CN116425462B - 一种胶凝组合物、免蒸压加气混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种胶凝组合物、免蒸压加气混凝土及其制备方法。所述胶凝组合物包括赤泥、脱硫石膏、矿粉、粉煤灰、石灰和特种水泥。利用该组合物可不经过蒸压过程制备加气混凝土，且得到的混凝土强度高，绝干密度低。本发明还提高了工业固废综合利用率，降低了加气混凝土的生产成本，制备工艺绿色环保。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种胶凝组合物、免蒸压加气混凝土及其制备方法。
背景技术
将固废充分利用起来生产加气混凝土是一种减少能耗的可靠途径。而传统的加气混凝土生产工艺是将硅酸盐水泥作为主要钙质材料来源，其中使用硅酸盐水泥的用量在12％以上，且仍存在制备的混凝土强度低的缺陷。另外，硅酸盐水泥的生产需要消耗大量能源，会排出大量的CO2，造成环境问题。为得到符合强度要求的混凝土，传统加气混凝土工艺往往采用蒸压养护过程，工艺较为复杂，生产周期长，且蒸压釜的使用也存在一定的安全风险，能源消耗大。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种包含多种固废材料的胶凝组合物以及利用该组合物制备的加气混凝土。本发明加气混凝土的制备无需经过能耗大的蒸压工艺，通过常压下的蒸养工艺即可得到强度在B06 A3.5等级以上的加气混凝土，在提高多种工业固废综合利效率的同时，可以有效降低加气混凝土的生产成本，生产工艺绿色、安全。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种胶凝组合物，包括赤泥、脱硫石膏、矿粉、粉煤灰、石灰和特种水泥。
在一些实施方案中，所述特种水泥包括硫酸盐类水泥。与现有技术中使用的硅酸盐水泥相比，硫酸盐类特种水泥水化产物中含有钙矾石，可以诱导多元固废协调激发水化中钙矾石的产生，而钙矾石是蒸养体系下加气混凝土早期强度的主要来源，更多的钙矾石的生成有利于缩短加气混凝土的提模时间，提高加气混凝土的抗压强度，其还可以提供一定的碱性环境有利于碱激发的过程及发泡过程。在一些优选实施方案中，所述硫酸盐类水泥中Al2O3的含量为20-35wt％，例如20wt％、22wt％、25wt％、28wt％、30wt％、32wt％、35wt％或它们之间的任意值。在一些具体实施方式方案中，所述硫酸盐类水泥中CaO的含量为40-50wt％，例如40wt％、42wt％、45wt％、48wt％、50wt％或它们之间的任意值。在一些具体实施方式方案中，所述硫酸盐类水泥中SiO2的含量为5-15wt％，例如5wt％、6wt％、8wt％、10wt％、12wt％、15wt％或它们之间的任意值。
在一些实施方案中，所述特种水泥的比表面积为350-400m2/g。
在一些实施方案中，所述特种水泥的初凝时间大于25min，和/或终凝时间小于180min，和/或胶砂1d抗压强度大于30MPa。
在一些实施方案中，所述赤泥选自烧结法赤泥、拜耳法赤泥或联合法赤泥中的至少一种。
优选地，所述赤泥为烧结法赤泥。烧结法赤泥是氧化铝生产工艺过程中遗留的强碱性大宗工业固废，由于其自身的高碱性及放射性使得烧结法赤泥的综合利用率偏低。由于烧结法赤泥的化学组成中SiO2、Al2O3、CaO总含量占比高，与水泥的化学组成较为类似，因此，可以将其作为钙质原料用于加气混凝土砌块的制备。进一步优选地，所述烧结法赤泥中CaO含量≥30wt％，和/或比表面积为500-900m2/g。
在一些实施方案中，所述脱硫石膏中硫酸钙含量≥80wt％。在一些实施方案中，所述脱硫石膏比表面积为300-700m2/g。
在一些实施方案中，所述矿粉中CaO含量≥30wt％。在一些实施方案中，所述矿粉的比表面积为400-1000m2/g。
