CN1484622A - 卜特兰水泥替代品及制法、使用其的硬质木片及制法 - Google Patents

卜特兰水泥替代品及制法、使用其的硬质木片及制法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的是提供即使以20wt％或更大的量掺入硬质木片生产过程中排出的木屑或废料以将其再利用也不会破坏其各种性能(如抗弯强度)的卜特兰水泥替代品、简易而经济地生产该替代品的方法、包括该替代品的硬质木片及其生产方法。本发明提供一种卜特兰水泥替代品，其包括将至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥粉碎和分级后得到的细水泥粉末，其中，在650－850℃下焙烧水泥粉末以将其活化，该卜特兰水泥替代品的生产方法，包括该替代品的硬质木片及其生产方法。

Description

卜特兰水泥替代品及制法、使用其的硬质木片及制法
技术领域
本发明涉及卜特兰水泥替代品及其生产方法，包括该替代品的硬质木片及其生产方法，更具体地说，本发明涉及由通过将硬质木片生产过程中排出的废物等破碎后生产的用作结构材料的焙烧/活化细水泥粉构成的卜特兰水泥替代品及其生产方法，包括该替代品的硬质木片及其生产方法。
发明背景
一种已知的硬质木片是将细分的木屑、水泥和水的混合物模压成一定形状后熟化而生成的。
这种硬质木片受到依赖使用的木材的种类这样问题的困扰，因为木材可以释放出抑制水泥熟化的组分。这样就限制了木材的可用类型，或者会因为使用这些木材时熟化时间的延长而降低木片的生产率。
人们已经提出一些解决这些问题的方法。例如，专利文献1(日本特开昭59-18339)公开了一种生产硬质木片的方法，其中，将含卜特兰水泥、高铝水泥、无水石膏或/和半水合石膏的水泥组合物加入细分木屑和水中，然后在加热条件下将得到的混合物熟化。该方法使用具有加热到一定温度以上时能够加速熟化的性能的上述水泥组合物，在抑制水泥熟化的木材组分大量洗提出来之前将其熟化。因此，该方法扩大了可使用的木材种类，同时还改善了生产率，降低了生产成本。
在生产改善的硬质木片时，在生产和制造过程中会产生碎屑和废料。占成品重量10-25％的这些碎屑或废料从工艺过程中排出，作为工业废物处理。随着环保和防污染法规越来越严厉，废物处理也越来越难，因为寻找废物处理地点越来越难，而处理成本越来越高。
因此，人们提出各种再循环这些碎屑或废料的建议。例如，专利文献2(日本专利2534403)提出一种生产硬质木片的方法，即，在加热条件下将作为主要组分的由高铝水泥、无水石膏或/和半水合石膏组成的热固性组分和含卜特兰水泥、细粉碎木屑和水的水泥组合物的原料混合物熟化，其中，调节硬质木片的原料混合物，使水泥组合物中的卜特兰水泥是热固性组分重量的2.5倍或更少，硬质木片生产过程中排出的木屑废料是原料混合物中总固体的20wt％或更低。但是，这种方法所存在的问题是：为了避免破坏机械强度，木屑废料的含量上限是原料混合物中总固体的20wt％。
类似于上述方法的另一种生产硬质木片的方法(如专利文献3：日本专利2578259公开的方法)是将硬质木片生产过程中排出的木屑废料粉碎，将回收的木屑和水泥相互分离，用回收的木屑和水泥部分替代硬质木片的原料混合物中的木屑和卜特兰水泥，在加热条件下将原料混合物熟化。
但是，该方法存在的问题是：为了避免这些回收材料破坏机械强度，回收的木屑和水泥的总含量上限是原料混合物中总固体的30wt％。
另外还有一些建议是将灰泥或混凝土废料再循环到水泥原料中。例如，专利文献4(日本特开平6-285454)公开了一种方法，即，在高温下(1250-1400℃)将灰泥或水泥废料焙烧1-4小时，生成平均粒度为几个cm的再循环水泥熟料，向再循环水泥熟料中加入石膏，将混合物细粉碎，生成平均粒度约为10μm的再循环水泥。但是，该方法包括在高于1100℃的高温下进行的焙烧步骤，将产生下述问题：(1)因为回转窑内壁必须用耐火砖衬里，所以需要大型设备，(2)消耗大量燃料，和(3)因为粉碎的灰泥或混凝土废料造粒成平均粒度为几个cm的熟料，所以需要细粉碎熟料的附加步骤。
