CN114988837B - 轻质保温材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轻质保温材料及其制备方法与应用，所述轻质保温材料包括以下重量份的原料组分：盾构渣土以干重计50～80份；高炉矿渣15～35份；粉煤灰5～15份；聚苯颗粒3～20份；工业副产石膏1～8份；聚合物乳液1～10份；纤维0.1～0.8份。所述轻质保温材料的原料中还包括碱性激发剂。本发明以高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏协同改性盾构渣土，通过掺加聚苯颗粒降低土基建材制品的容重，得到保温隔热性能好，抗压强度高的轻质保温材料，实现了以废治废、变废为宝，具有明显的减污降碳协同效应。

Description

轻质保温材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及固废处理和建筑材料技术领域，特别地，涉及一种轻质保温材料。此外，本发明还涉及一种上述轻质保温材料的制备方法与应用。
背景技术
盾构机施工过程中，为便于传送、减少盾构机械磨损、改善盾构机掘进参数及提高盾构机掘进质量，需要添加泡沫剂、有机高分子聚合物、水等改良剂，导致盾构渣土含水率高，且常含有较多的泡沫剂、有机高分子聚合物，同时，由于盾构渣土通常呈“膏体”状，脱水与筛分极为困难，使得其资源化利用难度非常高，主要采用堆填方式进行处置，不但占用了大量土地资源，污染周边环境，而且还存在滑坡等安全隐患，已成为威胁环境安全和国民生命健康的重大隐患。
高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，当炉温达到1400℃～1600℃时，助熔剂与铁矿石发生高温反应生成生铁和矿渣。随着钢铁冶炼工业发展，产生高炉矿渣的数量越来越多。粉煤灰是煤粉进入1300～1500℃的炉膛后，在悬浮燃烧条件下经受热面吸热后冷却而形成的微小灰粒，燃用1t煤约产生250～300kg粉煤灰。高炉矿渣、粉煤灰的化学成分主要为CaO、Al2O3、SiO2，具有潜在的水化活性，当前主要作为掺合料在混凝土中应用，其资源化利用附加值比较低。
过去几十年间，随着温室气体浓度的不断增加，气候变化和日益频发的极端气候事件越来越多地威胁到人类的生存和健康。气候变化已成为人类面临的重大而紧迫的全球性挑战。硅酸盐水泥作为当前建筑材料中不可或缺的主要原料，既是能源消耗大户，也是CO2排放大户，每生产1t水泥熟料需消耗0.161～0.296t煤，排放0.894～1.215t CO2。当前，水泥生产排放的CO2已占到全球碳排放的7％～10％，为了应对全球气候变化，减少水泥用量具有重要的现实意义。
发明内容
本发明提供一种轻质保温材料及其制备方法与应用，主要解决的技术问题是：以盾构渣土为主要原料，采用高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏对其进行改性，制得的轻质保温材料不仅解决了盾构渣土堆填占用土地、污染环境、存在安全隐患以及水泥建材制品能耗高、碳排放量大等问题，提高了高炉矿渣、粉煤灰资源化利用的附加值，而且还降低了土基建材制品的容重，提高了其保温、隔热性能。
根据本发明的一个方面，提供一种轻质保温材料，包括以下重量份的原料组分：
盾构渣土以干重计50～80份；高炉矿渣15～35份；粉煤灰5～15份；聚苯颗粒3～20份；工业副产石膏1～8份；聚合物乳液1～10份；纤维0.1～0.8份；其中，所述工业副产石膏的化学成分包括CaSO4·2H2O；所述聚合物乳液包括VAE乳液和/或聚乙烯醇乳液；所述轻质保温材料还包括M重量份的碱性激发剂，所述碱性激发剂由水玻璃和NaOH组成，其中，M由以下公式(1)～(3)计算得到：
Figure BDA0003728559200000021
Figure BDA0003728559200000022
M＝x+y                                       (3)
其中，a为水玻璃中Na2O的质量分数，以百分数计；b为水玻璃中SiO2的质量分数，以百分数计；c为碱性激发剂的模数；d为碱性激发剂的碱当量，以百分数计；x为水玻璃的质量，以重量份计；y为NaOH的质量，以重量份计；m为高炉矿渣与粉煤灰的质量之和，以重量份计。
进一步地，所述轻质保温材料包括以下重量份的原料组分：盾构渣土以干重计50～60份；高炉矿渣28～35份；粉煤灰12～15份；聚苯颗粒5～15份；工业副产石膏2～5份；聚合物乳液5～8份；纤维0.2～0.6份。
进一步地，所述盾构渣土为刀盘切削后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中的未经脱水与筛分处理的原状渣土。
进一步地，所述高炉矿渣为粉状，比表面积大于400m2/kg；和/或，所述粉煤灰中粒径小于45μm的颗粒占75％以上；和/或，所述工业副产石膏为脱硫石膏、磷石膏、柠檬酸石膏和钛石膏中的一种或多种。
进一步地，所述聚苯颗粒由废弃聚苯乙烯泡沫塑料经粉碎、混合而成；和/或，所述聚苯颗粒的堆积密度不超过21kg/m3；和/或，所述聚苯颗粒的粒径不超过5mm。
进一步地，所述聚合物乳液的含固量大于等于50％；和/或，所述纤维包括农作物秸秆纤维、耐碱玻璃纤维和聚丙烯纤维中的一种或多种；和/或，所述纤维的长度不超过20mm。