在一些实施方案中，所述粉煤灰为I级粉煤灰或II级粉煤灰。在一些实施方案中，所述粉煤灰中SiO2含量为30-60wt％，Al2O3含量为20-40wt％，Fe2O3含量为5-10wt％。
在一些实施方案中，所述石灰中CaO含量≥75wt％。在一些实施方案中，所述石灰的消解温度≥45℃，消解时间为10-25min。
在一些实施方案中，以重量份数计，所述组合物包括：粉煤灰10-40份，赤泥10-30份，脱硫石膏5-30份，矿粉10-40份，石灰1-10份，特种水泥1-10份。
在一些优选实施方案中，以重量份数计，所述组合物包括：粉煤灰10-25份，赤泥10-25份，脱硫石膏15-25份，矿粉20-40份，石灰1-5份，特种水泥1-5份。
在一些实施方案中，以重量百分比计，所述组合物中粉煤灰的含量为10-40％，例如10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％、32％、35％、38％、40％或它们之间的任意值，优选10-25％。
在一些实施方案中，以重量百分比计，所述组合物中赤泥的含量为10-30％，例如10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％或它们之间的任意值，优选10-25％。
在一些实施方案中，以重量百分比计，所述组合物中脱硫石膏的含量为5-30％，例如5％、8％、10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％或它们之间的任意值，优选15-25％。
在一些实施方案中，以重量百分比计，所述组合物中矿粉的含量为10-40％，例如10％、12％、15％、18％、20％、22％、25％、28％、30％、32％、35％、38％、40％或它们之间的任意值，优选20-40％。
在一些实施方案中，以重量百分比计，所述组合物中石灰的含量为1-10％，例如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％或它们之间的任意值，优选1-5％。本发明中，石灰掺入量太多，会使得加气混凝土砌块成品出现较为严重的泛碱现象，因此，因此，应控制石灰加入量在合适的范围。
在一些实施方案中，以重量百分比计，所述组合物中特种水泥的含量为1-10％，例如1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％或它们之间的任意值，优选1-5％。
在一些实施方案中，以重量百分比计，所述组合物包括：粉煤灰10-40％，赤泥10-30％，脱硫石膏5-30％，矿粉10-40％，石灰1-10％，特种水泥1-10％。
在一些优选实施方案中，以重量百分比计，所述组合物包括：粉煤灰10-25％，赤泥10-25％，脱硫石膏15-25％，矿粉20-40％，石灰1-5％，特种水泥1-5％。
在一些优选实施方案中，以重量百分比计，所述组合物包括：粉煤灰10-20％，赤泥20-30％，脱硫石膏15-25％，矿粉30-40％，石灰1-5％，特种水泥1-10％。
在一些优选实施方案中，以重量百分比计，所述组合物包括：粉煤灰20-25％，赤泥20-25％，脱硫石膏15-20％，矿粉20-25％，石灰1-10％，特种水泥1-10％。
在一些优选实施方案中，以重量百分比计，所述组合物包括：粉煤灰20-25％，赤泥10-15％，脱硫石膏15-20％，矿粉30-35％，石灰1-10％，特种水泥1-10％。
在一些优选实施方案中，以重量百分比计，所述组合物包括：粉煤灰30-35％，赤泥20-25％，脱硫石膏15-20％，矿粉15-20％，石灰1-10％，特种水泥1-5％。
在一些实施方案中，所述组合物中，以所述烧结法赤泥、粉煤灰、矿粉和石灰计，CaO的摩尔量与SiO2和Al2O3的摩尔量之和的比值为0.4-1.0，优选0.5-0.8。即，本发明中所述CaO、SiO2和Al2O3三种物质的摩尔量均是基于组合物中赤泥、矿粉、粉煤灰及石灰四种原料中CaO、SiO2和Al2O3的摩尔含量计算的。
