CN114230299B - 一种全固废高性能轻质材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全固废高性能轻质材料的制备方法，包括以下步骤：首先、将粉煤灰、矿渣、电石渣和减水剂按一定比例混合，得到产物A；其次、将水与产物A按一定比例混合，经湿磨处理，得到产物B；再次、将产物B与EPS颗粒和二水磷石膏晶须混合，得到产物C；最后、将产物C与磷建筑石膏和缓凝剂混匀制浆、浇筑成型，即得到全固废高性能轻质材料。本发明制得的全固废高性能轻质材料，具有绝干抗压强度和绝干密度高、导热系数低、耐水性能优异等特点，由该材料制得的内墙隔板，具有优良的隔热保温性能、耐水性和分层稳定性；原料固废掺量高，能够显著节约建筑成本，制备方法工艺简单，易于规模化生产，具有较高的经济价值。

Description

一种全固废高性能轻质材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种全固废高性能轻质材料及其制备方法与应用。
背景技术
轻质内墙隔板具有防潮、抗震隔音、防火保温、占地小、强度好、施工便捷、降低墙体成本等优点。近年来轻质内墙隔板作为一般工业建筑、居民建筑、公共建筑工程的非承重内隔墙的工程越来越多，而且安装操作简便，易掌握，市场前景广阔，适宜投资创业者开拓发展，是一种理想的装饰板材。
磷石膏是湿法制备磷酸产生的工业副产物，其主要成分是二水硫酸钙，同时含有磷、氟和有机物等杂质。我国的磷石膏堆存量巨大，排放量逐年升高，综合利用率仅20％左右。利用磷石膏生成磷建筑石膏，从而制备建筑材料，目前是磷石膏综合利用的重要途径之一。
近些年来，随着国家对生态环境治理和保护力度加大，涉及到产废企业开始加大对大宗固废进行有效利用。当前，利用多种固废之间协同作用制备轻质内墙隔板，是提高固废利用率同时提高内墙隔板的高稳定性的有效方法。粉煤灰是煤燃烧后烟气中收捕下来的细灰，是燃煤电厂排出的主要固体废物，大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气；若排入水系会造成河流淤塞，而其中有毒化学物质还会对人体和生物产生危害，所以对粉煤灰资源利用。工业生产中，矿渣也发挥着重要的作用，选择合适的处理处理工艺和利用途径开发矿渣的再利用价值十分迫切。电石渣是电石水解获取乙炔的以氢氧化钙为主要成分的废渣，容易污染环境和地下水，处理起来费用又高。
专利CN110194641A公开了一种界面增强磷石膏轻质内墙隔板及其制备方法，以解决现有磷石膏轻质内墙隔板保温隔热的效果差，且力学性能低的问题。然而，上述产品存在着功能单一，成本较高且轻集料处理起来步骤繁琐的缺陷，同时轻集料不能完全均匀的分布在内墙隔板中，也影响了轻质内墙隔板的稳定性和自密实。更重要的是，石膏本身的耐水性较差，而该方法在利用石膏制备内墙隔板的过程中没有加入明显改善耐水性的材料，也没有通过制备方法改善，导致该产品的耐水性能较差，不利于内墙隔板的多功能化，如果长期处在潮湿环境中的话很容易发泡、起翘、变形、脱落。
发明内容
本发明的目的之一，在于提供一种将固废原料粉煤灰、矿渣、电石渣和磷石膏等协同处理、资源化利用来获得全固废高性能轻质材料的制备方法。
本发明的目的之二，在于提供一种绝干抗压强度和绝干密度高、导热系数低、耐水性能优异的全固废高性能轻质材料。
本发明的目的之三，在于提供一种轻质保温、容重可调、板材稳定性好，且无明显分层和开裂等优势的内墙隔板。
本发明实现目的之一采取的技术方案是，提供一种全固废高性能轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将粉煤灰、矿渣、电石渣和减水剂按一定比例混合，得到产物A；
S2、将水与所述产物A按一定比例混合，经湿磨处理，得到产物B；
S3、将所述产物B与EPS颗粒和二水磷石膏晶须混合，得到产物C；
S4、将所述产物C与磷建筑石膏和缓凝剂混匀制浆、浇筑成型，即得到全固废高性能轻质材料。
