CN106927737B - 一种石灰石基高强度建筑材料的制备方法 - Google Patents

一种石灰石基高强度建筑材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石灰石基高强度建筑材料的制备方法。先将废玻璃和石灰石作为原料，将其粉碎后，分别过100目筛并烘干；再以质量百分比量取废玻璃：石灰石＝30％～60％：40％～70％，再量取废玻璃和石灰石总重量的5％～10％的水或氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为2～5mol/L，将各原料混合均匀后，在30MPa的成型压力下压制成块状样品并脱模，在140℃～240℃条件下，进行水热固化1～24h，烘干后制得抗折强度可达25MPa高强度建筑材料。本发明工艺简单、节能环保，实现了石灰石在建筑材料制备过程中的零二氧化碳排放，及废玻璃的循环再利用。

Description

一种石灰石基高强度建筑材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种石灰石基高强度建筑材料的制备方法，属于墙地砖、路面砖、广场砖、天花板和江河护堤等建筑材料制备技术领域，具体是利用石灰石辅以废玻璃制备高强度石灰石基建筑材料的方法。
背景技术
目前，墙地砖、路面砖、广场砖、天花板和江河护堤等建筑材料主要还是采用土壤成型后高温烧制而成，但是，该工艺的能耗比较高，而且土地资源是十分有限的。我国石灰石资源十分丰富，占全球总储存量的64％以上，石灰石已成为材料特别是建筑材料的主要原材料。传统的石灰石制备生石灰存在高温，同时排放了大量的CO2等问题。
另外，我国每年废弃的玻璃制品超过700万吨，但回收率仅为13％，远低于回收率为50％的世界水平。目前，较为先进的废玻璃处理技术是玻璃轻石技术，利用废玻璃制备一种多孔的轻质无机材料(专利号201310281305.X)，但其强度较低，主要用于功能材料，例如可用于墙体保温隔热、水质过滤等场合，同时无法实现CO2的准零排放。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺技术简单、成本低的高强度石灰石基建筑材料的制备方法。
为了达到上述目的，本发明通过水热固化的方式将石灰石辅以废玻璃制备得到高强度石灰石基建筑材料。本发明的反应温度远远低于普通的陶瓷烧成温度，使得生产能耗大大降低，同时也避免了碳酸钙的分解，因而更加节能环保。利用该方法得到的产品抗折强度达到25MPa左右，可以满足诸如墙地砖、路面砖、广场砖、天花板和江河护堤材料等方面的建筑用材的使用要求。
具体步骤如下：
先将废玻璃和石灰石作为原料，将其粉碎后，分别过100目筛并烘干。再以质量百分比量取废玻璃：石灰石＝30％～60％：40％～70％，再量取废玻璃和石灰石总重量的5％～10％的水或氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为2～5mol/L，将上述计量好的原料混合均匀后，在30MPa的成型压力下压制成块状样品并脱模，在140℃～240℃条件下，进行水热固化1～24h，烘干后制得高强度建筑材料块状固化产品。经过检测，得到的产品抗折强度达到25MPa左右，可以满足诸如墙地砖、路面砖、广场砖、天花板和江河护堤材料等方面的建筑用材的使用要求。
本发明的优点和效果在于：
1，本发明利用石灰石和废玻璃制备高强度建筑材料的过程中，所用的是温度低于240℃的水热固化方法，与采用土壤成型后温度高于1000℃烧制而成的传统工艺相比，能耗约为其1/5，故生产能耗小，产品制备成本低。
2，本发明固化温度(140～240℃)远低于石灰石的分解温度，因而该石灰石(碳酸钙)材料在生产过程中不会排放大量的CO2，可以实现温室气体的零(准零)排放。
3，本发明用极难分解的废玻璃作为一种制备高强度建筑材料的主要添加料，实现了对废玻璃的循环再利用，不仅技术简单、成本低，还避免了对人体造成伤害，减少土地资源浪费，减轻环境负荷。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为实施例1中不同掺水量的样品的抗折强度。
图3为实施例2中添加不同浓度氢氧化钠的样品的抗折强度。
图4为实施例3中不同固化时间的样品的抗折强度。
图5为实施例3中不同固化时间的样品的XRD图谱。
图6为实施例3中不同固化时间的样品的红外图谱。
图7为实施例4中不同固化温度的样品的抗折强度。
图8为实施例4中水热固化前的样品的SEM照片。
图9为实施例4中水热固化后的样品的SEM照片。
具体实施方式
选用废玻璃和石灰石为原料，将其粉碎后，分别过100目筛并烘干，得到粉磨后的石灰石和废玻璃。通过实施例1-4进一步说明本发明。
实施例1
该实施例以掺水量为变量，从而观察不同掺水量条件下固化样品的抗折强度变化，并进行分析。首先，按照质量百分比称取粉磨过筛并烘干后的石灰石(40～70％)及废玻璃(30～60％)，然后再量取废玻璃和石灰石两个原料总重量的0～20％不同质量分数的去离子水，分别掺入并混合均匀，随后分别将不同掺水量的混合料，在FW-4型台式粉末压片机下压制成型，成型压力为30MPa，脱模后的样品放入水热釜内进行水热固化，水热温度180℃,水热时间15h。固化后的样品(40mm×15mm×6mm)在60℃烘箱中干燥24h，制得图2所示系列的样品。
