CN115159943B - 防火型轻质保温材料及其制备方法与应用 - Google Patents

防火型轻质保温材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防火型轻质保温材料及其制备方法与应用，所述防火型轻质保温材料包括以下重量份的组分：工程弃土30～60份；高炉矿渣28～49份；粉煤灰12～21份；无机轻集料20～60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，有机硅憎水剂0.2～0.5份；所述防火型轻质保温材料还包括碱性激发剂。本发明以高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏协同改性工程弃土，通过掺加无机轻集料降低制品容重，得到免水泥、免烧结、免压制、免蒸压或蒸汽养护的轻质保温材料，实现了以废治废、变废为宝，具有明显的减污降碳协同效应。所述防火型轻质保温材料的原料主要为无机材料，具有良好的防火性能。

Description

防火型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，涉及一种防火型轻质保温材料。此外，本发明还涉及一种上述防火型轻质保温材料的制备方法与应用。
背景技术
工程弃土是建筑垃圾的一个组成部分，主要来自房地产建设项目、地下管廊项目及地铁项目等，其主要物相成分为黏土矿物。随着城市化建设的快速发展，工程弃土不断产生、总量快速增加。工程弃土黏性大、颗粒细小，且含水率往往比较高，尤其是盾构机施工产生的盾构渣土，其含水率甚至高达80％，其资源化难度比较高，通常以堆填的方式进行处置，不但占用大量土地资源，污染周边环境，而且还存在滑坡等安全隐患。
高层建筑竖向荷载85％以上是建筑物自重，减轻建筑自重不但可使结构构件的截面减小，节约大量的水泥、砂石及钢材，从而减少庞大的交通运输量，而且由于墙身厚度减薄，房屋有效面积可增加5～10％，同时还有利于减少基础投资费用、建筑改造和抗震，具有良好的经济效益和社会效益。建筑轻型化是高层建筑的必由之路，而填充墙墙材是当前建筑中使用量最大的建筑材料，因此，开发新型轻质保温填充墙墙材具有重要的现实意义。
发明内容
本发明提供了一种防火型轻质保温材料及其制备方法与应用，以解决现有工程弃土堆填占用土地、污染环境、存在安全隐患，以及现有土基建材制品容重大、难以在高层建筑填充墙墙体中应用的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种防火型轻质保温材料，包括以下重量份的组分：
工程弃土30～60份；高炉矿渣28～49份；粉煤灰12～21份；无机轻集料20～60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；有机硅憎水剂0.2～0.5份；其中，所述工程弃土的化学成分包括SiO2、Al2O3；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；
所述防火型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：
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，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。
进一步地，防火型轻质保温材料，包括以下重量份的组分：工程弃土40～50份；高炉矿渣35～42份；粉煤灰15～18份；无机轻集料25～50份；工业副产石膏2～5份；聚合物乳液3～8份；纤维0.2～0.5份；有机硅憎水剂0.2～0.5份。
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。
进一步地，所述无机轻集料包括膨胀珍珠岩和/或玻化微珠；和/或，所述无机轻集料的堆积密度不超过120kg/m3；和/或，所述无机轻集料的粒径不大于4.75mm。
进一步地，所述聚合物乳液的含固量大于等于50％。
进一步地，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，所述有机硅憎水剂包括甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾。
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，还提供了一种上述防火型轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将有机硅憎水剂先用水稀释，再喷洒在无机轻集料上，干燥后得到改性无机轻集料；
(2)首先根据所需碱性激发剂的碱当量和模数计算所需NaOH与水玻璃溶液的质量，然后将氢氧化钠完全溶于水，再与水玻璃混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂；
