烧结砖添加剂和高掺量粉煤灰烧结砖

摘要

本发明提供了一种用于粉煤灰烧结砖的添加剂，其组成中包括了粘结剂、减水剂、分散剂及增强剂成分，通过特定的比例配合成为本发明的添加剂。本发明同时提供了采用该添加剂作为外加剂制备高掺量粉煤灰烧结砖的方法，可以将烧结砖中的粉煤灰掺加量提高到85％，并且通过该添加剂的作用，同时提高了物料的塑性，可以生产表观密度更低，隔热性能更好的烧结砖产品。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种可用于烧结砖的添加剂，该添加剂尤其适用于生产高掺量粉煤灰烧结砖，本发明还涉及利用该添加剂制备高掺量粉煤灰烧结砖的工艺。

背景技术

实心粘土砖是传统的墙体材料，尤其在中国，实心粘土砖的使用占墙体材料总量的70％以上。然而，大量生产实心粘土砖要挖土毁田，消耗宝贵的国土资源，严重破坏生态平衡。多年来，国家有关部委多次下达在全国部分城市禁止生产和使用实心粘土砖的命令。

为了减少制砖行业的粘土用量，同时还要满足建筑业的需要，近30年来很多制砖企业开始利用粉煤灰生产粉煤灰烧结砖来取代实心粘土砖，对于降低粘土的使用具有一定的效果，但是在实际的工业化生产中，受到技术因素的制约，大多数企业所生产的粉煤灰烧结砖中粉煤灰的掺量仅为30-40％，粘土的用量仍高达60-70％。粉煤灰掺量之所以难以突破30-40％大关，关键在于粉煤灰本身是一种粉状、无粘结性的材料，掺多了砖坯料的塑性就会下降，致使挤不出合格的砖坯来，也就烧不出合格的砖。

利用粉煤灰掺入量在50％以上，例如60-80％的原料烧制的砖称为高掺量粉煤灰烧结砖。作为制砖行业公知的技术，在实心粘土砖原料中掺入不高于30％的粉煤灰，不用改变其生产工艺就可以生产出合格的实心粘土砖产品；当粉煤灰的掺量达到原料总量的40-50％时，必须对原生产工艺进行一定的调整改造，否则不能稳定地生产出合格的实心粘土砖；而当粉煤灰的掺入量高于50％时，粘土掺量被大幅减少，原料的性质就发生了本质变化。此时必须加入一定量的添加剂，并对原生产工艺进行一定的改造，才能生产出合格的砖产品。

另一方面，我国是以燃煤发电为主的国家，每年由于燃煤发电会排放大量粉煤灰，这些粉煤灰的贮存不仅侵占了大量农田土地，还会对地下水资源，对周边的生态环境构成严重污染和危害，从这一点来讲，粉煤灰已成为当代主要公害之一。

国家计委早在[1991]150号文《中国粉煤灰综合利用技术政策及实施要点》中已经明确指出要将大掺量粉煤灰制品(砖)的研究开发(掺量＞50％)列为重点开发、研究的课题。同时国内有一些关于高掺量粉煤灰烧结砖的技术研究和报道，其关键在于如何解决粉煤灰的塑性差，收缩系数大的缺陷，采取的方法一般是对作为原料的粉煤灰进行筛选和处理，尤其是筛选细度适当的粉煤灰，提高其比表面积，对于原料和操作条件要求都比较苛刻，为改善粉煤灰的塑性，除了加入一定量的粘土外，还使用例如碎玻璃、碳酸钠和云母粉一类的助熔剂，对工艺要求较高，得到的高掺量粉煤灰烧结砖在稳定性、抗压强度等方面还不能适应工业化生产。

通过外掺添加剂的使用或改进来尝试生产高掺量粉煤灰烧结砖近年来也有报道，为了烧制出能替代粘土砖，所采用的添加剂也有不同的组成，能够发现的报道一般都只提到烧制出的粉煤灰砖在抗压强度、吸水率等指标与普通粘土砖相当，而如何能更进一步改善高掺量粉煤灰砖的性能，在不增加生产难度和成本的前提下，得到在抗压强度、表观密度及隔热性能都优于粘土砖的高掺量粉煤灰砖，还没有研究报道。