从图2可以看出，不添加水时，其样品强度几乎为零，这是由于不掺水时，成型困难造成的。随着掺水量的增加，固化后的样品的抗折强度有所增加，掺水量为10％时强度最大达到9.3MPa，这是因为加入适量的水可加快试样中固体颗粒间的传质速率，促进反应进行造成的。当掺水量超过15％时，试样压制过程有水渗出，成型又变得困难，使得抗折强度下降。因此，选定10％的掺水量为该系列实施例的最佳值。
实施例2
该实施例以额外添加的氢氧化钠浓度为变量，从而观察不同氢氧化钠的添加量条件下固化样品的抗折强度变化，并进行分析。
首先，称取粉磨过筛并烘干后的石灰石(40％～70％)及废玻璃(30％～60％)，然后分别掺入不同浓度(2～5mol/L)的氢氧化钠溶液,氢氧化钠溶的掺入量是废玻璃和石灰石两个原料总重量的10％，混合均匀，随后分别将掺入不同浓度(2～5mol/L)的氢氧化钠溶液的混合料，在FW-4型台式粉末压片机下压制成型，成型压力为30MPa，脱模后的样品放入水热釜内进行水热固化，水热温度180℃,水热时间15h。固化后的样品(40mm×15mm×6mm)在60℃烘箱中干燥24h，制得如图3所示系列的样品。
从图3可以看出，随着氢氧化钠溶液浓度的增加，固化样品的抗折强度逐渐增强，在氢氧化钠溶液浓度为5mol/L时强度最大，抗折强度接近21MPa。由于在此浓度下，样品抗折强度已足够高，而浓度增大时产品成本会相应提高，因此，结合抗折强度与经济效益，我们将氢氧化钠浓度在该实施例系列中的最佳值选定为5mol/L。
实施例3
该实施例以固化时间为变量，从而观察不同固化时间条件下固化样品的抗折强度变化，并进行分析。首先，称取粉磨过筛并烘干后的石灰石(40％～70％)及废玻璃(30％～60％)，然后添加废玻璃和石灰石两个原料总重量10％的氢氧化钠溶液(浓度为5mol/L)并混合均匀，随后称取一定质量的混合料，在FW-4型台式粉末压片机下压制成型，成型压力为30MPa，脱模后的样品放入水热釜内进行水热固化，水热温度180℃,水热时间0～18h。固化后的样品(40mm×15mm×6mm)在60℃烘箱中干燥24h，制得图4所示水热时间0～18h的一系列的样品。
从图4可看出，固化反应初期(1h以前)，样品强度迅速增加，到达1h以后，强度增加缓慢。15h强度达到最大值，抗折强度接近21MPa，15h后，强度下降，故其最佳反应时间为15h左右。图5为固化处理前后样品的XRD图谱，可以发现石灰石的物相为方解石，当固化时间为6h时，出现了硅酸钙水合物(C-S-H体系)的峰，说明废玻璃与CaCO3反应生成了硅酸钙水合(C-S-H体系)。随着时间的延长，30°处硅酸钙水合物(C-S-H体系)的特征峰一直存在且增强，此外在7°附近有在15h处有新衍射峰生成，这是托勃莫来石的特征峰。图6为固化处理不同时间样品的红外图谱。由图6可知，3447cm-1处的振动峰为层间吸附水O-H的伸缩振动，1436cm-1,876cm-1以及713cm-1的振动峰均为CO3 2-的振动，876cm-1振动峰也验证了碳酸钙矿物为方解石。由于氢氧化钠溶液与废玻璃中二氧化硅反应生成硅酸钠，0h时有较小的硅氧振动峰，随着反应时间的增长，硅氧振动峰的强度明显增大，说明15h生成了更多的硅酸钙水合物(C-S-H体系)和托勃莫来石。结合图4的强度变化趋势可知，原料废玻璃和石灰石与氢氧化钠溶液反应生成的硅酸钙水合物(C-S-H体系)和托勃莫来石使得样品强度增加。
实施例4
该实施例以固化温度为变量，从而观察不同温度条件下固化样品的抗折强度变化，并进行分析。首先，与实施例3一样,称取粉磨过筛并烘干后的石灰石(40％～70％)及废玻璃(30％～60％)，然后掺入浓度5mol/L的氢氧化钠溶液(10％)并混合均匀，随后称取一定质量的混合料，在FW-4型台式粉末压片机下压制成型，成型压力为30MPa，脱模后的样品放入水热釜内进行水热固化，水热温度100℃～220℃,水热时间15h。固化后的样品(40mm×15mm×6mm)在60℃烘箱中干燥24h，制得图7系列的样品。
从图7可以看出，随着反应温度的提高，试样强度显著增加，在200℃时，强度到达25MPa左右。温度继续升高，抗折强度有所降低。为详细分析其固化机理，对固化前后的样品进行SEM照相，结果见图8和9。由图8可知，处理前，较大的颗粒松散的堆积在一起，颗粒间间隙较大。图9表明固化后大颗粒间及大颗粒表面上产生了大量针状和片状的托勃莫来石晶体，这些晶体填充了原来颗粒的间隙，使固化体致密度大幅度提高，强度由此增加。
以上固化后的样品的抗折强度是采用XQ-106A万能材料试验机测试抗折强度。

Claims (1)

1.一种石灰石基高强度建筑材料的制备方法，其特征如下：
先将废玻璃和石灰石作为原料，将其粉碎后，分别过100目筛并烘干；再以质量百分比量取废玻璃：石灰石＝30％～60％：40％～70％，再量取废玻璃和石灰石总重量的5％～10％的水或氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为2～5mol/L，将上述原料混合均匀后，在30MPa的成型压力下压制成块状样品并脱模，在140℃～240℃条件下，进行水热固化1～24h，烘干后制得高强度建筑材料块状固化产品。
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