤渣留取备用，粒径不大于5mm。
S2、称取水泥300份、复合掺和料15份投入一级搅拌锅，以80r/min的转速搅拌60s，待水泥和复合掺和料混合均匀后。向混合料内加80份水继续搅拌2min，随后加入700份S1中所述细化处理后的煤渣和80份水搅拌3min，确保料浆均匀、无沉积后，将料浆经排料管排向二级搅拌锅。
S3、取0.5份复合发泡剂以1:50的比例与水混合，对发泡剂进行稀释。随后向发泡剂加入压缩空气，通过发泡装置制得细密、稳定的泡沫群。
对泡沫群宏观性能进行测试，水和压缩空气的加入量需要确保泡沫群密度在0.0300～0.0500g/ml，发泡倍数为15～30倍，半衰期为180～270min，1h沉降距为10～35mm，1h泌水率为25％～50％。
所述泡沫群的泡沫孔结构的圆度为1.2～1.8，平均Feret直径为0.1～0.45mm；
其中，平均Feret直径在0.1mm～0.3mm之间的泡沫占总数的80±5％，平均Feret直径在0.3mm～0.45mm之间的泡沫占总数的20±5％。
S4、S2中所述一、二级搅拌锅之间的排料管与泡沫输出管连接，料浆由一级搅拌锅通过排料管向二级搅拌锅传输过程中，通过排料管上的泡沫输出管道使泡沫群与料浆初步混合，同步投入二级搅拌锅进一步混合搅拌，确保泡沫群分布均匀，且料浆无沉积，最终测得泡沫轻质土容重为1231kg/m3。
S5、浇筑养护，泡沫群和料浆混合工作完成后，通过泵送机与管道将泡沫轻质土泵送至浇筑区域进行浇筑。浇筑时尽可能保持出料口水平并贴近浇筑面，并同时进行人工找平，浇筑完成后覆盖薄膜进行养护。
实施例2
利用煤渣为原材料的泡沫轻质土配方为：煤渣600份、水泥300份、复合掺和料15份、泡沫群25份以及水160份。
实施例2中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；煤渣为火电厂工业废渣，密度850kg/m3，组成成分包括比例为45:30:9:4的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。复合掺合料采用聚丙烯短纤维；复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成，发泡剂为十二烷基硫酸钠，活性物不低于86％；稳泡剂为50wt％羧甲基纤维素钠和50wt％十二醇，羧甲基纤维素钠与十二醇纯度均不低于90％。
实施例2中泡沫轻质土的制备方法同实施例1，最终制备的泡沫轻质土容重为1112kg/m3。
实施例3
利用煤渣为原材料的泡沫轻质土配方为：煤渣500份、水泥300份、复合掺和料15份、泡沫群25份以及水160份。
实施例3中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；煤渣为火电厂工业废渣，密度850kg/m3，组成成分包括比例为45:30:9:4的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。复合掺合料采用聚丙烯短纤维；复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成，发泡剂为十二烷基硫酸钠，活性物不低于86％；稳泡剂为50wt％羧甲基纤维素钠和50wt％十二醇，羧甲基纤维素钠与十二醇纯度均不低于90％。
实施例3中泡沫轻质土的制备方法同实施例1，最终制备的泡沫轻质土容重为1006kg/m3。
实施例4
利用煤渣为原材料的泡沫轻质土配方为：煤渣400份、水泥300份、复合掺和料15份、泡沫群25份以及水150份。
实施例4中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；煤渣为火电厂工业废渣，密度850kg/m3，组成成分包括比例为45:30:9:4的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。复合掺合料采用聚丙烯短纤维；复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成，发泡剂为十二烷基硫酸钠，活性物不低于86％；稳泡剂为50wt％羧甲基纤维素钠和50wt％十二醇，羧甲基纤维素钠与十二醇纯度均不低于90％。
实施例4中泡沫轻质土制备方法同实施例1，最终制备的泡沫轻质土容重为897kg/m3。
对比例1
其与实施例1的配方相同，制备方法相同，区别点在于煤渣粒径为6～7mm。
对比例2
其与实施例1的配方相同，制备方法相同，区别点在于煤渣粒径为7～8mm。
对比例3
其与实施例1的配方相同，制备方法相同，区别点在于煤渣粒径为7～10mm。
对比例4
利用煤渣为原材料的泡沫轻质土配方为：煤渣500份、42.5普通硅酸盐水泥500份、复合掺和料15份、泡沫群25份以及水160份。煤渣粒径为7～10mm。
对比例4中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；煤渣为火电厂工业废渣，密度850kg/m3，组成成分包括比例为45:30:9:4的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。复合掺合料采用聚丙烯短纤维；复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成，发泡剂为十二烷基硫酸钠，活性物不低于86％；稳泡剂为50wt％羧甲基纤维素钠和50wt％十二醇，羧甲基纤维素钠与十二醇纯度均不低于90％。
泡沫轻质土制备方法同实施例1。
对比例5
利用煤渣为原材料的泡沫轻质土配方为：煤渣300份、42.5普通硅酸盐水泥700份、复合掺和料15份、泡沫群25份以及水160份。煤渣粒径为7～10mm。
对比例5中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；煤渣为火电厂工业废渣，密度850kg/m3，组成成分包括比例为45:30:9:4的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。复合掺合料采用聚丙烯短纤维；复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成，发泡剂为十二烷基硫酸钠，活性物不低于86％；稳泡剂为50wt％羧甲基纤维素钠和50wt％十二醇，羧甲基纤维素钠与十二醇纯度均不低于90％。
