CN113788659B - 一种建筑砂浆及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种建筑砂浆及其制备方法。所述制备方法可包括以下步骤：按照质量比65～90：10～35：0～2，将硅酸镁活性粉体、胶凝材料和助剂混合均匀，得到混合胶凝材料；按照质量比45～60：15～40：0～15：0～1：15～35，将混合胶凝材料、硅酸镁砂、建筑用砂、增强纤维与水混合均匀，得到建筑砂浆。所述建筑砂浆包括按照上述方法制备出的产品。本发明可有效节约钙质胶凝材料如水泥和石灰的用量，减少碳排放量，减少环境污染；采用硅酸镁砂代替部分或全部建筑用砂，节约天然砂资源，缓解天然砂的供求矛盾，拓展建筑用砂来源；过煅烧将硅酸镁砂中的蛇纹石相转变为橄榄石和顽火辉石为主的晶相，实现了转相解毒，降低了对环境的不良影响。

Description

一种建筑砂浆及其制备方法
技术领域
本发明涉及能源处理利用领域，具体的，涉及一种建筑砂浆及其制备方法。
背景技术
建筑砂浆是将砖、石、砌块等砌筑块体材料粘结为整体的砂浆。是由无机胶凝材料、细集料和水按一定的比例配制而成，有时也掺入适量掺合料，以抗压强度作为主要技术性能指标。建筑砂浆根据胶凝材料分类：可分为水泥砂浆、石灰砂浆、混合砂浆。混合砂浆又可分为：水泥石灰砂浆、水泥粘土砂浆、石灰粘土砂浆、石灰粉煤灰砂浆等。目前最常用的是水泥砂浆和水泥石灰混合砂浆。无论水泥类砂浆还是石灰类砂浆，其主要活性组分都是钙质胶凝材料。
无论水泥还是石灰，在生产过程中都会产生大量的CO2，在温室效应日益严重的今天，如何减少碳排量，实现碳中和，已称为国家层面需要考虑的重大问题。
此外，国内大量的含蛇纹石的固体废弃物，因缺乏有效的资源化途径，目前只能堆存处理，在占用宝贵土地资源的同时，还对周边环境具有潜在污染。
另一方面，中国城镇化建设速度加快，基本建筑材料砂石变得炙手可热，砂石价格也一路高歌猛进。天然砂石资源日渐枯竭，砂石是工程建设中最基本且不可或缺的建筑材料。随着中国城镇化建设速度加快，基础设施建设投入不断加大，砂石需求量持续增加。2018年中国砂石消费量200亿吨，占全球砂石用量的50％。与此同时，中国主要江河年输砂量呈明显下降趋势。与上世纪70年代相比，黄河输砂量已减少了89％，长江输砂量减少了68％。主要河流总入海输砂量从1955年-1968年的年均20.3亿吨降至1997年-2010年的年均5亿吨，减幅达78.5％。据水利部监测，近10年来中国主要江河代表水文站平均输砂量较多年平均年输砂量偏小约80％。其次，天然输砂量不断减少，供给缺乏根本保障，成为“无源之水”导致砂石资源越来越少。同时，由于自然资源总量限制和水电开发影响，近年来河道产砂量逐年减少，有的已近枯竭。再次，建筑废弃物资源化利用严重不足，未能形成砂石替代供应新渠道，供给结构始终没有质的改变。
全国产生的石棉尾渣达亿吨以上，但迄今仍缺乏资源化利用途径，不仅对周边环境存在潜在污染，二期也造成了资源的严重浪费，扩大砂石来源。增加资源供应。鼓励和支持综合利用废石、矿渣和尾矿等砂石土资源，实现“变废为宝”，已成为国家大力提倡和推广的产业政策。
因此，使用固体废弃物加工制作建筑材料，是解决砂石需求的重要途径，具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提高固体废物资源的利用效率。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种建筑砂浆的制备方法。
所述制备方法可包括以下步骤：按照质量比65～90：10～35：0～2，将硅酸镁活性粉体、胶凝材料和助剂混合均匀，得到混合胶凝材料；按照质量比45～60：15～40：0～15：0～1：15～35，将混合胶凝材料、硅酸镁砂、建筑用砂、增强纤维与水混合均匀，得到建筑砂浆。
进一步地，所述硅酸镁粉体可包括按照质量百分比计的以下成分：25～40％MgO，38～45％SiO2，2～6％CaO，2～15％Fe2O3，0.5～1.5％Al2O3。
