CN113896442A - 一种镁基胶凝材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水泥化工技术领域，具体涉及一种镁基胶凝材料及其制备方法和应用。本发明所述的镁基胶凝材料包括：菱镁矿、砂岩和水；所述菱镁矿中：CaO质量百分含量<5％，SiO2质量百分含量<5％，Al2O3质量百分含量<5％，Fe2O3质量百分含量<7％，MgO质量百分含量为37～50％；所述砂岩中：SiO2质量百分含量>70％，CaO质量百分含量<10％，Al2O3的质量百分含量<10％，Fe2O3质量百分含量<5％。本发明所述的镁基胶凝材料中不包含MgCl2，避免了因MgCl2遇水溶解，而导致的凝胶材料强度的降低，耐水性较强。同时，避免了镁基胶凝材料因氯化镁的存在而导致的对Fe、Al金属的腐蚀性。

Description

一种镁基胶凝材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于水泥化工技术领域，具体涉及一种镁基胶凝材料及其制备方法和应用。
背景技术
镁水泥胶凝材料是一种镁基凝胶材料，具有优异的保温隔热、防火防潮、轻质抗震、高强耐久、无毒无排放的性能，基于其优异性能，镁水泥凝胶材料广泛用作建筑材料。
目前，现有技术中的镁水泥胶凝材料主要为氯氧镁水泥，是以菱镁矿煅烧得到氧化镁(MgO)，然后与氯化镁(MgCl2)、水(H2O)混合，经搅拌、成型、养护等工艺制得，但是制得的氯氧镁水泥水泥由于内部氯化镁的存在导致氯氧镁水泥的耐水性较差，在水中逐渐失去强度，强度损失率可达60～80％。且由于氯氧镁水泥中MgCl2组分含有氯离子，氯离子对Fe、Al等金属具有很强的腐蚀性，严重限制了镁基胶凝材料的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种镁基胶凝材料及其制备方法和应用，本发明提供的镁基胶凝材料具有良好的耐水性，且组成中不含氯离子，对Fe、Al等金属不具腐蚀性。
本发明提供了一种镁基胶凝材料，包括以下制备原料：菱镁矿、砂岩和水；
所述菱镁矿中，CaO的质量百分含量<5％，SiO2的质量百分含量<5％，Al2O3的质量百分含量<5％，Fe2O3的质量百分含量<7％，MgO的质量百分含量为37～50％；
所述砂岩中：SiO2的质量百分含量>70％，CaO的质量百分含量<10％，Al2O3的质量百分含量<10％，Fe2O3的质量百分含量<5％。
优选地，所述菱镁矿中，CaO的质量百分含量为0.89％，SiO2的质量百分含量为1.23％，Al2O3的质量百分含量为2.880％，Fe2O3的质量百分含量为5.75％，MgO的质量百分含量为43.025％。
优选地，所述菱镁矿中，CaO的质量百分含量为5.366％，SiO2的质量百分含量为74.887％，Al2O3的质量百分含量为8.142％，Fe2O3的质量百分含量为3.406％，MgO的质量百分含量为1.223％。
优选地，所述菱镁矿和砂岩的质量比为65～75：25～35。
本发明还提供了上述所述镁基胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
将菱镁矿和砂岩混合，所得混合料经成型处理，得到成型生料；
将所述成型生料煅烧，得到熟料；
将所述熟料与水混合、成型，得到初级胶凝材料；
将所述初级胶凝材料进行碳化养护，得到所述镁基胶凝材料。
优选地，所述煅烧包括依次进行第一煅烧和第二煅烧；所述第一煅烧的温度为830～950℃，时间为0.5～1h；所述第二煅烧的温度为1120～1350℃，时间为0.5～3h。
优选地，所述熟料和水的质量比为1：(0.1～0.4)。
优选地，所述成型包括压制或浇筑。
优选地，所述碳化养护的CO2浓度为20～99％，气体压强为0.1～0.4MPa，相对湿度为10～99％，碳化养护的温度为-20～120℃，碳化养护时间为10min～28d。