无论从哪方面讲，研发利用粉煤灰作为主要原料生产高掺量粉煤灰砖，真正实现粉煤灰的综合利用，同时提高现行烧结砖的性能，都具有非常积极的效益。

发明内容

本发明的主要目的之一是提供一种烧结砖用添加剂，通过对其中各组分的合理调配，可以用于粉煤灰烧结砖的生产，尤其是可作为生产高掺量粉煤灰烧结砖的添加剂，不仅有助于提高粉煤灰在烧结砖中的掺量，而且有助于提高粉煤灰烧结砖的性能。

本发明同时提供了制备这种添加剂的方法。

本发明还提供了利用这种添加剂制备的烧结砖，尤其是高掺量粉煤灰烧结砖和该烧结砖的制备方法。

首先，本发明提供了一种可用于烧结砖的添加剂，或称外加剂，其由如下的四类组分配制而成：

A类，包括羧甲基纤维素、硅酸钠溶液和聚乙二醇双硬脂酸酯，其相应的重量比例关系为2-3∶1∶1；

B类，包括木质素磺酸盐、亚甲基二萘磺酸盐、三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物和β-萘磺酸甲醛缩合物中至少一种；

C类，包括松香热聚物、松香皂和烷基苯磺酸盐中至少一种；

D类，氧化铁粉或磷酸盐；

其中，每100重量份的所述添加剂中，上述各类组分的配制比例为A∶B∶C∶D＝40-50∶5-10∶10-30∶10-30。

该添加剂组成中，A类组分的羧甲基纤维素(CMC)、硅酸钠溶液和聚乙二醇双硬脂酸酯(PEG400DS)可起粘结和增稠作用；B类组分的木质素磺酸盐、亚甲基二萘磺酸盐、β-萘磺酸甲醛缩合物(商品名为扩散剂NNO)或三聚氰胺磺酸盐甲醛树脂(密胺树脂)作为分散剂起扩散作用；C类组分的松香热聚物、松香皂或烷基苯磺酸盐起微孔作用；而D类组分的氧化铁粉(Fe₂O₃)、磷酸盐则作为增强剂起增强作用，尤其是使用氧化铁粉时，除了有助于提高烧结砖的强度，还能使烧制出的砖具有红色的外观。

在本发明的添加剂组成中，优选的，所述木质素磺酸盐为其钙盐或钠盐，例如木质素磺酸钙、木质素磺酸钠等，其分子量范围一般在1000-100000；所述亚甲基二萘磺酸盐可以为其钠盐或钾盐；而烷基苯磺酸盐则属于阴离子表面活性剂类产品；硅酸钠溶液，又称水玻璃或泡花碱，本发明是选用密度为1.3-1.4千克/升或模数M＝3.1-3.4的硅酸钠溶液；本发明所用的磷酸盐优选是酸式磷酸盐，例如，磷酸二氢钠或磷酸二氢氨等。

根据本发明优选的实施方案，每100重量份的添加剂中所含组分的含量比为：A类组分40-50、B类组分木质素磺酸盐5-10、C类组分松香热聚物10-30、D类组分氧化铁粉10-30。

上述添加剂的制备过程可以将各组分按比例称取后加入适量的水通过简单的混合而完成，产品形式可以为糊状体。优选的制备方法是量取所述组分总质量的大约30-50倍水，先分别将羧甲基纤维素和聚乙二醇双硬脂酸酯用其自身质量的大约5-20倍水稀释均匀，再与其余组分一起加入余量水中搅拌成为糊状均匀体。

本发明的添加剂采用了常规的化工原料经过科学合理的组合，组分的选用和配比与现有技术完全不同，用于制砖过程中可以实现最大量地提高粉煤灰的掺加量，降低砖中粘土的用量，生产出高掺量的烧结粉煤灰砖。

本发明的添加剂是一种新型的烧结砖外加助剂，发明人经过大量试验揭示，将本发明的添加剂用于烧结砖的生产，尤其是粉煤灰烧结砖的生产中，通过多种成分的组合和共同作用，能够更加有效地改善制砖原料，尤其是以粉煤灰为主料的原料的塑性和其它物理性质，不需特殊的烧制工艺就可生产与使用多年的粘土实心砖相当甚至性能提高的高掺量粉煤灰砖，并且作为一种工业化产品集中制造后提供给制砖企业，即保证了质量的稳定，也降低了制砖的成本和工艺难度。

