CN115572122B - 一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，各原料及其所占重量份数包括：低碳水泥100份，纸浆纤维4～10份，增强纤维0.05～2份，轻集料0～3份，硅灰石粉0～4份，云母0～4份，分散剂0.1～0.3份，保水剂0.1～0.4份。本发明将低碳水泥应用于制备纤维水泥碳化板，并进一步结合配方优化和改进的碳化工艺，可有效兼顾良好的抗折性能、抗冲击性能和防水性能；且涉及的制备工艺简单，制备成本和能耗低，养护时间短，具有重要的经济和环境效益，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板及其制备方法。
背景技术
传统纤维水泥板原材料采用通用硅酸盐水泥，通用硅酸盐水泥具有水硬性，在有水环境中可逐渐硬化，获得强度；但通用硅酸盐水泥存在碳排放量高、热耗高(煅烧温度高达1450℃)、熟料粉磨能耗高等问题。此外，传统纤维水泥板养护工艺分为蒸压养护与非蒸压养护，普遍存在能耗高、周期长等问题：蒸压养护一般在180℃左右，1.0～1.2MPa气压下进行，养护时间约24h(含升温、恒温、降温)，能耗高，高温蒸压设备造价高；非蒸压养护在常压下，采用低于100℃的热养护或自然养护，能耗低，但养护时间长达3～28d，水泥用量更高，干缩湿涨更大。
低碳水泥的主要矿物相为CS(CaO·SiO2)、C3S2(3CaO·2SiO2)，煅烧温度比硅酸盐水泥低200℃左右，消耗石灰石更少，排放CO2更少。基于CS、C3S2的低碳水泥几乎没有水化活性，可在一定湿度下，与CO2反应硬化；利用低碳水泥并结合碳化工艺养护可制备性能优异的建筑材料，同时能吸收自身重量多达20％以上的CO2，达到减碳、固碳的效果；利用低碳水泥并结合碳化养护工艺制备建筑材料可实现更低的碳排放，显著降低能耗并缩短养护周期，符合绿色发展的理念。
专利CN114409320A公开了一种碳矿化纤维水泥板，胶凝材料主要采用γ-C2S，制备工艺需要引入慢冷条件，在水泥厂难实现批量生产。目前，γ-C2S主要来源是钢渣粉，作为钢厂的废弃物，钢渣成分波动大；γ-C2S作为强度来源，其含量波动直接影响工业产品的性能，工业化质量控制难度大；此外，该专利涉及的成型工艺复杂(包含抽滤、两次加压成型)，且不利于保证所得纤维水泥板的综合使用性能。因此，进一步探索和优化基于低碳水泥的纤维水泥碳化板及其制备方法具有重要的研究和工业应用意义。
发明内容
本发明的主要问题在于针对传统纤维水泥板技术中存在的问题和不足，提供一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，可有效兼顾抗折强度高、抗冲击性能优异、吸水率低等特点；且涉及的制备工艺简单，制备成本和能耗低，养护时间短，具有重要的经济和环境效益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，各组分及其所占重量份数包括：低碳水泥100份，纸浆纤维4～10份，增强纤维0.05～2份，轻集料0～3份，硅灰石粉0～4份，云母0～4份，分散剂0.1～0.3份，保水剂0.1～0.4份。
上述方案中，所述低碳水泥的主要矿物相为CS(CaO·SiO2)和C3S2(3CaO·2SiO2)，其所占质量百分比为(CS+C3S2)≥60％。煅烧温度比通用硅酸盐水泥和MgO低碳水泥更低，消耗石灰石更少，排放CO2更少，更适合低碳、绿色、节能的发展方向。
本发明以低碳水泥为主要原料，低碳水泥主要矿物相CS、C3S2几乎没有水化活性，需要吸收固化CO2才能硬化。低碳水泥中主要矿物相(CS+C3S2)含量需不低于60％，制备纤维水泥碳化板可吸收自身重量多达20％以上的CO2。低碳水泥的生产具有比硅酸盐水泥和MgO低碳水泥更低的碳排放，且钙质原料来源多于镁质原料，还可利用低品位钙质矿石(如低品位石灰石等)，经济性更高。
上述方案中，所述纸浆纤维为经硫酸盐处理过的木浆、竹浆、草浆中的一种或几种；其长度为1～3mm，直径为10～50μm。纸浆纤维主要化学成分为纤维素，纤维素属于可再生资源，且资源丰富。木材、竹子、芦苇、麻、棉、甘蔗渣等均含有大量纤维素，可制备纸浆纤维。使用纸浆纤维可减轻环境污染，绿色环保。利用秸秆等废弃纤维素资源制备纸浆纤维更具环保效果，变废为宝，节约资源。
