CN101412612B - 一种改性生土建材及其制备方法 - Google Patents

一种改性生土建材及其制备方法 Download PDF

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一种改性生土建材及其制备方法，涉及生土建筑材料及其制备方法。本发明建材由粘土、固硫灰、煅烧石膏组成。本发明方法是以粘土和固硫灰及煅烧石膏为原料，经混合均匀后，再加水混合均匀，然后采用浇筑入模振实或压制成型，最后自然养护而成。本发明建材的组分少，有效利用工业废弃物，成本低。本发明方法简单，节约能源，有利于环境保护，生产出的产品具有体积稳定性、抗裂性好，废弃后还可再循环利用等特点。采用本发明方法制备出的建材可广泛用于农村修建三层及以下的建筑物，如住宅、仓库、养殖场等。

Description

一种改性生土建材及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及生土建筑材料及其制备方法。
背景技术
中国的生土建筑已经具有6000多年的历史，许多古老的生土建筑保存至今，成为中华文明的见证和历史瑰宝。生土建筑材料就地取材，不需要高温焙烧，经过简单加工就可以用于修建生土建筑。而且生土建筑废弃后，生土建材可以直接还田作为耕种土壤或再次用于修建生土建筑，因此生土建材是一种可重复利用的节能环保材料。近年来，随着农村经济的快速发展，农村居民对住宅的需求也日益增大，农村修建住宅使用的建筑材料主要是粘土砖、石头、混凝土砌块和木材，逐渐摒弃了生土建材，生产这些材料不仅能耗很高而且还会破坏环境。由于生土建材的生产能耗极低，仅为烧结粘土砖生产能耗的1％，为了环境保护和缓解能源消耗的压力，人们开始重新审视生土建筑和生土建材，研制节能环保的生土建筑材料具有重要的意义。
传统的生土建材和现代工业文明衍生出来的水泥基建筑材料以及烧结粘土砖相比，其强度、耐水性等性能均明显较差；但是生土建材具有可重复利用、取材容易、环境协调性以及热工性能好等特点，因此如果能够利用现代工业技术改进古老的生土建材，使其获得较高的强度和良好的耐久性，就可能使生土成为广大农村地区重要的建筑材料，也可能使传统生土建筑重新焕发生机。目前对生土建材的研究主要集中在利用水泥、石灰等胶凝材料对生土进行改性，以提高生土建材的强度和耐久性，延长生土建筑的使用年限。如《低温建筑技术》2007年第2期(总第116期)中的“新疆高寒地区改性生土坯体墙体材料的试验研究”一文，公开的改性生土坯体组分及其比例为石灰∶粉煤灰∶水泥∶粘土＝7∶5∶2∶86。该改性生土建材具有以下主要不足之处：①采用的改性材料为水泥和石灰工业产品，多消耗了宝贵的资源和能源；②由于水泥和石灰均是强碱性材料，不利于生土建材废弃后的循环再利用；③该材料的组分多，材料消耗多，生产成本较高；④利用水泥或石灰改性的生土建材干燥收缩值高达40～50mm/m，可能导致改性生土建材墙体产生严重的、无法解决的开裂问题，使其美观和热工性能明显下降；⑤经水泥和石灰改性的生土建材的体积稳定性难以达到要求，在干湿变化较大的环境中，其体积稳定性会逐渐变差，导致严重开裂，甚至丧失强度。
发明内容
本发明目的在于针对现有改性生土建材的不足之处，提供一种改性生土建材及其制备方法，具有组分少，材料体积稳定性、抗裂性好，利用燃煤电厂的废弃物，节约资源和能源，方法简单，成本较低，废弃后的生土建材还可以循环再利用等特点。
本发明的机理：粘土中的矿物主要是α-石英，α-石英性质非常稳定，在水化过程中几乎不发生变化，因此可以将粘土视为惰性物质。煅烧石膏主要影响生土建材的早期强度，煅烧石膏水化速度很快，使生土建材可以快速硬化，以获得较高的早期强度，同时明显降低生土建材的干燥收缩值。固硫灰中含有烧粘土质矿物(活性SiO2和Al2O3)和一定量的f-CaO和II-CaSO4，因此自身即可组成火山灰反应***。与水混合后，固硫灰自身组分之间可以发生火山灰反应，从而生成具有水硬性的物质，如C-S-H和钙矾石等。固硫灰中f-CaO含量较高，f-CaO可以和烧粘土质矿物发生水化反应，而CaSO4和固硫灰中的II-CaSO4则起到了激发作用，CaO-SiO2-Al2O3***与CaSO4和固硫灰中II-CaSO4的水化相互影响。因此固硫灰中的CaO-SiO2-Al2O3***的火山灰水化反应活性提高了生土建材的后期强度，同时也使生土建材具有较好的耐水性。
实现本发明目的的技术方案是：一种改性生土建材的组分及其重量百分数为：
粘土：        50～80％
固硫灰：      10～30％
煅烧石膏：    10～20％
其中：粘土为一般粘土；固硫灰为燃煤电厂的流化床锅炉燃烧后排放的燃煤灰渣；煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏或其他废石膏经煅烧而成。
一种改性生土建材的制备方法，以粘土和固硫灰及煅烧石膏为原料，经混合均匀后，再加水混合均匀，然后采用浇注入模振实或压制成型，最后通过自然养护而成。具体的方法步骤如下：
(1)备料
以粘土和固硫灰及煅烧石膏为原料。将粘土用5.0mm筛过筛，除去杂质，收集过筛的粘土，备用。其固硫灰为燃煤电厂的流化床锅炉燃烧后排放的燃煤灰渣，煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏或其他废石膏经煅烧而成。
(2)混合料的制备
