CN115286307B - 利用全粒度矿化废弃水泥混凝土的环保型人造石及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土的环保型人造石及其制备方法，将废弃水泥混凝土破碎筛分后，分级碳化为矿化骨料和矿化微粉，以50％的替代率全粒度分别替代硅砂和水泥，该环保型人造石原材料包括如下组分：骨料(矿化骨料、硅砂)以及无机胶凝材料(水泥、矿化微粉)、辅助无机胶凝材料(硅粉、偏高岭土)、有机胶结料(丁苯乳液)和助剂(钛白粉、水、减水剂)。该人造石中废弃水泥混凝土占总用量的40wt％～50wt％，极大提升了废弃水泥混凝土的用量。本发明生产的人造石成本低，还吸收CO2，减小了CO2对环境的影响。该人造石成型方式简单，经济环保。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，尤其涉及一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土的环保型人造石及其制备方法。
背景技术
建筑行业的发展使得对水泥及石料的需求剧烈增加，水泥的生产及石料的使用需要每年开采900座矿山，造成自然资源的短缺，同时破坏了周围的生态环境。废弃水泥混凝土属于建筑固废之一，主体成分为骨料和水泥浆体，具有坚硬耐磨、胶凝活性等特性，代替水泥和骨料制备人造石具有很强的经济效益。
将废弃水泥混凝土破碎后得到的再生骨料因其表层包覆多孔多裂隙旧砂浆，且在破碎过程会产生微裂纹，其性能往往劣于天然骨料，同时微粉的胶凝活性较低，限制了其在人造石材中的应用。废弃水泥混凝土具有较高的碱度，且含有水泥水化产物Ca(OH)2能够与CO2反应生成CaCO3，若将二氧化碳作为反应剂，将微粉和骨料分级矿化，不仅可以提高碳化效率，还可以改善矿化骨料多孔、吸水率高的性能，修复在破碎过程水泥浆体的微裂缝，并使微粉细度提高，生成的碳酸钙提供了成核点，可提高人造石的强度。碳处理利用以下化学反应：
CO2+ Ca(OH)2→CaCO3（1）
目前国内也有将废弃水泥混凝土运用在人造石的先例，如中国专利CN112897956A “环保型无机人造石及其制备方法”，该专利采用废弃水泥混凝土和铜尾矿替代石英砂与水泥按照一定比例配合制备人造石，但局限在于只利用废弃水泥混凝土作为骨料，且人造石中胶凝材料主要为水泥。中国专利CN 113370349A “一种废弃水泥混凝土制备人造石的制备工艺”，该专利将人造石成型后仍需要进行超临界处理，需要升温至90℃养护，能源消耗大。因此，现有的有关废弃水泥混凝土用于制备人造石并未考虑再生料的特性及其高效处理与利用。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提出一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土制备的环保型人造石及其制备方法，本发明优势在于吸附了大量CO2，减少了水泥和石英砂的用量，制备得到了具有高强度的全粒度废矿化废弃水泥混凝土人造石。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土的环保型人造石，该环保型人造石原材料按重量百分比包括如下组分：
（1）骨料由1:1的矿化骨料和硅砂组成，分为6个粒度范围，各范围占原材料的比例为：4目~8目为9wt%~15wt%，8目~16目为6wt%~12wt%，16目~26目为11wt%~17wt%，26目~40目为6wt%~12wt%，40目~70目为6wt%~12wt%，70目~120目为6wt%~12wt%；
（2）无机胶凝材料占原材料的22wt%~28wt%；
（3）辅助无机胶凝材料占原材料的3wt%~9wt%；
（4）有机胶凝材料占原材料的3wt%~7wt%；
（5）助剂占原材料的2wt%~4wt%。
优选地，所述无机胶凝材料由1:1的水泥和矿化微粉组成；
所述辅助无机胶凝材料由325硅粉、偏高岭土组成，其中325硅粉占原材料的1wt%~5wt%，偏高岭土占原材料的2wt%~4wt%；
所述有机胶凝材料为丁苯乳液；
所述助剂由钛白粉、水和减水剂组成，其中钛白粉占原材料的1wt%~2wt%，水占原材料的1wt%~2wt%，减水剂占原材料的1wt%~2wt%。
本发明还提供了上述该环保型人造石的制备方法，包括如下步骤：
将废弃水泥混凝土破碎为4目~8目，8目~16目，16目~26目，26目~40目，40目~70目，70目~120目骨料和0~0.075mm的微粉分别进行碳化处理，得到矿化骨料和矿化微粉；
