一种煤矸石基蒸压加气混凝土砌块及其制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土砌块技术领域，具体涉及一种煤矸石基蒸压加气混凝土砌块及其制备方法。

背景技术

蒸压加气混凝土砌块一般以硅质材料（常用砂、粉煤灰及含硅尾矿等）和钙质材料（常用石灰、水泥等）为主要原料，掺加引气剂（铝粉或铝粉膏），通过配料、搅拌、浇注、预养、切割、蒸压养护等工艺制成的轻质多孔硅酸盐制品，主要用于框架结构、混凝土结构建筑的外墙填充、内墙隔断等部位，也可用于建筑物屋面的保温和隔热功能层。煤矸石由于较高的硅含量，是蒸压加气混凝土砌块硅质材料的潜在原材料。目前，如何将煤矸石科学合理的应用于蒸压加气混凝土砌块已经成为了科研工作者不断探索的热点之一。

煤矸石的烧失量较大，成分中含有10%~20%的碳，极易吸附水，造成砌块浇筑过程中，料浆黏度偏大，其稠化速度与铝粉的发气曲线严重不匹配，导致砌块结构不稳定，出现表面冒泡甚至塌模现象，这极大限制了蒸压加气混凝土生产过程中煤矸石的使用。因此，如何实现高掺量甚至是全煤矸石基蒸压加气混凝土砌块料浆稠化与发气的协调匹配性，保证气孔结构的稳定性及生产出高质量的砌块，是目前亟需解决的关键问题。

发明内容

针对煤矸石含有较多的有机碳，导致实际应用过程中料浆稠化较快与铝粉的发气速度不匹配，影响砌块质量的技术问题，本发明提供一种煤矸石基蒸压加气混凝土砌块及其制备方法，有效克服了传统煤矸石基蒸压加气混凝土砌块生产过程中，煤矸石“不好用”及“不能用”的问题，实现了煤矸石料浆稠化速度与铝粉发气曲线的协调匹配性，保证了砌块气孔结构的稳定性，生产的砌块抗压强度高于5MPa，具有良好的力学性能，产品性能完全满足国标要求。本发明为制备全煤矸石基高质量、高品质蒸压加气混凝土砌块奠定了基础、提供了良好的条件。

第一方面，本发明提供一种煤矸石基蒸压加气混凝土砌块的制备方法，将煤矸石与硝酸一起球磨，使煤矸石中的有机碳和无定形的二氧化硅解离，固液分离得到液相产物和固相产物，液相产物的主要成分为有机碳和无定形的二氧化硅，固相产物的主要成分为剩余的煤矸石及铝酸盐矿物；液相产物经干燥后依次与石灰、铝粉在溶液体系中混合，得到“微胶囊”无序状结构物；将“微胶囊”无序状结构物与固相产物、水泥、石膏、石灰、水和辅料混合，浇筑成模，静停发气，得到硬化坯体，切割、脱模处理后进行蒸压养护，即得。

进一步的，煤矸石与工业废硝酸的质量比为1.25~2：1；优选的，煤矸石入磨的粒度为0.1~20mm，二氧化硅含量大于45wt%；优选的，硝酸为硝酸浓度为10wt%~20wt%的工业废硝酸；优选的，球磨时间为4~6h，球磨使用的研磨体为氧化铝陶瓷球。

进一步的，按照重量份计，煤矸石为75~85份，石灰为10~25份，铝粉为0.01~1份，水泥为5~15份，石膏为1~5份，水为30~50份，辅料为0.7~5份。

进一步的，制备“微胶囊”无序状结构物时，加入10~20份石灰，制备硬化坯体时，加入0~5份石灰；优选的，石灰的细度为100~300目，有效氧化钙的含量高于70%。

进一步的，铝粉的细度为60~80μm，活性铝的含量高于90%。

进一步的，水泥为硅酸盐水泥中的一种；石膏为脱硫石膏或天然石膏中的一种或组合，细度为100~300目。

进一步的，辅料包括减水剂和稳泡剂，减水剂可以为萘系减水剂、脂肪族减水剂、聚羧酸减水剂中的一种或多种，用量为0.5~3份，稳泡剂可以为聚丙烯酰胺，皂荚粉等，用量为0.2~2份。