本发明还提供了上述所述的镁基胶凝材料或上述所述制备方法得到的镁基胶凝材料在建筑材料中的应用。
为了实现以上目的，本发明提供一种镁基胶凝材料，包括以下制备原料：菱镁矿、砂岩和水；所述菱镁矿中，CaO的质量百分含量<5％，SiO2的质量百分含量<5％，Al2O3的质量百分含量<5％，Fe2O3的质量百分含量<7％，MgO的质量百分含量为37～50％；所述砂岩中：SiO2的质量百分含量>70％，CaO的质量百分含量<10％，Al2O3的质量百分含量<10％，Fe2O3的质量百分含量<5％。本发明的镁基胶凝材料以菱镁矿和砂岩为主要制备原料，得到了以碳酸镁、硅酸镁和氢氧化镁复合晶体为主的胶凝材料，该胶凝材料中不包含MgCl2，避免了因MgCl2遇水溶解，而导致的凝胶材料强度的降低；本发明的镁基胶凝材料与水不互溶，耐水性较强。同时，避免了镁基胶凝材料因氯化镁的存在而导致的对Fe、Al金属的腐蚀性。
实施例的数据表明，本发明提供的凝胶材料在水中浸7天后，抗压强度仅下降15％左右。且本发明制备得到的镁基胶凝材料对铝的腐蚀远小于对比例1中的胶凝材料。
本发明还提供了上述技术方案所述的镁基胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：将菱镁矿和砂岩混合，所得混合料经成型处理，得到成型生料；将所述生料煅烧，得到熟料；将所述熟料与水混合、成型，得到初级胶凝材料；将所述初级胶凝材料进行碳化养护，得到所述镁基胶凝材料。本发明通过以不包含MgCl2的菱镁矿和砂岩为制备原料，经过煅烧、与水共混、成型，得到初级凝胶材料；再对初级凝胶材料进行碳化养护，得到以碳酸镁、硅酸镁和氢氧化镁复合晶体为主的凝胶相，相较于现有技术的水养护氯氧镁水泥成凝胶态的方式，提高了镁基胶凝材料的耐水性。同时，本发明的制备方法也不会引入氯离子，保证了耐腐蚀性能。
附图说明
图1为本发明所述镁基胶凝材料的制备工艺图；
图2为实施例1铁板的腐蚀性能测试图；
图3为对比例1铁板的腐蚀性能测试图。
具体实施方式
本发明提供了一种镁基胶凝材料，主要包括以下制备原料：菱镁矿、砂岩和水。
本发明中，所述菱镁矿中：CaO的质量百分含量<5％，SiO2的质量百分含量<5％，Al2O3的质量百分含量<5％，Fe2O3的质量百分含量<7％，MgO的质量百分含量为37～50％；优选地，所述菱镁矿包含以下质量百分含量的组分：CaO的质量百分含量为0.89％，SiO2的质量百分含量为1.23％，Al2O3的质量百分含量为2.880％，Fe2O3的质量百分含量为5.75％和MgO的质量百分含量为43.025％。
本发明中，所述菱镁矿优选还包括900℃烧失量为质量百分含量为40～60％的其他组分，具体为水、二氧化碳和其它能在900℃失去的气态组分。
本发明中，所述砂岩中：SiO2的质量百分含量>70％，CaO的质量百分含量<10％，Al2O3的质量百分含量<10％，Fe2O3的质量百分含量<5％；优选地，所述砂岩中，SiO2的质量百分含量为74.887％，CaO的质量百分含量为5.366％，Al2O3的质量百分含量为8.142％，Fe2O3的质量百分含量为3.406％和MgO的质量百分含量为1.223％。
本发明中，所述砂岩优选还包括900℃烧失量为质量百分含量为5～10％的其他组分，具体为水、二氧化碳和其它能在900℃失去的气态组分。
本发明中，所述菱镁矿和砂岩的质量比优选为65～75：25～35，进一步优选为70.6：29.4。
在本发明中，如无特殊说明，本发明所用原料均优选为市售产品。
本发明还提供了上述所述的镁基胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：
将菱镁矿和砂岩混合，所得混合料经成型处理，得到成型生料；
