CN115215589A - 一种玉米芯低碳建筑材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玉米芯低碳建筑材料及其制备方法，按重量份数计，材料的组分为：全组分再生砂粉75‑100份、胶凝材料30‑37份、玉米芯骨料17‑33份、NaOH1‑3份、硅酸钠6‑11份、水6‑12份；玉米芯骨料为玉米棒破碎后的玉米芯颗粒，且经过浸泡预湿处理。本发明提出的玉米芯低碳建筑材料，以玉米芯骨料及再生砖粉代替天然骨料、工业固废替代水泥，制备一种节约资源、降低碳排放的新型绿色建筑材料，助力“碳达峰、碳中和”为目标，实现绿色再生产品的高附加值应用，减少固体废弃物对环境的污染，缓解天然资源严重短缺，有利于推进绿色低碳技术研发和推广应用。

Description

一种玉米芯低碳建筑材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及低碳建筑材料技术领域，具体涉及一种玉米芯低碳建筑材料及其制备方法。
背景技术
我国是农业大国，农作物资源非常丰富，玉米芯是玉米脱粒加工后的芯轴，按玉米芯重量占玉米棒产量的20％～25％粗略估算，玉米芯每年的产量高达1亿吨。目前对玉米芯的资源化利用多集中于工业原料、食用菌种植、新型能源能方面，资源化利用率仅为17％，大多数玉米芯仍占地堆放或无组织焚烧，不仅造成资源浪费，而且严重污染生态环境，由此而引发的社会问题、环境问题日益突出。
随着城市化进程的加快，相伴而生的建筑固废存储量逐年增加，对天然砂石资源的消耗及生态环境破坏问题突出。水泥属于“高耗能+高污染”行业，水泥作为高能耗、高污染、高CO2排放的建筑材料，因此迫切需要找出替代性材料实现水泥减量化。
因此利用工业废渣等工业固体废弃物制备新型胶凝材料完全取代传统的普通硅酸盐水泥，降低CO2排放，同时以建筑垃圾制得的全组分再生砂粉为原料，利用玉米芯生物质资源的潜力，开发出绿色低碳建筑材料及其制品，改善农业及工业固体废弃物的资源化利用问题，有利于资源再利用、节能环保和可持续发展。
发明内容
基于上述的前期研究和存在的问题，本发明经过进一步研究分析后，提供一种玉米芯低碳建筑材料及其制备方法，以玉米芯骨料及再生砖粉代替天然骨料、工业固废替代水泥，制备一种节约资源、降低碳排放的新型绿色建筑材料，实现绿色再生产品的高附加值应用，减少固体废弃物对环境的污染，缓解天然资源严重短缺，有利于推进绿色低碳技术研发和推广应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种玉米芯低碳建筑材料，按重量份数计，材料的组分为：全组分再生砂粉75-100份、胶凝材料30-37份、玉米芯骨料17-33份、NaOH1-3份、硅酸钠6-11份、水6-12份。
其中NaOH、硅酸钠和水混合后形成碱激发溶液。玉米芯骨料为玉米棒破碎后的玉米芯颗粒，在低碳建筑材料变形较大的情况下极易产生开裂，为了有效改善低碳建筑材料的变形能力差和易开裂等问题，高保水性、高弹性和高韧性的玉米芯骨料可有效防治低碳建筑材料的开裂问题。并且玉米芯骨料经过浸泡预湿处理，玉米芯颗粒经过浸泡预湿处理后可消除其吸水后体积膨胀影响材料的早期体积稳定性。
优选的，玉米芯颗粒的预湿度控制在60％-80％，当预湿度低于60％时，玉米芯骨料会快速吸收胶凝材料中的水分，随着水分向玉米芯骨料方向迁移，碱激发溶液也会被玉米芯骨料所吸收，致使混合物粘结性降低，强度损失超过28％，且造成了碱激发溶液的浪费，因此玉米芯骨料的预湿度不得小于60％。当预湿度超过80％后，玉米芯骨料中的水分迁移至混合物中，稀释了胶凝材料中的碱溶液浓度，致使混合物出现泌水且凝结时间长、早期强度损失超过30％，因此预湿度不宜超过80％。
