CN116969741A - 一种环保型无水石膏砂浆承重材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种环保型无水石膏砂浆承重材料及其制备方法与应用，包括重量组分为55～75份的Ⅱ型无水石膏、20～45份的矿粉、1～10份的电石渣、5～25份的气化渣、5～25份的高炉渣和0.5～2份的减水剂，制备方法为：先将Ⅱ型无水石膏、矿粉、气化渣、电石渣和减水剂进行混合均匀，再加入高炉水渣混合均匀，最后加水，待混合浆体养护成型硬化。本发明以II型无水石膏为基材并添加电石渣、矿粉及气化渣作为胶凝材料，气化渣能增强无水石膏砂浆承重结构材料的致密性及整体性，同时，气化渣与矿粉的加入可以降低电石渣激发作用下无水石膏的水化反应速度，此外，矿粉与电石渣的添入还增强了无水石膏浆体拌合时的流动性。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种环保型无水石膏砂浆承重材料及其制备方法与应用。
背景技术
气候变化是当今人类面临的重大全球性挑战，我国为积极应对气候问题提出了“碳达峰”和“碳中和”战略目标，以期实现经济的绿色可持续发展。我国是全球最大的水泥生产国家，水泥是建材行业中碳排放量最大的子行业。因此，利用绿色建筑材料替代普通硅酸盐水泥是行业热门话题。水泥的碳排放因子为0.6～0.8，石膏基与水泥基建材相比，石膏的碳排放因子为0.13～0.15，石膏替代水泥可减排0.5～0.6。因此，在工业生产应用中使用石膏代替水泥并能保持良好的性能，减少碳排放，对于我国实现“碳中和”的意义重大。
磷石膏是湿法生产磷酸过程中排放的工业废渣，每生产1t磷酸就有4～5t磷石膏产生。由于我国早期对磷石膏的开发重视程度较低，磷石膏的处理方式主要是以堆积为主，堆积量已超过7亿吨，严重破坏了生态环境，不仅污染地下水资源，还造成土地资源的浪费。目前对磷石膏的利用主要在开发新的化工产品、用作土壤改良剂、矿山回填、生产水泥缓凝剂及加工石膏板材、装饰石膏制品等领域，利用率低，且绝大部分仍是低端、低附加值利用，仍未形成大量化、高附加值综合利用磷石膏的途径。磷石膏虽然强度发展快、自重轻、耐火、阻燃、隔音，但相比于硅酸盐水泥，磷石膏耐水性差、强度低、凝结时间短，导致其作为建筑材料的使用受到了限制。
在建材领域现有技术中，对磷石膏的利用往往将其作为填料，再添加水泥等材料配置混凝土，没有达到经济、绿色、节能、环保的效果。在一定温度下对原状磷石膏进行高温脱水处理，将其转化为无水石膏，可以去除磷石膏中的可溶磷、可溶氟等杂质，耐水性增强，内部杂质减少，稳定性提高。然而，由于无水石膏活性低、胶凝性差，凝结硬化时间长，需要对其进行活性激发，目前对无水石膏的激发容易引起“返霜”，“强度随龄期倒缩”等不稳定现象。
煤气化技术被誉为现代煤化工产业的龙头，可以为整个后端化工生产提供合成气，但煤气化过程中会不可避免地产生大量煤气化渣，据统计我国每年煤气化渣的排放量超过3300万吨。聚氯乙烯(PVC)是一种用途广泛的化工产品，主要应用于建筑材料、管材、薄膜、电线电缆等方面，在湿法生产聚氯乙烯过程中会产生副产品电石渣，年排放量超3200万吨。高炉水渣是炼铁所产生的废料，随着炼铁产量的不断提高，水渣的产生量大幅增长。目前，煤气化渣、电石渣及高炉水渣均存在产量大、利用率低、处理成本高且存在环境威胁，堆存和填埋仍是主要处置方式，成为困扰企业发展和社会环境治理的难题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种环保型无水石膏砂浆承重材料及其制备方法与应用，其目的是提供一种新型绿色环保建筑材料，以无水石膏为基材，添加工业固废矿粉、气化渣及激发剂电石渣作为胶凝材料，并加入高炉水渣作为细骨料，制备一种可承重、全固废、成本低廉、节能环保、工艺简单、轻质高强、流动性好及工作性能优异的环保型无水石膏砂浆材料。