第二方面，本发明提供了一种免蒸压加气混凝土，其包括上述胶凝组合物，或者其由包括上述胶凝组合物的原料制备而成。
在一些实施方式中，所述加气混凝土的1天抗压强度≥1.8MPa，7天抗压强度≥3.0MPa，28天抗压强度≥4.5MPa。
在一些实施方式中，所述加气混凝土的绝干密度为500～650kg/m3。
需要说明的是，本发明所述免蒸压加气混凝土包括免蒸压加气混凝土砌块。
在第三方面，本发明提供了上述免蒸压加气混凝土的制备方法，包括将上述胶凝组合物与水混合，加入发泡剂，养护，得到加气混凝土。
在一些实施方案中，所述发泡剂为铝粉。优选地，所述铝粉中活性铝的含量≥90％。
在一些实施方案中，所述发泡剂的用量为所述胶凝组合物总重量的0.07-0.12％。
在一些实施方案中，所述水的用量为所述胶凝组合物总重量的50-65％。
在一些实施方案中，所述养护为蒸汽养护。
在一些实施方案中，所述养护的温度为50-70℃。
在一些实施方案中，所述养护的压力为0.95-1.05atm。本发明的免蒸压加气混凝土的制备无需蒸压养护，常压下养护即可。
在一些实施方案中，所述养护的时间为20-30小时，优选22-26小时。
在一些具体实施方案中，所述制备方法包括如下步骤：
S1.将所述赤泥、脱硫石膏、矿粉、粉煤灰、石灰、特种水泥与水和混合，得到料浆；
S2.将发泡剂与料浆混合，发气，浇模，50-70℃养护4-6h，得到砌块胚体；
S3.所述砌块胚体在常压，50-70℃条件下养护18-20小时，得到免蒸压加气混凝土砌块。
在一些优选实施方案中，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将烧结法赤泥、脱硫石膏、矿粉、石灰、粉煤灰、石灰和硫酸盐类特种水泥混合，加入45-50℃温水，控制料浆扩散度达到200-220mm，并加入铝粉悬浮液，进行发气；
(2)将发气后的料浆浇注至40mm×40mm×160mm的三联模具中，放入50-70℃例如60℃高温蒸汽快速养护箱中养护4-6h例如5h，切割并拆模；
(3)将切割后的砌块胚体继续放入高温蒸汽快速养护箱中50-70℃下进行高温养护18-20小时，得到免蒸压加气混凝土砌块。
第四方面，本发明提供上述胶凝组合物在制备加气混凝土中的应用。
本发明的有益效果是：
1.利用烧结法赤泥、粉煤灰、矿粉等多种工业固废与特种水泥组成的胶凝组合物作为原料，可在免蒸压条件下制备加气混凝土砌块，提高了多种大宗固废的综合利用效率，减少工业生产过程的潜在风险及生产能耗，并且降低了加气混凝土的生产成本。
2.通过特种水泥的使用，进一步提高了加气混凝土砌块的力学性能，符合GB/T11968-2020《蒸压加气混凝土砌块》的要求。
附图说明
图1显示了实施例1-28中胶凝组合物中CaO/(SiO2+Al2O3)摩尔比与砌块抗压强度的关系。
图2显示了实施例1制备的免蒸压加气混凝土的微观形貌图。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本发明所提出的技术方案和优点与进行清楚、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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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，均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明利用多种工业固废与特种水泥复合而成的胶凝组合物作为制备加气混凝土砌块的原料，避免了传统加气混凝土制备工艺中的蒸压过程，在常压下即制得了强度高、成本低、绿色环保的加气混凝土砌块。
本发明的胶凝组合物包括：粉煤灰10-40wt％，赤泥10-30wt％，脱硫石膏5-30wt％，矿粉10-40wt％，石灰1-10wt％，特种水泥1-10wt％。