进一步地，所述碱性激发剂的碱当量为6％～10％，模数为0.8～1.6。
根据本发明的另一方面，还提供一种轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃混合均匀，冷却至室温后得到碱性激发剂；
(2)将聚苯颗粒与聚合物乳液混合均匀，得到混合物A；
(3)将破碎后的盾构渣土与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏进行碾压、混合，得到混合物B；
(4)将所述混合物B与碱性激发剂、纤维搅拌均匀，得到混合物C；
(5)将所述混合物A与所述混合物C搅拌均匀，得到混合物D；
(6)将所述混合物D进行成型与养护，得到所述轻质保温材料。
进一步地，所述养护的相对湿度不低于90％；和/或，所述养护的时间不低于7天。
根据本发明的再一方面，还提供了一种上述轻质保温材料或由上述制备方法制得的轻质保温材料在建材制品中的应用。
本发明与现有技术对比的有益效果包括：
(1)由原料盾构渣土、高炉矿渣、粉煤灰、聚苯颗粒、工业副产石膏、聚合物乳液、纤维、碱性激发剂制备的轻质保温材料中盾构渣土的占比高达75％以上，固废总占比高达95％以上，可大量利用盾构渣土等固废，提高其资源化利用率，从而减少其占用土地、污染环境以及带来的安全隐患，且因原料主要为固废，可大幅降低生产成本，具有良好的社会效应、环境效应和经济效应。
(2)本发明的轻质保温材料采用高炉矿渣、粉煤灰等原料协同改性盾构渣土，通过添加合适的碱性激发剂充分激发固废活性，使制品在常温常压条件下获得较高的力学强度和耐久性，从而不需要掺加水泥，不需要采用烧结、蒸压或蒸汽养护工艺，减少了能源消耗和CO2的排放量，提高了高炉矿渣、粉煤灰的资源化利用附加值，具有明显的减污降碳协同效应。
(3)本发明的轻质保温材料容重最低可达250kg/m3，具有良好的保温、隔热功能，可用于生产保温砌块、保温板，在高层建筑填充墙墙体中广泛应用，克服了传统土基建材制品因容重大只能用于低层建筑承重墙体的限制；同时，由于轻质保温材料在干燥环境中应用，可避免盾构渣土中的泡沫剂、有机高分子聚合物随水溶出而对周边水体和土壤造成污染。
(4)传统对盾构渣土进行资源化利用或堆填处置，均需要先对盾构渣土进行脱水处理，而当前的脱水技术要么效率低，要么成本高，给盾构施工企业和盾构渣土资源化企业带来了技术、成本等方面的困扰。本发明的轻质保温材料以原状盾构渣土为主要原料，不需要对盾构渣土进行脱水处理，既解决了盾构渣土难以处置的难题，又降低了盾构渣土的资源化成本。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为对比例3的碱性激发剂的碱当量对轻质保温材料的性能影响图谱；
图2为对比例4的碱性激发剂的模数对轻质保温材料的性能影响图谱。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或多种”中的“多种”的含义是两种及以上，“一个或多个”中的“多个”的含义是两个及以上。
在盾构渣土建材资源化利用方面，由于盾构渣土的主要成分为黏土矿物，虽然其化学成分主要为SiO2和Al2O3，然而其活性却非常低，常规条件下难以发生水化反应，因此，通常采用烧结工艺制作烧结制品，通过高温使黏土矿物活性提高，进而获得物理力学性能较好的制品；或以水泥为主要固化剂，采用压制成型制作免烧制品，利用水泥水化产物胶结黏土颗粒，并在压力的作用下获得致密结构，进而获得物理力学性能较好的制品；或以活性废渣为主要固化剂，采用压制成型、蒸压或蒸汽养护制作免烧制品，通过高温高压或高温条件激发活性废渣的活性，进而获得早期力学强度较高免烧制品。然而，上述盾构渣土建材资源化方式均需要消耗大量的能源，并排放大量的CO2，不符合节能、减碳的要求。本发明的第一个创新是，采用高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏协同改性盾构渣土，通过添加合适的碱性激发剂使铝硅酸盐玻璃体网络结构发生聚合反应，生成强度高、耐久性能好的地聚合物，从而获得免水泥、免烧结、免蒸压或蒸汽养护的低能耗、低碳排放土基建筑材料。
盾构渣土为刀盘切削后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中的渣土。为便于传送、减少盾构机械磨损、改善盾构机掘进参数及提高盾构机掘进质量，需要添加泡沫剂、有机高分子聚合物、水等改良剂，导致盾构渣土含水率比较高，且还含有较多的泡沫剂和有机高分子聚合物；同时，由于盾构渣土的主要成分为黏土矿物，其颗粒细小、黏性比较大，通常呈“膏体”状，导致其脱水与筛分极为困难。当前对其进行资源化利用的技术均要求其处于干燥或低含水率状态，因此，不得不花大代价对其进行脱水处理，造成其资源化成本大幅增加。本发明的第二个创新是，提出对盾构渣土进行免脱水资源化利用，利用高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏协同改性盾构渣土，辅以合适的碱性激发剂充分激发原料活性，使土基建材制品在较高水胶比的情况下仍能获得较高的力学性能，并通过添加聚合物乳液、纤维提高制品的防水性能和抗开裂、收缩性，从而实现原状盾构渣土免脱水制备土基建材制品，大幅降低了其资源化成本。