将矿化骨料、矿化微粉、胶凝材料、和辅助胶凝材料混合后搅拌均匀得到混合物，在混合物中，骨料由1:1的矿化骨料和硅砂组成，分为6个粒度范围，各范围占原材料的比例为：4目~8目为9wt%~15wt%，8目~16目为6wt%~12wt%，16目~26目为11wt%~17wt%，26目~40目为6wt%~12wt%，40目~70目为6wt%~12wt%，70目~120目为6wt%~12wt%；无机胶凝材料占原材料的22wt%~28wt%；辅助无机胶凝材料占原材料的3wt%~9wt%；有机胶凝材料占原材料的3wt%~7wt%；助剂占原材料的2wt%~4wt%；所述混合物经压制成型后进行养护处理，即制备得到所述环保型人造石。
优选地，所述碳化处理的方式为：在20℃~25℃下，将废弃水泥混凝土置于CO2中以0.2MPa恒压保持一段时间，其骨料4目~8目合适的碳化时间为13h~15h，骨料8目~16目合适的碳化时间为14h~16h，骨料16目~26目合适的碳化时间为17h~19h，骨料26目~40目合适的碳化时间为18h~21h，骨料40目~70目合适的碳化时间为21h~23h，骨料70目~120目合适的碳化时间为23h~26h，微粉合适的碳化时间为11h~13h。
优选地，所述粒径为0~4.75mm的废弃水泥混凝土根据粒径大小分为骨料和微粉，微粉的粒径为D1，0＜D1≤0.075mm；骨料分为六档级配，分别为一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料；所述一级料的目数为d1，120目≤d1≤70目；所述二级料的粒径为d2，70目＜d2≤40目；所述三级料的目数为d3，40目＜d3≤26目；所述四级料的目数为d4，26目＜d4≤16目；所述五级料的目数为d5，16目＜d5≤8目；所述六级料的目数为d6，8目＜d6≤4目。
优选地，所述矿化微粉占水泥总量的50wt%~60wt%；所述矿化骨料占石英砂总量的50wt%~60wt%，一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料分别占骨料总量的9wt%~11wt%、6wt%~9wt%、10wt%~14wt%、6wt%~9wt%、4wt%~8wt%和6wt%~9wt%。
优选地，所述矿化微粉应满足如下条件：胶凝活性大于65%。
优选地，所述无机胶凝材料由1:1的水泥和矿化微粉组成。所述辅助无机胶凝材料由325硅粉、偏高岭土组成，其中325硅粉占原材料的1wt%~5wt%，偏高岭土占原材料的2wt%~4wt%；所述有机胶凝材料为丁苯乳液；所述助剂由钛白粉、水和减水剂组成，其中钛白粉占原材料的1wt%~2wt%，水占原材料的1wt%~2wt%，减水剂占原材料的1wt%~2wt%。
优选地，所述压制成型为静压成型，压制成型的压力为2×105N ~2.5×105N，压制成型的时间为30s；所述养护处理的方式为：在20℃~25℃、30%~40%的湿度条件下养护7天。
本发明使用经过碳化处理后的废弃水泥混凝土矿化骨料和矿化微粉，另外添加少量水泥作为胶凝材料按照一定配合比，通过半干法静压成型制备出一种高强度、美观的环保型人造石，该工艺制备出的环保型人造石具有减少碳排放、节省能源、成型脱模快等优点。本发明最大化循环碳化废弃水泥混凝土同时，制备了高强度，低水泥用量的人造石，且实现了降碳固碳的效果，对环境具有一定积极影响。
本发明将废弃水泥混凝土骨料分级后先矿化，再制成人造石，这样既节省了时间，又能够使微粉和不同粒径的骨料反应吸收充足的二氧化碳，提高其活性和强度。现有技术中原料为石英砂、废弃水泥混凝土骨料和微粉与石灰，未给出具体的颗粒级配，且成型过程为先成型的产品碳化，这会导致固碳效率低，因此本发明成型过程为先碳化，后成型，且原料为废弃水泥混凝土、水泥与辅助胶凝材料。本发明未100%取代石英砂和水泥，这是因为通过前期实验研究发现50%替代率所制备的人造石具有与对比样100%石英砂的人造石相媲美的力学强度。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
（1）本发明选取合适的颗粒级配，制得了一种环保型人造石，由于废弃水泥混凝土中含有部分未水化的成分，且有一定的微缝隙，能吸收大气中的CO2，达到降碳固碳，节约资源的效果，对环境有一定的积极影响；而且具有成型周期短、产品易脱模等优点。
