专利名称：一种用工业废渣制成的cbc复合材料及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种用工业废渣制成的CBC复合材料及其生产方法，属建筑材料
背景技术：
CBC是化学键合陶瓷(Chemically Bonded Ceramics)的英文简写，是一种在低温下通过化学反应进行固结的类陶瓷材料，材料内部物质之间是以离子键和共价键连接为主，范德华力和氢键为辅。以往CBC材料主要包括硅酸盐型和磷酸盐型两类，并主要采用溶胶—凝胶法制备工艺。近年来，我国学者把宏观无缺陷水泥(MDF)、超细粒聚密“水泥”(DSP)、碱激发矿渣水泥(AAC)以及土聚水泥(GC)等都归属于CBC的范畴。尽管MDF、DSP的力学性能很好，但其制备过程和原料与传统水泥基材料基本相同，故严格意义上讲只属于高技术混凝土(HPC)的领域；AAC和GC是用化学方法制备新型水泥基材料，尽管其制备过程与传统的水泥基材料相似，但不存在传统的硅酸钙和铝酸钙的水化反应，其性能类似天然沸石矿物，因此属于CBC的范畴。
DSP材料是在硅酸盐水泥中掺加超细高活性SiO2粉料(如硅灰、稻壳灰等)，其作用一是通过颗粒级配和颗粒间的化学结合得到均匀致密的高强高密实材料，其次可以填充孔隙并通过火山灰反应减少对强度不利的Ca(OH)2和增加浆体中的胶凝产物，达到提高强度、高致密以及改善性能的目的。其突出特点是硅灰类超细粒材料在普通水泥中的应用和材料最终结构的高度致密化。
MDF水泥是在仿生学基础上对传统水泥进行深加工而获得的。它是在水泥中掺加有机聚合物及改变颗粒组成，采用强烈搅拌、轧压成型(W/C＝0.1～0.15)，材料的抗弯强度可以达到150～200MPa。这种材料的突出特点是把有机高分子聚合物与传统的硅酸盐水泥基材料进行合理配用，通过改善成型方法来达到性能强化的目的。
土聚水泥是一种新型的碱激活水泥，其主要原料是高岭土，经过500～900℃煅烧成偏高岭土，在一定细度的情况下与强碱等混合均匀而成。最早由法国的J.Davidovits教授等在研究古代建筑材料的基础上研制发明。这种材料的突出特点是原料为天然的高岭土类原料。
碱激发矿渣水泥是一种以金属冶炼过程中产生的高钙炉渣为主要原料，以强碱如氢氧化钠和水玻璃为激发剂制备而成，以早期强度高、密实耐久为特征。最早研究碱矿渣水泥的是前苏联，我国在80年代后期开始这方面的工作。这种材料的突出特征是其原料必须是氧化钙含量高达40％以上的水淬高温熔渣，并主要以高炉渣为主。
硅酸盐材料中的蒸压砖、蒸养砖是以天然砂、粉煤灰、炉渣、尾矿、废砂等为主要原料，以石灰、石膏为激发剂，通过石灰粉磨、混料、消化、压制成型、静停、蒸养或蒸压工艺制备而成的一种墙体材料。其突出特征是用单一石灰(有时加石膏)与混合料中的二氧化硅、氧化铝在湿热条件下反应生成水化硅酸钙、水化铝酸钙及钙矾石凝胶。
我国工业固体废弃物年排放量高达8.87亿吨，累计堆存量高达67亿多吨，占地6.5亿m2，每年流失和浪费的废弃物资源价值在300亿元以上，严重污染环境，浪费资源。在众多的工业固体废弃物资源化方案中，微晶玻璃、废弃物复合材料、硅铝铁合金、纤维及多孔型轻质材料是废弃物综合利用向高技术和高效益方向发展的代表性技术；水泥及混凝土、墙体材料、道路工程、矿井回填是规模化利用废弃物的主要途径。如何把高附加值和规模化利用固体废弃物相互统一起来，走绿色利用道路，将是今后固体废弃物处理和利用的发展方向。
发明内容
本发明的目的是针对不同固体废弃物的物理化学特征，利用CBC和复合材料原理制备出具有性能优良、废物利用率高、工艺简单的CBC复合材料。
本发明把蒸压硅酸盐材料和MDF、DSP的原理有机地结合起来，以工业废渣为主要原料，并在高效活化剂、表面活性剂和有机高分子聚合物的配合下，通过加温、加压使固体废渣颗粒表面发生化学反应，形成无机硅铝酸盐聚合物、有机高分子聚合物共同组成的连续基体相，把不同级配的废渣颗粒牢固地粘结在一起，形成一种性能优良的CBC复合材料。
本发明的技术内容如下1、用工业废渣制成的CBC复合材料本发明的CBC复合材料的组分为工业废渣、活化剂、表面活性剂、高分子聚合物；各组分按重量比配合，其比例为工业废渣∶活化剂∶表面活性剂∶高分子聚合物∶水＝100∶1-20∶0.001-1∶0-20∶9-50；其中工业废渣为粉煤灰、尾矿、黄磷炉渣、废砂、有色金属冶炼渣、城市垃圾及污泥焚化渣；它们既可单独使用，也可两种或两种以上混合搭配使用，单独或搭配后的废渣中二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙之和应大于70％，三氧化硫含量应小于3％，烧失量小于5％；活化剂是由含活性氧化钙和活性氧化钠的混合物按CaO与Na2O之比1/0.2-1.2组成；混合物为水泥窑灰、石灰、电石渣、硅酸钠、碳酸钠、烧碱；表面活性剂为三乙醇胺、十二烷基苯磺酸钠、平平加、辛基酚聚氧乙烯醚，碱及碱土金属的木质素磺酸盐、萘磺酸盐系减水剂；它们既可单独使用，也可任意两种按1/1-300比例混合搭配使用；高分子聚合物为聚醋酸乙烯乳液、聚乙烯醇、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚乙烯醇、苯丙乳液；它们可任意两种按1/0-10.0比例混合搭配使用。
2、用工业废渣生产CBC复合材料的方法该生产方法由原料处理、混和料制备、成型、预固化、养护工序组成，其中原料处理首先对工业废渣及活化剂进行破碎和粉磨，经破碎和粉磨后，工业废渣颗粒最大直径小于4mm，废渣颗粒级配为过0.08mm方孔筛的细颗粒工业废渣占废渣总质量20-100％，0.08mm方孔筛筛余粗颗粒废渣占总废渣量的80-0％；活化剂的粒度要求为0.08mm方孔筛余小于10％；处理后的废渣与活化剂按重量比100∶1-20混合均匀成为组分(1)，干混时间为5-30分钟；表面活性剂、高分子材料、水按重量比0.001-1∶0-20∶9-50混合，经搅拌乳化成为组分(2)，搅拌时间为3-20分钟；湿混料制备将组分(1)与组分(2)在混料装置中混合均匀，搅拌时间为5-30分钟；成型当废渣中粗颗粒尺寸在0.5-4mm的量达40％以上时，选择浇注和压制成型，当混合料中粗颗粒尺寸小于0.5mm的量达70％以上时，选择浇注和挤压成型；预固化浇注成型坯体需要带模自然放置3-24小时脱模，脱模后的坯体与压制和挤出的生坯一样，需要再自然放置5-24小时；湿热养护把具有初始强度的生坯放置在有蒸汽介质的湿热环境中养护4-36小时后成为制品；蒸汽温度为70-185℃，表压力为0-1.2MPa。
本技术与现有技术相比所具有如下优点1、与MDF、DSP、GC、AAC材料的显著区别在于本发明不用水泥、高岭土、硅灰、稻壳灰类昂贵材料；上述传统材料的填充增强材料主要是天然砂石和碳纤维、金属纤维，物质之间主要是物理包覆为主，而本发明的增强材料主要是固体废渣，既起到颗粒自增强的目的，又能起到形成CBC连续相的作用；AAC、GC的激发材料主要是氢氧化钠、氢氧化钾和水玻璃，成本高，泛霜问题难以解决，本发明把窑灰、电石渣、石灰类低价值材料合理应用起来，不仅降低了成本，还可大幅度提高材料强度；通过表面活性剂的选择性使用，提高了工作性；通过有机高分子聚合物的选择性使用，可达到增强增韧和填补毛细孔的目的，通过材料内部互穿网络的形成，抗渗性得以改善，解决了传统材料泛霜和湿敏性问题。
2、与传统的硅酸盐蒸压材料相比，本发明的配方和成型方式明显不同，传统硅酸盐蒸压材料的激发剂主要以石灰、石膏为主，而本发明把石灰类材料和碱金属的氢氧化物、硅酸盐、碳酸盐、表面活性剂、高分子聚合物进行了合理配用，不但提高了活性激发效率，改善了工作性，还使性能上得到显著提高；传统蒸压材料一般只选择压制成型方式，制品多为标准砖和砌块，而本发明则可在浇注、压制、挤压三种方式中选择，制品的形状多样化。
附图是本发明的工艺流程。
具体实施例方式实施例1取三级粉煤灰100份，水泥窑灰8份，石灰5份，烧碱5份，硅酸钠0.8份，分别计量后共混粉磨30分钟成为组分(1)；三乙醇胺0.05份，聚醋酸乙烯乳液10份与水35份均匀混合3分钟后成为组分(2)；把组分(1)和组分(2)强制混合均匀，混合时间30分钟，挤压成型，切割成250×500×50mm块状制品，自然放置10小时，分两种方式进行养护1)放置在85℃的常压蒸汽环境中养护8小时成为制品，该材料的密度1.7g/cm3，抗压强度40Mpa，抗折强度6Mpa；2)放置在175℃，表压为0.8MPa蒸汽环境中养护6小时成为制品，该材料的密度1.75g/cm3，抗压强度80Mpa，抗折强度9Mpa。
实施例2用煅烧煤矸石渣取代粉煤灰，其它配料和混料方案同实施例1。不同之处是采用浇注成型，带模养护3小时，再自然养护24小时，放置在175℃，表压为0.8MPa蒸汽环境中养护6小时成为制品，该材料的密度1.68g/cm3，抗压强度77Mpa，抗折强度7.5Mpa。
实施例3取0.08mm方孔筛余的铜冶炼渣80份；另取黄磷炉渣20份，石灰2份，烧碱1.5份，共同粉磨成0.08mm方孔筛余小于5％；两种固体物料均匀混合15分钟成为组分(1)；木质素磺酸钙0.3份，辛基酚聚氧乙烯醚0.001份，水30份，搅拌12分钟成为组分(2)；把组分(1)和组分(2)混合5分钟后浇注成型，3小时后脱模，自然放置24小时，分两种方式进行养护1)放置在温度为70℃，表压为零的蒸汽环境中养护36小时成为制品，该材料的密度2.5g/cm3，抗压强度52Mpa，抗折强度9Mpa；2)放置在温度为185℃，表压为1.2MPa的蒸汽环境中养护4小时成为制品，该材料的密度2.59g/cm3，抗压强度65Mpa，抗折强度8.9Mpa。
实施例4基本配料和混料方法同实施例3。不同之处是采用压制成型，成型压力为20MPa，脱模后放置5小时，分两种方式进行养护1)放置在温度为70℃，表压为零的蒸汽环境中养护36小时成为制品，该材料的密度2.7g/cm3，抗压强度59Mpa，抗折强度12Mpa；2)放置在温度为175℃，表压为0.8MPa的蒸汽环境中养护6小时成为制品，该材料的密度2.75g/cm3，抗压强度85Mpa，抗折强度12.5Mpa。
实施例5取粉煤灰70份，铸造废砂30份，电石渣10份，烧碱3份，碳酸钠4份，共同粉磨5分钟后成0.08mm方孔筛余小于5％的组分(1)；平平加0.5份，木质素磺酸钠1.0份，聚乙烯醇2份，环氧树脂18份，水30份，均匀搅拌20分钟后成为组分(2)；把组分(1)和组分(2)均匀混合15分钟后浇注成型，5小时后脱模，自然放置10小时，放置在135℃的蒸汽环境中养护6小时成为制品，该材料的密度1.8g/cm3，抗压强度45Mpa，抗折强度6.7Mpa。
实施例6用城市污泥焚化渣取代铸造废砂，实施方案同实施例5。不同之处是制备的材料抗压强度为抗压强度39Mpa，抗折强度5.8Mpa。
权利要求
1.一种用工业废渣制成的CBC复合材料，其特征在于该CBC复合材料的组分为工业废渣、活化剂、表面活性剂、高分子聚合物；各组分按重量比配合，其比例为工业废渣∶活化剂∶表面活性剂∶高分子聚合物∶水＝100∶1-20∶0.001-1∶0-20∶9-50；其中1.1工业废渣为粉煤灰、煤矸石烧渣、黄磷炉渣、废砂、有色金属冶炼渣、城市垃圾及污泥焚化渣；它们既可单独使用，也可两种或两种以上混合搭配使用，单独或搭配后的废渣中二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙之和应大于70％，三氧化硫含量应小于3％，烧失量小于5％；1.2活化剂是由含活性氧化钙和活性氧化钠的混合物按CaO与Na2O之比1/0.2-1.2组成；混合物为水泥窑灰、石灰、电石渣、硅酸钠、碳酸钠、烧碱；1.3表面活性剂为三乙醇胺、十二烷基苯磺酸钠、平平加、辛基酚聚氧乙烯醚，碱及碱土金属的木质素磺酸盐、萘磺酸盐系减水剂；它们既可单独使用，也可任意两种按1/0.1-300比例混合搭配使用；1.4高分子聚合物为聚醋酸乙烯乳液、聚乙烯醇、环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚乙烯醇、苯丙乳液；它们可任意两种按1/0-10.0比例混合搭配使用。
2.权利要求1所述的CBC复合材料的生产方法，由原料处理、混料、成型、预固化、养护工序组成，其特征在于2.1原料处理首先对工业废渣及活化剂进行破碎和粉磨，经破碎和粉磨后，工业废渣颗粒最大直径小于4mm，废渣颗粒级配为过0.08mm方孔筛的细颗粒工业废渣占废渣总质量20-100％，0.08mm方孔筛筛余粗颗粒废渣占总废渣量的80-0％；活化剂的粒度要求为0.08mm方孔筛余小于10％；处理后的废渣与活化剂按重量比100∶1-20混合均匀成为组分(1)，干混时间为5-30分钟；表面活性剂、高分子材料、水按重量比0.001-1∶0-20∶9-50混合，经搅拌乳化成为组分(2)，搅拌时间为3-20分钟；2.2湿混料制备由工业废渣与活化剂组成的组分(1)与组分(2)在混料装置中混合均匀，搅拌时间为5-30分钟；2.3成型当废渣中粗颗粒尺寸在0.5-4mm的量达40％以上时，选择浇注和压制成型，当混合料中粗颗粒尺寸小于0.5mm的量达70％以上时，选择浇注和挤压成型；2.4预固化浇注成型坯体需要带模自然放置3-24小时脱模，脱模后的坯体与压制和挤出的生坯一样，需要再自然放置5-24小时；2.5湿热养护把具有初始强度的生坯放置在有蒸汽介质的湿热环境中养护4-36小时后成为制品；蒸汽温度为70-195℃，表压力为0-1.2MPa。
全文摘要
本发明涉及一种用工业废渣制成的CBC复合材料及其生产方法，属建筑材料技术领域。CBC复合材料的组分为工业废渣、活化剂、表面活性剂、高分子聚合物；各组分按重量比配合，其比例为工业废渣∶活化剂∶表面活性剂∶高分子聚合物∶水＝100∶1－20∶0.001－1∶0－20∶9－50。上述原料经原料处理、湿混料制备、成型、预固化、湿热养护工序制成以无机、有机高分子聚合物为基体相、废渣颗粒为增强相的CBC复合材料。本发明不用水泥粘结剂，无须烧结，采用挤压、浇注和压制的成型方式。本发明与现有技术相比，具有CBC复合材料性能优良、废物利用率高、工艺简单、保护环境、节约天然资源等优点。
文档编号C04B7/14GK1526676SQ03135919
公开日2004年9月8日 申请日期2003年9月23日 优先权日2003年9月23日
发明者张召述 申请人:昆明理工大学