进一步地，所述硅酸镁粉体的主体为非晶相硅酸镁组分，晶相占比在30％以下，晶相包括橄榄石相。
进一步地，所述硅酸镁粉体可以由以下方法制备得到：将含蛇纹石的固体废弃物进行预处理，获得第一粉粒体；煅烧第一粉粒体，获得硅酸镁活性粉体，煅烧的温度为650～850℃，煅烧时间为1.5h以下。进一步地，预处理包括破碎和粉磨；再进一步地，预处理还可包括干燥。
进一步地，所述含蛇纹石的固体废弃物可包括蛇纹岩型剥离废石、石棉尾矿和石棉尾渣中的至少一种。
进一步地，所述胶凝材料可包括水泥、石灰和熟石膏中的至少一种。
进一步地，所述助剂可包括缓凝剂、早强剂和减水剂中的至少一种。
进一步地，所述硅酸镁砂可以由以下方法制备得到：将含蛇纹石的固体废弃物进行预处理，获得第二粉粒体，所述含蛇纹石的固体废弃物包括蛇纹岩型剥离废石、石棉尾矿和石棉尾渣中的至少一种；将所第二粉粒体进行煅烧，获得硅酸镁砂，其中，煅烧温度为850℃～1200℃，煅烧时间为1.5h以下。进一步地，预处理包括破碎和粉磨；再进一步地，预处理还可包括干燥。
进一步地，硅酸镁砂主要为晶相，晶相含量为80～100％，晶相的组成主要为橄榄石和顽火辉石，还含少量透辉石和镁铁尖晶石。
进一步地，所述建筑用砂是能够用于制备常规水泥砂浆的细集料，包括但不限于河砂、海砂和岩石破碎后的机制砂。
进一步地，增强纤维是满足建筑砂浆使用要求的商用纤维，包括但不限于聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、有机纤维和植物纤维。
本发明另一方面提供了一种建筑砂浆。
所述建筑砂浆可以包括按照质量份数计的以下成分：45～60份混合胶凝材料，15～40份硅酸镁砂，0～15份建筑用砂，0～1增强纤维，15～35份水；其中，混合胶凝材料包括质量比65～90：10～35：0～2的硅酸镁活性粉体、胶凝材料和助剂。
进一步地，混合胶凝材料、硅酸镁砂、建筑用砂和增强纤维可以与上述建筑砂浆制备方法中对应的原料相同。
进一步地，硅酸镁活性粉体、胶凝材料和助剂可以与上述建筑砂浆制备方法中对应的原料相同。
本发明再一方面提供了一种建筑砂浆。
所述建筑砂浆可包括采用上述建筑砂浆的制备方法所制备出的产品。
本发明的建筑砂浆经成型养护的密度在1.9～2.3g/cm3，例如2.0、2.1、2.2g/cm3；可满足的抗压强度等级范围为M2.5～M15。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括以下中的至少一项：
(1)本发明以硅酸镁活性粉体与其他胶凝材料和助剂配制建筑砂浆用混合胶凝材料，可有效节约钙质胶凝材料如水泥和石灰的用量，对于减少碳排量，节约能耗，降低环境污染，拓展胶凝材料范围，生态环境和可持续发展，具有重要的现实意义；
(2)本发明采用硅酸镁砂代替部分或全部建筑用砂，可以节约天然砂资源，缓解天然砂的供求矛盾，保护生态、环境和自然，节约用地，变废为宝，拓展建筑用砂来源，具有积极和重要的经济、环境和社会效益；
(3)本发明通过煅烧将硅酸镁砂中的蛇纹石相转变为橄榄石和顽火辉石为主的晶相，实现了转相解毒，降低了对环境的不良影响，具有重要的环保、安全和社会效益；
(4)本发明以硅酸镁砂和硅酸镁活性粉体主体组成的建筑砂浆，改变了常规砂浆的材料组成，拓展了建筑砂浆材料的来源和范围，有助于推进国内基础设施建设，有效缓解城镇化过程中的建筑材料日益紧张的矛盾，同时有利地推动镁质胶凝材料及镁质集料的应用，积极响应了国家大力提倡和推广的固废材料资源化政策；
(5)本发明制备出的以硅酸镁砂和硅酸镁活性粉体为主体组成的建筑砂浆，除具有传统水泥砂浆性能外，还具有耐火性能好等优点，增加了砂浆的使用性能，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例详细地描述本发明的一种新型建筑砂浆及其制备方法。
示例性实施例1
一种建筑砂浆的制备方法包括如下步骤：
步骤1：将硅酸镁活性粉体与胶凝材料和助剂进行配料并搅拌均匀，获得混合胶凝材料。
