CN113816668A - 一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板及其制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明制备的纤维水泥板的基体组成为碳酸钙，致密性高，且能够通过调控碳酸钙的晶型提升基体的韧性，使纤维水泥板具有优异的力学与耐久性能，且制备过程无需高温养护，具有常温制备的特性，为有机合成纤维的引入创造了条件，从而便于有机合成纤维进一步改善纤维水泥板的脆性，提高纤维板的力学性能和耐久性，在降低能耗的同时，能有效解决现有高温高压养护工艺中在高温条件下极易在纤维板内产生过高压力，导致板内空气膨胀、水分汽化，进而引发纤维板分层的问题。

Description

一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板及其制备方法。
背景技术
现有纤维水泥板是一种以硅酸盐水泥为粘接剂，以植物纤维和其他纤维为韧性增强材料，通过水化反应形成基体结构与强度的复合材料，兼具水泥与木材的双重优点，在内外墙板、活动房等领域应用广泛。
然而，现有纤维水泥板存在一些问题。例如，水泥的水化基体由C-S-H凝胶组成，通过脆性高的硅氧键结合，导致材料的脆性较高，通常引入有机合成纤维以增强材料的韧性。但纤维水泥板目前采用的高温高压制备工艺容易使有机合成纤维中的有机物降解，从而降低有机合成纤维的韧性，因而通常的增强纤维以能耐高温纤维素纤维为主，但其极高的比表面积导致材料的吸水率偏高，当暴露在干湿交变或冻融交替环境下极易吸水溶胀，导致力学性能衰减、耐久性下降，这也是限制纤维水泥板在外墙板领域应用的重要原因。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板及其制备方法，所制备的纤维水泥板具有优异的机械强度和耐久性。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板的制备方法，包括以下步骤：
将纤维素纤维和有机合成纤维分散于水，得到纤维悬浮液；
将胶凝组分和添加剂混合，得到混合物料；所述胶凝组分包括硅酸钙矿粉、富含硅酸钙矿相的钢渣粉和富含硅酸钙矿相的镁渣粉中的一种或多种；所述添加剂包括硅灰、石灰石粉、贝壳粉和颜料；
将所述纤维悬浮液、混合物料和水混合，将所得浆料依次进行脱水、压浆和静养，将所得板坯在CO2氛围下养护，得到纤维水泥板。
优选的，所述硅酸钙矿粉包括γ型硅酸二钙、二硅酸三钙和硅酸一钙中的一种或多种；所述胶凝组分的平均粒度＜50μm。
优选的，所述添加剂还包括膨胀珍珠岩；所述膨胀珍珠岩的粒径为50～300μm，所述硅灰的粒径为0.2～5μm且SiO2质量含量≥90％，所述石灰石粉的粒径为10～20μm，所述贝壳粉的粒径为10～100μm。
优选的，所述颜料包括镉红、钛镍黄、钛铬棕、钴蓝或钴绿，所述颜料的粒径为10～20μm。
优选的，所述纤维素纤维的长度为1～5mm，所述有机合成纤维包括PVA纤维和/或玻璃纤维。
优选的，所述胶凝组分、膨胀珍珠岩、硅灰、石灰石粉、贝壳粉、纤维素纤维、有机合成纤维和颜料的质量比为(55～75):(0～10):(4～8):(10～20):(5～10):(2～4):(2～4):(0.1～0.2)。
优选的，所述压浆的压力为300～850kN，保压时间为45～60s。
优选的，所述静养的温度为40～50℃，相对湿度≤50％，养护时间为1～4h。
优选的，所述在CO2氛围下养护的条件为：养护温度5～90℃，相对湿度30～80％，气压为0.05～0.3MPa，时间为2～48h。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的纤维水泥板。
本发明提供了一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板的制备方法，包括以下步骤：将纤维素纤维和有机合成纤维分散于水，得到纤维悬浮液；将胶凝组分和添加剂混合，得到混合物料；所述胶凝组分包括硅酸钙矿粉、富含硅酸钙矿相的钢渣粉和富含硅酸钙矿相的镁渣粉中的一种或多种；所述添加剂包括硅灰、石灰石粉、贝壳粉和颜料；将所述纤维悬浮液、混合物料和水混合，将所得浆料依次进行脱水、压浆和静养，将所得板坯在CO2氛围下养护，得到纤维水泥板。本发明所用胶凝组分具有优异的CO2反应活性，能够与CO2发生矿化反应，形成以碳酸钙为组成的基体结构，是纤维水泥板的主要强度来源；硅灰通过其规则的球状颗粒形貌与超细粒径提高浆料的裹浆性能与板坯的致密度；石灰石粉与胶凝组分有相近的粒径分布，通过部分取代胶凝组分以降低材料成本；贝壳粉的组成为文石型碳酸钙晶粒，在板坯与CO2反应过程中，可以诱导更多针棒状文石相的形成，通过增加碳酸钙基体的韧性以提升纤维水泥板的整体韧性；同时，本发明充分发挥纤维素纤维和有机合成纤维的优点，利用纤维素纤维的高比表面积吸附粉料颗粒，以提高浆料的裹浆性，同时引入有机合成纤维进一步提升纤维水泥板的韧性，从而提高纤维水泥板的耐久性和力学性能。