当前，采用烧结工艺制作的黏土砖块体的干表观密度为1600～1800kg/m3，采用水泥或活性废渣为固化剂压制的黏土砖块体的干表观密度为1800-2100kg/m3，由于制作的建土基材制品容重比较大，导致其保温、隔热性能比较差，且由于盾构渣土中通常含有较多的泡沫剂、有机高分子聚合物等改良剂，当其处于潮湿或浸水环境中时，泡沫剂和有机高分子聚合物容易溶出，进而对水体、土壤造成污染，因此，采用原状盾构渣土制作的土基建材制品，其应用范围受到了限制，一般只用于低层建筑的承重墙墙体，使得盾构渣土资源化利用率非常低。目前，建筑中用量最大的建筑材料为填充墙墙体材料，且其所处的环境为干燥环境。本发明的第三个创新是，通过掺加聚苯颗粒降低土基建材制品的容重，其容重可低至250kg/m3，并具有良好的保温、隔热功能，可在高层建筑填充墙墙体中广泛应用。
轻质保温材料
本申请第一方面的实施例提供一种轻质保温材料，包括以下原料组分：
盾构渣土以干重计50～80份；高炉矿渣15～35份；粉煤灰5～15份；聚苯颗粒3～20份；工业副产石膏1～8份；聚合物乳液1～10份；纤维0.1～0.8份；其中，所述工业副产石膏的化学成分包括CaSO4·2H2O；所述聚合物乳液包括VAE乳液和/或聚乙烯醇乳液；所述轻质保温材料还包括M重量份的碱性激发剂，所述碱性激发剂由水玻璃和NaOH组成，其中，M由以下公式(1)～(3)计算得到：
Figure BDA0003728559200000061
Figure BDA0003728559200000062
M＝x+y                                       (3)
其中，a为水玻璃中Na2O的质量分数，以百分数计；b为水玻璃中SiO2的质量分数，以百分数计；c为碱性激发剂的模数；d为碱性激发剂的碱当量，以百分数计；x为水玻璃的质量，以重量份计；y为NaOH的质量，以重量份计；m为高炉矿渣与粉煤灰的质量之和，以重量份计。
本发明的轻质保温材料由原料盾构渣土、高炉矿渣、粉煤灰、聚苯颗粒、工业副产石膏、聚合物乳液、纤维、碱性激发剂制备的轻质保温材料中盾构渣土的占比高达75％以上，固废总占比高达95％以上，可大量利用盾构渣土等固废，提高其资源化利用率，从而减少其占用土地、污染周边环境以及带来的安全隐患，且因原料主要为固废，可大幅降低生产成本，具有良好的社会效应、环境效应和经济效应。
本发明的轻质保温材料采用高炉矿渣、粉煤灰等原料协同改性盾构渣土，通过添加合适的碱性激发剂充分激发固废活性，使制品在常温常压条件下获得较高的力学强度和耐久性，从而不需要掺加水泥，不需要采用烧结、蒸压或蒸汽养护工艺，减少了能源消耗和CO2的排放量，提高了高炉矿渣、粉煤灰的资源化利用附加值，具有明显的减污降碳协同效应。
本发明的轻质保温材料容重最低可达250kg/m3，具有良好的保温、隔热功能，可用于生产保温砌块、保温板，在高层建筑填充墙墙体中广泛应用，克服了传统土基建材制品因容重大只能用于低层建筑承重墙体的限制；同时，由于轻质保温材料在干燥环境中应用，可避免盾构渣土中的泡沫剂、高分子聚合物随水溶出而对周边水体和土壤造成污染。
传统对盾构渣土进行资源化利用或堆填处置，均需要先对盾构渣土进行脱水处理，而当前的脱水技术要么效率低，要么成本高，给盾构施工企业和盾构渣土资源化企业带来了技术、成本等方面的困扰。本发明的轻质保温材料以原状盾构渣土为主要原料，不需要对盾构渣土进行脱水处理，既解决了盾构渣土难以处置的难题，又降低了盾构渣土的资源化成本。
本发明提供的碱性激发剂由NaOH和水玻璃组成，其中，NaOH可提供OH-和Na+，使高炉矿渣、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体网络结构的Si-O、Al-O断裂，释放出Si、Al离子，形成游离[SiO4]4-和[AlO4]5-，并通过聚合反应生成无定形凝胶和晶体结构。水玻璃则可提供低聚硅氧四面体，增加了游离[SiO4]4-的数量，有利于聚合反应中高聚合度的结构形成。
本发明提供的各原料间的协同机制：高炉矿渣、粉煤灰包覆在黏土颗粒表面，在碱性溶液中释放Ca2+、Al3+等高价阳离子，与黏土颗粒表面吸附的Na+、K+等低价阳离子进行离子交换，降低了黏土颗粒表面的Zeta电位，减少了黏土颗粒表面双电层厚度，增大了黏土颗粒之间的作用力，使黏土颗粒逐渐凝聚成团。同时，高炉矿渣、粉煤灰中的活性氧化钙、氧化硅、氧化铝等与碱性激发剂发生反应，生成C-S-H、C-A-H、C-A-S-H、N-A-S-H等胶凝物质，将黏土颗粒包裹粘结在一起。随着水分的不断消耗和散失，孔隙溶液中碱性激发剂浓度增大，黏土颗粒中矿物的活性成分在碱性激发剂的作用下，与C-S-H、C-A-H、C-A-S-H、N-A-S-H等胶凝物质反应，生成片状、纤维状或针状晶体，进一步增加了黏土颗粒之间的连接作用，形成了稳定的网状结构；工业副产石膏与C-A-H反应生成膨胀性水化产物钙矾石，填充了基体中的孔隙，提高了基体的密实度，且还能补偿基体因水分蒸发产生的收缩；纤维在基体中呈三维乱向分布，进一步提高了网状结构的稳定性，且还可承受一定的拉应力，减少基体收缩产生的裂缝，并阻止或减缓裂缝的扩展。