上述方案中，所述增强纤维由碳纤维、无碱玻璃纤维、玄武岩纤维等中的一种或几种组成；其长度为3～6mm，直径为10～20μm。碳纤维价格高，但小于0.1％的掺量可获得优异的增强效果，成本增加少，耐化学腐蚀耐高温；低碳水泥碱度低，对无碱玻璃纤维腐蚀性弱于硅酸盐水泥，可发挥无碱玻璃纤维的增强效果，从而替代价格昂贵的耐碱玻璃纤维，降低成本；玄武岩纤维拥有优异的力学性能，耐化学腐蚀耐高温。
上述方案中，所述轻集料由开孔膨胀珍珠岩、闭孔玻化微珠等中的一种或几种组成；其堆积密度为80～120kg/m3，粒径小于0.6mm。开孔膨胀珍珠岩和闭孔玻化微珠均为无机材料，具有密度小、绝热性能好、防火等级高、耐高低温、抗老化等优点，填充在纤维水泥碳化板中能够降低板的密度，降低其导热系数。闭孔玻化微珠不仅可降低板的密度，还可降低板的吸水率。在碳化后期板坯低含水率碳化速率减缓时，开孔膨胀珍珠岩“释放”其孔隙中吸附的水分，提高碳化速率，达到内养护的效果。此外，开孔膨胀珍珠岩可吸附水泥浆，界面面积更大，与水泥集体结合更紧密。
上述方案中，所述硅灰石粉长径比为(15～20):1，细度为100～400目；可发挥纤维的作用，增强增韧。
上述方案中，所述云母由黑云母、白云母、金云母中的一种或几种组成；其细度为20～100目，径厚比为20～100；具有减少干缩湿涨，提高抗冲击性能的作用。
上述方案中，所述分散剂为丙烯酰胺、聚氧化乙烯等中的一种或几种。
上述方案中，所述保水剂为羟乙基甲基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚、淀粉醚中等的一种或几种。
上述一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板的制备方法，包括如下步骤：
1)按配比称取各原料，并按照料浆含水率35～42％的要求称量水；
2)将浸泡处理的轻集料、纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的增强纤维，加入分散剂、保水剂，搅拌均匀，再将低碳水泥干料加入搅拌机内，搅拌处理，加入云母和硅灰石粉，继续搅拌均匀，得浆料；
3)将所得浆料加入多孔成型模具中，采用模压滤水法成型，拆模，得板坯，并检测其含水率；
4)进行预养护调控板坯的含水率在10～20％范围；
5)将步骤4)所得预养护板坯进行碳化养护，即得所述纤维水泥碳化板。
上述方案中，所述加压成型步骤采用的压力为5～15MPa，保压时间为3～15min。
上述方案中，所述预养护步骤采用40～60℃的温度条件。
上述方案中，所述碳化步骤采用的温度为10～55℃，CO2浓度20～99vol％，气压为0.04～0.30MPa(表压力)，养护时间6～12h。
进一步地，步骤4)中预养护依据板坯成型压力、碳化温度、碳化时间调控板坯含水率，例如：
当板坯采用5MPa成型压力，保压时间为3min，碳化养护步骤采用的温度为45～55℃，时间为10～12h时，板坯含水率控制在19～20％；当成型压力提高，碳化温度更低，碳化时间缩短时，需降低板坯含水率。
上述方案中，所述碳化步骤采用的CO2可选用水泥窑尾气等二氧化碳浓度超过20％的工业废气。
根据上述方案制备的纤维水泥碳化板，依据配比工艺参数的不同，其物理力学性能不同，可满足不同的实际应用需求，具体范围包括：
1)高密度板；干体积密度1550～2050kg/m3，饱水抗折强度17～20MPa，抗冲击强度1.7～2.2kJ/m2，吸水率8～15％；
2)低密度板；干体积密度1200～1550kg/m3，绝干抗折强度13～22MPa，抗冲击强度1.3～1.8kJ/m2，吸水率15～27％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)本发明利用以CS和C3S2为主要矿物相的低碳水泥并结合改进的碳化工艺制备的纤维水泥碳化板，可有效兼顾抗折强度高，吸水率低，抗冲击性能优异等优点；低碳水泥生产能耗低、碳排放少；具有显著的固碳效果，可减轻环境压力；且涉及的碳化工艺能耗低，周期短，具有显著的经济和环境效益；
2)本发明在成型后碳化前阶段，通过40～60℃预养护，调控板坯的含水率在10％～20％范围，避免碳化过程缺水或水过多阻碍碳化。制备得到物理力学性能更稳定且更优异的纤维水泥碳化板，可为低成本、高性能纤维水泥碳化板的制备提供一条新思路；
3)碳化养护工艺可利用水泥窑尾气等二氧化碳浓度超过20％的工业废气，实现废气利用。
具体实施方式