为达到上述目的，本发明首先提供了一种环保型无水石膏砂浆承重材料，包括重量组分为55-75份的无水石膏、20-45份矿粉、1-10份电石渣、5-25份气化渣、5-25份高炉水渣和0.5-2份减水剂。
作为优选，所述无水石膏为Ⅱ型无水石膏，比表面积大于500kg/m2，烧失量为0.37％；所述矿粉为S95型矿粉，比表面积为400-450kg/m2。
作为优选，所述电石渣中CaO含量大于90％，电石渣比表面积大于500kg/m2。
作为优选，所述气化渣为煤气化的细渣，粒径小于350μm；所述高炉水渣为冶炼生铁的废渣，粒径小于2.36mm。
作为优选，所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于25％。
基于一个总的发明构思，本发明还提供了一种环保型无水石膏砂浆承重材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将无水石膏、矿粉、电石渣、气化渣、减水剂混合搅拌均匀，得到混合粉体；
S2、在步骤S1得到的混合粉体中加入高炉水渣混合搅拌均匀，得到干拌砂浆；
S3、在步骤S2得到的干拌砂浆中加水，搅拌均匀，得到砂浆浆体；
S4、将S3步骤得到的砂浆浆体养护成型硬化后，即得环保型无水石膏砂浆承重材料。
作为优选，所述S1步骤中混合搅拌时间为2min。所述S2步骤中混合搅拌时间为2min。
作为优选，所述S3步骤中水与干拌砂浆的质量比为0.25～0.4：1。
作为优选，所述S3步骤中搅拌时间为3～5min。
基于一个总的发明构思，本发明还提供了一种环保型无水石膏砂浆承重材料在制备绿色环保建筑材料中的应用。
本发明环保型无水石膏砂浆承重结构材料的承重原理如下：
本发明以II型无水石膏为基材并添加电石渣、矿粉及气化渣作为胶凝材料。II型无水石膏其自身水化活性较低，凝结硬化时间长，电石渣主要成分为氧化钙，遇水后迅速反应生成氢氧化钙，可以在较短的时间内促进无水石膏水化并硬化成柱状二水石膏晶体，但由于反应过于迅速，水化初期二水石膏晶体之间发生接触，晶体的生长形成结晶结构骨架，后期结晶接触点不再生成，在原有结晶骨架上生长产生的内部拉应力导致强度降低。同时，水化物生成速度过快，来不及向周围的充水空间扩散，造成水化产物的局部堆积，产生一定的膨胀势能，对已形成的结构构成损伤，影响后期强度。最终会引起“强度随时间倒缩”现象，给工程质量带来严重的损害，此时矿粉的加入会减缓无水石膏的水化反应，因为矿粉中的主要成分为CaO、SiO2和Al2O3，具有一定的活性，但水化反应相当慢，激发后会生成水化硅酸钙及水化铝酸钙凝胶填充二水石膏晶体之间的孔隙，增强无水石膏砂浆承重结构材料的致密性及整体性，使得无水石膏砂浆后期强度极大增强，耐水性也得到提高。
气化渣内部存在有大量多孔、无定形且富含矿物质，具有较高火山灰活性，气化渣与矿粉的加入可以降低电石渣激发作用下无水石膏的水化反应速度，放缓无水石膏水化热的放热速率，防止产生“强度随时间倒缩”现象。此外，矿粉与电石渣的添入还增强了无水石膏浆体拌合时的流动性，有利于施工操作。高炉水渣的矿物具有85％以上的玻璃体，并时含有少量硅酸二钙、钙黄长石、硅灰石等矿物，具有潜在的水硬活性。采用工业固废高炉水渣作为细骨料，可以避免对河砂的过度开采，防止水土流失，实现工业固废的再利用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明环保型无水石膏砂浆承重材料表观密度小于1900kg/m3，是一种轻质砂浆。以II型无水石膏为基材，辅以矿粉、气化渣及电石渣为胶凝材料，并添加高炉水渣作为细骨料，流动性符合《JC/T1023-2021》石膏基自流平砂浆标准，28天抗压强度可达40MPa以上，同时耐水性得到显著提高。
