CN115259809B - 一种碳化石材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳化石材及其制备方法，原料包括质量比为1：(3～30)的减水剂溶液和混合干料；按质量份数计，混合干料包括10～30份的钢渣、1～10份的石英粉、1～10份的玻璃砂、1～10份的电石渣、1～10份的水泥以及0.01～2份的消泡剂。本发明混合干料中的各组分在消泡剂的作用下，增加了浇筑体系的堆积密实性，消除了石材内部较大的孔隙，进而增加了石材的强度，防止开裂；并通过其他养护工艺的配合，加强了石材的强度和表面致密度，有效防止开裂现象，具有使用寿命长、碳化程度高以及不易染色等优点。

Description

一种碳化石材及其制备方法
技术领域
本发明属于建材技术领域，具体涉及一种碳化石材及其制备方法。
背景技术
随着人类社会的发展，经济不断进步，对于建筑装修行业性能指标要求越来越高，其中石材以其独特的优势得到广泛关注。天然石材是指从天然岩体中开采出来的，并经加工成块状或板状材料。建筑装饰用的天然石材主要有花岗岩和大理石两大种，其硬度较高，强度大，具有独一无二的纹理，在日常使用中需要对其进行打蜡等护理。但是石材资源缺乏，不能持续供应，而且时间久后天然石材因其有天然毛孔等特性会因深入外界的其他物质而产生反碱或色斑等问题。到目前为止，人们已经采取了不同的方法来解决这些问题，其中人造石技术成了建筑行业的新宠。人造石是一种新型的复合材料，是用不饱和聚脂树脂与填料、颜料混合，加入少量引发剂，经一定的加工程序制成的。这种人造石材可制成具有色彩艳丽、光泽如玉、酷似天然大理石的制品，但是其成本高，而且会由于聚酯树脂与填料、颜料、搅拌不均以及促进剂、引发剂与树脂比例不对引起开裂、翘曲等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种碳化石材及其制备方法，采用浇筑工艺，制备方法简单容易操作，制得的石材无污染开裂等缺点。
为达到上述技术目的，本发明碳化石材的技术方案是：
原料包括质量比为1：(3～30)的减水剂溶液和混合干料；按质量份数计，混合干料包括10～30份的钢渣、1～10份的石英粉、1～10份的玻璃砂、1～10份的电石渣、1～10份的水泥以及0.01～2份的消泡剂。
进一步地，减水剂溶液是由质量比为1：(3～40)的减水剂与水配制而成。
进一步地，减水剂为萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂和聚羧酸高性能减水剂中的一种或多种。
进一步地，玻璃砂的粒径为2～80目。
进一步地，水泥包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的一种或多种。
进一步地，消泡剂为乳化硅油、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
本发明碳化石材的制备方法的技术方案是：包括如下步骤：
将钢渣、电石渣、石英粉、玻璃砂、水泥和消泡剂混合得到混合干料；
将减水剂和水混合得到减水剂溶液；
将所述减水剂溶液和所述混合干料混合，搅拌形成浆料；
将所述的浆料在模具中浇筑成型，经过养护、脱模和干燥得到浇筑基体；
将所述浇筑基体在CO2环境下碳化得到碳化石材。
进一步地，浆料搅拌的转速为500～1400rpm，时间为0.5h～3h。
进一步地，养护温度在10℃～50℃，养护时间为1h～48h；干燥温度为30℃～80℃，干燥时间为2h～48h。
进一步地，碳化时CO2浓度为10％～100％，碳化时间为1h～72h。
此外，本发明还提出一种高性能碳化石材，由上述制备方法制备得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明混合干料中的各组分在消泡剂的作用下，增加了浇筑体系的堆积密实性，消除了石材内部较大的孔隙，进而增加了石材的强度，防止开裂。并通过其他养护工艺的配合，特别是将坯体养护干燥之后将浇筑基体在CO2环境下碳化得到碳化石材，养护干燥和碳化过程均加强了石材的强度和表面致密度，本发明制得的碳化石材抗折强度可高达19.6～29.6MPa，抗压强度可高达48.7～76.3MPa，强度好，有效防止开裂现象，具有使用寿命长、碳化程度高以及不易染色等优点，可在建筑领域广泛应用。
附图说明
图1是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和对比例1制备的碳化石材的抗压强度对比图。