在本发明中，通过步骤S2中的对产物A与水的混合物进行湿磨处理，一方面，能够细化粉煤灰、矿渣、电石渣，使上述原料在减水剂的作用下，提前析出Si4+和Ca2+，促进水介质和金属离子对粉煤灰、矿渣和电石渣玻璃体网络的作用，有效的提高反应速率，加快反应时间，充分发挥了三种固废材料活性；另一方面，湿磨处理还可以增强粉煤灰和矿渣二次水化反应能力，生成的水化产物能对石膏结晶接触点起到一定的保护，提高产品的耐水性，同时增加了水化产物的体积，有利于湿磨浆料之间的粘结，进而提高了浆料的强度。
同时，本发明在步骤S3中，引入的EPS颗粒(聚苯乙烯泡沫)作为轻集料实现板材的轻质保温、容重可调的效果；引入的二水磷石膏晶须，能够对产物起到增强和改性的作用，进而提升产品的综合性能。经步骤S2湿磨细化后的浆料预先与EPS颗粒和二水磷石膏晶须混合，能够利用浆料的粘度均匀EPS颗粒，增强产物的密实性，同时湿磨处理后浆料的高活性特性，也有助于提高原料中固废的掺量。此外，将EPS颗粒和二水磷石膏晶须预先与湿磨处理的浆料混合得到产物C，再加入磷建筑石膏和缓凝剂，能够在浇筑成型前预先混合均匀，达到提升轻质内墙隔板的稳定性和自密实的目的。
进一步的，所述步骤S2中，当湿磨处理的水加入过高时，浆料无法保持理想的粘度；而水的加入量过低时，产物偏干。此外，对于浆料粘度的调控也有利于实现EPS颗粒的高效均匀分散从而达到更好的轻质保温、容重可调的效果。优选地，将水与产物A的体积比保持在0.5～0.8:1的范围内，此时获得的湿磨浆料可保持最适宜的黏度。更优选地，水与产物A的体积比为0.7:1。
进一步的，在步骤S2中，湿磨处理的研磨转速为300～400rpm，湿磨处理的时间为90～120min。在本发明中，通过优化湿磨处理的条件，对湿磨研磨的转速和时间进行限定，使各种各原料得到充分的研磨，达到所需的材料细度。最终获得的所述产物B中浆体粒子的中值粒径保持在4～8μm，能够赋予材料较好的结构和力学性能，避免粒径过高对材料密度和强度造成的不利影响。
进一步的，所述步骤S3中，将所述产物B与EPS颗粒和二水磷石膏晶须混合的时间为50～60s。该步骤利用产物B浆料的黏度预先让EPS颗粒均匀分布，抑制上浮。
在上述技术方案的基础上，所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰中的一种或两种按任意比例的混合物；所述矿渣为S95级矿渣粉，其比表面积不小于400m2/kg；所述减水剂选自聚羧酸减水剂和/或三聚氰胺减水剂，其减水率大于15％。
进一步的，所述EPS颗粒选自粒径为1～3mm的EPS颗粒和/或粒径为3～5mm的EPS颗粒。本发明所使用的EPS颗粒为聚苯乙烯泡沫，属于一种高分子聚合物，采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂加热软化得到。优选地，EPS颗粒由上述两种不同粒径的颗粒组成。采用两种不同粒径配合，一方面可以实现EPS颗粒的紧密堆积，大颗粒堆积过程中会在颗粒与颗粒之间形成较大的缝隙，小颗粒能够填充在缝隙之间，形成更加紧密的堆积，从而增加其力学性能；另一方面，EPS颗粒的容重过低容易在浆体中上浮，造成分层影响整体强度，而上浮的程度与颗粒的粒径呈正相关关系，一定量小颗粒的掺入能够在一定程度上抑制EPS颗粒的上浮。更优选地，所述EPS颗粒由粒径为1～3mm的EPS颗粒和粒径为3～5mm的EPS颗粒按照0.2～0.35：1的体积比组成。
进一步的，所述二水磷石膏晶须的平均长度为2～5mm，长径比为20～50，单纤拉伸强度大于20GPa。二水磷石膏晶须的加入能够提高板材的抗折、抗冲击强度。
进一步的，所述磷建筑石膏由磷石膏在130℃～160℃下煅烧3小时制得，其2h抗折强度大于2.5MPa，绝干抗压强度大于10MPa。
优选地，所述全固废高性能轻质材料的原料组成，按重量份数计，包括：磷建筑石膏60～75份；粉煤灰10～20份；矿渣15～25份；电石渣2～4份；减水剂0～0.2份；EPS颗粒0.6～1.3份；二水磷石膏晶须2～5份；缓凝剂0～0.1份。具体的，也可以根据最终产品的实际使用需求，改变胶凝材料和轻骨料EPS颗粒的用量，以实现对于轻质板材容重的调控。
