CN115716727B - 一种轻质墙材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻质墙材及其制备方法。一种轻质墙材，其制备原料包括固体原料、化学激发剂和外加剂；固体原料包括以下质量份的组分：钢渣65‑75份、粉煤灰5‑20份、水泥熟料5‑15份、脱硫灰2‑6份、纳米蒙脱石0.2‑2.5份、增强纤维0‑2份；化学激发剂包括水玻璃、硫酸盐激发剂、醇胺类激发剂；外加剂包括发泡剂和减水剂。本发明以钢渣为主要原料，利用传统硅酸盐水泥胶凝相和新型地聚物的形成原理，针对性地优化原料配比，并采用相应的激发剂，在温和养护条件下制备轻质节能墙体材料，质量达到国家标准，固废利用率大于80％，钢渣微粉掺加率在65％以上。
Description
技术领域
本发明涉及固体废弃物综合利用技术领域，具体涉及一种轻质墙材及其制备方法。
背景技术
钢渣是炼钢过程中产生的废渣，产量为粗钢产量的12％-15％，钢渣的堆存不仅占用土地，而且严重污染环境，是环保督察的重点目标。钢渣可作为水泥混合料，但因存在f-CaO掺量受限；用作混凝土骨料，会影响混凝土体积安定性；用于道路沥青混凝土，效果虽好，但用量因运输半径而受限，所以钢渣掺量高、附加值高、产品销售半径大的开发利用技术一直是个难题。装配式建筑需要大量轻质墙材，住宅面积与墙材面积之比为1:(3-3.5)，高掺量钢渣制备轻质墙材是解决钢渣综合利用的重要途径之一。
专利CN108975798A公开了一种以钢渣为原料的轻质墙材，虽用钢渣为原料，但钢渣掺量仅1-5％，未涉及高掺量钢渣的技术问题。专利CN114644509A公开了一种高掺量钢渣废料的轻质硅晶石墙板及制备方法，虽然钢渣掺量达到60％-80％，但采用高温烧结法，能耗较高；专利CN106316301A公开了一种使用钢渣和泡沫塑料颗粒制备的轻质墙体材料及方法，虽然钢渣掺量达到55％-65％，但钢渣粒度为4.75-16mm，是作为骨料使用的，未涉及钢渣活性激发和f-CaO消除的问题。专利CN105272089A公开了一种钢渣蒸压加气隔墙板，用钢渣、复合激发剂、矿渣微粉、粉煤灰等制备加气隔墙板，钢渣掺加率低于30％，且采用了蒸养法。
专利CN112919877A公开了一种采用高掺量钢渣制备轻质节能建筑墙材的方法，以钢渣、粉煤灰为主要原料，辅助部分熟料、高炉渣、脱硫石膏，制备轻质节能墙材，钢渣最大掺量为50％，在粉磨阶段加入兼有助磨、早强功能的有机药剂，这种有机药剂主要通过与Al3+、Fe3+络合来催化水泥水化反应，对水泥、粉煤灰形成水化产物有利。钢渣中Al含量很低，Fe主要以铁橄榄石、铁酸钙形式存在，Fe的主要赋存形式不同于水泥熟料(铁铝酸钙)。所以，有机早强剂对钢渣活性激发效果稍差，难以在钢渣微粉掺量较高、粉煤灰掺量较低的条件下发挥作用。由于钢渣掺量较低，技术上没有涉及高掺量钢渣使用时活性激发问题。
文献“冶金废渣在混凝土空心隔墙板中的应用研究”中，钢渣粉利用率仅8％。文献“新型轻质钢渣加气混凝土的实验研究”中，钢渣掺量为30％，添加6％、模数为1.6的水玻璃实行强碱性激发，密度为800时，28d抗压强度3.43MPa，该技术存在钢渣掺量低、激发剂用量大、成本高等问题，并未涉及高掺量钢渣制备轻质墙材所面临的实质性问题。文献“碱激发钢渣微粉免蒸压加气混凝土的制备研究”中，添加6％、模数为1.2的水玻璃实行强碱性条件下激发钢渣活性，60℃养护28d后，抗压强度4.0MPa。激发剂用量大、成本高，按照水玻璃模数、剂量进行折算，Na2O用量高达2.8％；养护温度高、养护时间长，技术难以实施；原因在于激发剂种类单一，仅着力于催化C-S-H凝胶相的形成。