第(1)步完成后，按粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为50～80％∶10～30％∶10～20％的比例，将第(1)步的备料搅拌混合均匀后，加入水，再搅拌均匀，就制备出颗粒分散、颜色均匀的生土建材干混合料。然后采用浇注或压制成型，当采用浇注成型时，其干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.36～0.40；当采用压制成型时，其干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.12～0.20。
(3)生土建材坯体的制备
第(2)步完成后，采用浇注成型时，将第(2)步制备出的浇注成型的混合料浇注入模具内，采用振动至模具内的混合料密实，以提高其强度。然后清整表面，经过1～3小时坯体硬化后拆模，就制备出生土建材坯体；采用压制成型时，将第(2)步制备出的压制成型的混合料浇注入模具内，在10～15MPa的压力下压制成型，然后立即拆模，就制备出生土建材坯体。
(4)生土建材的制备
第(3)步完成后，将第(3)步制备出的生土建材坯体堆码，自然养护1～3天，就制备出生土建材。
本发明采用上述技术方案后，主要具备以下效果：
1、利用工业废弃物，有利于环境保护。燃煤电厂的废弃物大量堆存，如脱硫石膏和固硫灰，对环境产生了极大的危害。本发明利用煤粉锅炉烟气脱硫后的废石膏或其他废石膏经煅烧而成的煅烧石膏，以及燃煤电厂的流化床锅炉燃烧后排放的固硫灰来改性生土建材，为低成本制备高性能生土建材开拓了一条新的途径，特别为广大农村的新农村建设提供高性能生土建材，同时也解决了燃煤电厂废石膏和固硫灰的综合利用问题。
2、废弃后的生土建材可循环再利用。煅烧石膏和固硫灰不是强碱性材料，有利于生土建筑废弃后的循环再利用，可以直接将改性生土建材还田作为耕种土壤或再次用于修建生土建筑，是一种节能环保的建筑材料。
3、组分少，生产成本较低。本发明只采用了煅烧石膏和固硫灰对生土建材进行改性，组分少，利用了工业废弃物，因而生产成本较低。
4、生土建材的抗裂性好。煅烧石膏凝结硬化时具有微膨胀特性，膨胀量约1％；固硫灰中含有CaSO4II，CaSO4II凝结硬化后的膨胀量可以达到10％。因此，采用煅烧石膏和固硫灰改性的生土建材的干燥收缩值小，28天干燥收缩值可以低至0.3mm/m，有利于提高改性生土建材墙体抗裂性，明显提高生土建筑的美观和热工性能。
5、生土建材的体积稳定性好。利用煅烧石膏和固硫灰改性的生土建材体积稳定性良好，在水中浸泡1年后仍然保持完好，抗压强度为0.8MPa，抗折强度为0.3MPa，而且表面无裂纹，质量损失率约为6.2％，说明生土建材的长期耐水性和体积稳定性均良好。
采用本发明方法制备出的改性生土建材可广泛应用于新农村建设中，修建三层及以下的建筑物，如住宅、仓库、养殖场等。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
一种改性生土建材的组分及重量百分数的特征如下：
粘土：        50％
固硫灰：      30％
煅烧石膏：    20％
其中：粘土为一般粘土；固硫灰为燃煤电厂的流化床锅炉燃烧后排放的燃煤灰渣；煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
一种改性生土建材的制备方法的具体步骤如下：
(1)备料
以粘土和固硫灰及煅烧石膏为原料。将粘土用5.0mm筛过筛，除去杂质，收集过筛的粘土备用。其固硫灰为燃煤电厂的流化床锅炉燃烧后排放的燃煤灰渣，煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
(2)混合料的制备
第(1)步完成后，按粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为50％∶30％∶20％的比例，将第(1)步的备料搅拌混合均匀后，加入水，再搅拌均匀，就制备出颗粒分散、颜色均匀的生土建材干混合料。然后采用浇注成型，其干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.40。
(3)生土建材坯体的制备
第(2)步完成后，将第(2)步制备出的浇注成型的混合料浇注入模具内，采用振动至模具内的混合料密实，以提高其强度。然后清整表面，经过1小时坯体硬化后拆模，就制备出生土建材坯体。
(4)生土建材的制备
第(3)步完成后，将第(3)步制备出的生土建材坯体堆码，自然养护1天，就制备出生土建材。
实施例2
一种改性生土建材的组分及重量百分数的特征如下：
粘土：        60％
固硫灰：      20％
煅烧石膏：    20％
其中：煅烧石膏为其他废石膏经煅烧而成。
一种改性生土建材的制备方法的具体步骤如下：
(1)备料
同实施例1。特征为：煅烧石膏为其他废石膏经煅烧而成。
(2)混合料的制备
同实施例1。特征为：粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为60％∶20％∶20％，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.36。
(3)生土建材坯体的制备
同实施例1。特征为：经过3小时坯体硬化后拆模。
(4)生土建材的制备
同实施例1。特征为：自然养护3天。
实施例3
一种改性生土建材的组分及重量百分数的特征如下：
粘土：        55％
固硫灰：      30％
煅烧石膏：    15％
其中：煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