以下实施例中所用赤泥为烧结法赤泥，主要化学组成为：CaO含量39.78wt％，SiO2含量19.44wt％，Al2O3含量10.42wt％。
以下实施例中所用矿粉的主要化学组成为：CaO含量39.03wt％，SiO2含量29.69wt％，Al2O3含量16.32wt％。
以下实施例中所用粉煤灰为II级粉煤灰，主要化学组成见为：CaO含量3.41wt％，SiO2含量52.19wt％，Al2O3含量30.37wt％。
以下实施例中所用硫酸盐特种水泥的主要化学组成为：CaO含量45.61wt％，SiO2含量6.91wt％，Al2O3含量20.73wt％。
以下实施例中，胶凝组合物的CaO/(SiO2+Al2O3)(摩尔比)基于烧结法赤泥、粉煤灰、矿粉和石灰四种原料中CaO、SiO2和Al2O3的含量确定。
实施例1
按照烧结法赤泥28wt％、脱硫石膏6wt％、矿粉28wt％、粉煤灰28wt％、石灰5wt％、硫酸盐特种水泥5wt％的重量百分比，称取烧结法赤泥280g、脱硫石膏60g、矿粉280g、粉煤灰280g、石灰50g、特种水泥50g，得到胶凝组合物，其CaO/(SiO2+Al2O3)(摩尔比)为0.61。
按照水相当于粉体组合物质量的60％，称取50℃温水600g；按照铝粉相当于粉体组合物质量的0.08％，称取铝粉0.8g。
将烧结法赤泥、脱硫石膏、矿粉、粉煤灰、石灰、硫酸盐特种水泥和水混合，在搅拌锅中变速搅拌2min，使得料浆均匀后，加入铝粉，搅拌45s，发气。
将发气完成后的料浆浇注至40mm×40mm×160mm的模具中，放入60℃蒸汽快速养护箱中高温养护4.5h，取出模具，用切割机切去面包头并拆模。
将砌块胚体继续放入60℃蒸汽快速养护箱中继续养护19.5h，使得砌块高温养护时间达到1天，高温养护完成后得到砌块样品。
所得砌块样品测得绝干密度为550.1kg/m3，1d抗折强度为0.6MPa，抗压强度为1.3MPa，7d抗折强度为1.3MPa，7d抗压强度为1.7MPa，28d抗折强度为1.7MPa，28d抗压强度为2.1MPa。
实施例2～28
实施例2～28与实施例1的区别在于，胶凝组合物各原料的掺量比例不一样，其余操作均相同。
实施例1-28胶凝组合物中各原料重量百分比以及得到的砌块样品的绝干密度、1天抗压强度、7天抗压强度和28天抗压强度等性能参数见表1。
表1
对比例1
与实施例3的区别在于，将“硫酸盐特种水泥”替换为“普通硅酸盐水泥”。
所得砌块样品测得绝干密度为582.3kg/m3，1天抗压强度为1.9MPa，7天抗压强度为2.7MPa，28天抗压强度为4.5MPa。
对比例2
与实施例3的区别在于，不添加水泥，其余各组分按赤泥25.3wt％、脱硫石膏18.9wt％、矿粉25.3wt％、粉煤灰25.3wt％、石灰5.2wt％的重量百分比，称取烧结法赤泥253g、脱硫石膏189g、矿粉253g、粉煤灰253g、石灰52g，得到胶凝组合物，其CaO/(SiO2+Al2O3)(摩尔比)为0.63。
所得砌块样品测得绝干密度为527.8kg/m3，1天抗压强度为1.5MPa，7天抗压强度为2.2MPa，28天抗压强度为3.4MPa。
实验结果：
将实施例1至实施例28得到的加气混凝土砌块1天、7天和28天抗压强度与CaO/(SiO2+Al2O3)摩尔比的结果如图1所示。添加趋势线分析，在保证体系内的脱硫石膏含量在15-25wt％内及石灰含量在1-5wt％内，体系中的CaO/(SiO2+Al2O3)摩尔比在0.5-0.8之间尤其是0.6-0.8之间时，加气混凝土块具有良好的宏观特性。
实施例1制备的免蒸压加气混凝土的微观形貌如图2所示，其主要以针棒状的钙矾石晶体及大量的纤维状、网状的C-S-H水化硅酸钙凝胶存在，与传统蒸压加气混凝土相比其只存在极少量的托勃莫来石。免蒸压加气混凝土的强度主要由凝胶相包裹部分为反应的颗粒构成网状结构及钙矾石晶体提供。