本发明实现目的之二采取的技术方案是，提供一种基于本发明目的之一所述的制备方法制得的全固废高性能轻质材料。该全固废高性能轻质材料的相关性能如下：绝干抗压强度为5.2～6.5MPa、绝干密度为765～986kg/m3、导热系数为0.11～0.13W/(m·K)、吸水率为4.2～5％、软化系数为0.68～0.72。
本发明实现目的之三采取的技术方案是，提供一种基于本发明目的之一提供的制备方法制得的全固废高性能轻质材料或基于本发明目的之二提供的全固废高性能轻质材料制得的内墙隔板。该内墙隔板具有全固废、轻质保温、容重可调、板材稳定性好、无明显分层和开裂等优点，其制备工艺简单，能够大幅度提高了板材的生产效率。同时该内墙隔板具有良好的力学性能，使用过程不易出现分层或开裂的现象，且耐水性能优异，能够满足多功能化的应用需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种全固废高性能轻质材料的制备方法，采用湿磨处理步骤将多种固废制备成浆状的掺合料，再将浆状掺合料与EPS颗粒和二水磷石膏晶须预先混合以实现颗粒的表面增强，基于湿磨浆料的高活性特性，使得制备的轻质材料在满足高性能要求的同时，提高了固废的掺量，降低成本，且显著提升了轻质材料的耐水性能和分层稳定性。
(2)采用本发明提供的制备方法制得的全固废高性能轻质材料，容重在600-1000kg/m3范围内可调，导热系数不高于0.13W/(m·K)，产品无明显分层开裂，石膏水化的微膨胀性可以有效克服传统水泥板材收缩开裂等问题，各项性能均满足JGT169-2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》的标准。
(3)采用本发明提供的全固废高性能轻质材料制得的内墙隔板，与普通内墙隔板相比，具有优良的隔热保温性能、耐水性和分层稳定性。同时，本发明提供的内墙隔板固废掺量高，能够显著节约建筑成本，制备方法工艺简单，易于规模化生产，具有较高的经济价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种全固废高性能轻质材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明实施例提供一种全固废高性能轻质材料及其制备方法与应用。本发明实施例所涉及的粉煤灰是燃煤电厂烟道中收集的细小灰粒，其粒径一般在50～100μm之间，主要物相是玻璃体，占50％～80％，主要含二氧化硅、氧化铝且占总质量70％～80％；所用矿渣为S95级矿渣粉，比表面积不小于400m2/kg；所用减水剂为聚羧酸减水剂和三聚氰胺减水剂中一种，减水率大于15％；所用EPS颗粒是聚苯乙烯泡沫，是一种高分子聚合物，采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂加热软化得到，具有颗粒级配，粒径1～3mmEPS与3～5mmEPS的体积比为0.2～0.35；所用二水磷石膏晶须，平均长度为2-5mm，长径比20-50，单纤拉伸强度大于20GPa；所用磷建筑石膏由磷石膏在130℃～160℃下煅烧3小时得到，2h抗折强度大于2.5MPa，绝干抗压强度大于10MPa；所用缓凝剂为石膏专用缓凝剂。
本发明实施例1-5中各原料的重量份数见下表1：
Figure BDA0003445448630000051
实施例1
一种全固废高性能轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照表1所示的重量份数，称取粉煤灰、矿渣、电石渣和减水剂，混匀的得混合物；其中，10份粉煤灰由5份Ⅰ级粉煤灰和5份Ⅱ级粉煤灰组成。
(2)按0.5的水固比(体积比)向步骤(1)中的混合物加入水，湿磨处理获得浆料，湿磨处理的研磨转速为330rpm，湿磨处理的时间为110min。
(3)将EPS颗粒、二水磷石膏晶须与步骤(2)制得的浆料置于搅拌机中，搅拌60s，使物料均匀分散；其中，0.6份EPS颗粒由粒径1～3mmEPS与3～5mmEPS按照0.2：1的体积比组成。