一种改性生土建材的制备方法的具体步骤如下：
(1)备料
同实施例1。特征为：煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
(2)混合料的制备
同实施例1。特征为：粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为55％∶30％∶15％，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.38。
(3)生土建材坯体的制备
同实施例1。特征为：经过2小时坯体硬化后拆模。
(4)生土建材的制备
同实施例1。特征为：自然养护2天。
实施例4
一种改性生土建材的组分及重量百分数的特征如下：
粘土：        80％
固硫灰：      10％
煅烧石膏：    10％
其中：煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
一种改性生土建材的制备方法的具体步骤如下：
(1)备料
同实施例1。特征为：煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
(2)混合料的制备
同实施例1。特征为：粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为80％∶10％∶10％，采用压制成型，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.12。
(3)生土建材坯体的制备
同实施例1。特征为：采用压制成型制备生土建材坯体，压力为10MPa，立即拆模。
(4)生土建材的制备
同实施例1。
实施例5
一种改性生土建材的组分及重量百分数的特征如下：
粘土：        70％
固硫灰：      20％
煅烧石膏：    10％
其中：煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
一种改性生土建材的制备方法的具体步骤如下：
(1)备料
同实施例1。特征为：煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
(2)混合料的制备
同实施例1。特征为：粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为70％∶20％∶10％，采用压制成型，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.20。
(3)生土建材坯体的制备
同实施例1。特征为：采用压制成型，压力为15MPa，立即拆模。
(4)生土建材的制备
同实施例1。特征为：自然养护3天。
实施例6
一种改性生土建材的组分及重量百分数的特征如下：
粘土：        75％
固硫灰：      10％
煅烧石膏：    15％
其中：煅烧石膏为其他废石膏经煅烧而成。
一种改性生土建材的制备方法的具体步骤如下：
(1)备料
同实施例1。特征为：煅烧石膏为其他废石膏经煅烧而成。
(2)混合料的制备
同实施例1。特征为：粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为75％∶10％∶15％，采用压制成型，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.15。
(3)生土建材坯体的制备
同实施例1。特征为：采用压制成型，压力为12MPa，立即拆模。
(4)生土建材的制备
同实施例1。特征为：自然养护2天。
试验结果
将实施例1～6制备出的改性生土建材，按照普通混凝土力学性能试验方法标准(GBT50081-2002)测定强度；按照《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T603-1995)的方法测定干燥收缩值；软化系数是以改性生土建材坯体养护28天，又在水中浸泡1天的抗压强度与养护28天抗压强度之比计算的，结果如下：
表1强度结果(MPa)
表2耐水性结果
  实施例  28天后泡水1天的抗压强度(MPa)  28天后泡水1天的抗折强度(MPa)   软化系数
  1  2.3  0.8   0.51
  2  2.2  0.7   0.52
  3   2.3   0.8   0.53
  4   2.8   -   0.48
  5   3.2   -   0.52
  6   3.5   -   0.52
表3干燥收缩结果(mm/m)
  实施例   1天   7天   28天
  1   0.2   0.5   0.6
  2   0.2   0.5   0.7
  3   1.0   1.6   2.0
  4   0.05   0.30   0.5
  5   0.05   0.15   0.3
  6   0.1   0.20   0.4
由上述试验结果可知：
(1)利用煅烧石膏和固硫灰改性的生土建材，其28天抗压强度高达6.7MPa，28天抗折强度高达1.6MPa，90天抗压强度高达6.8MPa，90天抗折强度高达1.8MPa，软化系数能够达到0.53，因此，本发明改性生土建材的强度较高，耐水性好。
(2)改性生土建材的干燥收缩值小，28天的干燥收缩值可以降低到0.3mm/m，有利于增加改性生土建材墙体抗裂性，明显提高生土建筑的美观和热工性能。