(3)将工程弃土破碎至粒径不超过4.75mm，再与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏进行轮碾、混合，得到混合物A；
(4)将所述碱性激发剂、聚合物乳液、纤维与所述混合物A混合，得到混合物B；
(5)将所述改性无机轻集料与所述混合物B混合，得到混合物C；
(6)将所述混合物C进行成型与养护，得到所述防火型轻质保温材料。
进一步地，所述混合物D的稠度为10～30mm；和/或，所述成型为浇筑、振动成型；和/或，所述养护为自然养护。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述防火型轻质保温材料或由上述制备方法制得的防火型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)在本申请由工程弃土、高炉矿渣、粉煤灰、无机轻集料、工业副产石膏、聚合物乳液、纤维、有机硅憎水剂，以及碱性激发剂制备得到防火型轻质保温材料，其中工程弃土的占比可达50％，固废总量占比高达84％，可大量利用工程弃土等固废，提高固废资源化利用率，从而减少其占用土地、污染环境以及带来的安全隐患，具有良好的社会效应和环境效应。
(2)烧结黏土砖块体干表观密度为1600～1800kg/m3，压制成型的免烧黏土砖块体干表观密度为1800～2100kg/m3，由于其容重比较大，只能用于承重墙体。本发明的防火型轻质保温材料的干表观密度低于1000kg/m3，具有良好的保温、隔热功能，可用于生产保温砌块、保温板等建材制品；同时，由于原料主要为无机材料，制品具有良好的防火性能，因此，可广泛应用于高层建筑的填充墙墙体。
(3)采用高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏协同改性工程弃土，在碱性激发剂的作用下，铝硅酸盐玻璃体网络结构先解聚后缩聚，形成稳定的三维大分子结构；工业副产石膏与C-A-H反应生成膨胀性水化产物，可填充硬化体结构的孔隙，并补偿基体因水分蒸发产生的收缩；各原料通过化学、物理作用紧密结合在一起，从而提高了防火型轻质保温材料的力学强度、耐久性。
(4)本发明的防火型轻质保温材料以工程弃土、高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏固废为主要原料，通过添加合适的碱性激发剂充分激发其活性，使制品获得比较高的力学强度和耐久性，从而不需要掺加水泥等胶凝材料，不需要采用烧结、压制、蒸压或蒸汽养护等工艺，这样大大降低了生产能耗，并减少CO2的排放量，具有明显的减污降碳协同效应。
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
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是对比例3的碱性激发剂的碱当量对防火型轻质保温材料的性能影响图谱；
图2是对比例4的碱性激发剂的模数对防火型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。
在工程弃土建材资源化利用方面，由于工程弃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。然而上述工程弃土建材资源化方式均需要消耗大量能源，并排放大量二氧化碳气体，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工程弃土，通过添加合适的碱性激发剂使活性废渣生成高强、耐久性好的地聚合物，并与黏土矿物活性成分发生反应，从而获得免水泥、免烧结、免压制、免蒸压或蒸汽养护土基建筑材料。
当前，以工程弃土为主要原料，烧结制作的砖块体干表观密度为1600～1800kg/m3，采用水泥或活性废渣为主要固化剂制作的砖块体的干表观密度为1800～2100kg/m3，由于制作的砖块体容重比较大，一般只能应用于低层建筑的承重墙体，难以应用于高层建筑填充墙体。本发明的第二个创新是，通过掺加无机轻集料降低土基免烧制品的容重，使其容重低于1000kg/m3，并具有良好的保温、隔热、防火功能，可在高层建筑填充墙墙体中广泛应用，从而扩大了土基制品的应用范围。另外，开挖出来的工程弃土均具有一定含水率，尤其是盾构机施工产生的盾构渣土，其含水率最高可达80％(土压平衡盾构渣土含水率10％～40％，泥水平衡盾构渣土含水率60％～80％)，当前有关上述工程弃土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，在对高含水率工程弃土进行资源化利用时，往往需要先对其进行脱水处理，这无疑将增加工程弃土资源化利用的成本。本发明的第三个创新是，提出对高含水率工程弃土进行免脱水资源化利用，创造性地利用高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏等协同改性工程弃土，辅以合适的碱性激发剂充分激发原料活性，使土基免烧制品在较高水胶比的情况下获得较高的力学性能，并通过添加聚合物乳液、纤维提高制品的耐水性能和抗开裂、收缩性，实现土基免烧制品在免压制、免蒸压或蒸汽养工艺下也能获得较好的物理力学性能，从而简化了生产工艺，进一步降低其生产成本。