为了解决前述方法中出现的上述问题，本发明的目的是提供即使以20wt％或更大的量掺入硬质木片生产过程中排出的木屑或废料以将其再利用也不会破坏其各种性能(如抗弯强度)的卜特兰水泥替代品、简易而经济地生产该替代品的方法、包括该替代品的硬质木片及其生产方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的发明人对硬质木片生产过程中排出的碎屑等的再利用方法经过认真研究后发现：在650-850℃下焙烧的硬质木片的细粉碎的碎屑的水泥粉末可用作卜特兰水泥替代品，因为这种热处理能够使缺少水泥水凝性的组分活化成水泥水凝性组分。本发明基于这些发现而开发。
本发明的第一个方面是提供一种卜特兰水泥替代品，其包括将至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥粉碎和分级后得到的细水泥粉末，其中，在650-850℃下焙烧水泥粉末以将其活化。
本发明的第二个方面是提供第一个方面的卜特兰水泥替代品，其中，水泥粉末含有卜特兰水泥、高铝水泥、石膏和石灰。本发明的第三个方面是提供第二个方面的卜特兰水泥替代品，其中，水泥粉末还含有木屑。
本发明的第四个方面是提供一种生产第1-3个方面中任一方面的卜特兰水泥替代品的方法，该方法包括(I)将至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥粉碎和筛分后得到细水泥粉末的步骤，和(II)用搅拌式焙烧炉在650-850℃下焙烧步骤(I)中生产的水泥粉末以将其活化的步骤。本发明的第五个方面是提供第四个方面的生产卜特兰水泥替代品的方法，其中，步骤(II)中的焙烧条件是：650-850℃，30分钟或更长时间，和还原或氧化气氛。
本发明的第六个方面是提供包括第1-3个方面中任一方面的卜特兰水泥替代品的硬质木片。
本发明的第七个方面是提供一种生产第六个方面的硬质木片的方法，该方法是在加热条件下将掺有细分木质材料和水的含卜特兰水泥、高铝水泥、石膏和石灰的水泥组合物的混合物熟化，其中，水泥组合物中20-100％的卜特兰水泥是第1-3个方面中任一方面的卜特兰水泥替代品。该方法的优点是能够大大简化原料供应装置如储槽。
附图简述
图1示出本发明的卜特兰水泥替代品的生产方法的流程图。注
1硬质木片的生产步骤
2粉碎步骤
3筛分步骤
4焙烧/活化步骤
5硬质木片废料或碎屑，或含钙钒石的熟化水泥
6细水泥粉末
7卜特兰水泥替代品
8硬质木片的原料
9硬质木片产品
10碎屑等
具体实施方式
下面详述本发明。
1.卜特兰水泥替代品
本发明的卜特兰水泥替代品可以用包括下述步骤的方法生产：(I)将至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥粉碎和筛分后得到细水泥粉末的步骤，和(II)焙烧步骤(I)中生产的水泥粉末以将其活化的步骤。
下面参考图1说明本发明的生产卜特兰水泥替代品的方法，图1示出该生产方法的流程图。在粉碎/筛分步骤(I)中，粉碎步骤2和筛分步骤3处理生产硬质木片的步骤1中排出的废料或碎屑或者含钙钒石的熟化水泥5，得到细水泥粉末6。在焙烧/活化步骤(II)中，焙烧/活化步骤4处理细水泥粉末6，得到本发明的卜特兰水泥替代品7。如此生产的卜特兰水泥替代品7部分或全部替代包括卜特兰水泥、高铝水泥、石膏、石灰、水和木屑的混合物8中的卜特兰水泥，在生产硬质木片的步骤中，混合物8被处理成产品9。筛分步骤3中废弃的木屑等10再循环到包括卜特兰水泥、高铝水泥、石膏、石灰、水和木屑的混合物8中，用于生产硬质木片。