将所述生料煅烧，得到熟料；
将所述熟料与水混合、成型，得到初级胶凝材料；
将所述初级胶凝材料进行碳化养护，得到所述镁基胶凝材料。
本发明将菱镁矿和砂岩混合，所得混合料经成型处理，得到成型生料。
所述混合前，本发明优选还包括分别将所述菱镁矿和砂岩进行破碎研磨，本发明对所述破碎研磨的具体实施方式不作具体限定，采用本领域技术人员熟知的操作即可。本发明中，所述菱镁矿的中值粒径优选为<150μm，进一步优选为<100μm。本发明中，所述砂岩的中值粒径优选为<150μm，进一步优选为<100μm。
本发明中，所述菱镁矿和砂岩的质量比优选为65～75：25～35，进一步优选为70.6：29.4。
本发明中，所述混合优选为机械搅拌，本发明对所述机械搅拌不做具体限定，采用本领域技术人员熟知的操作将原料混合均匀即可。
本发明中，所述成型处理优选包括造粒或压制，进一步优选为造粒；本发明中，所述造粒优选在对辊机中进行。
得到成型生料后，本发明将所述成型生料煅烧，得到熟料。
本发明中，所述煅烧优选包括依次进行第一煅烧和第二煅烧；所述第一煅烧的温度优选为830～950℃，进一步优选为850～900℃；所述第一煅烧的时间为0.5～1h，进一步优选为0.8～1h。本发明中，所述第二煅烧的温度优选为1120～1350℃，进一步优选为1120～1250℃；所述第二煅烧的时间优选为0.5～3h，进一步优选为1～2h。
得到熟料后，本发明将所述熟料与水混合、成型，得到初级胶凝材料。
本发明中，所述成型包括压制或浇筑，本发明中，当所述成型为压制时，所述熟料和水的质量比优选为1:(0.10～0.25)，进一步优选为1:(0.13～0.18)。本发明中，当所述成型为浇筑时，所述熟料和水的质量比优选为1:(0.30～0.40)。
得到初级胶凝材料后，本发明将所述初级胶凝材料进行碳化养护，得到所述镁基胶凝材料。
所述碳化养护前，本发明优选还包括将所述初级胶凝材料进行预养护。
本发明中，所述预养护优选包括室温标准养护或碳化预养护；本发明中，所述室温标准养护的温度优选为18～22℃，所述室温标准养护的时间优选为1d。本发明中，所述碳化预养护的CO2浓度优选为20～99％，进一步优选为60～99％；所述碳化预养护的时间优选为1h；所述碳化预养护的压强优选为常压。
本发明中，所述碳化养护的CO2浓度优选为20～99％，进一步优选为60～99％，所述碳化养护的气体压强优选为0.1～0.4MPa，进一步优选为0.1～0.3MPa；所述碳化氧化的相对湿度为10～99％，进一步优选为40～60％；本发明中，所述碳化养护的温度为-20～120℃，进一步优选为10～60℃；本发明中，所述碳化养护时间优选为10min～28d，进一步优选为2h～7d，最优选为1d～5d。
图1为本发明所述镁基凝胶材料的制备工艺流程图，从图1可得，本发明将菱镁矿和砂岩混合，所得混合料经成型处理，得到成型生料；将所述生料煅烧，得到熟料；将所述熟料与水混合、成型，得到初级胶凝材料；将所述初级胶凝材料进行碳化养护，得到所述镁基胶凝材料。
本发明还提供了上述所述的镁基胶凝材料在建筑材料中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的镁基胶凝材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例中所述菱镁矿、砂岩的成分见表1。
表1实施例1所述菱镁矿和砂岩的成分
烧失量(％) CaO(％) SiO<sub>2</sub>(％) Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(％) Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(％) MgO(％)
菱镁矿 46.975 0.89 1.23 2.880 5.75 43.025