防火型轻质保温材料
本申请第一方面的实施例提供一种防火型轻质保温材料，包括以下重量份的组分：
工程弃土30～60份；高炉矿渣28～49份；粉煤灰12～21份；无机轻集料20-60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；有机硅憎水剂0.2～0.5份；其中，所述工程弃土的化学成分包括SiO2、Al2O3；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；
所述防火型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：
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，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。
本发明的防火型轻质保温材料，包括：工程弃土、高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏、无机轻集料、聚合物乳液、纤维、有机硅憎水剂、碱性激发剂。采用高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏协同改性工程弃土，通过掺加无机轻集料降低制品容重，得到免水泥、免烧结、免压制、免蒸压或蒸汽养护的轻质保温材料，通过以废治废、变废为宝，实现了固废资源化的高效利用。
由于工程弃土的含水率因开挖土层、开挖方式的不同而变化，为了保证各原料之间的比例保持不变，本申请中的工程弃土均以干重计。
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，在碱性激发剂的作用下，释放出Ca2+、Al3+、Si4+等高价阳离子，与黏土颗粒表面吸附的Na+、K+等进行离子交换，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、粉煤灰中铝硅酸盐玻璃体网络结构解聚形成的游离[SiO4]4-和[AlO4]5-与Ca2+、Na+发生聚合反应，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；随着水分的不断减少，孔隙溶液中碱性激发剂的浓度增大，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，进一步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。
无机轻集料具有容重轻、保温隔热性能好的优点，可有效降低土基免烧制品的容重，使制品的容重低于1000kg/m3，并具有较好的保温、隔热功能。聚合物乳液可改善无机轻集料的界面，提高其与基体的粘结强度；同时，由于体系中存在大量的离子和离子基团(Ca2 +、[AlO4]5-、[SiO4]4-等)，而离子基团的聚合过程更易于发生有机高分子聚合物和无机体系的交联键合反应，形成有机-无机复合的互穿网络结构，使硬化体结构呈现出更加优异的宏观力学性能；另外，聚合物乳液可在基体中形成聚合物膜，能有效阻断基体中的毛细管道，从而提高制品的防水性能。有机硅憎水剂在无机轻集料的孔壁上形成牢固的疏水性网状硅氧烷分子膜，由于硅氧烷分子膜具有很低的表面张力，使水难以在其上面铺展，从而表现出良好的憎水效果，可降低无机轻集料的吸水率，进而减少拌和用水量，降低混合料浆的水胶比，且有机硅憎水剂不会影响堵塞无机轻集料的孔隙，即不会影响其保温隔热性能及干燥过程中内部水分的排出。
上述防火型轻质保温材料的各原料协同作用，通过化学、物理作用紧密结合在一起，使获得的防火型轻质保温材料具有容重轻、强度高、耐久性好的优点，并具有良好的保温、隔热性能，解决了土基建材制品容重大、生产能耗高的缺点；同时，由于原料主要为无机材料，因此，制品具有良好的防火性能。
在本发明的实施例中，为进一步提高防火型轻质保温材料的综合性能，所述防火型轻质保温材料包括以下重量份的组分：工程弃土40-50份；高炉矿渣35-42份；粉煤灰15-18份；无机轻集料25-50份；工业副产石膏2-5份；聚合物乳液3-8份；纤维0.2-0.5份。
在本发明的实施例中，所述高炉矿渣为粉状，比表面积大于400m2/kg；和/或，所述粉煤灰为颗粒状，其中，粒径小于45μm的颗粒占75％以上。
根据本申请的实施例，上述高炉矿渣、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，所述无机轻集料包括膨胀珍珠岩和/或玻化微珠；和/或，所述无机轻集料的堆积密度不超过120kg/m3；和/或，所述无机轻集料的粒径不大于4.75mm。