图2是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和对比例2制备的碳化石材的抗折强度的对比图。
图3是本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和对比例2制备的碳化石材的碳化程度的对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种高性能的石材的制备方法，包括以下步骤：
S1、将钢渣、电石渣、石英粉、玻璃砂、水泥、消泡剂混合得到混合干料；优选地，钢渣是转炉、电炉或精炼炉熔炼过程中产生的工业废料，成分以硅酸三钙为主，其次是硅酸二钙、RO相、铁酸二钙和游离氧化钙；玻璃砂为一种或多种不同颜色，尺寸为2～80目；水泥为硅酸盐水泥，包括普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的一种或多种；消泡剂为乳化硅油、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种；混合干料质量比为钢渣：石英粉：玻璃砂：电石渣：水泥：消泡剂＝(10～30)：(1～10)：(1～10)：(1～10)：(1～10)：(0.01～2)，优选为15：(2.5～3.5)：(1～2):(4～5)：(0.5～1)：(0.01～0.02)。
S2、将减水剂和水混合得到混合液；优选地，减水剂如萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂、聚羧酸高性能减水剂等，均来自江苏苏博特新材料有限公司，减水剂与水的质量比为1：(3～40)，优选为1：(25～35)；
S3、将减水剂水溶液和混合干料混合，高转速搅拌形成浇筑浆料；优选地，高转速为转速500～1400rpm，时间为0.5h～3h；减水剂水溶液与混合干料的质量比为1：(3～30)，优选为1：(3～8)，更进一步优选为1：(4～6)；
S4、将浆料在模具中浇筑成型，将浇筑坯体养护、脱模、干燥得到浇筑基体；养护温度在10℃～50℃，时间为1h～48h；干燥温度为30℃～80℃，时间为2h～48h；
S5、将所述浇筑基体在CO2环境下碳化得到所述高性能碳化石材；CO2浓度为10％～100％，碳化压力为0～0.6MPa；所述的碳化时间为1h～72h。
本发明还包括一种高性能碳化石材，由上述制备方法制备得到。本发明提供的一种高性能碳化石材不仅碳化程度较高，满足碳中和方针，解决碳排放问题，而且具有高的抗折抗压强度和低的吸水率，可做路牙石、鹅卵石等石材，在建筑行业广泛使用，具有很好的发展前景。
下面通过具体的实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例提出一种高性能碳化石材，由以下步骤制得：
将1514g钢渣、454.2g电石渣、302.8g石英粉、151.4g玻璃砂、75.7g水泥、1.514g聚二甲基硅氧烷消泡剂搅拌混合得到混合料；
将16.7g萘系高效减水剂溶于500g水中混合搅拌得到混合液；
将所述混合液和所述混合料混合，以500rpm高转速搅拌2h得到浇筑料浆；
将所述浇筑料浆放入35cm*10cm*10cm试块模具中，15℃条件下养护12h；养护后坯体脱模，置于40℃鼓风干燥箱干燥5h得到石材基体。
将所述石材基体在CO2环境下碳化12h得到所述碳化石材，并命名为1-JS；所述CO2环境中CO2的体积浓度为60％。
实施例2
本实施例提出一种高性能碳化石材，由以下步骤制得：
将1514g钢渣、454.2g电石渣、302.8g石英粉、151.4g玻璃砂、75.7g水泥、1.514g聚二甲基硅氧烷消泡剂搅拌混合得到混合料；
将16.7g萘系高效减水剂溶于500g水中混合搅拌得到混合液；
将所述混合液和所述混合料混合，以500rpm高转速搅拌2h得到浇筑料浆；
将所述浇筑料浆放入35cm*10cm*10cm试块模具中，15℃条件下养护12h；养护后坯体脱模，置于60℃鼓风干燥箱干燥5h得到石材基体。
将所述石材基体在CO2环境下碳化12h得到所述碳化石材，并命名为2-JS；所述CO2环境中CO2的体积浓度为60％。
实施例3
本实施例提出一种高性能碳化石材，由以下步骤制得：
将1514g钢渣、454.2g电石渣、302.8g石英粉、151.4g玻璃砂、75.7g水泥、1.514g聚二甲基硅氧烷消泡剂搅拌混合得到混合料；
将16.7g萘系高效减水剂溶于500g水中混合搅拌得到混合液；
将所述混合液和所述混合料混合，以500rpm高转速搅拌2h得到浇筑料浆；
将所述浇筑料浆放入35cm*10cm*10cm试块模具中，15℃条件下养护12h；养护后坯体脱模，置于80℃鼓风干燥箱干燥5h得到石材基体。