下面详述每一个步骤
(I)粉碎/筛分步骤
生产本发明的卜特兰水泥替代品的方法的第一个步骤是得到细水泥粉末的步骤，即，粉碎/筛分步骤(I)，其中，至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥被粉碎和筛分。
卜特兰水泥替代品的原料包括硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥。普遍认为硬质木片生产过程中产生的废物如木片生产步骤中产生的碎屑和废料占成品重量的10-25％。本发明可有效利用将作为工业废物处理的这些从硬质木片生产过程中排出的废物和碎屑。其它原料包括废硬质木片和含钙钒石的熟化水泥。钙钒石具有硫铝酸钙水合物的组成(3CaO·Al2O3·3CaSO4·30-32H2O)。它是针状或棒状晶体，通常是形成熟化卜特兰水泥的一种主要水合物产品。
本发明包括将至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥粉碎和筛分后得到细水泥粉末的步骤。这种粉碎/分级步骤将细水泥粉末与木屑和大水泥颗粒分开。这种细水泥粉末没有限定。但是，优选使用能够通过公称细度为125μm(或120目)标准筛的金属网的水泥粉末，即，粒度为40μm或更小的水泥粉末。
细水泥粉末可以含有少量细粉碎的木屑，因为后面将焙烧炭化。
(II)焙烧/活化步骤
在步骤(II)，即焙烧/活化步骤中用搅拌式焙烧炉焙烧前一步骤(I)中得到的细水泥粉末以将其活化。
对搅拌式焙烧炉没有限制。一般优选水泥生产等方法中使用的回转窑，因为原料可随炉体的旋转而相互混合，并且能够和炉壁有效地进行热交换。
在本发明中，在搅拌式焙烧炉中焙烧细水泥粉末的焙烧条件如温度是关键而最重要的特征。
对于焙烧细水泥粉末的条件，温度必须是650-850℃，优选700-800℃。焙烧时间是30分钟或更多，优选1小时或更多。焙烧气氛优选是还原性或氧化性的。在上述条件下活化前一步骤(I)中得到的细水泥粉末。换句话说，将缺少水泥水凝性的组分活化成水泥水凝性组分。
结果，来自硬质木片废物等的水泥粉末的焙烧产品可以用作卜特兰水泥替代品。
在作为焙烧条件之一的接近600℃的焙烧温度下，熟石灰(氢氧化钙，Ca(OH)2)脱水成为生石灰(氧化钙，CaO)。焙烧产品中生产的生石灰与水混合时和水反应，生成大量的热，结果使焙烧产品不能用作卜特兰水泥替代品，因为它不能形成硬质木片。含部分被在500-600℃下焙烧1小时得到的水泥粉末替代的水泥组分的水泥组合物没有充分的适用性，形成木片后没有足够的机械性能如抗弯强度。另外，在低于500℃的温度下焙烧的水泥粉末没有足够高的水泥水凝性，不能用作卜特兰水泥替代品。
水泥组合物等的适用性也称为有效时间，表示原料相互混合时能够保持合适的使用条件或适于模压的流动性而不熟化的时间。
另一方面，当在约900℃的温度下焙烧水泥粉末时，其中含有的碳酸钙(CaCO3)分解成生石灰(氧化钙，CaO)，同时释放出二氧化碳气体。结果与在约600℃下焙烧的情况一样，焙烧水泥粉末时生产的生石灰与水混合时和水反应，生成大量的热，结果使焙烧产品不能用作卜特兰水泥替代品，因为它不能形成硬质木片。
相反，在650-850℃下焙烧水泥粉末能够再生作为卜特兰水泥组分的3CaOSiO2和2CaOSiO2、作为高铝水泥组分的CaOAl2O3、作为石膏组分的CaSO4和作为熟石灰组分的Ca(OH)2，并且没有产生生石灰(氧化钙，CaO)，如果有，也是痕量的生石灰。换句话说，这种热处理将水泥粉末活化，使其具有水硬性。含部分被在650℃或更高温度下焙烧30分钟得到的水泥粉末替代的水泥组分的水泥组合物的适用性扩大，在成型后能够改善机械性能如抗弯强度。结果，在650-850℃下焙烧来自硬质木片废物等的水泥粉末得到的焙烧产品可以用作卜特兰水泥替代品。