（2）本发明利用了废弃水泥混凝土碱度高、富含Ca(OH)2的特性，再利用了大量CO2，减少了水泥用量同时，制备出了具有固碳效果且性能优异的环保型人造石，有利于延长建材体系的服役寿命。
（3）本发明的原料来源广泛，大大减少了天然石料的开采需求，加工简单且价格低廉，便于广泛应用。
附图说明
图1为本发明所提供的人造石生产方法的流程方框图。
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。
实施例所述丁苯乳液购买于济南济滨化工有限公司；减水剂为聚羧酸减水剂，购买于唐山宏实科技有限公司；所述养护处理为：在25℃、40%的湿度条件下养护7天；所述水泥为P·W52.5水泥。一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土制备的环保型人造石及其制备方法，步骤如下：
实施例1
（1）将粒径为0~4.75mm的废弃水泥混凝土根据粒径大小分为骨料和微粉，微粉的粒径为D1，0＜D1≤0.075mm；骨料分为六档级配，分别为一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料；所述一级料的目数为d1，120目≤d1≤70目；所述二级料的粒径为d2，70目＜d2≤40目；所述三级料的目数为d3，40目＜d3≤26目；所述四级料的目数为d4，26目＜d4≤16目；所述五级料的目数为d5，16目＜d5≤8目；所述六级料的目数为d6，8目＜d6≤4目；
（2）将一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料以及微粉分别放置于CO2中，并在25℃下0.2MPa恒压保持一段时间。其骨料4目~8目碳化时间为14h，骨料8目~16目碳化时间为15h，骨料16目~26目碳化时间为18h，骨料26目~40目碳化时间为19h，骨料40目~70目碳化时间为22h，骨料70目~120目碳化时间为24h，微粉碳化时间为12h，得到一级料碳化产物、二级料碳化产物、三级料碳化产物、四级料碳化产物、五级料碳化产物、六级料碳化产物以及微粉碳化产物。
（3）将一级料碳化产物、二级料碳化产物、三级料碳化产物、四级料碳化产物、五级料碳化产物、六级料碳化产物以及微粉碳化产物、水泥、丁苯乳液、水和减水剂混合后搅拌均匀得到混合物，所述混合物中，一级料碳化产物占6wt%、二级料碳化产物占5wt%、三级料碳化产物占7wt%、四级料碳化产物占5wt%、五级料碳化产物占4wt%、六级料碳化产物占5wt%、微粉碳化产物占13wt%、水泥占13wt%；丁苯乳液占6wt%、水占1wt%、减水剂占1wt%；所述混合物经静压制成型（压力2.2×105N恒压30s）后进行养护处理，即制备得到所述环保型人造石。
实施例2
一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土制备的环保型人造石及其制备方法，步骤如下：
（1）将粒径为0~4.75mm的废弃水泥混凝土根据粒径大小分为骨料和微粉，微粉的粒径为D1，0＜D1≤0.075mm；骨料分为六档级配，分别为一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料；所述一级料的目数为d1，120目≤d1≤70目；所述二级料的粒径为d2，70目＜d2≤40目；所述三级料的目数为d3，40目＜d3≤26目；所述四级料的目数为d4，26目＜d4≤16目；所述五级料的目数为d5，16目＜d5≤8目；所述六级料的目数为d6，8目＜d6≤4目；
（2）将一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料以及微粉分别放置于CO2中，并在25℃下0.2MPa恒压保持一段时间。其骨料4目~8目碳化时间为14h，骨料8目~16目碳化时间为15h，骨料16目~26目碳化时间为18h，骨料26目~40目碳化时间为19h，骨料40目~70目碳化时间为22h，骨料70目~120目碳化时间为24h，微粉碳化时间为12h，得到一级料碳化产物、二级料碳化产物、三级料碳化产物、四级料碳化产物、五级料碳化产物、六级料碳化产物以及微粉碳化产物。