本发明提供的纤维水泥板摒弃了传统的高温蒸压养护工艺，在CO2氛围下通过与CO2的矿化作用常温即可制备纤维水泥板，与现有制备工艺高度兼容，价格低廉、对环境友好，易于大规模推广。
与现有技术相比，本发明制备的纤维水泥板的基体组成为碳酸钙，致密性高，且通过掺入贝壳粉调控碳酸钙的晶型(文石相)提升基体的韧性，使纤维水泥板具有优异的力学与耐久性能，且制备过程无需高温养护，具有常温制备的特性，为有机合成纤维的引入创造了条件，从而便于有机合成纤维进一步改善水泥纤维板的脆性，在降低能耗的同时，能有效解决现有高温高压养护工艺中在高温条件下极易在纤维板内产生过高压力，导致板内空气膨胀、水分汽化，进而引发纤维板分层的问题。
附图说明
图1为实施例1制备的纤维水泥板的SEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板的制备方法，包括以下步骤：
将纤维素纤维和有机合成纤维分散于水中，得到纤维悬浮液；
将胶凝组分和添加剂混合，得到混合物料；所述胶凝组分包括硅酸钙矿粉、富含硅酸钙矿相的钢渣粉和富含硅酸钙矿相的镁渣粉中的一种或多种；所述添加剂包括硅灰、石灰石粉、贝壳粉和颜料；
将所述纤维悬浮液、混合物料和水混合，将所得浆料依次进行脱水、压浆和静养，将所得板坯在CO2氛围下养护，得到纤维水泥板。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将纤维素纤维和有机合成纤维分散于水，得到纤维悬浮液。在本发明中，所述纤维素纤维的长度优选为1～5mm，所述有机合成纤维优选包括PVA纤维和/或玻璃纤维；当所述有机合成纤维为PVA纤维和玻璃纤维时，本发明对两种纤维的配比没有特殊的限定，任意配比均可。
本发明对所述水的用量没有特殊的限定，能够使得纤维素纤维和有机合成纤维充分形成悬浮液即可。本发明对所述分散的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程能够将物料分散均匀即可；在本发明的实施例中，具体是在搅拌装置中搅拌，使纤维在水中均匀分散。本发明对所述搅拌的速率没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程将物料混合均匀即可。
本发明将胶凝组分和添加剂混合，得到混合物料。在本发明中，所述胶凝组分包括硅酸钙矿粉、富含硅酸钙矿相的钢渣粉和富含硅酸钙矿相的镁渣粉中的一种或多种；所述硅酸钙矿粉优选包括γ-型硅酸二钙(γ-C2S)、二硅酸三钙和硅酸一钙中的一种或多种。在本发明中，当所述胶凝组分为上述中的几种时，本发明对不同种类胶凝组分的配比没有特殊的限定，任意配比均可；当所述硅酸钙矿粉为上述中的几种时，本发明对不同种类硅酸钙矿粉的配比没有特殊的限定，任意配比均可。
在本发明中，所述富含硅酸钙矿相的钢渣粉的矿相组成优选包括γ型硅酸二钙、RO相、铁酸钙、硅酸三钙、游离的氧化钙和游离的氧化镁，其中，硅酸二钙和硅酸三钙的总质量含量优选>40％；本发明对所述富含硅酸钙矿相的钢渣粉的来源没有特殊的限定，本领域熟知来源的包括上述组成的富含硅酸钙矿相的钢渣粉均可。在本发明中，所述富含硅酸钙矿相的镁渣粉的矿相组成优选包括γ型硅酸二钙、β型硅酸二钙和氧化镁，其中，硅酸二钙的总质量含量优选>50％。本发明对所述富含硅酸钙矿相的镁渣粉的来源没有特殊的限定，本领域熟知来源的包括上述组成的富含硅酸钙矿相的镁渣粉均可。
在本发明中，所述胶凝组分的平均粒度优选＜50μm。
在本发明中，所述添加剂包括硅灰、石灰石粉、贝壳粉和颜料；所述添加剂优选还包括膨胀珍珠岩；所述膨胀珍珠岩的粒径优选为50～300μm；本发明利用膨胀珍珠岩调节纤维水泥板的表观密度。
在本发明中，所述硅灰的粒径优选为0.2～5μm且SiO2质量含量≥90％，所述石灰石粉的粒径优选为10～20μm，所述贝壳粉的粒径优选为10～100μm。