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以下实施例中，采用的低碳水泥由华新水泥工厂提供，其中CS占38.2％，C3S2占32.6％，其余为钙镁黄长石、二氧化硅等；45微米筛余为8.5％。
采用的纸浆纤维由大冶市锦鹏摩擦材料有限公司提供的硫酸盐预处理后的纸浆纤维，长1～3mm，使用前用过量的水浸泡4h。
采用的碳纤维平均长度为2mm，玻璃纤维、玄武岩纤维平均长度为3mm，使用前均通过预分散的步骤：放入盛水烧杯中，烧杯放入超声波分散设备中超声振荡30min。
采用的聚氧化乙烯分子量为5w，羟丙基甲基纤维素醚分子量为10w。
采用的轻集料使用前加过量的水浸泡4h以上。
采用的硅灰石粉长径比为(15～20):1，细度为200目。
实施例1
一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；各原料及其所占重量份数包括：低碳水泥100份，纸浆纤维4份(草浆)，无碱玻璃纤维2份，云母(白云母40目)2份，分散剂(丙烯酰胺)0.1份，保水剂(羟乙基甲基纤维素醚)0.1份；
2)按照料浆含水率41％的要求称量水，将浸泡过的纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的无碱玻璃纤维，加入分散剂、保水剂，搅拌，再将低碳水泥干料加入搅拌机内，搅拌5min后加入称量的云母，继续搅拌5min后得到浆料；
3)在多孔成型模具的底模中放置多孔滤板，铺上滤网，倒入浆料，盖上滤网，放置多孔滤板，盖上成型模具的盖模，采用模压滤水法成型，在15MPa条件下保压3min后，拆模即得到板坯，测得其含水率为20.6％；
4)采用40～60℃预养护调控板坯的含水率为14～15％；
5)将步骤4)所得预养护后的板坯，放入碳化釜中，通入氮气至0.01MPa，然后通入二氧化碳；然后在30℃，0.04MPa(表压力)，20％浓度CO2的条件下碳化12h，即得所述基于低碳水泥的纤维水泥碳化板。
实施例2
一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；各原料及其所占重量份数包括：低碳水泥100份，纸浆纤维6份(木浆)，碳纤维0.05份，轻集料(由玻化微珠和膨胀珍珠岩按重量比1:1)1.5份，云母(黑云母100目)2份，硅灰石粉2份(200目)，分散剂(丙烯酰胺)0.3份，保水剂(羟丙基甲基纤维素醚)0.1份；
2)按照料浆含水率38％的要求称量水，将浸泡过的轻集料、纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的碳纤维，加入分散剂、保水剂等，搅拌，再将低碳水泥干料加入搅拌机内，搅拌5min后加入称量的云母、硅灰石粉，继续搅拌5min后得到浆料；
3)在多孔成型模具的底模中放置多孔滤板，铺上滤网，倒入浆料，盖上滤网，放置多孔滤板，盖上成型模具的盖模，采用模压滤水法成型，在10MPa压力下保压8min后，拆模即得到板坯，测得其含水率为20.9％；
4)采用40～60℃预养护调控板坯的含水率为13～14％；
5)将步骤4)所得预养护后的板坯，放入碳化釜中，抽真空至-0.1MPa，通入二氧化碳，然后在10℃，0.1MPa(表压力)，99％浓度CO2的条件下碳化8h，即得所述基于低碳水泥的纤维水泥碳化板。
实施例3
一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；各原料及其所占重量份数包括：低碳水泥100份，纸浆纤维10份(竹浆)，玄武岩纤维2份，轻集料(膨胀珍珠岩)3份，云母(金云母60目)2份，硅灰石粉1份(400目)，分散剂(聚氧化乙烯)0.1份，保水剂(淀粉醚)0.3份；
2)按照料浆含水率36％的要求称量水，将浸泡过的轻集料、纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的玄武岩纤维，加入分散剂、保水剂等，搅拌，再将低碳水泥干料加入搅拌机内，搅拌5min后加入称量的云母、硅灰石粉，继续搅拌5min后得到浆料；
3)在多孔成型模具的底模中放置多孔滤板，铺上滤网，倒入浆料，盖上滤网，放置多孔滤板，盖上成型模具的盖模，采用模压滤水法成型，在5MPa压力下保压15min后，拆模即得到板坯，测得其含水率为21.1％；
4)采用40～60℃预养护调控板坯的含水率为13～15％；