从对比例2的结果可以看出，多种固废协同激发作用所得的胶凝材料可以用于生产免蒸压加气混凝土，但是砌块的整体性能依然难以满足国家标准。传统蒸压加气混凝土中多采用普通硅酸盐水泥作为钙质原料提供钙，如对比例1中实验证明了虽然少量的普通硅酸盐水泥也可以用于生产免蒸压加气混凝土，但是制备的砌块的抗压强度不如本发明实施例3以及其它实施例中使用特种水泥制备的砌块抗压强度。
从实施例1-28可以看出，本发明以多种工业固废复合而成的组合物作为生产加气混凝土的胶凝材料，减少了传统蒸压加气混凝土生产工艺中高能耗、高污染的普通硅酸盐水泥以及有潜在风险及高耗能的蒸压工艺，制备得到性能良好的免蒸压加气混凝土砌块，且免蒸压砌块符合关于加气混凝土砌块的国家标准，提高了各种工业固废的综合利用率，降低了加气混凝土砌块的生产成本。同时，本发明使用具有快硬特性的硫酸盐类水泥可以有效的缩短砌块的提模时间，提高抗压强度，提高免蒸压加气混凝土的整体力学性能，提升了免蒸压加气混凝土的生产效率。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (12)
1.一种免蒸压加气混凝土，其特征在于，由包括胶凝组合物的原料制备而成；所述胶凝组合物以重量百分比计，由以下原料组成：粉煤灰10-40%，赤泥10-30%，脱硫石膏5-30%，矿粉10-40%，石灰1-10%，特种水泥1-10%，其中所述特种水泥包括硫酸盐类水泥，所述赤泥选自烧结法赤泥；以所述烧结法赤泥、粉煤灰、矿粉和石灰计，所述胶凝组合物中CaO的摩尔量与SiO2和Al2O3的摩尔量之和的比值为0.5-0.8。
2.根据权利要求1所述的免蒸压加气混凝土，其特征在于，所述硫酸盐类水泥中Al2O3含量为20-35wt%。
3.根据权利要求1或2所述的免蒸压加气混凝土，其特征在于，所述矿粉中CaO的含量不低于30wt%；和/或，所述粉煤灰为I级粉煤灰或II级粉煤灰；和/或，所述特种水泥的比表面积为350-400m2/g。
4.根据权利要求1或2所述的免蒸压加气混凝土，其特征在于，所述赤泥中CaO含量不低于30wt%；和/或，所述矿粉的比表面积为400-1000m2/g；和/或，所述粉煤灰中SiO2含量为30-60wt%，Al2O3含量为20-40wt%，Fe2O3含量为5-10wt%。
5.根据权利要求1或2所述的免蒸压加气混凝土，其特征在于，以重量百分比计，所述胶凝组合物由以下原料组成：粉煤灰10-25%，赤泥10-25%，脱硫石膏15-25%，矿粉20-40%，石灰1-5%，特种水泥1-5%。
6.根据权利要求1所述的免蒸压加气混凝土，其特征在于，所述加气混凝土的1天抗压强度≥1.8MPa，7天抗压强度≥3.0MPa，28天抗压强度≥4.5MPa；
和/或，所述加气混凝土的绝干密度为500~650kg/m3。
7.如权利要求1~6任意一项所述的免蒸压加气混凝土的制备方法，包括将所述胶凝组合物与水混合，加入发泡剂，养护，得到加气混凝土。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂为铝粉。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述发泡剂的用量为所述胶凝组合物总重量的0.07-0.12%。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述水的用量为所述胶凝组合物总重量的50-65%。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述养护为蒸汽养护。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于，所述蒸汽养护的温度为50-70℃，所述蒸汽养护的压力为0.95-1.05atm，所述蒸汽养护的时间为20-30小时。
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