进一步的，固液分离得到的液相产物经过洗涤过滤后再干燥。

进一步的，干燥后的液相产物先分散在90wt%的乙醇水溶液中，在不断超声的条件下加入石灰，干燥得到有机碳交联的无序状结构物；优选的，超声功率为5~10kW，超声时间为1~2h。

进一步的，有机碳交联的无序状结构物先分散在99wt%的异丙醇水溶液中，在不断搅拌的条件下加入铝粉，干燥得到“微胶囊”无序状结构物；优选的，搅拌时间为4~6h。

进一步的，静停发气的温度为50~80℃，时间为2~4h；蒸压养护的温度为150~200℃，升温时间为0.5~2h，保温时间为6~8h，压力为1~1.5MPa。

第二方面，本发明提供一种采用上述制备方法得到的煤矸石基蒸压加气混凝土砌块。

进一步的，煤矸石基蒸压加气混凝土砌块性能满足A5.0 B06标准。

本发明的原理及有益效果如下：

本发明利用硝酸和球磨技术预先提取煤矸石中的有机碳和无定形的二氧化硅，然后进行固液分离，进而在含一定水分的乙醇溶液中，利用石灰遇水反应释放的钙离子将有机碳交联搭接在一起，形成无序状的结构物。其反应机理为：煤矸石为层状结构物，在硝酸和不断球磨撞击的作用下，煤矸石中的主要杂质元素逐渐被酸溶解，离开煤矸石进入溶液体系，而二氧化硅和有机碳不溶于酸，经过滤、洗涤，干燥后保存下来。此时，有机碳由于硝酸的强氧化作用，其表面嫁接一定数量的羟基、羧基等含氧官能团。将二氧化硅和有机碳的混合物分散于90wt%的乙醇溶液中，石灰遇水反应释放钙离子，利用钙离子与有机碳表面含氧官能团之间的化学交联作用，将有机碳交联搭接形成无序状结构物，无定形的二氧化硅均匀分散于结构物的孔隙中。

由于无定形的二氧化硅比表面积大，且活性高，可以将铝粉吸附在无序状结构物的孔隙中，形成了外围是有机碳，孔隙中均匀分布着无定形的二氧化硅和铝粉的类似“微胶囊”无序状结构物。所述的“微胶囊”无序状结构物是钙离子触发机制，可实现煤矸石料浆稠化速度与铝粉发气曲线的完美协调，其原因在于：一方面当所有的砌块原材料加在一起开始搅拌混合时，水泥和石灰的水化反应、煤矸石中残留有机碳吸附水均消耗自由水；同时释放大量的钙离子，溶液中的钙离子与“微胶囊”无序状结构物孔隙中的二氧化硅反应，形成凝胶；这两方面作用使煤矸石料浆在不断搅拌的过程中逐渐稠化，而水泥及石灰水化产生钙离子与二氧化硅的反应会释放其吸附的铝粉，导致铝粉遇碱液反应释放氢气，从而实现了“微胶囊”无序状结构物的钙离子发气触发机制，保证了料浆稠化的同时也在发气，完成了稠化与发气的协调一致性。

另外，本发明利用上述的“微胶囊”无序状结构物的钙离子发气触发机制扩展了所述煤矸石的掺加量及砌块产品生产的高质量，彻底杜绝了表面气泡及塌模等质量问题，加速了煤矸石的消耗量，拓宽了蒸压混凝土的原材料来源，为煤矸石固废的减量化、资源化利用提供了一种新的解决途径。变废为宝，有助于解决煤矸石固废堆放引起的画境问题，有利于社会的可持续发展。

本发明制备的混凝土砌块性能满足A5.0 B06标准，力学性能优异，密度低，长期体积稳定性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1制备的“微胶囊”无序状结构物的扫描电镜照片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