硅酸镁活性粉体与胶凝材料混合后，所获得的混合胶凝材料具有复合胶凝特性，可以充分发挥胶凝材料和硅酸镁活性粉体的活性和胶凝性，其中胶凝材料的水化产物还可以对硅酸镁活性粉体形成激发作用，有效提高硅酸镁活性粉体的化学反应活性，从而提高建筑砂浆的强度，硅酸镁活性粉体除具备化学反应活性外，还有助于提高建筑砂浆的耐火性，对高层建筑等防火等级要求高的工程具有独特的优势，助剂的添加，有助于减少建筑砂浆的用水量，提高早期强度，增加建筑砂浆的和易性。
步骤2：将硅酸镁砂、建筑用砂、增强纤维、混合胶凝材料及水按比例配比并拌和均匀，获得以硅酸镁砂和硅酸镁活性粉体为主体的建筑砂浆。
其中，硅酸镁砂的加入，减少了其他砂的添加量，在有效节约天然砂等宝贵资源的同时，还可以提高建筑砂浆的耐火性能，同时添加硅酸镁砂和建筑用砂，可以充分发挥二者的性能优势，制备出满足强度和使用要求的耐火建筑砂浆，同时还可以提高建筑砂浆隔热保温性能，增强纤维的加入，可以有效提高建筑砂浆的韧性和抗裂性能，增加建筑砂浆的整体性。
在本实施例中，步骤1所述的硅酸镁活性粉体是以蛇纹岩型剥离废石、石棉尾矿和石棉尾渣中的至少一种为原料，经破碎、粉磨和煅烧处理后获得的粉体。
其中，煅烧温度可以为650～850℃，例如660、700、750、800、840℃；煅烧时间可以为5min～1.5h，例如10min、30min、50min、60min、80min等。
硅酸镁活性粉体的主要化学组成的重量百分比可以为：MgO 25～40％，SiO2 38～45％，CaO 2～6％，Fe2O3 2～15％，Al2O3 0.5～1.5％。
活性粉体主体为非晶相硅酸镁组分，仅含少量(0～30％)的晶相，晶相组分主要为橄榄石。
含蛇纹石的固体废弃物，主要成分是镁和二氧化硅，本发明的处理手段，可以转化为对环境无不良影响的活性胶凝材料，在实现消除环境安全隐患，变废为宝的同时，还可以避免资源的闲置和浪费，用其替代钙质胶凝材料，可有效减少钙质胶凝材料的碳排放，具有重要的经济、生态、环保和社会效益。
在本实施例中，硅酸镁活性粉体的粒度可以为10μm～75μm。当粒径过小时，虽然粉体活性有所增加，但不经济，当粒径超过75μm时，对硅酸镁粉体的活性影响较大，导致活性降低，综合考虑技术经济性，最佳粒径范围10μm～75μm，此范围内硅酸镁活性粉体的性价比最好。
在本实施例中，所述凝材料可包括水泥、石灰和熟石膏中的至少一种。
当胶凝材料采用硅酸盐水泥时，应满足相应的水泥标准要求。
当胶凝材料采用石灰时，无论生石灰还是消石灰，MgO+CaO含量≥90％，MgO含量≤5％，CO2≤4％，SO3含量≤2％。150μm筛通过率应为100％，且75μm筛通过率不低于90％，45μm通过率不低于55％。
当采用熟石膏时，β半水硫酸钙含量(质量分数)不应小于60％，且初凝时间应不低于10min，2h抗压强度≥6MPa，2h抗折强度≥3MPa，150μm通过率大于90％以上。
在本实施例中，所述的助剂可包括缓凝剂、早强剂和减水剂中的至少一种。助剂在使用前均应进行相应的指标测试，合格后方可使用。
在本实施例中，所述混合胶凝材料配料中各物料用量的重量百分比可以为：
硅酸镁钙活性粉体65～90％，例如66％、70％、80％、85％、89％；
胶凝材料10～35％，例如11％、15％、25％、30％、34％；
助剂0～2％，例如0.1％、0.5％、1％、1.5％、1.9％。
其中，10～35％胶凝材料可以包括：
0～15％水泥，例如1％、2％、5％、10％、14％；
0～25％石灰，例如1％、5％、10％、20％、24％；
熟石膏0～35％，例如1％、5％、10％、20％、30％、34％。
在本实施例中，所述硅酸镁砂是以蛇纹岩剥离废石、石棉尾矿和石棉尾渣中的至少一种为原料经破碎、煅烧处理后获得的机制砂。
其中，煅烧温度可以为850～1200℃，例如860、900、1000、1150、1590℃；煅烧时间可以为5min～1.5h，例如6min、25min、45min、60min、70min、84min等。