优选的，玉米芯骨料通过玉米棒骨破碎-筛分-风选制成颗粒状。
优选的，玉米芯颗粒粒径为10-20mm，从而使每1m3低碳建筑材料中消耗的干玉米芯约为0.5-0.6m3。
优选的，全组分再生砂粉通过建筑垃圾分选-破碎-筛分-强化处理制得。
优选的，全组分再生砂粉包括有再生砂、废旧砂浆、红砖颗粒及砖粉，全组分再生砂粉品质为II类或III类中砂。
优选的，胶凝材料选用工业固废中的矿粉、粉煤灰及建筑垃圾处理过程中产生的再生粉体，其中矿粉为17-24份、粉煤灰5-7份、再生微粉2-4份。利用固废制备的免烧胶凝材料代替高能耗、高CO2排放的硅酸盐水泥，既能满足玉米芯低碳建筑材料制备的需求，又可以节约成本、降低环境污染。
与现有技术相比，本发明提供了一种玉米芯低碳建筑材料，具备以下有益效果：
(1)本发明使用的玉米芯颗粒粒径为10-20mm，在每1m3低碳建筑材料中消耗的干玉米芯约0.5-0.6m3，充分利用玉米芯在建筑材料中具有保温及隔声性能、自重轻、组织均匀，硬度适宜及可自然降解等优势，在建筑材料中的消耗量大，能够极大提高玉米芯等生物质固废的利用价值，有效节约资源和保护环境，为美丽乡村特色农居和农业生产设施的绿色建造提供原材料。
(2)本发明中普通硅酸盐水泥使用量为零，其余均来源于工业固废、拆除的建筑垃圾及农业固废制得的再生原料，原材料来源广泛、不仅能消耗大量的固废资源，改善传统建筑材料生产中高污染、高污染的现状，还可明显的降低生产成本，该发明可降低CO2排放量达到85％以上。
(3)在碱激发溶液的催化作用下，胶凝材料中的Si、Al相被浸出，随之发生水化反应形成低聚态凝胶体，随着催化作用持续进行，水化产物由低聚态凝胶体逐渐成为三维网状结构的高聚态凝胶，随着时间推移凝胶的硬化与成型，并快速产生强度。整个材料不仅环保性极佳，制备过程能耗低、CO2排放量小、工业固废利用率高。而且其水化产物是独特的空间网状硅铝体系，固结能力强，早期强度高、凝结硬化快，水化热低，具有快硬性、抗腐蚀性、抗冻性，粘结强度高等优异性能。
(4)本发明中碱激发胶凝材料具有快凝块硬的优点，可代替传统的硅酸盐水泥及快凝快硬水泥，可有效调控因玉米芯骨料中糖分所产生的缓凝作用，并且碱激发胶凝材料中Si(Al)-O4中四面体空间立体网状结构，可有效的固化玉米芯中的糖分，提高玉米芯低碳建筑材料的早期强度，缩短生产周期，提高生产效率，适用于规模化生产。
本发明还提出一种制备上述提及的一种玉米芯低碳建筑材料的方法，包括如下步骤：
S1、按量称取全组分再生砂粉、胶凝材料、预湿的玉米芯骨料、NaOH、硅酸钠及水备用；
S2、将NaOH、硅酸钠和水混合搅拌制成碱激发溶液，静置备用；
S3、将全组分再生砂粉和胶凝材料混合搅拌50s后加入步骤S2所得溶液继续搅拌1-1.5min，加入预湿的玉米芯骨料，根据混合物的工作性调整用水量继续搅拌1-1.5min，得到搅拌均匀的混合料；
S4、将步骤S3所得的混合料装入模具振动成型，自然环境静置8h拆模，并标准养护至所需天数。
优选的，步骤S2中碱激发溶液的浓度为3.0～3.5％、模数为1.00～1.25。本发明分别配制溶液1：浓度3.0％+模数1.00，溶液2：浓度3.0％+模数1.25，溶液3：浓度3.5％+模数1.00，溶液4：浓度3.5％+模数1.25。
然后经过实验测试，在同等条件下：
采用溶液1制备的碱激发胶凝材料28天强度略低于普通硅酸盐42.5R水泥，拌合物粘聚性较好，易于成型，可用于较低强度等级的低碳建筑材料。
采用溶液2和溶液4制备的碱激发胶凝材料28天强度高于普通硅酸盐42.5R 水泥；但其拌合物比较干硬，粘聚性较差。
采用溶液3制备的碱激发胶凝材料28天强度高于普通硅酸盐42.5R水泥；因其凝结时间短，拌合物粘聚性良好，易于成型，可用于较高强度等级的低碳建筑材料。