综上所述，现有文献表明，钢渣高值化利用还有以下问题没有解决：(1)以钢渣为主要原料(标志性掺量为大于60％)，制备轻质节能墙材，激发剂用量大、成本高的问题还未解决；(2)以钢渣为主要原料时，节能养护问题还没有解决；(3)针对硅质熟料组份不足，如何提高产品强度的问题没有解决。
发明内容
为了解决现有技术存在轻质墙材中无法实现钢渣高掺杂量的问题，本发明的目的之一在于提供一种轻质墙材，本发明的目的之二在于提供这种轻质墙材的制备方法。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
本发明第一方面提供了一种轻质墙材，所述轻质墙材的制备原料包括固体原料、化学激发剂和外加剂；
所述固体原料包括以下质量份的组分：钢渣65-75份、粉煤灰5-20份、水泥熟料5-15份、脱硫灰2-6份、纳米蒙脱石0.2-2.5份、增强纤维0-2份；所述固体原料中钢渣质量占比≥65％；
所述化学激发剂包括水玻璃、硫酸盐激发剂、醇胺类激发剂；
所述外加剂包括发泡剂和减水剂。
优选的，这种轻质墙材中，固体原料包括以下质量份的组分：钢渣65-75份、粉煤灰8-20份、水泥熟料10-15份、脱硫灰3-5份、纳米蒙脱石0.2-2份、增强纤维0-2份。
优选的，这种轻质墙材中，钢渣的比表面积≥350kg/m2。
优选的，这种轻质墙材中，粉煤灰比表面积≥400kg/m2。
优选的，这种轻质墙材中，水泥熟料的比表面积≥400kg/m2。
优选的，这种轻质墙材中，脱硫灰包括以下质量百分比的组分：0-40％ CaSO3·0.5H2O、5-90％ CaSO4·2H2O、0-25％ Ca(OH)2、2-20％ CaCO3。
优选的，这种轻质墙材中，脱硫灰的D50直径为5-10μm。
优选的，这种轻质墙材中，脱硫灰的比表面积为450-700kg/m2。
优选的，这种轻质墙材中，当脱硫灰为半干法脱硫灰时，脱硫灰中CaSO4·2H2O含量不限；当脱硫灰为其它脱硫灰时，脱硫灰中CaSO4·2H2O含量大于80wt％。
优选的，这种轻质墙材中，增强纤维为长度为4-6mm的植物纤维、化学纤维或玻璃纤维中的一种或多种。
优选的，这种轻质墙材化学激发剂中，水玻璃用量以Na2O计，Na2O的质量为固体原料总质量的0.5-2.0％；进一步优选的，水玻璃用量以Na2O计，Na2O的质量为固体原料总质量的0.6-1.5％。
优选的，这种轻质墙材化学激发剂中，水玻璃的模数为1.2-1.5。
优选的，这种轻质墙材化学激发剂中，硫酸盐激发剂包括硫酸铝、硫酸钠中的至少一种；硫酸盐激发剂质量为固体原料总质量的1-7％；进一步优选的，硫酸铝质量为固体原料总质量的1-4％，硫酸钠质量为固体原料总质量的0-3％。
优选的，这种轻质墙材化学激发剂中，醇胺类激发剂包括三乙醇胺、二乙醇单异丙醇胺中的至少一种；进一步优选的，醇胺类激发剂由三乙醇胺与二乙醇单异丙醇胺按任意比例配制而成；醇胺类激发剂质量为固体原料总质量的0.04-0.06％。
优选的，这种轻质墙材外加剂中，发泡剂为FP-180型动物蛋白质发泡剂；采用该发泡剂，气泡粒度小、均匀，稳定性好，可减小拌和过程中气泡破裂及由此引起的水灰比增加，也可避免气泡不均匀对强度造成的不利影响。
优选的，这种轻质墙材外加剂中，减水剂质量为固体原料总质量的1-1.5％。
本发明第二方面提供了上述轻质墙材的制备方法，包括以下步骤：
(1)将化学激发剂各组分混合加水配制成化学激发剂溶液；将发泡剂溶液发泡形成发泡泡沫；
(2)将轻质墙材的固体原料混合加水，加入步骤(1)所述化学激发剂溶液和所述发泡泡沫，搅拌，得到轻质墙材桨体，浇筑至模具中，养护，得到所述轻质墙材。
优选的，这种轻质墙材的制备方法，步骤(1)中，化学激发剂溶液中的水玻璃，以Na2O计，浓度为40-55wt％。
优选的，这种轻质墙材的制备方法，步骤(1)中，发泡剂溶液中发泡剂的质量浓度为4-6wt％。