根据本申请的实施例，上述无机轻集料是膨胀珍珠岩、玻化微珠中的至少一种，膨胀珍珠岩、玻化微珠作为轻集料，具有容重轻、导热系数小、不燃烧、耐久性能好等特点，可有效降低建材制品的容重，使其具备良好的保温、隔热、防火等特性，克服了EPS、XPS板等有机保温材料易燃烧、高温产生有害气体、耐老化耐候性差等缺点。上述无机轻集料的堆积密度不超过120kg/m3。一般来说，在轻集料级配相同的情况下，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。当无机轻集料堆积密度不超过120kg/m3时，可在轻集料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，所述聚合物乳液包括VAE乳液和/或聚乙烯醇乳液；和/或，所述聚合物乳液的含固量大于等于50％。
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。
在本发明的实施例中，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，上述纤维可提高轻质保温材料的抗开裂、收缩性能，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，所述有机硅憎水剂包括甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾。
根据本申请的实施例，由于无机轻集料的吸水率比较高，吸水后导热系数迅速增大，保温效果急剧下降，还会因冰冻而导致破坏，因此，需要对其进行憎水处理。有机硅憎水剂带有反应活性的硅氧烷能相互作用形成氢键，且还能与无机轻集料中的羟基起化学反应，形成末端带有-Si-R基的硅烷链，从而在无机轻集料的孔壁上形成牢固的疏水性网状硅氧烷分子膜。由于硅氧烷分子膜具有很低的表面张力，使水难以在其上面铺展，从而表现出良好的憎水效果，可降低无机轻集料的吸水率，且有机硅憎水剂不会影响堵塞无机轻集料的孔隙，即不会影响其保温隔热性能及干燥过程中内部水分的排出。
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继续溶解，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的结构形成，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。
防火型轻质保温材料的制备
本申请第二方面的实施例提供一种防火型轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将有机硅憎水剂先用水稀释，再喷洒在无机轻集料上，干燥后得到改性无机轻集料；
(2)首先根据所需碱性激发剂的碱当量和模数计算所需NaOH与水玻璃溶液的质量，然后将氢氧化钠完全溶于水，再与水玻璃混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂；
(3)将工程弃土破碎至粒径不超过4.75mm，再与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏进行轮碾、混合，得到混合物A；
(4)将所述碱性激发剂、聚合物乳液、纤维与所述混合物A混合，得到混合物B；
(5)将所述改性无机轻集料与所述混合物B混合，得到混合物C；
(6)将所述混合物C进行成型与养护，得到所述防火型轻质保温材料。
本发明提供的防火型轻质保温材料中使用的工程弃土无需进行脱水处理，也即提出对高含水率工程弃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、制备工艺要求。采用烧结工艺制作砖块体时，挤出成型、半干压法、干压法要求坯料含水率分别为15％～25％、8％～12％和4％～6％，且砖坯在焙烧前应进行烘干处理。采用免烧压制成型工艺制作砖块体时，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％。高含水率工程弃土(盾构渣土含水率最高可达80％)按照传统制备工艺进行建材资源化，必须先对其进行脱水处理。本发明采用浇筑、振动成型，要求料浆具有一定的流动性，而高含水率工程弃土呈软塑或流塑状态，本身就具有一定的流动性，不需要加水或加少量水就可满足制备工艺要求，基本不需要先进行脱水处理。
2、制品性能要求。采用以水泥为主要固化剂制备土基免烧砖块体时，制品的力学强度主要由水泥硬化体提供，而水泥硬化体的力学强度则由水胶比决定，因此，当料浆的水胶比较大时，为了满足制品的力学性能要求，需要增加水泥的用量，这无疑将增加免烧砖的生产成本。本发明采用高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏协同改性工程弃土，辅以合适的碱性激发剂充分激发原料活性，使土基免烧制品在较高水胶比的情况下也能获得较高的力学性能，并通过添加聚合物乳液、纤维提高制品的耐水性能和抗开裂、收缩性，实现土基免烧制品在浇筑、振动成型工艺下也能获得较好的综合性能，且由于其主要原料为固废，因此，其生产成本也比较低。
在一些实施例中，防火型轻质保温材料的制备方法包括：首先将有机硅憎水剂用水稀释，再喷洒在无机轻集料上，干燥后得到改性无机轻集料；
然后将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂；