在本发明中，所述颜料优选包括镉红、钛镍黄、钛铬棕、钴蓝或钴绿，所述颜料的粒径优选为10～20μm。
本发明优选将所述胶凝组分和添加剂在搅拌装置或混料装置内搅拌10～25min，利用机械力与粗颗粒的撞击作用使得物料充分分散。本发明对所述搅拌的速率没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程将物料混合均匀即可。
在本发明中，所述胶凝组分、膨胀珍珠岩、硅灰、石灰石粉、贝壳粉、纤维素纤维、有机合成纤维和颜料的质量比优选为(55～75):(0～10):(4～8):(10～20):(5～10):(2～4):(2～4):(0.1～0.2)，更优选为(60～70):(1～5):(4～6):(15～19):(6～7.8):(2.5～3):(2.5～3):(0.1～0.2)。
得到纤维悬浮液和混合物料后，本发明将所述纤维悬浮液、混合物料和水混合，将所得浆料依次进行脱水、压浆和静养，将所得板坯在CO2氛围下养护，得到纤维水泥板。在本发明中，所述纤维悬浮液、混合物料和水混合的过程优选为将纤维悬浮液、混合物料和水置于打浆机中，搅拌10～15min，形成浆料。在本发明中，所述水的添加量优选使混合所得浆料的质量浓度达到10～20％。本发明对所述搅拌的速率没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程将物料混合均匀即可。
得到浆料后，本发明优选将所得浆料置于真空抽滤装置中，进行抽滤脱水，形成板坯；本发明对所述抽滤脱水后板坯的含水量没有特殊的限定，抽滤至坯体无明显水流流出即可。。本发明对所述真空抽滤装置以及抽滤的过程没有特殊的限定，选用本领域熟知的装置按照熟知的过程进行即可。
形成板坯后，本发明优选将所述板坯转移至压浆模具中，进行压浆；本发明通过压浆移除板坯中多余的水分。本发明对压浆后板坯的含水量没有特殊限定，使用指定压力进行压浆即可。本发明对所述压浆模具没有特殊的限定，使用本领域熟知的对应模具即可。在本发明中，所述压浆的压力优选为300～850kN，保压时间优选为45～60s。
完成所述压浆后，本发明优选将所得板坯脱出，进行静养；所述静养优选在养护箱中进行，所述静养的温度优选为40～50℃，相对湿度优选≤50％，养护时间优选为1～4h，更优选为3h。本发明对所述养护箱没有特殊的限定，本领域熟知的能够达到上述条件的养护箱均可。在本发明中，静养后所得板坯中水与固体的质量比优选为(0.05～0.2):1，更优选为0.1:1。
完成所述静养后，本发明将所得板坯在CO2氛围下养护，得到纤维水泥板。在本发明中，所述在CO2氛围下养护的条件优选为：养护温度5～90℃，相对湿度30～80％，气压为0.05～0.3MPa，更优选为0.2MPa；时间为2～48h，更优选为12h。
在本发明中，所述CO2氛围所用CO2气体的来源优选为富含CO2的工业窑炉尾气，或者优选为从各类工业废气中富集所得的高浓度CO2气体；本发明对所述富含CO2的工业窑炉尾气的来源及其中CO2含量没有特殊的限定，按照本领域熟知的方式获取的工业窑炉尾气即可。
本发明对所述工业废气的种类和来源没有特殊的限定，按照本领域熟知的方式获取即可。在本发明中，所述高浓度CO2气体的体积浓度优选为20～99％。本发明对所述富集的过程没有特殊的限定，按照本领域熟知的过程能够得到上述浓度范围的CO2气体即可。本发明充分利用富含CO2的工业窑炉尾气，或者从各类工业废气中富集所得的高浓度CO2气体，具有良好的环保效益。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的纤维水泥板。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中，所用胶凝组分的平均粒度＜50μm；膨胀珍珠岩的粒径为50～300μm，硅灰的粒径为0.2～5μm且SiO2质量含量≥90％，石灰石粉的粒径为10～20μm，贝壳粉的粒径为10～100μm；颜料的粒径为10～20μm；纤维素纤维长度为3mm。
以质量百分比计，钢渣粉的化学组成为：CaO占比41.77％，MgO占比10.73％，SiO2占比9.8％，Al2O3占比2.55％，Fe2O3占比29.24％；镁渣粉的化学组成为：SiO2占比28.87％，Fe2O3占比8.17％，CaO占比53.86％，MgO占比7.24％。
实施例1(γ-C2S低掺量)
固体组分为：γ-C2S 60份、膨胀珍珠岩5份、硅灰6份、石灰石粉15份、贝壳粉7.8份、镉红颜料0.2份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份；