聚苯颗粒具有质轻、保温隔热性能好的优点，可有效降低土基免烧建材制品的容重，制品容重最低可达250kg/m3，并具备优良的保温、隔热性能；同时，聚苯颗粒本身具有一定的弹性，在无机、有机原料的包裹下形成具有一定强度的亚弹性体，可吸收减少外界自然条件影响产生的膨胀、收缩变形，从而达到抗裂的效果；另外，聚苯颗粒吸水率低，料浆可在低水胶比条件下成型，从而可提高硬化体的强度，减少胶凝材料的用量，且由于聚苯颗粒不易破碎，因而可满足各种成型工艺。聚合物乳液可改善聚苯颗粒的界面，提高其与基体的粘结强度，并可在基体中形成聚合物膜，可有效阻断基体中的毛细管道，从而提高制品的防水性能。
上述利用多源固废协同改性盾构渣土的轻质保温材料各原材料协同作用，通过化学、物理作用紧密结合在一起，使获得的利用多源固废协同改性盾构渣土的轻质保温材料具有容重轻、强度高、耐久性好的优点，并具备优良的保温、隔热性能，解决了土基建材制品容重大、能耗高的缺点。
在本申请中，聚合物乳液包括VAE乳液和/或聚乙烯醇乳液，上述VAE乳液、聚乙烯醇乳液具有良好的粘结性能，可提高原料间的粘结强度；同时由于VAE乳液、聚乙烯醇乳液具有亲水基团，在Ca2+、Na+、[AlO4]5-、[SiO4]4-聚合过程中易与其发生交联键合反应，形成有机-无机复合的互穿网络结构，使硬化体结构呈现更优异的宏观力学性能；另外，VAE乳液、聚乙烯醇乳液还具有良好的成膜特性，形成的聚合物膜可有效阻断毛细管道，提高轻质保温材料的防水性能。同时，由于原料主要为无机材料，因此，其制品具有较好的防火性能。
上述利用多源固废协同改性盾构渣土的轻质保温材料可用于生产保温砌块、保温板等建材制品，可在高层建筑填充墙墙体中广泛应用，突破了土基建材制品一般只用于承重墙体的限制。上述利用多源固废协同改性盾构渣土的轻质保温材料为以废治废、固废资源化利用提供了技术支撑，不但可消耗大量的固废，还可为建材领域开发新的产品，符合“资源节约型、环境友好型”社会的建设要求，具有良好的生态效益、社会效益和经济效益。
为了进一步提高轻质保温材料的综合性能，在一些实施例中，所述的轻质保温材料包括以下重量份的原料组分：
盾构渣土以干重计50～60份；高炉矿渣28～35份；粉煤灰12～15份；聚苯颗粒5～15份；工业副产石膏2～5份；聚合物乳液5～8份；纤维0.2～0.6份。
在本申请的实施例中，所述盾构渣土为刀盘切削后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中的未经脱水与筛分处理的原状渣土。
在本申请的实施例中，可使用地铁建设工程中产生的盾构渣土，例如使用自由含水率为38.4％，结合水含水率为7.2％，液限为41.4％，塑限为26.4％，塑性指数为15.0，中值粒径为7.351μm的盾构渣土。上述盾构渣土的主要矿物成分为石英、白云母和高岭石。由此可知，该盾构渣土的含水率高，吸附水能力强，矿物成分主要为黏土矿物，其性能稳定、黏性比较大，呈“膏体”状态。
在本申请的实施例中，所述高炉矿渣为粉状，比表面积大于400m2/kg；和/或，所述粉煤灰中粒径小于45μm的颗粒占75％以上；和/或，所述工业副产石膏为脱硫石膏、磷石膏、柠檬酸石膏、钛石膏中的至少一种。
根据本申请的实施例，高炉矿渣、粉煤灰具有潜在的水化活性，其水化反应非常缓慢，为了满足早期强度的要求，需要提高其活性，而提高其活性的方法主要为机械活化和化学激发。机械活化是指通过对粉体进行粉磨，改变颗粒粒径、粒度、形状及化学键力，使其比表面积、表面能增大，活性提高。当高炉矿渣的比表面积大于400m2/kg、粉煤灰的颗粒粒径75％以上小于45μm时，其活性比较高，在碱性激发剂的作用下可快速反应，产生较高的早期强度。
在本发明的实施例中，所述聚苯颗粒的堆积密度不超过21kg/m3；和/或，所述聚苯颗粒的粒径不超过5mm。
根据本申请的实施例，上述聚苯颗粒具有质轻、保温隔热性能好的优点，可有效降低土基免烧建材制品的容重，制品容重最低可达250kg/m3，并具备优良的保温、隔热性能；同时，聚苯颗粒本身具有一定的弹性，在无机、有机原料的包裹下形成具有一定强度的亚弹性体，可吸收减少外界自然条件影响产生的膨胀、收缩变形，从而达到抗裂的效果；另外，聚苯颗粒吸水率低，料浆可在低水胶比条件下成型，从而可提高硬化体的强度，减少胶凝材料的用量，且由于聚苯颗粒不易破碎，因而可满足各种成型工艺。上述聚苯颗粒的堆积密度不超过21kg/m3。一般来说，在聚苯颗粒级配相同的情况下，其堆积密度越小，说明颗粒内部的孔隙率越大，即相同配比制得的轻质保温材料的保温、隔热性能将更优。当聚苯颗粒堆积密度不超过21kg/m3时，可在其较低掺量条件下制得较低干密度等级、较小导热系数的轻质保温材料，并能保证轻质保温材料的力学性能满足要求。
在本发明的实施例中，所述聚合物乳液的含固量大于等于50％；和/或，所述纤维包括农作物秸秆纤维、耐碱玻璃纤维和聚丙烯纤维中的一种或多种；和/或，所述纤维的长度不超过20mm。
根据本申请的实施例，上述VAE乳液、聚乙烯醇乳液具有良好的粘结性能，可提高原材料间的粘结强度；同时由于VAE乳液、聚乙烯醇乳液具有亲水基团，在Ca2+、Na+、[AlO4]5-、[SiO4]4-聚合过程中易与其发生交联键合反应，形成有机-无机复合的互穿网络结构，使硬化体结构呈现更优异的宏观力学性能；另外，VAE乳液、聚乙烯醇乳液还具有良好的成膜特性，形成的聚合物膜可有效阻断毛细管道，提高轻质保温材料的防水性能，还可降低无机轻集料吸水率。控制聚合物乳液的含固量大于等于50％，可以保证聚合物乳液具有较好的粘结性能和成膜性能。