再将开挖产生的工程弃土经对辊机破碎至粒径不超过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A；
再将碱性激发剂、聚合物乳液、纤维与混合物A搅拌均匀，得到混合物B；
最后先将改性无机轻集料与混合物B搅拌均匀，得到混合物C，再采用浇筑、振动成型的方式成型，经脱模、养护后获得所述的防火型轻质保温材料。
在本申请的实施例中，所述混合物C的稠度为10～30mm。
根据本申请的实施例，当混合物稠度太低时，难以在模具中振动密实；当混合物稠度太高时，制品因水胶比过大强度下降明显。控制混合物稠度为10～30mm，既能满足成型要求，制品强度也比较高。
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。采用有机硅憎水剂对无机轻集料进行改性，有机硅憎水剂在无机轻集料的孔壁上形成牢固的疏水性网状硅氧烷分子膜，由于硅氧烷分子膜具有很低的表面张力，使水难以在其上面铺展，从而表现出良好的憎水效果，可降低无机轻集料的吸水率，进而减少拌和用水量，降低混合料浆的水胶比，且有机硅憎水剂不会影响堵塞无机轻集料的孔隙，即不会影响其保温隔热性能及干燥过程中内部水分的排出。将破碎后的工程弃土与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏在轮碾机中碾压、混合，一方面由于工程弃土黏性比较大，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、振动成型的方式成型，可减少无机轻集料多孔结构的破坏，且其制备工艺简单，设备投资少；同时，由于浇筑成型需要混合料浆具有一定的稠度，因此，工程弃土不需要进行脱水处理，进一步节省了生产成本。
上述防火型轻质保温材料的制备工艺简单，设备投资少；工程弃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；采用免烧结工艺，可减少能源的消耗，减少CO2的排放量，低碳又环保。
建材制品
上述防火型轻质保温材料或由上述制备方法制得的防火型轻质保温材料可用于制备建材制品。例如，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因其容重大，一般只用于承重墙体的限制。上述防火型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成本、低碳排放的产品，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。
实施例1
本实施例提供一种防火型轻质保温材料，包括以下重量份的各组分：工程弃土60份；高炉矿渣28份；粉煤灰12份；膨胀珍珠岩40份；磷石膏5份；VAE乳液5份；农作物秸秆纤维0.6份；甲基硅酸钠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1.2，碱当量为10％。
防火型轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、先将有机硅憎水剂用水稀释，再均匀喷洒在无机轻集料上面，干燥后得到改性无机轻集料。
S2、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：
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＝17.2份，y＝3.4份；碱性激发剂的质量M＝x+y，得到M＝20.6份。
S3、将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃溶液混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂；
S4、将工程弃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A；
S5、将碱性激发剂、纤维、聚合物乳液与步骤S4得到的混合物A搅拌均匀，得到混合物B；
S6、将步骤S1得到的改性无机轻集料与步骤S5得到的混合物B搅拌均匀，得到混合物C；
S7、将步骤S6得到的混合物C装入模具中，采用浇筑、振动成型方式成型，然后脱模、养护，获得所述的防火型轻质保温材料。
实施例2
本实施例提供一种防火型轻质保温材料，包括以下重量份的各组分：工程弃土50份；高炉矿渣35份；粉煤灰15份；膨胀珍珠岩45份；柠檬酸石膏3份；聚乙烯醇乳液6份；耐碱玻璃纤维0.4份；甲基硅酸钾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1.0，碱当量为8％。
防火型轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、先将有机硅憎水剂用水稀释，再均匀喷洒在无机轻集料上面，干燥后得到改性无机轻集料。
S2、使用与实施例1相同的公式，算出x＝14.3份，y＝3.7份；碱性激发剂的质量M＝x+y，得到M＝18.0份。