砂岩 6.381 5.366 74.887 8.142 3.406 1.223
上述烧失量为能在900℃条件下失去的水、二氧化碳和其它能在900℃失去的气态组分。
将菱镁矿、砂岩进行破碎研磨，得到中值粒径为100μm的菱镁矿和中值粒径为150μm的砂岩；
将上述研磨后的70.6g菱镁矿和29.4g砂岩混合均匀，将所得混合料通过对辊机造粒得到直径为20～30mm的成型生料。
将所得成型生料在850℃的温度下进行第一煅烧1h，然后升温至1350℃继续煅烧1h后，然后依次冷却(冷却至室温)，研磨，得到熟料，熟料粒径为D90<150μm。
将所得10g熟料粉末和1.5g的水进行拌合，所得拌合料倒入模具，压制成型，得到初级胶凝材料。
将所得初级胶凝材料，在二氧化碳浓度为80％，气压为常压，相对湿度为80％，温度为25℃的环境中养护1h后脱模。
将所得脱模产品进行碳化养护，养护条件为：二氧化碳浓度为99％，气体压强为0.3MPa，相对湿度为50％，温度为25℃，养护时间为1d，得到镁基胶凝材料。
实施例2
将菱镁矿、砂岩进行破碎研磨，得到中值粒径为100μm的菱镁矿和中值粒径为110μm的砂岩；
将上述研磨后的70.6g菱镁矿和29.4g砂岩混合均匀，将所得混合料通过对辊机造粒得到直径为20～30mm的成型生料。
将所得成型生料在850℃的温度下进行第一煅烧1h，然后升温至1200℃继续煅烧1h后，然后依次冷却(冷却至室温)，研磨，得到熟料，熟料粒径为D90<150μm。
将所得10g熟料粉末和2.5g的水进行拌合，所得拌合料倒入模具，压制成型，得到初级胶凝材料。
将所得初级胶凝材料，在二氧化碳浓度为80％，气压为常压，相对湿度为80％，温度为25℃的环境中养护1h后脱模。
将所得脱模产品进行碳化养护，养护条件为：二氧化碳浓度为99％，气体压强为0.2MPa，相对湿度为80％，温度为25℃，养护时间为1d，得到镁基胶凝材料。
对比例1
将菱镁矿放入1000℃煅烧得到MgO，将氧化镁和氯化镁以质量比7:3混合后，所得混合料和水以水粉比1:4进行拌合后得到拌和料。
将所得拌合料倒入模具中在室温标氧环境中养护1d后脱模，然后将脱模所得产品放入室温标氧环境中养护28d，得到氯氧镁水泥制品。
本发明实施例和对比例所用菱镁矿和砂岩主要化学成分如下所示：(LOI表示烧失量，具体指水和二氧化碳的含量和)：
LOI(％) CaO(％) SiO<sub>2</sub>(％) Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(％) Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(％) MgO(％)
菱镁矿 46.975 0.89 1.23 2.880 5.75 43.025
砂岩 6.381 5.366 74.887 8.142 3.406 1.223
本发明对实施例1～2和对比例1～3的力学性能做了测试，力学性能测试方法为：将所述熟料和水混合所得拌合料倒入内径为20mm的圆柱形模具中，通过30MPa压力挤压成型得到底面直径为20mm，高度为20±0.1mm的圆柱成型产品。然后，采用位移加载的方式(加载速率为0.5mm/min)，利用MTS万能力学试验机进行抗压强度的测试，测试结果见表2，从表2可知，本发明制备得到的镁基胶凝材料具有良好的抗压强度。
表2实施例1～2和对比例1～3制备所得的胶凝材料抗压强度的测试结果
实施例1 实施例2 对比例1
抗压强度(MPa) 110.23 90.75 51.60
本发明还对实施例1和对比例1制备所得的胶凝材料进行了耐水性测试，测试方法为将实施例1和对比例1碳化养护完成的样品在水中浸泡7d，然后测试浸泡后的样品的抗压强度，抗压强度的测试为：采用位移加载的方式(加载速率为0.5mm/min)，利用MTS万能力学试验机进行测试。