根据本申请的实施例，上述纤维可提高轻质保温材料的抗开裂性能，克服土基制品收缩大、易开裂的缺点。上述纤维的长度不超过20mm，有利于纤维在基体料中分散均匀，从而更有效地阻止基体中微裂缝的产生和扩展，提高制品的抗开裂性能，并降低基体的收缩率。
在本发明的实施例中，所述碱性激发剂的碱当量为6％～10％，模数为0.8～1.6。
根据本申请的实施例，碱性激发剂的碱当量和模数是影响高炉矿渣、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体网络结构解聚与聚合反应的主要因素，可通过调整水玻璃和NaOH的比例获得所需碱当量和模数。当碱性激发剂的碱当量过低时，高炉矿渣、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体溶解缓慢，释放出的Si、Al离子较少，从而形成了的游离[SiO4]4-和[AlO4]5-也比较少，生成的无定形凝胶和晶体结构也较少，硬化体的强度比较低；随着碱当量的不断增加，高炉矿渣、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体溶解加快，释放出的Si、Al离子逐渐增多，形成的游离[SiO4]4-和[AlO4]5-也逐渐增加，生成的无定形凝胶和晶体结构也增多，硬化体的强度逐渐增大，但当碱当量过大时，由于高炉矿渣、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体溶解出的Si、Al离子较多，形成了较多的游离[SiO4]4-和[AlO4]5-，短时间内[SiO4]4-和[AlO4]5-发生聚合反应并与Ca2+结合形成硬化产物包裹在未溶解的高炉矿渣、粉煤灰颗粒表面，阻碍了高炉矿渣、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体的溶解，导致未反应的高炉矿渣、粉煤灰颗粒含量反而增加。碱性激发剂的模数越低，需要添加NaOH的用量就越多，但过量的NaOH会抑制高炉矿渣、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体溶解，抑制聚合反应的进行；随着模数的增大，形成的游离[SiO4]4-逐渐增多，有利于聚合反应中高聚合度结构形成，但当模数过大时，碱性激发溶液粘度较大，混合料浆的硬化时间较快，不利于高炉矿渣、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体溶解。
轻质保温材料的制备方法
本申请第二方面的实施例提供一种轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃混合均匀，冷却至室温后得到碱性激发剂；
(2)将聚苯颗粒与聚合物乳液混合均匀，得到混合物A；
(3)将破碎后的盾构渣土与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏进行碾压、混合，得到混合物B；
(4)将所述混合物B与碱性激发剂、纤维搅拌均匀，得到混合物C；
(5)将所述混合物A与所述混合物C搅拌均匀，得到混合物D；
(6)将所述混合物D进行成型与养护，得到所述轻质保温材料。
本发明提供的轻质保温材料中使用的盾构渣土无需先进行脱水处理，也即提出对盾构渣土进行免脱水资源化利用，简化其生产工艺，进一步降低其生产成本。具体理由如下：
1、本发明采用浇筑、振动或挤压成型，混合料浆需要具有一定的稠度，因此，需要加入较多的水。盾构渣土本身含有较多的水，不脱水可节约用水量。
2、本发明采用高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏、纤维、聚合物乳液协同改性盾构渣土，使获得的土基免烧建材强度高、耐久性能好，即便是高水胶比，仍具有较好的综合性能。
3、采用烧结工艺制砖块体时，挤出成型要求坯料含水率为15％～25％，半干压法要求坯料含水率为8％～12％，干压法要求坯料含水率为4％～6％。采用免烧工艺制砖块体时，为了获得较大的极限成型压力，减少胶凝材料的用量，原料的含水率一般控制在6％～18％。本发明的轻质保温材料采用免烧结、免压制成型及免蒸压或蒸汽养护工艺，因此，不需要进行脱水处理。
上述先将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃混合均匀并冷却至室温，可避免氢氧化钠溶于水时因放出大量热，造成混合料浆局部凝结硬化过快的问题。将聚苯颗粒先与聚合物乳液搅拌均匀，使其表面包裹聚合物乳液，可提高聚苯颗粒与基体之间的粘结强度。将破碎过的盾构渣土与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏在轮碾机中碾压、混合，一方面，由于盾构渣土黏性比较大，难以与其他物料混合均匀，轮碾机可使其强制接触，有利于物料混合均匀；另一方面，轮碾机对物料进一步粉碎细化，增加了粗颗粒的自然连续级配，并通过颗粒与颗粒间的摩擦作用，破坏物料中铝硅酸盐玻璃体网络结构，从而使其活性提高。采用浇筑、振动或挤压成型工艺，可满足不同稠度料浆的成型要求；同时，由于浇筑成型需要混合料浆具有一定的稠度，因此，盾构渣土不需要进行脱水处理，进一步节省了生产成本。
在本申请的实施例中，为了保证良好的养护效果，所述养护的相对湿度不低于90％；和/或，所述养护的时间不低于7天。