S3、将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃溶液混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂。
S4、将工程弃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A。
S5、将碱性激发剂、纤维、聚合物乳液与步骤S4得到的混合物A搅拌均匀，得到混合物B。
S6、将步骤S1得到的改性无机轻集料与步骤S5得到的混合物B搅拌均匀，得到混合物C。
S7、将步骤S6得到的混合物C装入模具中，采用浇筑、振动成型方式成型，然后脱模、养护，获得所述的防火型轻质保温材料。
实施例3
本实施例提供一种防火型轻质保温材料，包括以下重量份的各组分：工程弃土40份；高炉矿渣42份；粉煤灰18份；玻化微珠50份；脱硫石膏5份；VAE乳液8份；聚丙烯纤维0.3份；甲基硅酸钠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0.8，碱当量为8％。
防火型轻质保温材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、先将有机硅憎水剂用水稀释，再均匀喷洒在无机轻集料上面，干燥后得到改性无机轻集料。
S2、使用与实施例1相同的公式，算出x＝13.8份，y＝4.8份；碱性激发剂的质量M＝x+y，得到M＝18.6份。
S3、将氢氧化钠溶于水，再与水玻璃溶液混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂。
S4、将工程弃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A。
S5、将碱性激发剂、纤维、聚合物乳液与步骤S4得到的混合物A搅拌均匀，得到混合物B。
S6、将步骤S1得到的改性无机轻集料与步骤S5得到的混合物B搅拌均匀，得到混合物C。
S7、将步骤S6得到的混合物C装入模具中，采用浇筑、振动成型方式成型，然后脱模、养护，获得所述的防火型轻质保温材料。
对上述实施例1、2和3制备得到的防火型轻质保温材料的干密度、抗压强度、导热系数和燃烧性能等级进行测试，干密度、抗压强度、导热系数按照《蒸压加气混凝土砌块》(GB/T 11968-2020)进行测试。燃烧性能等级按照《建筑材料及制品燃烧性能分级》(GB8624-2012)进行测试。测试结果见表1。
表1实施例1～3的试验结果
由上述测试结果可知，本发明的实施例1～3制得的防火型轻质保温材料抗压强度平均值为7.9MPa，干表观密度平均值为695kg/m3，导热系数平均值为0.162W/(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，且其燃烧性能等级为A级，防火性能优异，因此，具有广泛的应用前景。
对比例1
为了对比分析无机轻集料对本发明的防火型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：工程弃土60份；高炉矿渣28份；粉煤灰12份；磷石膏5份；VAE乳液5份；农作物秸秆纤维0.6份；甲基硅酸钠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1.2，碱当量为10％。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，结果为：干密度为1780kg/m3，28d抗压强度为22.3MPa。与实施例1的防火型轻质保温材料相比，其干密度、28d抗压强度分别增大了136.7％和147.8％。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，无机轻集料是本发明的防火型轻质保温材料不可或缺的原料，对降低制品的干密度，提高其保温、隔热性能起决定作用。
对比例2
为了对比分析碱性激发剂对本发明的防火型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：工程弃土60份；高炉矿渣28份；粉煤灰12份；磷石膏5份；膨胀珍珠岩40份；VAE乳液5份；农作物秸秆纤维0.6份；甲基硅酸钠0.3份。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，结果为：干密度为738kg/m3，28d抗压强度为0.1MPa。与实施例1的的防火型轻质保温材料相比，其干密度变化不大，但几乎没有产生强度。由此可见，高炉矿渣、粉煤灰等固废虽具有水化活性，但无碱性激发剂作用时，其水化反应非常缓慢，难以形成较高的力学强度。
对比例3