（3）将一级料碳化产物、二级料碳化产物、三级料碳化产物、四级料碳化产物、五级料碳化产物、六级料碳化产物以及微粉碳化产物、水泥、丁苯乳液、水和减水剂混合后搅拌均匀得到混合物，所述混合物中，一级料碳化产物占6.4wt%、二级料碳化产物占5.5wt%、三级料碳化产物占7.3wt%、四级料碳化产物占4.7wt%、五级料碳化产物占3.5wt%、六级料碳化产物占4.6wt%、微粉碳化产物占13.2wt%、水泥占12.8wt%；丁苯乳液占6.1wt%、水占1wt%、减水剂占1wt%；所述混合物经静压制成型（压力2.2×105N恒压30s）后进行养护处理，即制备得到所述环保型人造石。
实施例3
一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土制备的环保型人造石及其制备方法，步骤如下：
（1）将粒径为0~4.75mm的废弃水泥混凝土根据粒径大小分为骨料和微粉，微粉的粒径为D1，0＜D1≤0.075mm；骨料分为六档级配，分别为一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料；所述一级料的目数为d1，120目≤d1≤70目；所述二级料的粒径为d2，70目＜d2≤40目；所述三级料的目数为d3，40目＜d3≤26目；所述四级料的目数为d4，26目＜d4≤16目；所述五级料的目数为d5，16目＜d5≤8目；所述六级料的目数为d6，8目＜d6≤4目；
（2）将一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料以及微粉分别放置于CO2中，并在25℃下0.2MPa恒压保持一段时间。其骨料4目~8目碳化时间为14h，骨料8目~16目碳化时间为15h，骨料16目~26目碳化时间为18h，骨料26目~40目碳化时间为19h，骨料40目~70目碳化时间为22h，骨料70目~120目碳化时间为24h，微粉碳化时间为12h，得到一级料碳化产物、二级料碳化产物、三级料碳化产物、四级料碳化产物、五级料碳化产物、六级料碳化产物以及微粉碳化产物。
（3）将一级料碳化产物、二级料碳化产物、三级料碳化产物、四级料碳化产物、五级料碳化产物、六级料碳化产物以及微粉碳化产物、水泥、丁苯乳液、水和减水剂混合后搅拌均匀得到混合物，所述混合物中，一级料碳化产物占6.3wt%、二级料碳化产物占5.6wt%、三级料碳化产物占6.4wt%、四级料碳化产物占5.3wt%、五级料碳化产物占3.7wt%、六级料碳化产物占4.7wt%、微粉碳化产物占12.8wt%、水泥占13.2wt%；丁苯乳液占6.2wt%、水占1wt%、减水剂占1wt%；所述混合物经静压制成型（压力2.2×105N恒压30s）后进行养护处理，即制备得到所述环保型人造石。
对比例1
一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土制备的环保型人造石及其制备方法，步骤如下：
（1）将粒径为0~4.75mm的废弃水泥混凝土根据粒径大小分为骨料和微粉，微粉的粒径为D1，0＜D1≤0.075mm；骨料分为六档级配，分别为一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料；所述一级料的目数为d1，120目≤d1≤70目；所述二级料的粒径为d2，70目＜d2≤40目；所述三级料的目数为d3，40目＜d3≤26目；所述四级料的目数为d4，26目＜d4≤16目；所述五级料的目数为d5，16目＜d5≤8目；所述六级料的目数为d6，8目＜d6≤4目；
（2）将一级料、二级料、三级料、四级料、五级料、六级料以及微粉、水泥、丁苯乳液、水和减水剂混合后搅拌均匀得到混合物，所述混合物中，一级料占6wt%、二级料占5wt%、三级料占7wt%、四级料占5wt%、五级料占4wt%、六级料占5wt%、微粉占13wt%、水泥占13wt%；丁苯乳液占6wt%、水占1wt%、减水剂占1wt%；所述混合物经静压制成型（压力2.2×105N恒压30s）后进行养护处理，即制备得到所述环保型人造石。
对实施例1~3以及对比例1抗压强度的测试结果见表1。
由于加压成型的模具为圆柱体，无法按照规范《水泥胶砂强度检验方法》中的测试方法测试试样的抗压强度，因此使用压力机，以加压速率为2.4kN/s对试样加压直至出现裂纹。
表1抗压强度一览表
| 测试性能 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 对比例1 |
| 抗压强度/MPa | 48.9 | 48.3 | 49.6 | 46.55 |