测试结果为；实施例1制备得到的镁基胶凝材料的抗压强度为93.59MPa，对比例1制备得到的胶凝材料的抗压强度为22.19MPa。从测试结果，可以得出，本发明制备得到的镁基胶凝材料具有良好的耐水性。
本发明还对实施例1～2制备得到的镁基胶凝材料以及对比例1～3制备得到的胶凝材料对金属的腐蚀性能进行了测试，测试方法为：将100mm*100mm*5mm的铁板表面涂上防锈涂层后将上表面的防锈涂层刮除，将实施例1中得到的熟料和水混合所得拌合料和对比例1得到的熟料和水混合所得拌合料分别均匀涂抹在刮除防锈涂层的一面，然后分别按照实施例1和对比例1的方式进行养护，按照实施例1养护后的铁板记为实施例1铁板，按照对比例1养护后的铁板记为对比例1铁板。
图2和图3分别为实施例1铁板和对比例1铁板腐蚀性能测试的结果，从图2和图3可以看出：实施例1铁板表面无锈蚀痕迹，对比例1铁板表面出现明显锈蚀。
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)

1.一种镁基胶凝材料，其特征在于，包括以下制备原料：菱镁矿、砂岩和水；
所述菱镁矿中：CaO的质量百分含量<5％，SiO2的质量百分含量<5％，Al2O3的质量百分含量<5％，Fe2O3的质量百分含量<7％，MgO的质量百分含量为37～50％；
所述砂岩中：SiO2的质量百分含量>70％，CaO的质量百分含量<10％，Al2O3的质量百分含量<10％，Fe2O3的质量百分含量<5％。
2.根据权利要求1所述的镁基胶凝材料，其特征在于，所述菱镁矿中，CaO的质量百分含量为0.89％，SiO2的质量百分含量为1.23％，Al2O3的质量百分含量为2.880％，Fe2O3的质量百分含量为5.75％，MgO的质量百分含量为43.025％。
3.根据权利要求1所述的镁基胶凝材料，其特征在于，所述菱镁矿中，SiO2的质量百分含量为74.887％，CaO的质量百分含量为5.366％，Al2O3的质量百分含量为8.142％，Fe2O3的质量百分含量为3.406％，MgO的质量百分含量为1.223％。
4.根据权利要求1～3任一项所述的镁基胶凝材料，其特征在于，所述菱镁矿和砂岩的质量比为65～75：25～35。
5.权利要求1～4任一项所述镁基胶凝材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将菱镁矿和砂岩混合，所得混合料经成型处理，得到成型生料；
将所述成型生料煅烧，得到熟料；
将所述熟料与水混合、成型，得到初级胶凝材料；
将所述初级胶凝材料进行碳化养护，得到所述镁基胶凝材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧包括依次进行第一煅烧和第二煅烧；所述第一煅烧的温度为830～950℃，时间为0.5～1h；所述第二煅烧的温度为1120～1350℃，时间为0.5～3h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熟料和水的质量比为1：(0.1～0.4)。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述成型包括压制或浇筑。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳化养护的CO2浓度为20～99％，气体压强为0.1～0.4MPa，相对湿度为10～99％，碳化养护的温度为-20～120℃，碳化养护时间为10min～28d。
10.权利要求1～4任一项所述的镁基胶凝材料或权利要求5～9任一项所述制备方法得到的镁基胶凝材料在建筑材料中的应用。
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