(3)改性生土建材的体积稳定性良好。经试验得出：在水中浸泡1年后仍然保持完好，抗压强度为0.8MPa，抗折强度为0.3MPa，而且表面无裂纹，质量损失率仅为6.2％，因此，本发明改性生土建材的长期耐水性和体积稳定性均良好。
综上所述，采用本发明方法制备的改性生土建材的主要性能达到建材原料所需的基本特质，完全能够满足新农村建设中修建三层及以下的建筑物，如住宅、仓库、养殖场等的需要。

Claims (9)

1.一种改性生土建材，其特征在于其组分及重量百分数为：
粘土：    50～80％
固硫灰：  10～30％
煅烧石膏：10～20％
其中：粘土为一般粘土；固硫灰为燃煤电厂的流化床锅炉燃烧后排放的固硫灰；煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏或其他废石膏经煅烧而成。
2.按照权利要求1所述的一种改性生土建材，其特征在于：
粘土：    50％
固硫灰：  30％
煅烧石膏：20％
其中：煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
3.按照权利要求1所述的一种改性生土建材，其特征在于：
粘土：    60％
固硫灰：  20％
煅烧石膏：20％
其中：煅烧石膏为其他废石膏经煅烧而成。
4.按照权利要求1所述的一种改性生土建材，其特征在于：
粘土：    80％
固硫灰：  10％
煅烧石膏：10％
其中：煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成。
5.一种改性生土建材的制备方法，其特征在于具体的方法步骤如下：
(1)备料
以粘土和固硫灰及煅烧石膏为原料，将粘土用5.0mm筛过筛，收集过筛的粘土，固硫灰为燃煤电厂的流化床锅炉燃烧后排放的燃煤灰渣，煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏或其他废石膏经煅烧而成；
(2)混合料的制备
第(1)步完成后，按粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为50～80％∶10～30％∶10～20％的比例，将第(1)步的备料搅拌混合均匀后，加入水，再搅拌均匀，就制备出颗粒分散、颜色均匀的生土建材干混合料，然后采用浇注或压制成型，当采用浇注成型时，其干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.36～0.40；当采用压制成型时，其干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.12～0.20；
(3)生土建材坯体的制备
第(2)步完成后，采用浇注成型时，将第(2)步制备出的浇注成型的混合料浇注入模具内，采用振动至模具内的混合料密实，然后清整表面，经过1～3小时坯体硬化后拆模；采用压制成型时，将第(2)步制备出的压制成型的混合料浇注入模具内，在10～15MPa的压力下压制成型，然后立即拆模；
(4)生土建材的制备
第(3)步完成后，将第(3)步制备出的生土建材坯体堆码，自然养护1～3天。
6.按照权利要求5所述的一种改性生土建材的制备方法，其特征在于：
第(1)步中，煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成；
第(2)步中，粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为50％∶30％∶20％，采用浇注成型，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.40；
第(3)步中，采用浇注成型，经过1小时坯体硬化后拆模；
第(4)步中，自然养护1天。
7.按照权利要求5所述的一种改性生土建材的制备方法，其特征在于：
第(1)步中，煅烧石膏为其他废石膏经煅烧而成；
第(2)步中，粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为60％∶20％∶20％，采用浇注成型，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.36；
第(3)步中，采用浇注成型，经过3小时坯体硬化后拆模；
第(4)步中，自然养护3天。
8.按照权利要求5所述的一种改性生土建材的制备方法，其特征在于：
第(1)步中，煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成；
第(2)步中，粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为80％∶10％∶10％，采用压制成型，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.12；
第(3)步中，采用压制成型，压力为10MPa；
第(4)步中，自然养护1天。
9.按照权利要求5所述的一种改性生土建材的制备方法，其特征在于：
第(1)步中，煅烧石膏为燃煤电厂烟气脱硫后的废石膏经煅烧而成；
第(2)步中，粘土∶固硫灰∶煅烧石膏的重量百分比为70％∶20％∶10％，采用压制成型，干混合料的重量∶水的体积比为1∶0.20；
第(3)步中，采用压制成型，压力为15MPa；
第(4)步中，自然养护3天。
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