优选的，这种轻质墙材的制备方法，步骤(2)中，发泡泡沫质量为固体原料总质量的0.03-0.05％。
优选的，这种轻质墙材的制备方法，步骤(1)中，发泡泡沫的平均气泡粒径＜1.5mm。
优选的，这种轻质墙材的制备方法，步骤(2)中，在浇筑过程中，于厚度方向上均匀分布纤维网格布，且纤维网格布设置在轻质墙材内部；进一步优选的，在板的厚度方向上面、下面各留1-2cm保护层后，于厚度方向上均匀分布纤维网格布；纤维网格布为本领域常用的增强纤维网格布；可根据实际情况确定网格布的使用量。
优选的，这种轻质墙材的制备方法，步骤(2)中，养护包括以下步骤：首先在40-65℃条件下养护后脱模，然后在40-65℃条件下养护4-6d，最后自然养护；进一步优选的，养护包括以下步骤：首先在40-65℃条件下养护1d后脱模，然后在40-65℃条件下养护4-6d，最后自然养护至28d。
本发明的有益效果是：
本发明采用钢渣为主要原料，利用传统硅酸盐水泥胶凝相和新型地聚物的形成原理，针对性地优化原料配比，并采用相应的激发剂，在温和养护条件下制备轻质节能墙体材料，质量达到国家标准，固废利用率大于80％，钢渣掺加率在65％以上。具体来说：
(1)以钢渣为主要原料制备轻质节能墙材，钢渣活性激发至关重要。本发明通过碱性激发剂、硫酸盐激发剂水解后生成NaOH，其不断地侵蚀钢渣和粉煤灰，形成以-Si-O-Al-O-，-Si-OAl-O-Si-O-和-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-等3种基本形式为骨架的三维网络状聚合物，这是地质聚合物(Geopolymer)胶凝相形成的基础。此外，还形成大量的C-S-H凝胶和水化铝酸钙、水化铁酸钙类等胶凝相矿物，在硅质熟料组份不足时，提高制品抗压强度。
(2)在钢渣为主的体系中，添加硫酸盐激发剂，水解后不仅可以提供硫酸根离子，利于形成钙矾石类的胶凝相；而且补充铝，调整硅铝比例，利于形成地聚物；补充钠，利于形成含碱沸石结构(Na2O-Al2O3-SiO2-nH2O)的凝胶产物。
(3)在钢渣为主的体系中，针对硅酸盐胶凝相前驱物含量较低的情况，添加碱性激发剂(硫酸铝和/或硫酸钠激发剂)，既能激发固废的活性，又能提供地聚物的原料成份，可使钢渣微粉掺量达到65％以上。
(4)脱硫灰中，CaSO4·2H2O可与铝组份生成钙矾石(AFt)；Ca(OH)2具有碱性激发作用；CaSO3·2H2O可与铝组份生成C3A-CaSO3-11H2O胶凝；CaCO3可以充填微孔，发挥增强作用。
(5)采用纳米蒙脱石，发挥其充填微孔、催化地聚物形成的作用，提高制品的抗压强度和耐久性。
附图说明
图1为本发明轻质墙材制备流程示意图。
图2为实施例1制备的轻质墙材产品内部形态图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
如附图1所示，本发明的轻质墙材的制备方法如下：
称取钢渣微粉、粉煤灰、水泥熟料粉、脱硫灰、增强纤维和纳米蒙脱石，混合后加水，然后加入已经发泡的泡沫、减水剂和激发剂，搅拌后在模具中浇筑，浇筑过程中加入纤维网，然后养护24h后脱模，在40-65℃条件下恒湿养护，最后自然养护得到轻质节能墙材。
实施例1
本实施例提供了一种轻质墙材及其制备方法，制备方法如附图1所示，具体过程如下：