制备方法：
按照配比将称量好的纤维素纤维、PVA纤维和300份水加入搅拌装置搅拌，形成悬浮液；
按照配比将称量好的胶凝组分(γ-C2S)与添加剂(膨胀珍珠岩、硅灰、石灰石粉、贝壳粉和颜料)在搅拌装置内搅拌15min，得到混合物料；
按照配比将所述悬浮液和混合物料置于打浆机中，按15％的浆料浓度加入水，搅拌10min充分混合后，形成浆料；
将所述浆料倒入真空抽滤装置中，进行抽滤脱水，将所形成的板坯移至压浆模具中，进行压浆，压力为600kN，保压时间为60s；
将压浆后的板坯脱出，置于养护箱中静养，静养条件为40℃，相对湿度为50％以下，养护时间为3h，板坯静养至水与固体的质量比为0.1:1；
静养后，将所得板坯置于反应釜中在CO2氛围下养护，养护温度40℃，相对湿度50％，气压为0.2MPa，时间为12h；CO2气体来源为从工业废气中富集得到的高浓度CO2气体，CO2体积浓度99％；
养护结束后，得到纤维水泥板。
实施例2(γ-C2S高掺量)
固体组分为：γ-C2S 70份、膨胀珍珠岩2份、硅灰4份、石灰石粉10份、贝壳粉7.8份、镉红颜料0.2份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份；
制备方法同实施例1。
实施例3(γ-C2S加钢渣)
固体组分为：γ-C2S和钢渣粉共60份、膨胀珍珠岩5份、硅灰6份、石灰石粉15份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份、镉红颜料0.2份；
制备方法同实施例1。
实施例4
固体组分为：钢渣粉60份、膨胀珍珠岩5份、硅灰6份、石灰石粉15份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份、钛镍黄颜料0.2份。
制备方法同实施例1。
实施例5
固体组分为：镁渣粉60份、膨胀珍珠岩5份、硅灰6份、石灰石粉15份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份、镉红颜料0.2份。
制备方法同实施例1。
实施例6(膨胀珍珠岩高掺量)
固体组分为：γ-C2S 60份、膨胀珍珠岩10份、硅灰6份、石灰石粉10份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份、镉红颜料0.2份。
制备方法同实施例1。
实施例7(膨胀珍珠岩低掺量)
固体组分为：γ-C2S 60份、膨胀珍珠岩1份、硅灰6份、石灰石粉19份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份、钛镍黄颜料0.2份。
制备方法同实施例1。
实施例8(CO2浓度20％)
固体组分为：γ-C2S 60份、膨胀珍珠岩5份、硅灰6份、石灰石粉15份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份、镉红颜料0.2份。
制备方法与实施例1的区别仅在于：CO2气体来源为含CO2的工业窑炉尾气，CO2体积浓度为20％，气体压力为0.2MPa，CO2养护时间为18h。
对比例1(不加贝壳粉)
固体组分为：γ-C2S 63份、膨胀珍珠岩5份、硅灰6份、石灰石粉19.8份、贝壳粉0份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份、镉红颜料0.2份。
制备方法同实施例1。
对比例2(不加硅灰)
固体组分为：γ-C2S 61份、膨胀珍珠岩5份、硅灰0份、石灰石粉20份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维3份、PVA纤维3份、镉红颜料0.2份。
制备方法同实施例1。
对比例3(只添加纤维素纤维)
样品的固体组分为：γ-C2S 60份、膨胀珍珠岩5份、硅灰6份、石灰石粉15份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维6份、PVA纤维0份、镉红颜料0.2份。
制备方法同实施例1。
对比例4(只添加有机合成纤维)
样品的固体组分为：γ-C2S 60份、膨胀珍珠岩5份、硅灰6份、石灰石粉15份、贝壳粉7.8份、纤维素纤维0份、PVA纤维6份、镉红颜料0.2份。
制备方法同实施例1。
表征及性能测试