为了分析碱性激发剂的碱当量对本发明的防火型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：工程弃土60份；高炉矿渣28份；粉煤灰12份；膨胀珍珠岩40份；磷石膏5份；VAE乳液5份；农作物秸秆纤维0.6份；甲基硅酸钠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1.2，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/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，其变化幅度不超过3％；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18.5％、6.5％、2.2％、10.9％。由此可知，当碱性激发剂的碱当量在6％～10％时，防火型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防火型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：工程弃土60份；高炉矿渣28份；粉煤灰12份；膨胀珍珠岩40份；磷石膏5份；VAE乳液5份；农作物秸秆纤维0.6份；甲基硅酸钠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％，碱性激发剂的碱当量为10％，模数分别为0.4、0.8、1.2(即实施例1)、1.6、2.0。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，其变化幅度不超过3％，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39.1％、15.2％、18.5％、45.7％。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 (10)

1.一种防火型轻质保温材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：
工程弃土30～60份；高炉矿渣28～49份；粉煤灰12～21份；无机轻集料20～60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；有机硅憎水剂0.2～0.5份；其中，所述工程弃土的化学成分包括SiO2、Al2O3；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；
所述防火型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：
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，工程弃土为未经脱水处理的原状土，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所述的防火型轻质保温材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：
工程弃土40～50份；高炉矿渣35～42份；粉煤灰15～18份；无机轻集料25～50份；工业副产石膏2～5份；聚合物乳液3～8份；纤维0.2～0.5份；有机硅憎水剂0.2～0.5份。
3.根据权利要求1所述的防火型轻质保温材料，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。
4.根据权利要求1所述的防火型轻质保温材料，其特征在于，所述无机轻集料包括膨胀珍珠岩和/或玻化微珠；和/或，
所述无机轻集料的堆积密度不超过120kg/m3；和/或，
所述无机轻集料的粒径不大于4.75mm。
5.根据权利要求1所述的防火型轻质保温材料，其特征在于，所述聚合物乳液的含固量大于等于50％。
6.根据权利要求1所述的防火型轻质保温材料，其特征在于，
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.根据权利要求1所述的防火型轻质保温材料，其特征在于，所述有机硅憎水剂包括甲基硅酸钠和/或甲基硅酸钾。
8.一种如权利要求1～7中任一项所述的防火型轻质保温材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将有机硅憎水剂先用水稀释，再喷洒在无机轻集料上，干燥后得到改性无机轻集料；
(2)首先根据所需碱性激发剂的碱当量和模数计算所需NaOH与水玻璃溶液的质量，然后将氢氧化钠完全溶于水，再与水玻璃混合均匀并冷却至室温，得到碱性激发剂；
(3)将工程弃土破碎至粒径不超过4.75mm，再与高炉矿渣、粉煤灰、工业副产石膏进行轮碾、混合，得到混合物A；
(4)将所述碱性激发剂、聚合物乳液、纤维与所述混合物A混合，得到混合物B；
(5)将所述改性无机轻集料与所述混合物B混合，得到混合物C；
(6)将所述混合物C进行成型与养护，得到所述防火型轻质保温材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
所述混合物C的稠度为10～30mm；和/或，
所述成型为浇筑、振动成型；和/或，
所述养护为自然养护。
10.一种如权利要求1～7中任一项所述的防火型轻质保温材料或由权利要求8或9所述的方法制备而成的防火型轻质保温材料在建材制品中的应用。
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