上述轻质保温材料的制备工艺简单，设备投资少；盾构渣土采用开挖过程中产生的原状土，不需要进行脱水处理，降低了生产成本；采用免烧结、免蒸压或蒸汽养护工艺，可减少能源的消耗，低碳又环保。
建筑材料
本发明第三方面的实施例提供一种上述轻质保温材料或由上述制备方法制得的轻质保温材料在建筑材料中的应用。
上述轻质保温材料或由上述制备方法制得的轻质保温材料可用于制备建筑墙体保温制品。例如，用于生产保温砌块、保温板等建筑制品，可在高层建筑填充墙墙体中广泛应用，突破了土基建材制品因其容重大，一般只用于承重墙体的限制。上述轻质保温材料通过以废治废、变废为宝，实现了固废资源化的高效利用，具有明显的减污降碳协同效应，不但可消耗大量的固废，还可为建材领域开发低能耗、低碳排放、低成本的产品，符合“资源节约型、环境友好型”社会的建设要求，具有良好的生态效益、社会效益和经济效益。
实施例
下述实施例更具体地描述了本申请公开的内容，这些实施例仅仅用于阐述性说明，因为在本申请公开内容的范围内进行各种修改和变化对本领域技术人员来说是明显的。除非另有声明，以下实施例中所报道的所有份、百分比、和比值都是基于重量计，而且实施例中使用的所有试剂都可商购获得或是按照常规方法进行合成获得，并且可直接使用而无需进一步处理，以及实施例中使用的仪器均可商购获得。
下述实施例与对比例中，所述盾构渣土为某地铁建设工程中产生的盾构渣土，测得其自由含水率为38.4％，液限为41.4％，塑限为26.4％，塑性指数为15.0；根据热重曲线分析结果，可知其结合水含水率为7.2％；根据粒径分布曲线分析结果，可知盾构渣土的中值粒径为7.351μm；根据X射线衍射分析结果，可知盾构渣土的主要矿物成分为石英、白云母和高岭石。
实施例1
本实施例提供一种轻质保温材料，包括以下重量份的各组分：盾构渣土以干重计60份，高炉矿渣28份，粉煤灰12份，聚苯颗粒6份，磷石膏5份，VAE乳液8份，农作物秸秆纤维0.8份，碱性激发剂由NaOH与水玻璃溶液组成，其中，水玻璃溶液的Na2O、SiO2含量分别为8％、27％，碱性激发剂的模数为1.2，碱当量为8％。
轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、根据所需碱性激发剂的模数和碱当量，按照公式(1)和(2)计算所需NaOH与水玻璃溶液的质量：
Figure BDA0003728559200000131
Figure BDA0003728559200000132
式中，a为水玻璃中Na2O的质量分数，以百分数计；b为水玻璃中SiO2的质量分数，以百分数计；c为碱性激发剂的模数，即碱性激发剂中SiO2摩尔数与Na2O摩尔数的比值；d为碱性激发剂的碱当量，即碱性激发剂中Na2O质量与活性废渣(高炉矿渣与粉煤灰)质量的比值，以百分数计；x为水玻璃的质量，以重量份计；y为NaOH的质量，以重量份计；m为高炉矿渣与粉煤灰的质量之和，以重量份计。
通过公式(1)和(2)可以算出x＝13.8份，y＝2.7份；碱性激发剂的质量M＝x+y,得到M＝16.5份。
S2、将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂；
S3、将聚苯颗粒与聚合物乳液搅拌均匀，得到混合物A；
S4、将盾构渣土破碎至颗粒粒径小于4.75mm，再与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏在轮碾机中碾压、混合，得到混合物B；
S5、将碱性激发剂、纤维与步骤S4得到的混合物B搅拌均匀，得到混合物C；
S6、将步骤S3得到的混合物A与步骤S5得到的混合物C搅拌均匀，得到混合物D；
S7、将步骤S6得到的混合物D装入模具中，浇筑、振动成型，然后脱模、养护，获得所述的轻质保温材料。
实施例2
本实施例提供一种轻质保温材料，包括以下重量份的各组分：盾构渣土以干重计50份，高炉矿渣35份，粉煤灰15份，聚苯颗粒8份，柠檬酸石膏6份，聚乙烯醇乳液8份，耐碱玻璃纤维0.4份，碱性激发剂由NaOH与水玻璃溶液组成，其中，水玻璃溶液的Na2O、SiO2含量分别为8％、27％，碱性激发剂的模数为1.2，碱当量为6％。
轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、使用与实施例1相同的公式，带入以上数据，计算得到水玻璃的重量份为12.9份，NaOH质量份为2.5份，得到碱性激发剂的重量份为15.4份；
S2、将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂；
S3、将聚苯颗粒与聚合物乳液搅拌均匀，得到混合物A；
S4、将盾构渣土破碎至颗粒粒径小于4.75mm，再与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏在轮碾机中碾压、混合，得到混合物B；
S5、将碱性激发剂、纤维与步骤S4得到的混合物B搅拌均匀，得到混合物C；
S6、将步骤S3得到的混合物A与步骤S5得到的混合物C搅拌均匀，得到混合物D；
S7、将步骤S6得到的混合物D装入模具中，浇筑、振动成型，然后脱模、养护，获得所述的轻质保温材料。
实施例3
本实施例提供一种轻质保温材料，包括以下重量份的各组分：盾构渣土以干重计40份，高炉矿渣42份，粉煤灰18份，聚苯颗粒10份，脱硫石膏8份，VAE乳液12份，聚丙烯纤维0.3份，碱性激发剂由NaOH与水玻璃溶液组成，其中，水玻璃溶液的Na2O、SiO2含量分别为8％、27％，碱性激发剂的模数为1.5，碱当量为8％。
轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、使用与实施例1相同的公式，带入以上数据，计算得到水玻璃溶液质量份为25.8份，NaOH质量份为3.5份，得到碱性激发剂的重量份为29.3份；
S2、将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂；
S3、将聚苯颗粒与聚合物乳液搅拌均匀，得到混合物A；
S4、将盾构渣土破碎至颗粒粒径小于4.75mm，再与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏在轮碾机中碾压、混合，得到混合物B；
S5、将碱性激发剂、纤维与步骤S4得到的混合物B搅拌均匀，得到混合物C；
S6、将步骤S3得到的混合物A与步骤S5得到的混合物C搅拌均匀，得到混合物D；
S7、将步骤S6得到的混合物D装入模具中，浇筑、振动成型，然后脱模、养护，获得所述的轻质保温材料。
对上述实施例1、2和3制备得到的渣土基免烧轻质保温材料进行干密度、抗压强度和导热系数测试，试验方法按照《蒸压加气混凝土砌块》(GB/T 11968-2020)进行。燃烧性能等级按照《建筑材料及制品燃烧性能分级》(GB 8624-2012)进行。测试结果见表1。
表1实施例1～3的试验结果
Figure BDA0003728559200000151
由上述测试结果可知，本发明的实施例1～3制得的轻质保温材料抗压强度平均值为1.7MPa，干表观密度平均值为330kg/m3，导热系数平均值为0.074W/(m2·k)，具备轻质、高强、低导热系数的特性，具有较好的保温隔热性能，且燃烧性能等级为A级，耐火阻燃性能优异，因此，具有广泛的应用前景。
对比例1
为了对比分析聚苯颗粒对本发明的轻质保温材料的性能影响，提供实施例1的对比例，包括以下重量份的各组分：盾构渣土以干重计60份，高炉矿渣28份，粉煤灰12份，磷石膏5份，VAE乳液8份，农作物秸秆纤维0.8份，碱性激发剂由NaOH与水玻璃溶液组成，其中，水玻璃溶液的Na2O、SiO2含量分别为8％、27％，碱性激发剂的模数为1.2，碱当量为8％。制备步骤与实施例1相同。
按照《蒸压加气混凝土砌块》(GB/T 11968-2020)对制得的轻质保温材料进行测试，结果为：干密度为1792kg/m3，28d抗压强度为22.7MPa。与实施例1的轻质保温材料相比，其干密度、28d抗压强度分别增大了322.6％和887.0％。干密度作为保温材料的重要技术指标，其数值直接影响制品的保温隔、热性能，一般来说，制品的干密度越小，其保温、隔热性能越好。由此可见，聚苯颗粒是本发明的轻质保温材料不可或缺的原料，可以显著降低制品的干密度，使制品具有优良的保温、隔热性能。
对比例2
为了对比分析不同轻集料对本发明的轻质保温材料的性能影响，分别采用聚苯颗粒、膨胀珍珠岩作为轻集料制备轻质保温材料：
1#实施例包括以下重量份的各组分：盾构渣土以干重计60份，聚苯颗粒2.7份；高炉矿渣28份，粉煤灰12份，磷石膏5份，VAE乳液8份，农作物秸秆纤维0.8份，碱性激发剂由NaOH与水玻璃溶液组成；
2#实施例包括以下重量份的各组分：盾构渣土以干重计60份，膨胀珍珠岩32份；高炉矿渣28份，粉煤灰12份，磷石膏5份，VAE乳液8份，农作物秸秆纤维0.8份，碱性激发剂由NaOH与水玻璃溶液组成；
1#实施例、2#实施例的水玻璃溶液的Na2O、SiO2含量分别为8％、27％，碱性激发剂的模数为1.2，碱当量为8％；制备步骤与实施例1相同。
按照《蒸压加气混凝土砌块》(GB/T 11968-2020)对制得的轻质保温材料进行测试，结果为：1#实施例干密度为747kg/m3，28d抗压强度为7.0MPa；2#实施例干密度为806kg/m3，28d抗压强度为4.3MPa。根据1#实施例、2#实施例配比可知，为使轻质保温材料的干密度差不多，需要增加膨胀珍珠岩的掺量，其掺量为聚苯颗粒掺量的12倍。根据测试结果可知，在干密度相差不多的情况下，掺加膨胀珍珠岩的轻质保温材料较掺加聚苯颗粒的轻质保温材料，其28d抗压强度下降了38.6％，其原因主要是无机轻集料的吸水率比较大，为达到相同的料浆稠度，需要增加用水量，从而导致制品强度下降明显。
对比例3
为了分析碱性激发剂的碱当量对本发明的轻质保温材料的性能影响，本实施例提供实施例1的对比例，包括以下重量份的各组分：盾构渣土以干重计60份，高炉矿渣28份，粉煤灰12份，聚苯颗粒6份，磷石膏5份，VAE乳液8份，农作物秸秆纤维0.8份，碱性激发剂由NaOH与水玻璃溶液组成，其中，水玻璃溶液的Na2O、SiO2含量分别为8％、27％，碱性激发剂的模数为1.2，碱当量分别为4％、6％、8％(即实施例1)、10％、12％。制备步骤与实施例1相同。按照《蒸压加气混凝土砌块》(GB/T11968-2020)对制得的防火型轻质保温材料进行测试，性能测试结果如图1所示。
由图1可知，碱性激发剂的碱当量对制品的干密度影响不大，变化幅度不超过3.5％；碱性激发剂的碱当量对制品的抗压强度有较大影响，且随碱当量的增大呈先增大后减小的趋势，当碱性激发剂的碱当量为8％时，试样的抗压强度最大，当碱当量为4％、6％、10％、12％时，其抗压强度分别下降了21.7％、8.7％、4.3％、13.0％。由此可知，当碱性激发剂的碱当量在6％～10％时，轻质保温材料的抗压强度变化幅度较小，当碱当量小于6％或大于10％时，其抗压强度下降幅度比较明显。