由表1可以得出：本发明制备得到的环保型人造石的抗压强度均高于对比例，本发明将作再生微粉和骨料分级碳化，不仅可以提高固碳效率，还可以改善再生骨料多孔、吸水率高的性能，修复在破碎过程水泥浆体的微裂缝，并使微粉细度和胶凝活性提高。综上所述，本发明采用合理的颗粒级配，先固碳，再制成人造石，在减少了水泥的使用量的情况下充分利用了CO2，制备得到的环保型人造石的抗压强度较强，在建筑材料上具有较好的应用前景。
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 (3)
1.一种利用全粒度矿化废弃水泥混凝土的环保型人造石，其特征在于，该环保型人造石原材料按重量百分比包括如下组分：
（1）骨料由1:1的矿化骨料和硅砂组成，分为6个粒度范围，各范围占原材料的比例为：4目~8目为9wt%~15wt%，8目~16目为6wt%~12wt%，16目~26目为11wt%~17wt%，26目~40目为6wt%~12wt%，40目~70目为6wt%~12wt%，70目~120目为6wt%~12wt%；
（2）无机胶凝材料占原材料的22wt%~28wt%；
（3）辅助无机胶凝材料占原材料的3wt%~9wt%；
（4）有机胶凝材料占原材料的3wt%~7wt%；
（5）助剂占原材料的2wt%~4wt%；
将废弃水泥混凝土破碎为4目~8目，8目~16目，16目~26目，26目~40目，40目~70目，70目~120目骨料和0~0.075mm的微粉分别进行碳化处理，得到矿化骨料和矿化微粉；
将矿化骨料、矿化微粉、胶凝材料、和辅助胶凝材料混合后搅拌均匀得到混合物，在混合物中，骨料由1:1的矿化骨料和硅砂组成，分为6个粒度范围，各范围占原材料的比例为：4目~8目为9wt%~15wt%，8目~16目为6wt%~12wt%，16目~26目为11wt%~17wt%，26目~40目为6wt%~12wt%，40目~70目为6wt%~12wt%，70目~120目为6wt%~12wt%；无机胶凝材料占原材料的22wt%~28wt%；辅助无机胶凝材料占原材料的3wt%~9wt%；有机胶凝材料占原材料的3wt%~7wt%；助剂占原材料的2wt%~4wt%；所述混合物经压制成型后进行养护处理，即制备得到所述环保型人造石；
在20℃~25℃下，将废弃水泥混凝土置于CO2中以0.2MPa恒压保持一段时间，其骨料4目~8目合适的碳化时间为13h~15h，骨料8目~16目合适的碳化时间为14h~16h，骨料16目~26目合适的碳化时间为17h~19h，骨料26目~40目合适的碳化时间为18h~21h，骨料40目~70目合适的碳化时间为21h~23h，骨料70目~120目合适的碳化时间为23h~26h，微粉合适的碳化时间为11h~13h；
粒径为0~4.75mm的废弃水泥混凝土根据粒径大小分为骨料和微粉，微粉的粒径为D1，0＜D1≤0.075mm；骨料分为六档级配，分别为一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料；所述一级料的目数为d1，120目≤d1≤70目；所述二级料的粒径为d2，70目＜d2≤40目；所述三级料的目数为d3，40目＜d3≤26目；所述四级料的目数为d4，26目＜d4≤16目；所述五级料的目数为d5，16目＜d5≤8目；所述六级料的目数为d6，8目＜d6≤4目；
所述矿化微粉占水泥总量的50wt%~60wt%；所述矿化骨料占石英砂总量的50wt%~60wt%，一级料、二级料、三级料、四级料、五级料和六级料分别占骨料总量的9wt%~11wt%、6wt%~9wt%、10wt%~14wt%、6wt%~9wt%、4wt%~8wt%和6wt%~9wt%；
所述无机胶凝材料由1:1的水泥和矿化微粉组成；
所述辅助无机胶凝材料由325硅粉、偏高岭土组成，其中325硅粉占原材料的1wt%~5wt%，偏高岭土占原材料的2wt%~4wt%；
所述有机胶凝材料为丁苯乳液；
所述助剂由钛白粉、水和减水剂组成，其中钛白粉占原材料的1wt%~2wt%，水占原材料的1wt%~2wt%，减水剂占原材料的1wt%~2wt%。
2.根据权利要求1所述的利用全粒度矿化废弃水泥混凝土的环保型人造石，其特征在于，所述矿化微粉应满足如下条件：胶凝活性大于65%。
3.根据权利要求1所述的利用全粒度矿化废弃水泥混凝土的环保型人造石，其特征在于，所述压制成型为静压成型，压制成型的压力为2×105 N ~2.5×105 N，压制成型的时间为30s；
所述养护处理的方式为：在20℃~25℃、30%~40%的湿度条件下养护7天。
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