一种煤矸石基蒸压加气混凝土砌块，制备方法如下：

（1）将75重量份的煤矸石（二氧化硅含量为62.00wt%）破碎至粒度为0.1~20mm，然后加入到盛有浓度为20wt%的工业废硝酸的玛瑙球磨机中，以氧化铝陶瓷球研磨4h，在酸浸和不断研磨的过程中，使煤矸石中的有机碳和无定形的二氧化硅不断解离下来；然后进行固液分离，分别得到液相和固相产物，液相产物的主要成分为有机碳和无定形的二氧化硅，固相产物的主要成分为剩余的煤矸石及铝酸盐矿物等，将固相产物保存，将液相产物再次进行充分洗涤过滤后，干燥备用；

（2）将步骤（1）得到的干燥后的液相产物分散在90wt%的乙醇溶液中，在不断超声的条件下加入300目石灰（有效氧化钙含量为95wt%）10份，设置超声功率为5kW，超声时间为2h，石灰遇水反应释放钙离子，交联有机碳表面的含氧官能团，有机碳通过钙离子与官能团的交联作用不断搭接在一起，干燥后得到有机碳交联的无序状结构物，无定形的二氧化硅均匀分散在无序状结构物的孔洞中；

（3）将步骤（2）得到的有机碳交联的无序状结构物分散在99wt%的异丙醇溶液中，向其中加入铝粉（细度为60~80μm，活性铝的含量为98wt%）0.01份，持续搅拌4h，使铝粉充分填充在结构物的孔隙中，烘干，得到二氧化硅、铝粉均匀分布于孔隙的“微胶囊”无序状结构物（如图1所示）；

（4）将步骤（3）得到的“微胶囊”无序状结构物与步骤（1）得到的固相产物、15份P.O42.5水泥、1份脱硫石膏（100目）、5份300目石灰（有效氧化钙含量为95wt%）、30份水、0.5份萘系减水剂和0.2份聚丙烯酰胺消泡剂充分搅拌混合，浇筑成模，60℃静停发气4h，得到硬化坯体，切割、脱模处理后进行蒸压养护，蒸压养护的温度为150℃，升温时间为0.5h，保温时间为8h，压力为1MPa，最后干燥处理后得到全煤矸石基的蒸压加气混凝土砌块。

实施例2

一种煤矸石基蒸压加气混凝土砌块，制备方法如下：

（1）将85重量份的煤矸石（二氧化硅含量为55.40wt%）破碎至粒度为0.1~20mm，然后加入到盛有浓度为15wt%的工业废硝酸的玛瑙球磨机中，以氧化铝陶瓷球研磨6h，在酸浸和不断研磨的过程中，使煤矸石中的有机碳和无定形的二氧化硅不断解离下来；然后进行固液分离，分别得到液相和固相产物，液相产物的主要成分为有机碳和无定形的二氧化硅，固相产物的主要成分为剩余的煤矸石及铝酸盐矿物等，将固相产物保存，将液相产物再次进行充分洗涤过滤后，干燥备用；

（2）将步骤（1）得到的干燥后的液相产物分散在90wt%的乙醇溶液中，在不断超声的条件下加入100目石灰（有效氧化钙含量为98wt%）20份，设置超声功率为8kW，超声时间为1h，石灰遇水反应释放钙离子，交联有机碳表面的含氧官能团，有机碳通过钙离子与官能团的交联作用不断搭接在一起，干燥后得到有机碳交联的无序状结构物，无定形的二氧化硅均匀分散在无序状结构物的孔洞中；

（3）将步骤（2）得到的有机碳交联的无序状结构物分散在99wt%的异丙醇溶液中，向其中加入铝粉（细度为60~80μm，活性铝的含量为92wt%）1份，持续搅拌6h，使铝粉充分填充在结构物的孔隙中，烘干，得到二氧化硅、铝粉均匀分布于孔隙的“微胶囊”无序状结构物；