(4)将步骤(3)的产物与磷建筑石膏、缓凝剂加入搅拌机中，搅拌2.5min至均匀，随后注模成型得到全固废高性能轻质材料。
实施例2
一种全固废高性能轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照表1所示的重量份数，称取粉煤灰、矿渣、电石渣和减水剂，混匀的得混合物；其中，15份粉煤灰由5份Ⅰ级粉煤灰和10份Ⅱ级粉煤灰组成。
(2)按0.6的水固比(体积比)向步骤(1)中的混合物加入水，湿磨处理获得浆料，湿磨处理的研磨转速为380rpm，湿磨处理的时间为100min。
(3)将EPS颗粒、二水磷石膏晶须与步骤(2)制得的浆料置于搅拌机中，搅拌55s，使物料均匀分散；其中，0.6份EPS颗粒由粒径1～3mmEPS与3～5mmEPS按照0.3：1的体积比组成。
(4)将步骤(3)的产物与磷建筑石膏、缓凝剂加入搅拌机中，搅拌2min至均匀，随后注模成型得到全固废高性能轻质材料。
实施例3
一种全固废高性能轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照表1所示的重量份数，称取粉煤灰、矿渣、电石渣和减水剂，混匀的得混合物；其中，15份粉煤灰由10份Ⅰ级粉煤灰和5份Ⅱ级粉煤灰组成。
(2)按0.7的水固比(体积比)向步骤(1)中的混合物加入水，湿磨处理获得浆料，湿磨处理的研磨转速为400rpm，湿磨处理的时间为90min。
(3)将EPS颗粒、二水磷石膏晶须与步骤(2)制得的浆料置于搅拌机中，搅拌50s，使物料均匀分散；其中，0.6份EPS颗粒由粒径1～3mmEPS与3～5mmEPS按照0.35：1的体积比组成。
(4)将步骤(3)的产物与磷建筑石膏、缓凝剂加入搅拌机中，搅拌2.5min至均匀，随后注模成型得到全固废高性能轻质材料。
实施例4
一种全固废高性能轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照表1所示的重量份数，称取粉煤灰、矿渣、电石渣和减水剂，混匀的得混合物；其中，20份粉煤灰由10份Ⅰ级粉煤灰和10份Ⅱ级粉煤灰组成。
(2)按0.7的水固比(体积比)向步骤(1)中的混合物加入水，湿磨处理获得浆料，湿磨处理的研磨转速为350rpm，湿磨处理的时间为110min。
(3)将EPS颗粒、二水磷石膏晶须与步骤(2)制得的浆料置于搅拌机中，搅拌55s，使物料均匀分散；其中，0.6份EPS颗粒由粒径1～3mmEPS与3～5mmEPS按照0.25：1的体积比组成。
(4)将步骤(3)的产物与磷建筑石膏、缓凝剂加入搅拌机中，搅拌1.5min至均匀，随后注模成型得到全固废高性能轻质材料。
实施例5
一种全固废高性能轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照表1所示的重量份数，称取粉煤灰、矿渣、电石渣和减水剂，混匀的得混合物；其中，15份粉煤灰为15份Ⅱ级粉煤灰。
(2)按0.8的水固比(体积比)向步骤(1)中的混合物加入水，湿磨处理获得浆料，湿磨处理的研磨转速为300rpm，湿磨处理的时间为120min。
(3)将EPS颗粒、二水磷石膏晶须与步骤(2)制得的浆料置于搅拌机中，搅拌60s，使物料均匀分散；其中，0.6份EPS颗粒由粒径1～3mmEPS与3～5mmEPS按照0.3：1的体积比组成。
(4)将步骤(3)的产物与磷建筑石膏、缓凝剂加入搅拌机中，搅拌2min至均匀，随后注模成型得到全固废高性能轻质材料。
对比例1
在实施例1的基础上，将步骤(2)中的湿磨处理步骤调整为：将步骤(1)中的混合物与水按0.5的水固比(体积比)加入搅拌机中混合3-4min制得浆料，再进行后续的步骤(3)和(4)，制备得到全固废轻质材料。
对比例2
在实施例1的基础上，将步骤(3)和步骤(4)进行合并，即：按表1所示的重量份数将EPS颗粒、二水磷石膏晶须、磷建筑石膏和缓凝剂与步骤(2)制得的浆料置于搅拌机中，搅拌3.5min，制备得到全固废轻质材料。
应用例