对比例4
为了对比分析碱性激发剂的模数对本发明的轻质保温材料的性能影响，提供实施例1的对比例，包括以下重量份的各组分：盾构渣土以干重计60份，高炉矿渣28份，粉煤灰12份，聚苯颗粒6份，磷石膏5份，VAE乳液8份，农作物秸秆纤维0.8份，碱性激发剂由NaOH与水玻璃溶液组成，其中，水玻璃溶液的Na2O、SiO2含量分别为8％、27％，碱性激发剂的碱当量为8％，模数分别为0.4、0.8、1.2(即实施例1)、1.4、1.6。制备步骤与实施例1相同。按照《蒸压加气混凝土砌块》(GB/T 11968-2020)对制得的防火型轻质保温材料进行测试，性能测试结果如图2所示。
由图2可知，碱性激发剂的模数对制品的干密度影响不大，变化幅度不超过4％，但对制品的抗压强度有较大影响，且随模数的增大呈先增大后减小的趋势，当碱性激发剂的模数为1.2时，试样的抗压强度最大，当碱当量为0.4、0.8、1.6、2.0时，其抗压强度分别下降了43.5％、13.0％、8.7％、34.8％。由此可知，当碱性激发剂的模数在0.8～1.6时，防火型轻质保温材料的抗压强度变化幅度较小，当模数小于0.8或大于1.6时，其抗压强度下降幅度比较显著。
虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述，但在不脱离本申请的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种轻质保温材料，其特征在于，包括以下重量份的原料组分：
盾构渣土以干重计50～80份；高炉矿渣15～35份；粉煤灰5～15份；聚苯颗粒3～20份；工业副产石膏1～8份；聚合物乳液1～10份；纤维0.1～0.8份；其中，所述工业副产石膏的化学成分包括CaSO4·2H2O；所述聚合物乳液包括VAE乳液和/或聚乙烯醇乳液；所述轻质保温材料还包括M重量份的碱性激发剂，所述碱性激发剂由水玻璃和NaOH组成，其中，M由以下公式(1)～(3)计算得到：
Figure FDA0004058237450000011
Figure FDA0004058237450000012
M＝x+y                                       (3)
其中，a为水玻璃中Na2O的质量分数，以百分数计；b为水玻璃中SiO2的质量分数，以百分数计；c为碱性激发剂的模数；d为碱性激发剂的碱当量，以百分数计；x为水玻璃的质量，以重量份计；y为NaOH的质量，以重量份计；m为高炉矿渣与粉煤灰的质量之和，以重量份计，
其中，盾构渣土为未经脱水与筛分处理的原状渣土；所述碱性激发剂的碱当量为6％～10％，模数为0.8～1.6。
2.根据权利要求1所述的轻质保温材料，其特征在于，包括以下重量份的原料组分：
盾构渣土以干重计50～60份；高炉矿渣28～35份；粉煤灰12～15份；聚苯颗粒5～15份；工业副产石膏2～5份；聚合物乳液5～8份；纤维0.2～0.6份。
3.根据权利要求1或2所述的轻质保温材料，其特征在于，所述盾构渣土为刀盘切削后进入土仓，经螺旋输送机、皮带输送机、轨道渣土车运输或泵送至地面渣土池中的未经脱水与筛分处理的原状渣土。
4.根据权利要求1或2所述的轻质保温材料，其特征在于，所述高炉矿渣为粉状，比表面积大于400m2/kg；和/或，
所述粉煤灰中粒径小于45μm的颗粒占75％以上；和/或，
所述工业副产石膏为脱硫石膏、磷石膏、柠檬酸石膏和钛石膏中的一种或多种。
5.根据权利要求1或2所述的轻质保温材料，其特征在于，所述聚苯颗粒由废弃聚苯乙烯泡沫塑料经粉碎、混合而成；和/或，
所述聚苯颗粒的堆积密度不超过21kg/m3；和/或，
所述聚苯颗粒的粒径不超过5mm。
6.根据权利要求1或2所述的轻质保温材料，其特征在于，所述聚合物乳液的含固量大于等于50％；和/或，
所述纤维包括农作物秸秆纤维、耐碱玻璃纤维和聚丙烯纤维中的一种或多种；和/或，
所述纤维的长度不超过20mm。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述的轻质保温材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃混合均匀，冷却至室温后得到碱性激发剂；
(2)将聚苯颗粒与聚合物乳液混合均匀，得到混合物A；
(3)将破碎后的盾构渣土与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏进行碾压、混合，得到混合物B；
(4)将所述混合物B与碱性激发剂、纤维搅拌均匀，得到混合物C；
(5)将所述混合物A与所述混合物C搅拌均匀，得到混合物D；
(6)将所述混合物D进行成型与养护，得到所述轻质保温材料。
8.根据权利要求7所述的轻质保温材料的制备方法，其特征在于，所述养护的相对湿度不低于90％；和/或，
所述养护的时间不低于7天。
9.一种如权利要求1～6中任一项所述的轻质保温材料或由权利要求7或8所述的方法制备而成的轻质保温材料在建筑材料中的应用。
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