本发明的另一方面是提供了高掺量粉煤灰烧结砖及其生产工艺。

本发明的粉煤灰烧结砖的原料组成包括：80-85％的粉煤灰主料、15-20％的粘结剂；前述添加剂作为外加剂，其外掺量为3-5％。

将原料混合均匀制成砖坯，经烧制即为所述高掺量粉煤灰烧结砖产品。

可以看到，在本发明的粉煤灰烧结砖配方中，粉煤灰是作为了主料，粘土用量显著减少，以这样组成结构的原料混合后的塑性远不能与粘土相比，而本发明能利用这样的原料烧制出合格的砖，关键在于使用了特殊的添加剂作为掺加助剂。

发明人在试验中发现，由于使用上述掺加助剂从以下方面保证了烧结砖的生产：一、改善了由于粉煤灰用量大，粘土用量少带来的物料塑性降低的缺陷；二、粉煤灰的熔点比粘土高，适量添加剂的使用降低了砖坯的烧结温度，有利于提高焙烧质量；三、由于助剂内含有部分分散剂，加入后有利于物料在搅拌过程中均匀性的改善和提高；四、该外掺助剂中同时还含有的起微孔作用的减水剂(C类组分)和增强剂(D类组分)则赋予烧结砖一定数量的均匀的封闭微孔结构，这样既降低了砖的密度提高了保温性能，又减少了砖的吸水率提高产品的抗冻性能和耐久性。

前面已经提到，粉煤灰来自燃煤发电业的排放，具有充足的资源，本发明的烧结砖生产恰好起到了化害为益，变废为宝的效果。在作为制砖主料时，希望使用的粉煤灰的细度尽量高，粉煤灰越细，坯料的粘结性将越好，并且烧失量越小，有利于坯体成型。由于粉煤灰的粘性低，而且在烧制过程中容易变形收缩，为降低整砖坯收缩，视不同来源粉煤灰的性质差异，可以在粉煤灰主料中掺入适量骨料，例如炉渣或砂子。所述骨料是否需要及具体掺入量视粉煤灰主料的性质，还需要视粘土的砂含量来确定。炉渣的颗粒比较粗，适宜作为骨料加入，起到减少砖坯在干燥和焙烧时收缩的作用，另一方面，炉渣的加入还可作为内燃料提供焙烧能源，所以，本发明所述的“粉煤灰主料”可以完全由粉煤灰构成，也可以含有适量的骨料(或称辅料)，例如在粉煤灰主料中可以加入粉煤灰质量的5-25％的炉渣。

粉煤灰的缺点是粘性和塑性差，所以本发明提出的粉煤灰烧结砖的原料中虽然是以粉煤灰为主料，还需要添加适量的粘结剂，例如可以包括粘土、页岩粉、矸石粉、膨润土或它们的混合物。综合考虑，优选使用粘土或页岩粉。

在该粉煤灰烧结砖的生产过程中，原料的均匀混合对于砖坯的质量是很重要的，在生产中可以按照粉煤灰、粘结剂(粘土)、骨料(如果需要)和助剂的顺序投料，助剂最好用拌合水稀释后加入到事先被干搅拌混合后的物料中，继续搅拌均匀即可进行砖坯成型，原料的混合优选采用碾练方法。成型好的砖坯干燥至含水率小于7％时即可采用常规方法烧结，考虑到粉煤灰掺量高的特点，焙烧温度适宜控制在950-1050℃，尤其适宜在1000-1050℃焙烧。

本发明的高掺量粉煤灰烧结砖通过专用添加剂的使用，在制砖过程对原料的规格和性质没有特殊要求，确保生产的高掺量粉煤灰烧结砖具有符合国家相关标准的质量规格。在此基础上，申请人的试验结果还显示，采用本发明的专用添加剂生产的烧结砖产品除了可提高粉煤灰掺量外，还具有强度高、重量轻、隔热效果好的特点。根据黑龙江省工程质量监督检验测试中心的测试结果，本发明生产的高掺量粉煤灰烧结砖的抗压强度平均值可达到19.4MPa，高于国家标准的10.0MPa；表观密度可低于1500kg/m³，通常规格为0.24×0.115×0.053m的粘土烧结砖的单块重量在2.5kg，而按照本发明方法制备的同样规格的粉煤灰烧结砖的单块重量在2.2kg；另外，普通粘土烧结砖的导热系数一般在0.7W/m.k左右，本发明制备的烧结砖的导热系数可以低至0.486W/m.k，可见，本发明的高掺量粉煤灰烧结砖完全可以替代传统的粘土砖，并且由于更低的密度和导热系数，更适合作为建筑物的外墙砖材料。