因此，在本发明中，对于低强度的低碳建筑材料选用的是浓度3.0％+模数 1.00的碱激发溶液，高强度的低碳建筑材料选用的是浓度3.5％+模数1.00的碱激发溶液。
优选的，上述方法制得的玉米芯低碳建筑材料强度为8.4-12.7MPa；弯压比为0.16-0.18；导热系数为0.108-0.289W/(m·K)。
与现有技术相比，本发明提供了一种玉米芯低碳建筑材料的制备方法，具备以下有益效果：
(1)本发明提出了玉米芯低碳建筑材料制备方法，先将胶凝材料、全组分再生砂粉及碱激发溶液充分混合均匀后再加入不同预湿度的玉米芯骨料，这种方法可有效的解决玉米芯多孔结构对碱激发溶液的吸附作用，消除其对建筑材料性能的影响。
(2)本发明制备的玉米芯低碳建筑材料强度可达到8.4-12.7MPa，弯压比 0.16-0.18，导热系数在0.108-0.289W/(m·K)之间，生产效率快速简单，适用于绿色生态的宜居乡村生物质建筑材料制品的开发及应用，具有良好的应用价值。
具体实施方式
下面对本发明实施例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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做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。
实施例一
本实施例提出一种玉米芯低碳建筑材料，各原材料的重量份数配比如下：全组分再生砂粉88份，胶凝材料30份，玉米芯骨料17份，NaOH为1.9份，Na2SiO4水玻璃7份，水9.8份。其中胶凝材料包括以下重量份数的原料：矿粉20份，粉煤灰6份，再生粉体3份。玉米芯骨料预湿度为60％。
上述建筑材料的制备方法如下：
制备之前，首先利用玉米棒骨破碎-筛分-风选工艺(该工艺采用目前现有技术)制成颗粒状形成玉米芯骨料，玉米芯骨料的粒径控制在10-20mm。制备玉米芯骨料经过浸泡预湿处理，并保证其预湿度为60％。然后建筑垃圾经过分选-破碎-筛分-强化处理后制得全组分再生砂粉，该全组分再生砂粉含有再生砂、废旧砂浆、红砖颗粒及砖粉。按上述组分分别量取全组分再生砂粉、胶凝材料、预湿的玉米芯骨料、NaOH、硅酸钠及水备用。
将矿粉20份、粉煤灰6份、再生粉体3份混合均匀形成胶凝材料。随后将 NaOH为1.9份、Na2SiO4水玻璃7份和水9.8份均匀形成碱激发溶液。接着上述将胶凝材料与全组分再生砂粉88份混合搅拌50s获得混合物。将碱激发溶液与制得的混合物搅拌1min后加入预湿的10-20mm的玉米芯骨料，根据混合物的工作性调整用水量继续搅拌1.5min，得到搅拌均匀的混合料。
制得的混合料装入模具中，振动成型，时间为8s，自然环境静置8h拆模，并标准养护至所需天数，测试其强度、导热系数等。
需要说明的是，进行标准养护的天数为可选3d、7d和28d，其中，设置 3天、7天的养护天数，是为了验证本发明中建筑材料早强快硬的特性，即早期强度高、凝结时间短，因此建筑材料养护3天、7天后可对其进行强度和凝结情况进行检测，而28天是标准规范要求的抗压强度测定时间。
实施例二
本实施例提出一种玉米芯低碳建筑材料，其与实施例一的区别在于：玉米芯骨料的重量份数为20份，玉米芯骨料预湿度为65％，水7.5份；
本实施中玉米芯低碳建筑材料的制备方法与实施例一基本相同，就不再对其进行赘述。
实施例三
本实施例提出一种玉米芯低碳建筑材料，其与实施例一的区别在于：玉米芯骨料的重量份数为23份，玉米芯骨料预湿度为70％，水10.3份；
本实施中玉米芯低碳建筑材料的制备方法与实施例一基本相同，就不再对其进行赘述。
实施例四
本实施例提出一种玉米芯低碳建筑材料，其与实施例一的区别在于：玉米芯骨料的重量份数为26份，玉米芯骨料预湿度为80％，水9.6份；