作为焙烧条件之一的焙烧时间优选是30分钟或更多，更优选1小时或更多。可以将焙烧时间的上限设定在一定范围内，以改善生产的稳定性。
在还原性或氧化性气氛中焙烧的水泥粉末可以全部替代原始的卜特兰水泥。在回转窑中的气孔等密闭的条件下燃烧原料，使气氛变为缺氧的还原性状态，以此实现还原性焙烧条件。相反，在回转窑中的气孔等开放的条件下在含足量氧气的氧化性气氛中燃烧原料，以此实现氧化性焙烧条件。
不仅可以通过开放或密闭回转窑中的气孔等，而且可以通过控制流入回转窑中的气体浓度很容易地控制氧化性或还原性焙烧条件。因此，通过控制焙烧气氛可以自由地生产具有特定用途强度的卜特兰水泥替代品。
如上所述在650-850℃下焙烧水泥粉末生产本发明的卜特兰水泥替代品的方法与在1000℃或更高温度下焙烧的传统方法相比有很多优点，因为它能够节约搅拌式回转窑的耐火衬里、减少回转窑燃料、还能够省去附加的细粉碎步骤，因为它采用的低温能够产生小粒度的焙烧产品。因此，它具有能够解决上述专利文献4的方法中所存在的问题的优点。
2.硬质木片
本发明的硬质木片用卜特兰水泥替代品作为水泥组合物的原料，该替代品是水泥组合物的一种成分。
在常压下在存在有水的条件下缓慢而均匀地熟化传统上用于硬质木片的水泥组合物，但是，当加热到一定温度以上时，通过快速形成针状硫铝酸钙晶体(3CaO·Al2O3·3CaSO4·30-32H2O)而熟化。其组成优选是卜特兰水泥：50-96重量份，高铝水泥：25-2.0重量份，无水或/和半水合石膏：15-1.5重量份，熟石灰：10重量份或更少，更优选是卜特兰水泥：80-96重量份，高铝水泥：10-2.0重量份，无水或/和半水合石膏：5-1.5重量份，熟石灰：10重量份或更少。
如上所述被活化成水硬性的本发明的卜特兰水泥替代品可以用作水泥组合物的原料。具体来说，用硬质木片废料等作为原料生产的本发明的卜特兰水泥替代品可以部分或全部替代含卜特兰水泥、高铝水泥、石膏和石灰的水泥组合物中的卜特兰水泥，水泥组合物用于生产含类似木屑的硬质木片。
本发明的卜特兰水泥替代品可以20-100wt％，优选35-100wt％地替代原始的卜特兰水泥。
对构成水泥组合物一部分的卜特兰水泥没有限制。例如，和传统水泥组合物的情况一样可以使用普通水泥、高快固水泥、超高快固水泥或白色卜特兰水泥。
水泥组合物中还可以掺入一种或多种添加剂，如防水剂、憎水剂、发泡剂、木屑防腐剂和阻燃剂。
如前面的专利文献1所述，传统的硬质木片是用下述方法生产的：在加热条件下将掺有细分木质材料和水的含卜特兰水泥、高铝水泥、石膏和石灰的水泥组合物的混合物熟化。另一方面，本发明的硬质木片是用下述方法生产的：在加热条件下将掺有细分木质材料和水的水泥组合物的混合物熟化，其中，水泥组合物含有卜特兰水泥和/或本发明的卜特兰水泥替代品。对水泥组合物的组成、木质材料和水没有限制，可以根据具体用途任意设定范围。
本发明可以使用任何木质材料。例如，可以使用从硬质木片废料中分离出来的木屑。加入的木屑可用于加固硬质木片或增加硬质木片的重量，并且可以和各种集合体、纤维材料等混合。
实施例
下面用实施例和对比实施例详述本发明，这些实施例不能用于限定本发明的保护范围。
[实施例1]
将硬质木片生产过程中排出的碎屑的细水泥粉末(平均粒度：40μm或更小)粉碎和分级，然后在700℃的回转窑(Daiwa Kogyo供应)中焙烧1小时，生成细水泥粉末的焙烧产品。
用下述方法制备水泥组合物：将292重量份高快固卜特兰水泥和158重量份在700℃下焙烧的上述水泥粉末、1350重量份标准砂和247.5重量份水混合，将得到的混合物放入3级压模框架内，其大小是40×40×160mm，能够同时形成3个方柱样品，其中，每一个方柱样品都是将混合物捣固15次后形成的。焙烧水泥占卜特兰水泥重量的35％，水/水泥的比是55wt％。