将所述石材基体在CO2环境下碳化12h得到所述碳化石材，并命名为3-JS；所述CO2环境中CO2的体积浓度为60％。
实施例4
本实施例提出一种高性能碳化石材，由以下步骤制得：
将1514g钢渣、454.2g电石渣、302.8g石英粉、151.4g玻璃砂、75.7g水泥、1.514g聚二甲基硅氧烷消泡剂搅拌混合得到混合料；
将16.7g萘系高效减水剂溶于500g水中混合搅拌得到混合液；
将所述混合液和所述混合料混合，以500rpm高转速搅拌2h得到浇筑料浆；
将所述浇筑料浆放入35cm*10cm*10cm试块模具中，15℃条件下养护12h；养护后坯体脱模，置于60℃鼓风干燥箱干燥5h得到石材基体。
将所述石材基体在CO2环境下碳化48h得到所述碳化石材，并命名为4-JS；所述CO2环境中CO2的体积浓度为60％。
实施例5
本实施例提出一种高性能碳化石材，由以下步骤制得：
将1514g钢渣、454.2g电石渣、302.8g石英粉、151.4g玻璃砂、75.7g水泥、1.514g聚二甲基硅氧烷消泡剂搅拌混合得到混合料；
将16.7g萘系高效减水剂溶于500g水中混合搅拌得到混合液；
将所述混合液和所述混合料混合，以500rpm高转速搅拌2h得到浇筑料浆；
将所述浇筑料浆放入35cm*10cm*10cm试块模具中，15℃条件下养护12h；养护后坯体脱模，置于60℃鼓风干燥箱干燥5h得到石材基体。
将所述石材基体在CO2环境下碳化72h得到所述碳化石材，并命名为5-JS；所述CO2环境中CO2的体积浓度为60％。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于混合料中没有加入玻璃砂，其他步骤和工艺条件均相同，具体地，将1514g钢渣、454.2g电石渣、302.8g石英粉、75.7g水泥、1.514g聚二甲基硅氧烷消泡剂混合均匀，溶于516.7g的萘系高效减水剂水溶液中，高转速搅拌放入35cm*10cm*10cm试块模具中，15℃条件下养护12h；养护后坯体脱模，置于40℃鼓风干燥箱干燥5h得到石材基体。将石材基体在CO2环境下碳化12h得到所述碳化石材，并命名为0-JS。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于没有碳化过程，具体地，将1514g钢渣、454.2g电石渣、302.8g石英粉、151.4g玻璃砂、75.7g水泥、1.514g聚二甲基硅氧烷消泡剂混合均匀，溶于516.7g的萘系高效减水剂水溶液中，高转速搅拌放入35cm*10cm*10cm试块模具中，15℃条件下养护12h；养护后坯体脱模，置于40℃鼓风干燥箱干燥5h得到石材基体，并命名为0-1-JS。
相关检测
按照JC/T 899-2016《混凝土路缘石》，检测实施例1-5及对比例1得到的碳化石材的抗压强度，结果如图1所示，对比例1、实施例1、实施例2和实施例3的抗压强度分别为42.2MPa、48.7MPa、62.2MPa和54.8MPa，其中，实施例2的石材抗压强度最佳，对比例1的抗压强度最低，低于实施例2的32％，这是因为玻璃砂在石材中起到晶核支撑作用，养护过程中发生水化反应，晶核和C-S-H凝胶连结，加大水化强度；碳化过程玻璃砂、凝胶和CaCO3连结，增加碳化强度；同时由实施例1-3可知，碳化强度随干燥温度升高先升高后降低，在60℃干燥最有利于后续碳化；实施例2、实施例4和实施例5的抗压强度分别为62.2MPa、70.4MPa和76.3MPa，说明在干燥温度为60℃时随着碳化时间的增加，碳化的越完全，强度能够进一步提升。
按照GB/T35160.2-2017《合成石材试验方法第2部分：弯曲强度的测定》，检测实施例1-5及对比例2得到的碳化石材的抗折强度，结果如图2所示，对比例2、实施例1、实施例2和实施例3的抗折强度分别为7.2MPa、19.6MPa、24.5MPa和22.3MPa，其中对比例2的抗折强度最低，这是因为对比例2的强度只限于水化过程，实施例1-3是水化强度和碳化强度共同作用的结果。实施例2的石材抗折强度最佳，由于合适的湿度能够促进碳化反应过程的进行，加强碳化程度，水分过多或过少对于反应有抑制的作用；实施例2、实施例4和实施例5的抗折强度分别为24.5MPa、25.8MPa和29.6MPa，碳化72h的样品抗折强度最佳，进一步验证了碳化时间对强度有影响。
将对比例1、实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制得的不同碳化强度进行碳化性能测试；