（4）将步骤（3）得到的“微胶囊”无序状结构物与步骤（1）得到的固相产物、5份P.O42.5水泥、5份天然石膏（300目）、50份水、3份聚羧酸减水剂和2份皂荚粉消泡剂充分搅拌混合，浇筑成模，80℃静停发气2h，得到硬化坯体，切割、脱模处理后进行蒸压养护，蒸压养护的温度为200℃，升温时间为2h，保温时间为6h，压力为1.5MPa，最后干燥处理后得到全煤矸石基的蒸压加气混凝土砌块。

对比例1

一种煤矸石基蒸压加气混凝土砌块，制备方法如下：

将75重量份的煤矸石（二氧化硅含量为62.00wt%，粒度为0.1~20mm）、0.01份铝粉（细度为60~80μm，活性铝的含量为98wt%）、15份P.O 42.5水泥、1份脱硫石膏（100目）、15份300目石灰（有效氧化钙含量为95wt%）、30份水、0.5份萘系减水剂和0.2份聚丙烯酰胺消泡剂充分搅拌混合，浇筑成模，60℃静停发气4h，得到硬化坯体，切割、脱模处理后进行蒸压养护，蒸压养护的温度为150℃，升温时间为0.5h，保温时间为8h，压力为1MPa，最后干燥处理后得到全煤矸石基的蒸压加气混凝土砌块。

对比例2

一种煤矸石基蒸压加气混凝土砌块，制备方法如下：

（1）将75重量份的煤矸石（二氧化硅含量为62.00wt%）破碎至粒度为0.1~20mm，然后加入到盛有浓度为20wt%的工业废硝酸的玛瑙球磨机中，以氧化铝陶瓷球研磨4h，在酸浸和不断研磨的过程中，使煤矸石中的有机碳和无定形的二氧化硅不断解离下来；然后进行固液分离，分别得到液相和固相产物，液相产物的主要成分为有机碳和无定形的二氧化硅，固相产物的主要成分为剩余的煤矸石及铝酸盐矿物等，将固相产物保存，将液相产物再次进行充分洗涤过滤后，干燥备用；

（2）将步骤（1）得到的固相产物、液相产物、0.01份铝粉（细度为60~80μm，活性铝的含量为98wt%）、15份P.O 42.5水泥、1份脱硫石膏（100目）、15份300目石灰（有效氧化钙含量为95wt%）、30份水、0.5份萘系减水剂和0.2份聚丙烯酰胺消泡剂充分搅拌混合，浇筑成模，60℃静停发气4h，得到硬化坯体，切割、脱模处理后进行蒸压养护，蒸压养护的温度为150℃，升温时间为0.5h，保温时间为8h，压力为1MPa，最后干燥处理后得到全煤矸石基的蒸压加气混凝土砌块。

对实施例1~2、对比例1~2制得的蒸压加气混凝土砌块性能进行检测，结果如下表1所示。

表1 蒸压加气混凝土砌块性能检测结果

如表1所示，本发明提供的煤矸石基蒸压加气混凝土砌块性能满足A5.0 B06标准，力学性能优异，密度低，长期体积稳定性好。对比实施例1~2和对比例1，煤矸石未经过工业废硝酸处理直接制备混凝土，煤矸石中的碳会在浇筑过程中吸水，导致料浆粘度偏大，稠化速度慢，与铝粉发气不匹配，导致最终得到的蒸压加气混凝土气孔的结构不稳定，表面冒泡，干密度低，强度差，导热性能不佳。对比实施例1~2和对比例2，煤矸石酸浸后的液相产物干燥后与固相产物、铝粉、水泥、石膏、石灰、水和辅料混合搅拌制备蒸压加气混凝土，产品性能同对比例1基本一致，主要是因为煤矸石虽然经过酸浸处理，但液相产物并没有交联形成多孔的无序状结构物，而铝粉也没有填充在其孔隙结构中，所以无法实现本发明的钙离子触发机制的发气作用。两个对比例的结果也证明了本发明方法的优势所在。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。