1)图1为实施例1制备的纤维水泥板的SEM图，由图1可以看出，经碳化养护后，纤维水泥板形成了致密的微观结构，其中文石紧密堆积，有助于提升纤维水泥板的致密程度、减少缺陷，说明该纤维水泥板抗折强度高。
2)对上述实施例1～8以及对比例1～4制备的纤维水泥板的物理性能进行检测，抗折强度为样品保水后的抗折强度，抗折强度和吸水率均按照GB/T7019-2014测试，检测结果如表1所示。
表1实施例1～8以及对比例1～4制备的纤维水泥板的物理性能
Figure BDA0003286658820000091
由表1可知，本发明制备的纤维水泥板抗折强度优异，说明韧性优异，吸水率较低，说明该纤维水泥板力学性能、耐久性优异(与吸水率有关)。根据国家建材行业标准(JC/T412.1-2018)，本发明制备的纤维水泥板可用于室内、室外，可直接承受日照、雨淋、雪或霜冻。
由表1中实施例1～8制备的纤维水泥板与对比例1制备的纤维水泥板的数据对比可知，纤维水泥板中的贝壳粉掺量对纤维水泥板的抗折强度具有重要作用，不添加贝壳粉，会使得纤维水泥板中缺少文石的堆积、填充作用，最终导致纤维水泥板抗折强度的明显下降。
由表1中实施例1～8制备的纤维水泥板与对比例2制备的纤维水泥板的数据对比可知，纤维水泥板中的硅灰掺量对纤维水泥板的密度、抗折强度和吸水率具有重要作用，不添加硅灰会使得纤维水泥板中缺少微细集料填充缺陷，浆料的裹浆性能与板坯的致密度明显下降，最终导致纤维水泥板抗折强度的明显下降和吸水率的明显上升。
由表1中实施例1～8制备的纤维水泥板与对比例3～4制备的纤维水泥板的数据对比可知，纤维水泥板中纤维素纤维和有机合成纤维存在协同互补作用，仅添加纤维素纤维或有机合成纤维，将导致纤维水泥板抗折强度的明显下降。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于二氧化碳驱动固结的纤维水泥板的制备方法，包括以下步骤：
将纤维素纤维和有机合成纤维分散于水，得到纤维悬浮液；
将胶凝组分和添加剂混合，得到混合物料；所述胶凝组分包括硅酸钙矿粉、富含硅酸钙矿相的钢渣粉和富含硅酸钙矿相的镁渣粉中的一种或多种；所述添加剂包括硅灰、石灰石粉、贝壳粉和颜料；
将所述纤维悬浮液、混合物料和水混合，将所得浆料依次进行脱水、压浆和静养，将所得板坯在CO2氛围下养护，得到纤维水泥板。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅酸钙矿粉包括γ型硅酸二钙、二硅酸三钙和硅酸一钙中的一种或多种；所述胶凝组分的平均粒度＜50μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述添加剂还包括膨胀珍珠岩；所述膨胀珍珠岩的粒径为50～300μm，所述硅灰的粒径为0.2～5μm且SiO2质量含量≥90％，所述石灰石粉的粒径为10～20μm，所述贝壳粉的粒径为10～100μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述颜料包括镉红、钛镍黄、钛铬棕、钴蓝或钴绿，所述颜料的粒径为10～20μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纤维素纤维的长度为1～5mm，所述有机合成纤维包括PVA纤维和/或玻璃纤维。
6.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述胶凝组分、膨胀珍珠岩、硅灰、石灰石粉、贝壳粉、纤维素纤维、有机合成纤维和颜料的质量比为(55～75):(0～10):(4～8):(10～20):(5～10):(2～4):(2～4):(0.1～0.2)。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压浆的压力为300～850kN，保压时间为45～60s。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述静养的温度为40～50℃，相对湿度≤50％，养护时间为1～4h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在CO2氛围下养护的条件为：养护温度5～90℃，相对湿度30～80％，气压为0.05～0.3MPa，时间为2～48h。
10.权利要求1～9任一项所述制备方法制备得到的纤维水泥板。
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