测试过程为：以浓度60％的CO2为气体环境，将载有石材基体的支架放于口径为50cm，高度为80cm的圆柱体压力罐中，并密封锁紧，最后通气排气5分钟并检查是否漏气，最后加气到0.3MPa，关好排气孔，分别反应12、48和72小时后取出进行测试。
结果如图3所示，对比例1、实施例1、实施例2和实施例3制得的碳化石材的碳化程度分别为15.2％、17.2％、23.7％和20.8％，实施例2的碳化石材的碳化程度最好，说明玻璃砂的加入和适量的湿度均能提高碳化程度，但是如果水分过多或过少(实施例3和实施例1)，将减缓碳化程度，因此本发明中干燥；实施例2、实施例4和实施例5的碳化程度分别为23.7％、32.4％和37.6％，随着碳化时间的增加，表面形成致密的硅酸钙层，延缓了碳化速度，但是碳化反应持续进行。
测试过程中均无开裂翘曲现象。
其他有益效果：
1)本发明提供的碳化石材从碳中和的发展角度，解决废气的大量排放。
2)本发明提供的碳化石材，其原料廉价易得，操作简单方便，有很好的发展前景。
3)本发明提供的硅酸钙板抗折强度强、碳化程度高，性能均优于天然石材和其他人造石材。本发明通过消泡剂的作用，增加了浇筑体系的堆积密实性，消除了石材内部较大的孔隙，进而增加了石材的强度，有效防止成品石材开裂；同时消泡剂用量恰当，保留较小的孔隙形成毛细通道，利于后续碳化过程，通过干燥步骤控制浇筑基体的水分含量，使其与后续的碳化步骤相配合，在较短时间内就能够达到很好的碳化程度，提升强度；随着碳化时间的增加，表面形成致密的硅酸钙层，进一步增加了板材的强度，同时致密层的存在能够减少甚至避免外界物质渗入，避免反碱或色斑问题。本发明开发设计的新型碳化石材强度高、防开裂、使用寿命长、碳化程度高。
4)本发明解决天然石材资源缺乏和人造石性能不优等问题，制得强度和碳化程度优异的碳化石材，该碳化石材可在建筑行业应用，该石材其可以用道路路牙石，有很高的应用价值和发展前景。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种碳化石材，其特征在于，原料由质量比为1：（4～6）的减水剂溶液和混合干料组成；混合干料质量比为钢渣：石英粉：玻璃砂：电石渣：水泥：消泡剂＝15：(2.5～3.5)：(1～2):(4～5)：(0.5～1)：(0.01～0.02)；
减水剂溶液是由质量比为1：（3～40）的减水剂与水配制而成。
2.根据权利要求1所述的碳化石材，其特征在于，减水剂为萘系高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基高效减水剂和聚羧酸高性能减水剂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的碳化石材，其特征在于，玻璃砂的粒径为2～80目。
4.根据权利要求1所述的碳化石材，其特征在于，水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的碳化石材，其特征在于，消泡剂为乳化硅油、聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚、聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚、聚氧丙烯甘油醚、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚和聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。
6.如权利要求1-5任一项所述碳化石材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将钢渣、电石渣、石英粉、玻璃砂、水泥和消泡剂混合得到混合干料；
将减水剂和水混合得到减水剂溶液；
将所述减水剂溶液和所述混合干料混合，搅拌形成浆料；
将所述的浆料在模具中浇筑成型，经过养护、脱模和干燥得到浇筑基体；
将所述浇筑基体在CO2环境下碳化得到碳化石材。
7.根据权利要求6所述碳化石材的制备方法，其特征在于，浆料搅拌的转速为500～1400rpm，时间为0.5h～3h。
8.根据权利要求6所述碳化石材的制备方法，其特征在于，养护温度在10°C～50°C，养护时间为1h～48h；干燥温度为30°C～80°C，干燥时间为2h～48h。
9.根据权利要求6所述碳化石材的制备方法，其特征在于，碳化时CO2浓度为10%～100%，碳化时间为1h～72h。
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