用薄膜包装每一个方柱样品，使其在20℃的房间内静置1天，脱模后在20℃的房间内静置1周，以将其熟化。
根据JIS R-5201(水泥物理性能的测试方法)对脱模后如此熟化1周得到的样品测定抗压强度和抗弯强度。结果示于表1。
[实施例2]
用与实施例1相同的方法制备样品，只是用在800℃下焙烧1小时的水泥粉末代替在700℃下焙烧的水泥粉末，分析其抗压强度和抗弯强度。结果示于表1。
[实施例3]
用与实施例1相同的方法制备样品，只是用450重量份在还原性气氛中在700℃下焙烧1小时的水泥粉末代替高快固卜特兰水泥，分析其抗压强度和抗弯强度。结果示于表1。
[实施例4]
用与实施例1相同的方法制备样品，只是用450重量份在还原性气氛中在800℃下焙烧1小时或更长时间的水泥粉末代替高快固卜特兰水泥，分析其抗压强度和抗弯强度。结果示于表1。
[实施例5]
用与实施例1相同的方法制备样品，只是用450重量份在氧化性气氛中在800℃下焙烧1小时的水泥粉末代替高快固卜特兰水泥，分析其抗压强度和抗弯强度。结果示于表1。
[参考实施例]
用与实施例1相同的方法制备样品，只是将450重量份高快固卜特兰水泥和1350重量份标准砂和225重量份水混合，分析其抗压强度和抗弯强度。结果示于表1。焙烧水泥占卜特兰水泥重量的0％，水/水泥的比是50wt％。将在参考实施例中制备的没有使用焙烧细水泥粉末的样品与实施例中制备的那些样品对比。
[对比实施例1-3]
尝试用与实施例1相同的方法制备对比实施例1-3中的每一个样品，只是使用在500、600或900℃下焙烧1小时的细水泥粉末。但是，因为原料的放热反应产生过量的热，所以这些制备样品的尝试以失败告终。表1只是给出了它们的组成。
[表1]
  实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   参考实施例   对比实施例1   对比实施例2   对比实施例3
水泥组合物 高快固卜特兰水泥   份   292   292   -   -   -   450   292   292   292
在500℃下焙烧的水泥粉末   份   -   -   -   -   -   -   158   -   -
在600℃下焙烧的水泥粉末   份   -   -   -   -   -   -   -   158   -
在700℃下焙烧的水泥粉末   份   158   -   -   -   -   -   -   -   -
在还原性气氛中在700℃下焙烧的水泥粉末   份   -   -   450   -   -   -   -   -   -
在800℃下焙烧的水泥粉末   份   -   158   -   -   450   -   -   -   -
在还原性气氛中在800℃下焙烧的水泥粉末   份   -   -   -   450   -   -   -   -   -
在900℃下焙烧的水泥粉末   份   -   -   -   -   -   -   -   -   158
标准砂   份   1350   1350   1350   1350   1350   1350   1350   1350   1350
水   份   247.5   247.5   247.5   247.5   247.5   225   247.5   247.5   247.5
焙烧的水泥粉末与卜特兰水泥的比   wt％   35   35   100   100   100   0   35   35   35
水/水泥   wt％   55   55   55   55   55   50   55   55   55
强度评价 抗压强度(n＝6)   kgf/cm2 349 386 345 380 486 490   因为原料的放热反应产生过量的热，所以无法制备样品。