(2)本发明利用气化渣和矿粉克服了电石渣激发作用下无水石膏的水化反应速度过快，放缓无水石膏水化热的放热速率，防止产生“强度随时间倒缩”现象。
(3)本发明环保型无水石膏砂浆承重材料所使用原材料均为工业固废，成本低廉，节能环保，将其作为一种建筑材料替代水泥基混凝土，是固废资源化高效利用的有效途径，减少碳排放的同时避免对环境的污染，并为国家节约大量不可再生资源。
(4)本发明环保型无水石膏砂浆承重材料配比及制作方法简单，且所使用原材料来源便捷，不需要过多的操作技能，应用范围广泛，可应用于中层及多层建筑结构的梁板柱承重结构等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1环保型无水石膏砂浆承重材料28d的微观形貌SEM图，A为放大500倍的SEM图，B为放大1000倍的SEM图；
图2为实施例1中无水石膏样品图及晶体形貌图，A为样品图，B为晶体形貌图；
图3为实施例1中矿粉样品图及晶体形貌图，A为样品图，B为晶体形貌图；
图4为实施例1中电石渣样品图及晶体形貌图，A为样品图，B为晶体形貌图；
图5为实施例1中气化渣样品图；
图6为实施例1中高炉水渣样品图；
图7为实验例2中掺加不同比例电石渣的无水石膏的抗折强度与抗压强度，A为抗折强度，B为抗压强度；
图8为实验例3中掺加电石渣的无水石膏7d的微观形貌SEM图，A为放大500倍的SEM图，B为放大1000倍的SEM图；
图9为实验例3中掺加电石渣的无水石膏28d的微观形貌SEM图，A为放大500倍的SEM图，B为放大1000倍的SEM图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段；若未特别指明，实施例中所用试剂均为市售。
实施例1
制备环保型无水石膏砂浆承重材料
S1、称取原材料，将重量组分为57份的II型无水石膏、40份矿粉、10份电石渣、10份气化渣及1份聚羧酸减水剂粉体进行机械搅拌混合均匀2min，得到混合粉体；
S2、将10份高炉水渣倒入步骤S1混合粉体中混合均匀2min，得到干拌砂浆；
S3、将30份水加入到步骤S2所制备的干拌砂浆中，机械搅拌5min，得到搅拌均匀的砂浆浆体；
S4、将步骤S3中的砂浆浆体养护成型硬化后，即得到环保型无水石膏砂浆承重材料。
制备出的环保型无水石膏砂浆承重材料28d的微观形貌SEM图如图1所示，A为放大500倍的SEM图，B为放大1000倍的SEM图；可以看出本发明无水石膏基砂浆在28d时，内部结构非常致密，生成了絮状无定型水化硅酸钙(C-S-H)/水化铝酸钙(C-A-H)，不仅可以减弱二水石膏晶体间接触点的膨胀势能，同时可以填充晶体间的空隙，增强无水石膏砂浆承重结构材料的致密性及整体性，此外，生成的钙矾石是一种稳定的六斜晶系多面体结构，促进了无水石膏砂浆强度的增长。
本实施例中无水石膏样品图及晶体形貌图如图2所示；
本实施例中矿粉样品图及晶体形貌图如图3所示；
本实施例中电石渣样品图及晶体形貌图如图4所示；
本实施例中气化渣样品图及晶体形貌图如图5所示；
本实施例中高炉水渣样品如图6所示；
实施例2
制备环保型无水石膏砂浆承重材料
S1、称取原材料，将重量组分为57份的II型无水石膏、40份矿粉、10份电石渣、20份气化渣及1份聚羧酸减水剂粉体进行机械搅拌混合均匀2min，得到混合粉体；
S2、将10份高炉水渣倒入步骤S1混合粉体中混合均匀2min，得到干拌砂浆；
S3、将34份水加入到步骤S2所制备的干拌砂浆中，机械搅拌5min，得到搅拌均匀的砂浆浆体；