5)将步骤4)所得预养护后的板坯，放入碳化釜中，抽真空至-0.1MPa，通入二氧化碳；然后在30℃，0.30MPa(表压力)，99％浓度CO2的条件下碳化6h，即得所述基于低碳水泥的纤维水泥碳化板。
实施例4
一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；各原料及其所占重量份数包括：低碳水泥100份；纸浆纤维4份(草浆)；无碱玻璃纤维2份；轻集料(玻化微珠)0.5份；云母(白云母40目)4份；分散剂(聚氧化乙烯)0.1份；保水剂(羟乙基甲基纤维素醚)0.3份；
2)按照料浆含水率42％的要求称量水，将浸泡过的轻集料、纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的无碱玻璃纤维，加入分散剂、保水剂，搅拌，再将低碳水泥干料加入搅拌机内，搅拌5min后加入称量的云母，继续搅拌5min后得到浆料；
3)在多孔成型模具的底模中放置多孔滤板，铺上滤网，倒入浆料，盖上滤网，放置多孔滤板，盖上成型模具的盖模，采用模压滤水法成型，在15MPa压力下保压3min后，拆模即得到板坯，测得其含水率为21.4％；
4)采用40～60℃预养护调控板坯的含水率为18～19％；
5)将步骤4)所得预养护后的板坯，放入碳化釜中，通入二氧化碳；然后在55℃，0.04MPa(表压力)，30％浓度CO2的条件下碳化12h；即得所述基于低碳水泥的纤维水泥碳化板。
实施例5
一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；各原料及其所长重量份数包括：低碳水泥100份；纸浆纤维6份(木浆)；碳纤维0.05份；轻集料(由玻化微珠和膨胀珍珠岩按重量比1:1)1.5份；云母(黑云母100目)2份；硅灰石粉2份(325目)；分散剂(聚氧化乙烯)0.3份；保水剂(羟丙基甲基纤维素醚)0.3份；
2)按照料浆含水率39％的要求称量水，将浸泡过的轻集料、纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的碳纤维，加入分散剂、保水剂，搅拌，再将低碳水泥干料加入搅拌机内，搅拌5min后加入称量的云母、硅灰石粉，继续搅拌5min后得到浆料；
3)在多孔成型模具的底模中放置多孔滤板，铺上滤网，倒入浆料，盖上滤网，放置多孔滤板，盖上成型模具的盖模，采用模压滤水法成型，在10MPa压力下保压8min后，拆模即得到板坯，测得其含水率为20.9％；
4)采用40～60℃预养护调控板坯的含水率为15～17％；
5)将步骤4)所得预养护后的板坯，放入碳化釜中，抽真空至-0.1MPa，通入二氧化碳；然后在50℃，0.10MPa(表压力)，99％浓度CO2的条件下碳化8h；即得所述基于低碳水泥的纤维水泥碳化板。
实施例6
一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，其制备方法包括如下步骤：
1)原料称取；各原料及其所长重量份数包括：低碳水泥100份，纸浆纤维10份(竹浆)，玄武岩纤维2份，轻集料(膨胀珍珠岩)3份，硅灰石粉4份(100目)，分散剂(丙烯酰胺)0.2份，保水剂(淀粉醚)0.4份；
2)按照料浆含水率36％的要求称量水，将浸泡过的轻集料、纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的玄武岩纤维，加入分散剂、保水剂，搅拌，再将低碳水泥干料加入搅拌机内，搅拌5min后加入称量的硅灰石粉，继续搅拌5min后得到浆料；
3)在多孔成型模具的底模中放置多孔滤板，铺上滤网，倒入浆料，盖上滤网，放置多孔滤板，盖上成型模具的盖模，采用模压滤水法成型，在5MPa压力下保压15min，拆模即得到板坯，测得其含水率为20.2％；
4)采用40～60℃预养护调控板坯的含水率为13～15％；
5)将步骤4)所得预养护后的板坯，放入碳化釜中，抽真空至-0.1MPa，通入二氧化碳；然后在50℃，0.30MPa(表压力)，99％浓度CO2的条件下碳化6h，即得所述基于低碳水泥的纤维水泥碳化板。
对比例1
对比例1与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于采用步骤4)所述预养护步骤，但将碳化前板坯含水率控制在8～9％。
对比例2
对比例2与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于不采用步骤4)所述预养护步骤，模压滤水法成型后测得所得板坯的含水率为20.6％，然后直接进入碳化釜进行碳化。