  MPa   34   38   34   37   48   48
抗弯强度(n＝6)   kgf/cm2 73 73 70 70 70 88
  MPa   7   7   7   7   7   9
从表1所示的在实施例1和2中制备的每一种样品的测试结果可以清楚地看出：用35wt％的焙烧水泥粉末替代卜特兰水泥时，具有实际可接受的抗压强度和抗弯强度，分别是参考实施例中制备的没有使用焙烧水泥粉末的样品强度的71-79％和83％。
另外，实施例3-5中制备的全部卜特兰水泥被焙烧水泥粉末替代的每一种样品都具有实际可接受的抗压强度和抗弯强度，因为每一种性能都与实施例1和2中制备的用35wt％的焙烧水泥粉末替代卜特兰水泥的样品的性能相同。
因此可以推断：将硬质木片生产过程中排出的碎屑等粉碎和分级得到的细水泥粉末在650-850℃下焙烧以活化时可以在实际上替代20-100wt％的卜特兰水泥。
在每一个对比实施例1-3中，我们都尝试在500、600或900℃下通过焙烧细水泥粉末制备样品。但是，因为原料的放热反应产生过量的热，所以这些制备样品的尝试以失败告终。换句话说，每一种都不能用作卜特兰水泥替代品。
在实施例1-5中，没有评价在加热条件下形成硬质木片的程度。但是，通过焙烧活化的水泥粉末可以用作原料，即，用作硬质木片中使用的水泥组合物中使用的卜特兰水泥替代品，因为它能够部分替代将在加热条件下形成的硬质木片的原料。
工业实用性
本发明的卜特兰水泥替代品包括将至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥粉碎和分级后得到的细水泥粉末，其特征在于：在650-850℃下焙烧水泥粉末以将其活化。具体来说，它可以部分取代作为用于硬质木片中使用的水泥组合物的原料的卜特兰水泥。
因此，本发明可以再利用硬质木片生产过程中排出的碎屑或废料，具有不用处理废物等的优点。
在还原性或氧化性气氛中在650-850℃下将水泥粉末焙烧30分钟或更长时间生产本发明的卜特兰水泥替代品的方法与在1000℃或更高温度下焙烧的传统方法相比有很多优点，因为它能够节约作为搅拌式焙烧炉的回转窑的耐火衬里、减少回转窑燃料、还能够省去附加的细粉碎步骤，因为它采用的低温能够产生小粒度的焙烧产品。生产卜特兰水泥替代品的方法本身就具有省去复杂步骤的优点，通过控制用于焙烧气氛的气体浓度可以自由地、简易而经济地生产具有特定用途强度的卜特兰水泥替代品。

Claims (7)

1、一种卜特兰水泥替代品，其包括将至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥粉碎和分级后得到的细水泥粉末，其中，在650-850℃下焙烧水泥粉末以将其活化。
2、根据权利要求1的卜特兰水泥替代品，其中，所说的水泥粉末含有卜特兰水泥、高铝水泥、石膏和石灰。
3、根据权利要求2的卜特兰水泥替代品，其中，所说的水泥粉末还含有木屑。
4、一种生产权利要求1-3中任一项的卜特兰水泥替代品的方法，该方法包括：
(I)将至少一种硬质木片废料和碎屑或含钙钒石的熟化水泥粉碎和筛分后得到细水泥粉末的步骤，和
(II)用搅拌式焙烧炉在650-850℃下焙烧步骤(I)中生产的水泥粉末以将其活化的步骤。
5、根据权利要求4的生产卜特兰水泥替代品的方法，其中，所说的步骤
(II)中的焙烧条件是：650-850℃，30分钟或更长时间，还原或氧化气氛。
6、一种硬质木片，其包括权利要求1-3中任一项的卜特兰水泥替代品。
7、一种生产权利要求6的硬质木片的方法，该方法是在加热条件下将掺有细分木质材料和水的含卜特兰水泥、高铝水泥、石膏和石灰的水泥组合物的混合物熟化，其中，水泥组合物中20-100％的卜特兰水泥是任一权利要求1-3的卜特兰水泥替代品。
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