将实施例1-5制得的全固废高性能轻质材料及对比例1-2制得的轻质材料或全固废轻质材料制样，按照JGT169-2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》中各种规格产品的要求，分别进行绝干抗压强度、绝干密度、导热系数、吸水率和软化系数的性能测试，测试结果见下表2：
表2
Figure BDA0003445448630000081
由上表2可知，
对比例1的步骤(2)采用常规方法，将本发明的湿磨处理步骤调整为加入搅拌机中混合3～4min，得到的浆料与本发明采用湿磨处理获得的浆料相比，活性和密实性更低，进而导致制得材料的绝干抗压强度、密度和耐水性均不够理想。
对比例2的制备方法中，没有将EPS颗粒和二水磷石膏晶须与湿磨后的浆料预先混合处理，导致EPS颗粒和二水磷石膏晶须没能充分均匀混合在浆料中，这对制得材料的抗压强度、密实性和耐水性都有一定的影响。
本发明实施例1-5制得的全固废高性能轻质材料，绝干抗压强度为5.2～6.5MPa、绝干密度为765～986kg/m3、导热系数为0.11～0.13W/(m·K)、吸水率为4.2～5％、软化系数为0.68～0.72。不仅其各项性能均满足JGT169-2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》中各种规格产品的要求，而且耐水性优异。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种全固废高性能轻质材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将粉煤灰、矿渣、电石渣和减水剂按一定比例混合，得到产物A；
S2、将水与所述产物A按一定比例混合，经湿磨处理，得到产物B；
S3、将所述产物B与EPS颗粒和二水磷石膏晶须混合，得到产物C；
S4、将所述产物C与磷建筑石膏和缓凝剂混匀制浆、浇筑成型，即得到全固废高性能轻质材料；
步骤S2中，水与所述产物A的体积比为0.5~0.8；湿磨处理的研磨转速为300~400rpm，湿磨处理的时间为90~120min；所述产物B中浆体粒子的中值粒径为4~8μm；
步骤S3中，将所述产物B与EPS颗粒和二水磷石膏晶须混合的时间为50~60s；所述EPS颗粒由粒径为1~3mm的EPS颗粒和粒径为3~5mm的EPS颗粒按照0.2~0.35：1的体积比组成；
所述二水磷石膏晶须的平均长度为2~5mm，长径比为20~50，单纤拉伸强度大于20GPa；
所述全固废高性能轻质材料的原料，按重量份数计，由磷建筑石膏60~75份，粉煤灰10~20份，矿渣15~25份，电石渣2~4份，减水剂0.1~0.2份，EPS颗粒0.6~1.3份，二水磷石膏晶须2~5份和缓凝剂0.05~0.1份组成。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰、Ⅱ级粉煤灰中的一种或两种的混合物；所述矿渣为S95级矿渣粉，其比表面积不小于400m2/kg；所述减水剂选自聚羧酸减水剂和/或三聚氰胺减水剂，减水剂的减水率大于15%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述磷建筑石膏由磷石膏在130℃～160℃下煅烧3小时制得，其2h抗折强度大于2.5MPa，绝干抗压强度大于10MPa。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的制备方法制得的全固废高性能轻质材料，其特征在于，所述全固废高性能轻质材料的绝干抗压强度为5.2~6.5MPa，绝干密度为765~986kg/m3，导热系数为0.11~0.13 W/(m·K)，吸水率为4.2~5%，软化系数为0.68~0.72。
5.一种内墙隔板，其特征在于，采用根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法制得的全固废高性能轻质材料或根据权利要求4所述的全固废高性能轻质材料制成。
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