对比例6
利用煤渣为原材料的泡沫轻质土配方为：煤渣100份、42.5普通硅酸盐水泥900份、复合掺和料15份、泡沫群25份以及水160份。煤渣粒径为7～10mm。
对比例6中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥；煤渣为火电厂工业废渣，密度850kg/m3，组成成分包括比例为45:30:9:4的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO。复合掺合料采用聚丙烯短纤维；复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成，发泡剂为十二烷基硫酸钠，活性物不低于86％；稳泡剂为50wt％羧甲基纤维素钠和50wt％十二醇，羧甲基纤维素钠与十二醇纯度均不低于90％。
性能检测
按照实施例1-4、对比例1～6的方法各制备标准试样，并按照以下方法检测试块性能，检测结果如表1所示。
1、干密度：按照JC/T266-2011《泡沫混凝土》标准试块的干密度测试；
2、吸水率：按照GB/T 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》标准试块的吸水率测试；
3、抗压强度：按照GB/T 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》标准试块的抗压强度测试方法对7天、28天抗压强度测试；
4、孔结构参数：沿试块竖直截面切开，用砂纸打磨并用毛刷清理孔截面，用光学显微镜拍摄截面图，随后将截面图导入Image Pro Plus图像分析软件，进行二值化处理，校正标尺后对平均Feret孔径、圆度、孔隙率等进行分析。
表1实施例1-5制得的泡沫轻质土标准试块性能测试结果
通过表1的测试结果可以看出，将煤渣粒度控制在5mm以下时，通过调节煤渣用量，制备不同密度等级的泡沫轻质土，均具有良好的性能，能够满足常用领域的一般要求，随着煤渣与水泥的配比逐渐增大，轻质土各方面的性能稳步提高。在不改变配方以及煤渣和水泥配比，将泡沫轻质土的湿密度统一调整为1200kg/m3的情况下，将煤渣粒度在6～10mm范围调节时，可以看到泡沫轻质土的各方面的性能都显著降低。在煤渣粒度较高的情况下，通过调整煤渣和水泥的配比，提高水泥的用量，才能提高泡沫轻质土整体的性能。
通过上述实施例可知，本发明制备的煤渣泡沫轻质土其密度为900～1200kg/m3，28d抗压强度2.2～3.9MPa，且成本低，具有良好的施工性能及力学性能，适用于各种工程填筑材料。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (8)
1.一种利用煤渣为原料的泡沫轻质土，其特征在于，其原料组成包括：煤渣400～1000份、水泥200～500份、复合掺和料10～50份、泡沫群15～50份以及水100～300份。
2.如权利要求1所述的利用煤渣为原料的泡沫轻质土，其特征在于，所述煤渣为火电厂工业废渣，密度700～900kg/m3，组成成分包括比例为(40～50):(30～35):(4～20):(1～5)的SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO；所述煤渣已经过筛及细化处理，粒径不大于5mm。
3.如权利要求1所述的利用煤渣为原料的泡沫轻质土，其特征在于，所述泡沫群使用复合发泡剂，所述复合发泡剂由发泡剂和稳泡剂复合物组成；
其中，发泡剂为小憎水基团类表面活性剂，活性物不低于86％；稳泡剂复合物为20％～50％大分子物质增粘剂与50％～80％表面活性剂类稳泡剂复合形成。
4.如权利要求1所述的利用煤渣为原料的泡沫轻质土，其特征在于，所述泡沫群的泡沫孔结构的圆度为1.2～1.8，平均Feret直径为0.1～0.45mm；
其中，平均Feret直径在0.1mm～0.3mm之间的泡沫占总数的80±5％，平均Feret直径在0.3mm～0.45mm之间的泡沫占总数的20±5％。
5.如权利要求1或4所述的利用煤渣为原料的泡沫轻质土，其特征在于，泡沫群密度在0.03～0.05g/mL，发泡倍数为15～30倍，半衰期为180～270min，1h沉降距为10～35mm，1h泌水率为25％～50％。
6.如权利要求1所述的利用煤渣为原料的泡沫轻质土，其特征在于，所述复合掺和料为聚丙烯短纤维、纤维素、水泥早强剂中的至少一种。
7.如权利要求1所述的利用煤渣为原料的泡沫轻质土，其特征在于，煤渣、水泥、复合掺和料和水形成的浆料在未加入泡沫群时，浆料的流动度在160～220mm，剪切速率为10s-1时，粘度在5～10Pa·s。
8.一种如权利要求1～7任一所述的泡沫轻质土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、煤渣细化处理；
S2、料浆制备：将水泥、复合掺和料按照比例投入一级搅拌锅，以60～80r/min的转速搅拌30～60s，待水泥和复合掺和料混合均匀后，将水分成两份，向混合料中加入一份水继续搅拌1～2min，随后加入S1中所述细化处理后的煤渣和剩余一份水，搅拌2～3min，确保料浆均匀、无沉积后，将料浆经排料管排向二级搅拌锅；
S3、泡沫群制备：将复合发泡剂与水混合，对发泡剂进行合理稀释，随后向复合发泡剂中加入压缩空气，通过发泡装置制得细密、稳定的泡沫群接入一级搅拌锅的输出管；
S4、混合搅拌：S2中所述一、二级搅拌锅之间的排料管与泡沫输出管连接，料浆由一级搅拌锅通过排料管向二级搅拌锅传输过程中，通过排料管上的泡沫输出管道使泡沫群与料浆初步混合，同步投入二级搅拌锅进一步混合搅拌，确保泡沫群分布均匀，且料浆无沉积；
S5、浇筑养护：泡沫群和料浆混合工作完成后，通过泵送机与管道将泡沫轻质土泵送至浇筑区域进行浇筑，浇筑时尽可能保持出料口水平并贴近浇筑面，并同时进行人工找平，浇筑完成后覆盖薄膜进行养护。
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