S4、将步骤S3中的砂浆浆体养护成型硬化后，即得环保型无水石膏砂浆承重材料。
实施例3
制备环保型无水石膏砂浆承重材料
S1、称取原材料，将重量组分为57份的II型无水石膏、40份矿粉、10份电石渣、10份气化渣及1份聚羧酸减水剂粉体进行机械搅拌混合均匀2min，得到混合粉体；
S2、将8份高炉水渣倒入步骤S1混合粉体中混合均匀2min，得到干拌砂浆；
S3、将29份水加入到步骤S2所制备的干拌砂浆中，机械搅拌5min，得到搅拌均匀的砂浆浆体；
S4、将步骤S3中的砂浆浆体养护成型硬化后，即得环保型无水石膏砂浆承重材料。
实施例4
制备环保型无水石膏砂浆承重材料
S1、称取原材料，将重量组分为57份的II型无水石膏、40份矿粉、10份电石渣、20份气化渣及1份聚羧酸减水剂粉体进行机械搅拌混合均匀2min，得到混合粉体；
S2、将8份高炉水渣倒入步骤S1混合粉体中混合均匀2min，得到干拌砂浆；
S3、将33份水加入到步骤S2所制备的干拌砂浆中，机械搅拌5min，得到搅拌均匀的砂浆浆体；
S4、将步骤S3中的砂浆浆体养护成型硬化后，即得环保型无水石膏砂浆承重材料。
实验例1
考察实施例1-4制备的环保型无水石膏砂浆承重结构材料性能
根据GB/T 17671-2021，JC/T 1023-2021，JGJ/T 70-2009等标准分别对实施例1-4与对比例1-4制备的无水石膏砂浆承重结构材料进行测试，具体结果如表1所示；
表1实施例1-4所得环保型无水石膏砂浆承重结构材料性能测试结果
| 性能 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 表观密度(kg/m3) | 1719 | 1688 | 1709 | 1695 |
| 流动度(mm) | 148 | 144 | 145 | 143 |
| 初凝时间(min) | 268 | 256 | 233 | 227 |
| 终凝时间(min) | 429 | 388 | 391 | 362 |
| 7d抗折强度(MPa) | 2.72 | 3.31 | 3.01 | 3.55 |
| 7d抗压强度(MPa) | 21.45 | 23.63 | 22.06 | 24.95 |
| 28d抗折强度(MPa) | 4.11 | 4.65 | 4.42 | 4.79 |
| 28d抗压强度(MPa) | 40.94 | 41.81 | 41.37 | 42.98 |
| 28d尺寸膨胀率/％ | 0.039 | 0.041 | 0.038 | 0.04 |
| 软化系数 | 0.92 | 0.93 | 0.92 | 0.93 |
| 成本(元/m2) | 205 | 210 | 210 | 208 |
根据表1可知，本发明无水石膏砂浆承重材料表观密度均小于1350kg/m3(轻质高强混凝土表观密度)，流动性高，流动度符合石膏基自流平砂浆标准。同时，自然养护下28天强度即可达到C40以上标准，成本低于同标号水泥混凝土，本发明承重材料强度较高，可用于承重结构。全固废材料，轻质高强，无水泥添加，可替代水泥混凝土，节约资源，节能减排，绿色环保，可以实现固废的再利用。
实验例2
考察电石渣的掺加对无水石膏抗折强度与抗压强度的影响
将电石渣分别以0、10％、20％、30％、40％和50％的比例掺加在无水石膏中，根据JC/T1023-2021，JGJ/T 70-2009标准分别对掺加不同量电石渣的无水石膏进行抗折强度与抗压强度的检测。
结果图如表2、表3和图7所示，
表2无水石膏掺加0、10％、20％、30％、40％和50％的电石渣后的抗折强度
表3无水石膏掺加0、10％、20％、30％、40％和50％的电石渣后的抗压强度