发明人发现：水化硅酸镁胶凝材料具有良好的抗压强度、低pH值(与传统硅酸盐水泥相比)等优点，以及水化产物煅烧可形成顽火辉石和橄榄石的特点。煅烧的目的是将其中的蛇纹石转变为以橄榄石和顽火辉石晶相为主。当温度低于850℃时，晶相转变缓慢且转变率低，当温度高于1200℃时，晶相已基本转变完成，再继续煅烧增加能耗的同时晶相转变率低，不经济。当时间过短时，同样会影响晶相的转变率，时间过长，能耗过高且转变率增长不明显，经济性差，综合考虑晶相转变率和经济性。因此煅烧的最佳温度范围为850～1200℃，最佳煅烧时间5min～1.5h。
煅烧后硅酸镁砂主要为晶相，晶相含量为80～100％，晶相的组成主要为橄榄石和顽火辉石，含少量透辉石和镁铁尖晶石。
在本实施例中，建筑用砂可以是能够用于制备常规水泥砂浆的细集料，例如包括河砂、海砂和岩石破碎后的机制砂中的至少一种。
在本实施例中，增强纤维可以是满足建筑砂浆使用要求的商用纤维，例如包括聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、有机纤维和植物纤维中的至少一种。
在本实施例中，步骤2中所述的按比例配比其各物料用量的重量百分比为：
混合胶结材料45～60％，例如46％、50％、55％、59％等；
硅酸镁砂15～40％，例如16％、20％、30％、35％、39％等；
建筑用砂0～15％，例如0.1％、0.5％、1％、3％、5％、8％、10％、13％、14％等；
增强纤维0～1％，例如0.1％、0.2％、0.5％、0.8％、0.9％等；
水15～35％，例如16％、20％、30％、34％等。
本发明可以推广大宗固体废弃物资源利用，以固废为原料生产砂石类产品，可以有效降低工业固废堆存占用土地等生态环境问题。同时，进一步开拓砂石原料，研究海砂、荒漠砂安全利用技术，加快各类砂石的工程应用试点示范和推广，拓展各种不同砂源的多领域应用。
本发明将硅酸镁砂作为建筑集料，与硅酸镁活性粉体为主体组成制备建筑砂浆，充分利用了固废材料，变废为宝的同时，节约了天然砂资源，保护了生态和环境，具有重要的经济、环境和社会效益。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1
一种建筑砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)按硅酸镁活性粉体：水泥：助剂＝88：10：2(质量比)进行配料并搅拌均匀，获得建筑砂浆用混合胶凝材料；
(2)将石棉尾矿在900℃下煅烧60min，获得晶相含量85％，晶相的组成主要为橄榄石和顽火辉石并含少量透辉石和镁铁尖晶石的硅酸镁砂；
将步骤1获得的建筑砂浆用混合胶凝材料，与硅酸镁砂、增强纤维和水，按50：30：0.3：20比例(质量比)配比并搅拌均匀，即获得以硅酸镁砂和硅酸镁活性粉体为主体组成的建筑砂浆，所得建筑砂浆经成型养护的密度在2.0g/cm3，抗压强度等级为M7.5。
示例2
一种建筑砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)按硅酸镁活性粉体：石灰＝80：20进行配料并搅拌均匀，获得建筑砂浆用混合胶凝材料。
(2)将蛇纹岩剥离废石在1100℃下煅烧15min，获得晶相含量95％，晶相的组成主要为橄榄石和顽火辉石，含少量透辉石和镁铁尖晶石的硅酸镁砂。
步骤1获得的建筑砂浆用混合胶凝材料，与硅酸镁砂、建筑用砂、增强纤维和水，按45％、20％、10％、0.8％和24.2％比例(质量百分比)配比并混合均匀，即获得以硅酸镁砂和硅酸镁活性粉体为主体组成的建筑砂浆。所得建筑砂浆经成型养护的密度在1.9g/cm3，抗压强度等级为M10。
示例3
一种建筑砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅酸镁活性粉体与水泥，按硅酸镁活性粉体：石膏：助剂＝70：29：1(质量比)进行配料并搅拌均匀，获得建筑砂浆用混合胶凝材料。