*本添加剂对页岩烧结砖、矸石烧结砖也有良好效果。

具体实施方式

以下结合具体实施例详细说明本发明的实现和所具有的有益功效，但仅为了帮助阅读者更好地理解本发明的特点和可实施性，并不能限定本发明的可实施范围。

实施例1

添加剂的配制比例(重量)：A∶B∶C∶D＝50∶10∶20∶20。

A：羧甲基纤维素(30克)、硅酸钠溶液(10克)、聚乙二醇双硬脂酸脂(10克)；

B：木质素磺酸钙(10克)；

C：松香热聚物(20克)；

D：三氧化二铁粉(20克)。

配制方法如下：

1、将以上各种物料按上述计量称重配料。

2、将羧甲基纤维素用600克水稀释、拌匀备用。

3、将聚乙二醇双硬脂酸酯用100克水稀释、拌匀备用。

4、将2、3和其余物料以及3700克水放入容器搅拌机内搅拌10分钟，使其成为糊状均匀体即得本发明实例所用的添加剂。

实施例2

添加剂的配料比例：A∶B∶C∶D＝40∶10∶30∶20

A：羧甲基纤维素(22克)、硅酸钠溶液(8克)、聚乙二醇双硬脂酸脂(10克)。

B：三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物(10克)。

C：烷基苯磺酸盐(30克)。

D：三氧化二铁粉(20克)。

配制方法如下：

1、将以上各种物料按上述计量称重配料。

2、将羧甲基纤维素用400克水稀释、拌匀备用。

3、将聚乙二醇双硬脂酸酯用200克水稀释、拌匀备用。

4、将2、3和其余物料以及3800克水放入容器搅拌机内搅拌10分钟，使其成为糊状均匀体，即得本发明的添加剂。

实施例3

添加剂的配料比例：A∶B∶C∶D＝45∶5∶20∶30

配制方法同实施例1。

实施例4

高掺量粉煤灰烧结砖的生产

将生产原料按如下比例：

粉煤灰(哈尔滨第三电厂湿排粉煤灰)：72千克(比例为80％)，粘土：18千克(比例为20％)，实施例的添加剂：4.5千克(外掺比例为5％)。将经过计量的粉煤灰和粘土放入轮碾机(哈尔滨市瑞恒机械厂提供)内碾练3-5分钟，加入添加剂和适量水稀释液继续碾练3-5分钟，陈化48小时，物料含水率控制在16-18％，备用。

陈化好的物料制成砖坯(单块规格0.24×0.115×0.053m)，经过干燥(含水率小于7％后)、送入轮窑焙烧，控制最高焙烧温度1050℃，可制成高掺量烧结粉煤灰砖。

经检测，该粉煤灰砖的尺寸偏差和外观质量方面的指标均符合相关标准，可评定为一等品。

发明人还将该产品送黑龙江省工程质量监督检验测试中心进行抗压强度、抗风化性能等指标的测试，结果显示：

抗压强度(MPa)：平均值19.4；变异系数0.33；单块最小值9.1；

5h沸煮吸水率：平均值20.5；单块最大值21.3；饱和系数平均值≤0.80；饱和系数的单块最大值≤0.83。

泛霜、石灰爆裂、冻融等指标均符合GB 5101-2003的《普通烧结砖》标准。

该砖的单块重量2.2kg，导热系数0.486W/m.k，可用于外墙砖。

实施例5

高掺量粉煤灰烧结砖的生产

将生产原料按如下比例：

粉煤灰：65千克，炉渣(粉碎成小于3mm)：20千克，粘土或页岩粉：15千克，实施例2的添加剂：3千克。

烧结砖的制备方法同实施例1。

该砖体为砖红色，各项性能指标与实施例4相似。