本实施中玉米芯低碳建筑材料的制备方法与实施例一基本相同，就不再对其进行赘述。
实施例五
本实施例提出一种玉米芯低碳建筑材料，各原材料的重量份数配比如下：全组分再生砂粉100份，胶凝材料33份，玉米芯骨料29份，NaOH为2.6份， Na2SiO4水玻璃10.5份，水8.9份；其中胶凝材料包括以下重量份数的原料：矿粉23份，粉煤灰6.7份，再生粉体3.3份；玉米芯骨料预湿度为60％。
本实施例中玉米芯低碳建筑材料的制备方法与实施例一基本相同，就不对其进行赘述。
实施例六
本实施例提出一种玉米芯低碳建筑材料，与实施例五的区别在于：玉米芯骨料的重量份数为32.6份，玉米芯骨料预湿度为80％，水7.4份。
本实施例中玉米芯低碳建筑材料的制备方法与实施例一基本相同，就不对其进行赘述。
表1为本发明的试验样品1-6的外观及性能
Figure BDA0003691658860000061
Figure BDA0003691658860000071
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而对这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种玉米芯低碳建筑材料，其特征在于，按重量份数计，材料的组分为：全组分再生砂粉75-100份、胶凝材料30-37份、玉米芯骨料17-33份、NaOH 1-3份、硅酸钠6-11份、水6-12份；玉米芯骨料为玉米棒破碎后的玉米芯颗粒，且经过浸泡预湿处理。
2.根据权利要求1所述的一种玉米芯低碳建筑材料，其特征在于，玉米芯颗粒的预湿度控制在60％-80％。
3.根据权利要求2所述的一种玉米芯低碳建筑材料，其特征在于，玉米芯骨料通过玉米棒骨破碎-筛分-风选制成颗粒状。
4.根据权利要求3所述的一种玉米芯低碳建筑材料，其特征在于，玉米芯颗粒粒径为10-20mm。
5.根据权利要求1所述的一种玉米芯低碳建筑材料，其特征在于，全组分再生砂粉通过建筑垃圾分选-破碎-筛分-强化处理制得。
6.根据权利要求1或5所述的一种玉米芯低碳建筑材料，其特征在于，全组分再生砂粉包括有再生砂、废旧砂浆、红砖颗粒及砖粉。
7.根据权利要求1所述的一种玉米芯低碳建筑材料，其特征在于，胶凝材料选用工业固废中的矿粉、粉煤灰及建筑垃圾处理过程中产生的再生粉体，其中矿粉为17-24份、粉煤灰5-7份、再生微粉2-4份。
8.制备权利要求1至7任一所述的一种玉米芯低碳建筑材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按量称取全组分再生砂粉、胶凝材料、预湿的玉米芯骨料、NaOH、硅酸钠及水备用；
S2、将NaOH、硅酸钠和水混合搅拌制成碱激发溶液，静置备用；
S3、将全组分再生砂粉和胶凝材料混合搅拌50s后加入步骤S2所得溶液继续搅拌1-1.5min，加入预湿的玉米芯骨料，根据混合物的工作性调整用水量继续搅拌1-1.5min，得到搅拌均匀的混合料；
S4、将步骤S3所得的混合料装入模具振动成型，自然环境静置8h拆模，并标准养护至所需天数。
9.根据权利要求8所述的一种玉米芯低碳建筑材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中碱激发溶液的浓度为3.0～3.5％、模数为1.00～1.25。
10.根据权利要求8所述的一种玉米芯低碳建筑材料的制备方法，其特征在于，制得的玉米芯低碳建筑材料强度为8.4-12.7MPa；弯压比为0.16-0.18；导热系数为0.108-0.289W/(m·K)。
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