(2)将石棉尾渣在1000℃下煅烧35min，获得晶相含量90％，晶相的组成主要为橄榄石和顽火辉石，含少量透辉石和镁铁尖晶石的硅酸镁砂。
步骤1获得的建筑砂浆用混合胶凝材料，与硅酸镁砂、建筑用砂和水，按55％、15％、15％和15％比例(质量百分比)配比并扮和均匀，即获得以硅酸镁砂和硅酸镁活性粉体为主体组成的建筑砂浆，所得建筑砂浆经成型养护的密度在2.2g/cm3，抗压强度等级为M5。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种建筑砂浆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
按照质量比65～90：10～35：0～2将硅酸镁活性粉体、胶凝材料和助剂混合均匀，得到混合胶凝材料；
按照质量比45～60：15～40：0～15：0～1：15～35将混合胶凝材料、硅酸镁砂、建筑用砂、增强纤维与水混合均匀，得到建筑砂浆；
硅酸镁活性粉体包括按照质量百分比计的以下成分：25～40％MgO，38～45％SiO2，2～6％CaO，2～15％Fe2O3，0.5～1.5％Al2O3；硅酸镁活性粉体的主体为非晶相硅酸镁组分，晶相占比在30%以下，晶相包括橄榄石相；硅酸镁活性粉体的粒度为10μm～75μm；
硅酸镁砂由以下方法制备得到：将含蛇纹石的固体废弃物进行预处理，获得第二粉粒体，所述含蛇纹石的固体废弃物包括蛇纹岩型剥离废石、石棉尾矿和石棉尾渣中的至少一种；将第二粉粒体进行煅烧，获得硅酸镁砂，其中，煅烧温度为850℃～1200℃，煅烧时间为1.5h以下；硅酸镁砂晶相含量为80～100％，晶相的组成主要为橄榄石和顽火辉石，含少量透辉石和镁铁尖晶石。
2.根据权利要求1所述的建筑砂浆的制备方法，其特征在于，所述硅酸镁活性粉体由以下方法制备得到：
将含蛇纹石的固体废弃物进行预处理，获得第一粉粒体；
煅烧第一粉粒体，获得硅酸镁活性粉体，煅烧的温度为650～850℃，煅烧时间为1.5h以下。
3.根据权利要求2所述的建筑砂浆的制备方法，其特征在于，所述含蛇纹石的固体废弃物包括蛇纹岩型剥离废石、石棉尾矿和石棉尾渣中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的建筑砂浆的制备方法，其特征在于，所述胶凝材料包括水泥、石灰和熟石膏中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的建筑砂浆的制备方法，其特征在于，所述助剂包括缓凝剂、早强剂和减水剂中的至少一种。
6.一种建筑砂浆，其特征在于，所述建筑砂浆由按照质量份数计的以下成分组成：45～60份混合胶凝材料，15～40份硅酸镁砂，0～15份建筑用砂，0～1增强纤维，15～35份水；
其中，混合胶凝材料由质量比65～90：10～35：0～2的硅酸镁活性粉体、胶凝材料和助剂组成；
硅酸镁活性粉体包括按照质量百分比计的以下成分：25～40％MgO，38～45％SiO2，2～6％CaO，2～15％Fe2O3，0.5～1.5％Al2O3；硅酸镁活性粉体的主体为非晶相硅酸镁组分，晶相占比在30%以下，晶相包括橄榄石相；
硅酸镁砂由以下方法制备得到：将含蛇纹石的固体废弃物进行预处理，获得第二粉粒体，将第二粉粒体进行煅烧，获得硅酸镁砂，其中，煅烧温度为850℃～1200℃，煅烧时间为1.5h以下；所述含蛇纹石的固体废弃物包括蛇纹岩型剥离废石、石棉尾矿和石棉尾渣中的至少一种；硅酸镁砂晶相含量为80～100％，晶相的组成主要为橄榄石和顽火辉石，含少量透辉石和镁铁尖晶石。
7.根据权利要求6所述的建筑砂浆，其特征在于，所述硅酸镁活性粉体由以下方法制备得到：将含蛇纹石的固体废弃物进行预处理，获得第一粉粒体；煅烧第一粉粒体，获得硅酸镁活性粉体，煅烧的温度为650～850℃，煅烧时间为5min～1.5h。
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