对比例3
对比例3与实施例4的制备方法大致相同，不同之处在于采用步骤4)所述预养护步骤，但将碳化前板坯含水率控制在8～9％。
对比例4
对比例3与实施例4的制备方法大致相同，不同之处在于不采用步骤4)所述预养护步骤，模压滤水法成型后测得所得板坯的含水率为21.4％，然后直接进入碳化釜进行碳化。
对比例5
对比例5与实施例1的制备方法大致相同，不同之处在于低碳熟料主要矿物相(CS+C3S2)含量低于60％，其中CS占22.2％，C3S2占28.2％。
将实施例1～6和对比例1～5所得纤维水泥碳化板分别进行力学性能、吸水性能等测试，结果分别如表1和表2所示。
表1实施例和对比例所得高密度板的性能测试结果
表2实施例所得低密度板的性能测试结果
| 编号 | 干密度/kg/m3 | 绝干抗折强度/MPa | 吸水率/％ | 抗冲击强度/kJ/m2 |
| 实施例3 | 1310 | 16.5 | 19.7 | 1.52 |
| 实施例6 | 1290 | 15.5 | 21.2 | 1.48 |
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种基于低碳水泥的纤维水泥碳化板，其特征在于，各原料及其所占重量份数包括：低碳水泥100份，增强纤维0.05~2份，纸浆纤维4~10份，轻集料0~3份，硅灰石粉0~4份，云母0~4份，分散剂0.1~0.3份，保水剂0.1~0.4份；
所述低碳水泥中的主要矿物相为CS、C3S2，其所占质量百分比为(CS+C3S2) ≥60%；
1）按配比称取各原料，并按照料浆含水率35~42%的要求称量水；
2）将浸泡过的轻集料、纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的增强纤维，加入分散剂、保水剂，搅拌均匀，再加入低碳水泥，搅拌处理后，加入云母和硅灰石粉，继续搅拌均匀，得到浆料；
3）将所得浆料加入多孔成型模具中，采用模压滤水法成型，拆模，得板坯；
4）进行预养护调控板坯的含水率为13~20%；
5）将步骤4）所得预养护板坯进行碳化养护，即得所述纤维水泥碳化板；
所述碳化养护步骤采用的温度为10~55℃，CO2浓度20~99 vol%，气压为0.04~0.30 MPa，养护时间6~12h。
2.根据权利要求1所述的纤维水泥碳化板，其特征在于，所述纸浆纤维为经硫酸盐预处理后的木浆、竹浆、草浆中的一种或几种，长度1~3 mm。
3.根据权利要求1所述的纤维水泥碳化板，其特征在于，所述增强纤维由碳纤维、无碱玻璃纤维、玄武岩纤维的一种或几种组成。
4. 根据权利要求1所述的纤维水泥碳化板，其特征在于，所述轻集料由开孔膨胀珍珠岩或闭孔玻化微珠中的一种或两种组成，堆积密度为80~120 kg/m3，粒径小于0.6 mm。
5.根据权利要求1所述的纤维水泥碳化板，其特征在于，所述硅灰石粉的长径比为(15~20):1，细度为100~400目；所述云母为黑云母、白云母、金云母中的一种或几种，细度为20~100目。
6.根据权利要求1所述的纤维水泥碳化板，其特征在于，所述分散剂为丙烯酰胺、聚氧化乙烯中的一种或两种；所述保水剂为羟乙基甲基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚、淀粉醚中的一种或几种。
7.权利要求1-6任一项所述纤维水泥碳化板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按配比称取各原料，并按照料浆含水率35~42%的要求称量水；
2）将浸泡过的轻集料、纸浆纤维和水加入搅拌机内，加入预分散的增强纤维，加入分散剂、保水剂，搅拌均匀，再加入低碳水泥，搅拌处理后，加入云母和硅灰石粉，继续搅拌均匀，得到浆料；
3）将所得浆料加入多孔成型模具中，采用模压滤水法成型，拆模，得板坯；
4）进行预养护调控板坯的含水率为13~20%；
5）将步骤4）所得预养护板坯进行碳化养护，即得所述纤维水泥碳化板。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤3）所述成型步骤采用的压力为5~15 MPa，保压时间为3~15 min。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |