常温下制备的环保低碳建筑胶凝材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建筑胶凝材料，具体为常温下制备的环保低碳建筑胶凝材料及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 传统硅酸盐水泥是世界上应用最广泛的建筑凝胶材料。2014年我国硅酸盐水泥产 量达24亿吨，超过世界水泥总产量的50%。但是传统硅酸盐水泥的生产过程具有高耗能、高 排放和高污染等缺点：1、需要消耗大量石灰石和黏土质原料等不可再生资源，造成矿山资 源消耗与生态破坏;2、每生产1吨水泥大约要排放出0.8吨以上的二氧化碳，仅次于电力行 业，位于全国第二;颗粒物排放占全国颗粒物排放总量的20~30%，二氧化硫、氮氧化物排放 占全国排放量的5~6%;3、有些立窑生产中加入萤石以降低烧成热耗，还会造成周边地区的 氟污染;4、水泥制造业是我国继电力、钢铁之后的第三大用煤大户，水泥生料需经过1450°C 的高温煅烧成为熟料，我国水泥熟料平均烧成热耗115千克标煤/吨，比国际先进水平高10% 多。
[0003] 粉煤灰是燃煤电厂的主要固体废弃物，会造成环境污染、土地浪费等一系列问题， 因此常被以一定比例固化于混凝土或砂浆中作为建筑材料。目前，粉煤灰在美国和日本的 利用率高达80%，国内为50%~60%，其余部分则只能做填埋处理，对土壤和环境造成了污染。 [0004]过去十年，越来越多的研究人员开始关注粉煤灰在砂浆或混凝土中完全取代水 泥，而该领域的研究大多集中在地质聚合物和碱活化粉煤灰等碱激发凝胶材料。这类凝胶 材料通常是由碱的氢氧化物活化的，即提供一个高PH环境，以促进碱金属或碱土金属、硅酸 盐、铝酸盐之间的反应，以形成凝胶。但是，制备这类凝胶材料，需要在高PH值环境下以及较 高温度下进行养生固化，不能达到节能减排的目的，同时这些特殊条件限制了其在工程领 域的推广应用。
[0005] 磷石膏是湿法磷酸生产过程中排放的固体废料，其主要成分为二水硫酸钙 (CaS04 · 2H20)，磷石膏的处理利用是世界性的难题，目前我国磷石膏综合利用率不到30%。
[0006] 我国农作物秸杆拥有量居世界首位，其中玉米秸杆年总产量达2.2亿吨，但利用率 仅为30%，大多采用焚烧方式处理，造成环境污染。
[0007] 因此，资源和环境的压力迫使人们一直寻求各种低消耗和低污染、可以替代或可 以一定程度补充传统水泥的材料及生产方法。
【发明内容】
[0008] 本发明解决传统硅酸盐水泥生产高能耗、高排放、高污染，无法常温下制备的技术 问题，提供一种新型常温下制备的环保低碳建筑胶凝材料及其制备方法。
[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的：常温下制备的环保低碳建筑胶凝材料，原料 为:900-1200重量份的干燥粉状粉煤灰，10-20重量份的干燥粉状磷石霄，10-20重量份的干 燥段状玉米秸杆，2-6重量份的粉状硼砂。磷石膏与水发生反应形成钙矾石和C-S-H凝胶，起 到胶凝作用。玉米秸杆纤维是天然高分子材料，可有效提升胶凝材料强度。硼砂溶于水后 与粉煤灰中的二氧化娃、氧化铁、氧化错发生水化反应，形成C-S-H、M-A-S_H、和C-A-S-H凝 胶。
[0010] 所述胶凝材料在使用时的水胶比R=mw/mb(水胶比即水的重量粉煤灰+磷石膏 的重量mb之比）在0.2~0.35范围内。
[0011] 常温下制备的环保低碳建筑胶凝材料制备方法，是通过以下操作步骤实现的： a、 将粉煤灰在烘箱40°C~80°C条件下干燥60-90分钟； b、 湿状磷石膏在烘箱40°C~80°C条件下干燥60-90分钟，研磨至粉末备用； c、 将玉米秸杆放入烘箱内烘干，经室温晾干后切成l-2cm长度，轻敲玉米秸杆，将表面 的果胶去除，最后在温度80-90°C的烘箱中干燥5-15分钟，选取制备好的上述秸杆份备用； d、 将硼砂研磨成粉状备用； e、 将步骤a、b、c、d中制备好的原材料分别按照粉煤灰900-1200质量份、磷石膏10-20质 量份、玉米秸杆10-20质量份、硼砂2-6质量份混合，均匀搅拌10-20分钟即可制得常温下制 备的环保低碳建筑胶凝材料。
[0012] 使用时，将本发明制备的胶凝材料按照一定的水胶比与水充分拌和，即可制备成 可替代普通硅酸盐水泥的建筑材料，在标准养护温度和湿度下进行养护即可硬化获得相应 强度，用于制备混凝土或砂浆。
[0013] 选用标号为425R的普通硅酸盐水泥作为对比参照物，对比分析本发明制备的胶凝 材料的相应性能： 1、不同龄期抗压强度对比:水泥的抗压强度是指水泥胶砂硬化试件所能承受外力破坏 的能力，是评价水泥质量的重要指标，是划分水泥强度等级的依据，用MPa(兆帕)表示。按照 GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》对制备好的本发明胶凝材料和425R普通硅酸盐 水泥试件进行抗压强度试验，对比结果如表-1所示，由结果可知：
表-1 (1) 本发明胶凝材料强度增长较425R更快，且具有较高的早期强度，3天龄期时强度已 到达28天养生强度的73%，这一特性可使本发明胶凝材料更加适应快速建设和快速修补的 需求； (2) 本发明胶凝材料28天抗压强度为37MPa，已接近425R普通硅酸盐水泥的28天抗压强 度，甚至超出了 325R普通硅酸盐水泥(28天抗压强度为32.5MPa); (3)在超出28天养生期后，425R普通硅酸盐水泥的抗压强度几乎不再增长，但是本发明 胶凝材料的抗压强度仍增长至53MPa。
[0014] 2、耐火性能对比：通过DSC(差示扫描量热法)+TGA(热重分析法)对固化本发明的 胶凝材料粉末和固化425R普通硅酸盐水泥粉末进行对比分析，研究这两种胶凝粉末的质量 损失随温度的变化情况，结果如附图1、2所示，由图可知，425R在100°C左右有5%的质量损 失，425°C~475°C有3%的质量损失，625°C~675°C有1.5%的质量损失;而本发明胶凝材料仅在 25°C~200°C之间有6%的质量损失，因此，本发明胶凝材料比425R的耐火性更好，可作为防火 混凝土的原材料。
[0015] 3、其他性能比较:将本发明胶凝材料和425R的堆积干密度、坍落度、硬度、弹性模 量、气体渗透性能、氯离子扩散性能也进行了比较，结果如表-2所示。由结果可知，本发明胶 凝材料比425R具有更低的堆积干密度，即相同体积下本发明胶凝材料质量更轻，可作为轻 型混凝土的原材料;坍落度为水泥和易性的表征指标，说明具有和425R相当的和易性;硬度 高于425R，说明本发明胶凝材料具有更高的抵抗外力的局部能力;弹性模量高于425R，说明 本发明胶凝材料具有更高的抵抗弹性变形的能力；氯离子扩散系数两者相差不大，说明本 发明胶凝材料也具有合理的抗腐蚀能力。
[0016] 表-2 本发明与普通硅酸盐水泥相比具有以下优点：1、常温下制备，克服了高能耗、高排放的 缺点；2、以废弃物粉煤灰、磷石膏、玉米秸杆为主要原材料制备，克服了高污染的缺点；3、原 料与制备过程低碳环保，充分利用废弃资源;4、性能与425R普通硅酸盐水泥相当，且制备方 法简单，易于向工业化生产转化。
[0017] 本发明所述的胶凝材料制备方法简单，且可在常温下进行制备，其性能已达到普 通硅酸盐水泥的各项指标水平，一些性能甚至优于普通硅酸盐水泥，产生这些技术效果的 技术方案的创新实质在于原材料的选择、组分和配比的优选、优化。在组份选择上选用了废 弃物粉煤灰、磷石膏、玉米秸杆和硼砂，利用磷石膏与水发生反应形成钙矾石和C-S-H凝胶， 起到胶凝作用，硼砂溶于水后与粉煤灰中的二氧化硅、氧化铁、氧化铝发生水化反应，形成 C-S-H、M-A-S-H、和C-A-S-H凝胶，利用玉米秸杆提升胶凝材料强度。正是由于组分和配比的 优选和优化，才产生了等同甚至超过普通硅酸盐水泥性能指标的技术效果。本发明技术