本实施例的无机固体原料包括钢渣微粉70份、粉煤灰12份、水泥熟料10.5份、脱硫灰4份、玻璃纤维1.5份、纳米蒙脱石2份，钢渣微粉比表面积540kg/m2，粉煤灰、水泥熟料粉比表面积为450kg/m2，混合均匀。之后加入无机固体原料总质量20％的水、总质量1.2％的减水剂。再加入激发剂：碱性激发机剂为模数为1.5的水玻璃混合液，用量为无机固体原料1.2％的Na2O；硫酸盐激发剂为硫酸铝，用量为3％；有机激发剂由三乙醇胺与二乙醇单异丙醇胺配制而成(w/w为2/1)，用量为0.05％。微泡泡沫(FP-180型动物蛋白质发泡剂)质量为无机固体原料的0.04％；搅拌均匀后，浇注到模具中，浇筑料形成过程中，在板的厚度方向上面、下面各留1-2cm保护层后，于厚度方向上均匀分布3层增强纤维网格布。模拟太阳能温室养护条件，试件在60℃恒温保湿条件下养护1d后脱模；再在60℃恒温保湿条件下养护6d后转入自然养护至28d，制备出合格的轻质节能墙材。产品干密度为800kg/m3，28d抗压强度为5.21MPa，导热系数为0.156w/m·K，符合标准行业技术标准《JGT 169-2005建筑隔墙用轻质条板》和国家标准《GBT 23450-2009建筑隔墙用保温条板》中的规定要求。
本实施例制备的轻质墙材产品的内部形态如图2所示，其中图a为水化产物电镜图，通过图a可以看出各种水化产物之间相互作用，联结紧密，未水化的颗粒很少；图b为C-S-H胶凝相；图c为针状硫铝酸钙凝胶相；图d为地聚物胶凝相。
实施例2
本实施例提供了一种轻质墙材及其制备方法，制备方法如附图1所示，具体过程如下：
本实施例的无机固体原料包括钢渣微粉65份、粉煤灰15份、水泥熟料13.8份、脱硫灰5份、玻璃纤维1份、纳米蒙脱石0.2份，钢渣微粉比表面积380kg/m2，粉煤灰、水泥熟料粉比表面积为450kg/m2，混合均匀。之后加入总质量20％的水、总质量1.0％的减水剂。再加入激发剂：碱性激发机剂为模数为1.5的水玻璃混合液，用量1.1％Na2O；硫酸盐激发剂为硫酸铝，用量为2％，有机激发剂为由三乙醇胺与二乙醇单异丙醇胺配制而成的复合激发剂(w/w为1/1)，用量为0.05％。微泡泡沫(FP-180型动物蛋白质发泡剂)质量为无机固体原料的0.05％；搅拌均匀后，浇注到模具中，浇筑料形成过程中，在板的厚度方向上面、下面各留1-2cm保护层后，于厚度方向上均匀分布3层增强纤维网格布。模拟太阳能温室养护条件，试件在60℃恒温保湿条件下养护1d后脱模；再在60℃恒温保湿条件下养护4d后转入自然养护至28d，制备出合格的轻质节能墙材。产品干密度为830kg/m3，28d抗压强度为6.9MPa，导热系数为0.176w/m·K，符合标准行业技术标准《JGT 169-2005建筑隔墙用轻质条板》和国家标准《GBT23450-2009建筑隔墙用保温条板》中的规定要求。
实施例3
本实施例提供了一种轻质墙材及其制备方法，制备方法如附图1所示，具体过程如下：
本实施例的无机固体原料包括钢渣微粉75份、粉煤灰9份、水泥熟料10份、脱硫灰3份、竹纤维1.5份、纳米蒙脱石1.5份，钢渣微粉比表面积540kg/m2，粉煤灰、水泥熟料粉比表面积为450kg/m2，混合均匀。之后加入总质量20％的水、总质量1.5％的减水剂。再加入激发剂：碱性激发机剂为模数为1.2的水玻璃混合液，用量1.5％Na2O；硫酸盐激发剂为硫酸铝、硫酸钠，用量分别为2％、2％；有机激发剂为三乙醇胺与二乙醇单异丙醇胺配制而成的复合激发剂(w/w为1/2)，用量为0.05％；微泡泡沫(FP-180型动物蛋白质发泡剂)质量为无机固体原料的0.04％；搅拌均匀后，浇注到模具中，浇筑料形成过程中，在板的厚度方向上面、下面各留1-2cm保护层后，于厚度方向上均匀分布3层增强纤维网格布。模拟太阳能温室养护条件，试件在65℃恒温保湿条件下养护1d后脱模；再在65℃恒温保湿条件下养护6d后转入自然养护至28d，制备出合格的轻质节能墙材。产品干密度为920kg/m3，28d抗压强度为4.2MPa，导热系数为0.196w/m·K，符合标准行业技术标准《JGT 169-2005建筑隔墙用轻质条板》和国家标准《GBT 23450-2009建筑隔墙用保温条板》中的规定要求。
实施例4
本实施例提供了一种轻质墙材及其制备方法，制备方法如附图1所示，具体过程如下：
本实施例的无机固体原料包括钢渣微粉65份、粉煤灰19份、水泥熟料10份、脱硫灰5份、纳米蒙脱石1份，钢渣微粉比表面积380kg/m2，粉煤灰、水泥熟料粉比表面积为500kg/m2，混合均匀。之后加入总质量20％的水、总质量1.0％的减水剂。再加入激发剂：碱性激发机剂为模数为1.3的水玻璃混合液，用量0.6％Na2O；硫酸盐激发剂为硫酸铝和硫酸钠，用量分别为3％和2％；有机激发剂为三乙醇胺与二乙醇单异丙醇胺配制而成的复合激发剂(w/w为1/3)，用量为0.05％。微泡泡沫(FP-180型动物蛋白质发泡剂)质量为无机固体原料的0.05％；搅拌均匀后，浇注到模具中，浇筑料形成过程中，在板的厚度方向上面、下面各留1-2cm保护层后，于厚度方向上均匀分布3层增强纤维网格布。模拟太阳能温室养护条件，试件在40℃恒温保湿条件下养护1d后脱模；再在40℃恒温保湿条件下养护6d后转入自然养护至28d，制备出合格的轻质节能墙材。产品干密度为832kg/m3，28d抗压强度为6.5MPa，导热系数为0.176w/m·K，符合标准行业技术标准《JGT 169-2005建筑隔墙用轻质条板》和国家标准《GBT23450-2009建筑隔墙用保温条板》中的规定要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种轻质墙材，其特征在于，所述轻质墙材的制备原料包括固体原料、化学激发剂和外加剂；
所述固体原料包括以下质量份的组分：钢渣65～75份、粉煤灰5～20份、水泥熟料5～15份、脱硫灰2～6份、纳米蒙脱石0.2～2.5份、增强纤维0～2份；
所述化学激发剂包括水玻璃、硫酸盐激发剂、醇胺类激发剂；
所述外加剂包括发泡剂和减水剂；
所述水玻璃用量以Na2O计，Na2O的质量为所述固体原料总质量的0.5～2.0％；
所述硫酸盐激发剂包括硫酸铝、硫酸钠中的至少一种；所述硫酸盐激发剂质量为所述固体原料总质量的1～7％；
所述醇胺类激发剂包括三乙醇胺、二乙醇单异丙醇胺中的至少一种；所述醇胺类激发剂质量为所述固体原料总质量的0.04～0.06％。
2.根据权利要求1所述的轻质墙材，其特征在于，所述减水剂质量为所述固体原料总质量的1～1.5％。
3.权利要求1至2任意一项所述的轻质墙材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将化学激发剂各组分混合加水配制成化学激发剂溶液；将发泡剂溶液发泡形成发泡泡沫；
(2)将轻质墙材的固体原料混合加水，加入步骤(1)所述化学激发剂溶液和所述发泡泡沫，搅拌，得到轻质墙材桨体，浇筑至模具中，养护，得到所述轻质墙材。
4.根据权利要求3所述的轻质墙材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述发泡剂溶液中发泡剂的质量浓度为4～6wt.％。
5.根据权利要求3所述的轻质墙材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述发泡泡沫质量为所述固体原料总质量的0.03～0.05％。
6.根据权利要求3所述的轻质墙材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在所述浇筑过程中，于厚度方向上均匀分布纤维网格布，且纤维网格布设置在所述轻质墙材内部。
7.根据权利要求3所述的轻质墙材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述养护包括以下步骤：首先在40～65℃条件下养护后脱模，然后在40～65℃条件下养护4～6d，最后自然养护。
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