结果表明，电石渣对无水石膏强度产生了很大影响，在电石渣激发下，试件的抗折与抗压强度均大于未掺加电石渣的无水石膏，表明电石渣有较好的激发效果。然而随着龄期的增长，从7d到28d时，掺加电石渣的无水石膏试件抗折及抗压强度均有不同程度的下降，即“强度倒缩”的现象，会对工程产生不利影响，无水石膏性能最佳时的电石渣的掺加比例为10％。
实验例3
考察电石渣掺加对无水石膏微观形貌的影响
将实验例2中电石渣掺加量为10％的无水石膏在电子显微镜下观察微观形貌
结果如图8，图9所示，图8为掺加电石渣的无水石膏7d的微观形貌，图9为掺加电石渣的无水石膏28d的微观形貌，可以看出，单一掺加电石渣后无水石膏7d时的结构致密性较好，放大后可以看出无水石膏内部生成大量柱状二水石膏晶体，晶体间相互交错堆叠。表明无水石膏在7天时水化程度较高，试件整体致密性较强。随着龄期的增长，28d时，无水石膏试件劣化，二水石膏晶体长径比减小，晶体结构遭到极大破坏，试件整体密实度较差。这表明了电石渣激发作用下无水石膏的水化反应速度过快影响了无水石膏的性能，但气化渣和矿粉的加入能够显著改善这种情况(如图1所示)。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种环保型无水石膏砂浆承重材料，其特征在于，包括重量组分为55-75份的无水石膏、20-45份矿粉、1-10份电石渣、5-25份气化渣、5-25份高炉水渣和0.5-2份减水剂。
2.根据权利要求1所述的环保型无水石膏砂浆承重材料，其特征在于，所述无水石膏为Ⅱ型无水石膏，比表面积大于500kg/m2，烧失量为0.37％；所述矿粉为S95型矿粉，比表面积为400-450kg/m2。
3.根据权利要求1所述的环保型无水石膏砂浆承重材料，其特征在于，所述电石渣中CaO含量大于90％，电石渣比表面积大于500kg/m2。
4.根据权利要求1所述的环保型无水石膏砂浆承重材料，其特征在于，所述气化渣为煤气化的细渣，粒径小于350μm；所述高炉水渣为冶炼生铁的废渣，粒径小于2.36mm。
5.根据权利要求1所述的环保型无水石膏砂浆承重材料，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸系减水剂，减水率大于25％。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的环保型无水石膏砂浆承重材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将无水石膏、矿粉、电石渣、气化渣、减水剂混合搅拌均匀，得到混合粉体；
S2、在步骤S1得到的混合粉体中加入高炉水渣混合搅拌均匀，得到干拌砂浆；
S3、在步骤S2得到的干拌砂浆中加水，搅拌均匀，得到砂浆浆体；
S4、将S3步骤得到的砂浆浆体养护成型硬化后，即得环保型无水石膏砂浆承重材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中混合搅拌时间为2min。所述S2步骤中混合搅拌时间为2min。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S3步骤中水与干拌砂浆的质量比为0.25～0.4：1。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述S3步骤中搅拌时间为3～5min。
10.一种如权利要求1-5任一项所述的环保型无水石膏砂浆承重材料或如权利要求6-9任一项制备方法制得的环保型无水石膏砂浆承重材料在制备绿色环保建筑材料中的应用。
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