一种地质聚合物墙板及挤压成型方法与流程

本发明属于地质聚合物材料领域，具体涉及一种地质聚合物墙板及其成型方法。

背景技术：

地质聚合物在人类社会中的使用由来已久，可以追溯到古埃及金字塔和古罗马大竞技场等建筑中的使用，由于地质聚合物中存在沸石相，具有普通硅酸盐水泥中没有的硅氧四面体和铝氧四面体结构，所以具有优异的耐久性。地质聚合物于20世纪70年代首次使用偏高岭土合成，而粉煤灰、粒化高炉矿渣和赤泥等大宗工业固体废弃物具有和偏高岭土类似的物料特性，使用工业固体废弃物制备地质聚合物，为工业固体废弃物的资源化指明了一条切实可行的道路。地质聚合物自身的能耗和碳排放量要远低于普通硅酸盐水泥，同时可以将磷石膏、硫石膏等含钙的固体废弃物引入地质聚合物来调整其加工性能和强度，也可以将金属尾矿渣和非金属尾矿渣作为细骨料加入地质聚合物制备地质聚合物砂浆。利用地质聚合物制备墙板可以有效支撑建筑、运输等基础设施的建设，同时消耗大量堆积的工业固体废弃物，减轻正在日益严重的环境负担。

已有的粉煤灰/PVC、赤泥/PVC复合材料和纤维石膏空心板等新兴建材，由于加工成型方法和材料体系的限制，难于实现大宗工业固体废弃物的大规模利用，而相较于这些材料地质聚合物以粉煤灰或粒化高炉矿渣等为原料，引入含钙物质后可以获得非常短的成型时间和较高的强度和优异耐久性。而且通过螺杆挤出成型的加工方式，不但可以保证连续高效的自动化生产，还可以降低人工成本并保证稳定的产品质量。

中国专利CN 103396078 A公开了一种地质聚合物原料组分，由磷石膏、粉煤灰、325矿渣水泥、生石灰和外加剂组成，质量比为60-70：10-15：10-15:3.0-4.98:0.01-0.02。初凝时间为90min至180min，终凝时间为240min-360min，抗压强度为2.75MPa。该专利公开的一种地质聚合物原料组分中含有325矿渣水泥，是一种广泛应用的水硬性凝胶材料，不属于工业固体废弃物，而且该专利公开的地质聚合物性能却较差，凝结时间和抗压强度均为体现出地质聚合物自身快凝早强的特点。

中国专利CN 104098282 A公开了一种地质聚合物原料组成，由100重量份含硅粉状物料、30-60重量份碱性激发剂、0-10重量份添加剂组成，其中含硅粉状物料中CaO含量不低于4%，粉煤灰含量高于85%。初凝时间可以在10-20分钟之间，1天抗压强度最高可以为8MPa，采用搅拌浇筑成型的制备方法。该专利中公开的地质聚合物具有较短的凝结时间及较高的早期强度，但是采用浇筑成型的制备方法效率较低，不能连续生产。

目前已公开的专利中，地质聚合物的抗压强度、凝结时间等性能指标只能满足浇筑、采空区填充等应用，生产效率低、工业固体废弃物资源化程度不足，并未将地质聚合物的特点完全发挥出来。

由于较为严格的配比设计和养护制度的限制，除在澳大利亚等少数国家和地区实现了例如机场跑道和楼宇建造的大规模实际应用，地质聚合物还未实现和硅酸盐水泥一样的大批量应用规模。结合少数的应用实例和地质聚合物材料特性，在工厂内的预制生产将会是此类材料的发展趋势，并且快速高效的预制件结构符合快速建筑、绿色低碳建筑等最新的发展趋势。本发明提供了一种可行的解决方案，既可以实现大宗工业固体废弃物的资源化，同时在工厂内实现预制墙板的高效连续生产，注重产品的低成本、高附加值和显著的环境效益。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种将工业固体废弃物资源化与绿色建筑墙板相结合的解决方案。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种地质聚合物墙板，由如下组分原料制成：

固体组分，按重量份包括：硅铝质工业固体废弃物100份、钙质工业固体废弃物3-30份、短切纤维1-10份、细骨料100-200份和固体外加剂1-3份；

液体组分，按重量份包括：占固体组分10-20%的碱性激发剂、占固体组分10-15%的水和占固体组分1-3%的液体外加剂。

其中，所述硅铝质工业固体废弃物为偏高岭土、粒化高炉矿渣粉、粉煤灰、赤泥之中的一种或几种。

其中，所述的钙质工业固体废弃物为生石灰、熟石灰、磷石膏、硫石膏之中的一种或几种。

其中，所述短切纤维为玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维之中的一种或几种，短切纤维长度为5-15毫米。

其中，所述短切纤维长度为5-15毫米。

其中，所述固体外加剂为膨胀剂、增韧剂、抗裂剂之中的一种或几种，液体外加剂为缓凝剂、减缩剂、增韧剂、增塑剂、偶联剂和憎水剂之中的一种或几种。

其中，所述的碱性激发剂为氢氧化钠、氢氧化钾、钠水玻璃、钾水玻璃溶液之中的一种或几种的复配。

其中，所述氢氧化钠、氢氧化钾的浓度为5-15mol/L，复配激发剂的模数为1.0-1.8，优选模数为1.1-1.3。

其中，所述的细骨料为金属尾矿及非金属尾矿经破碎后的细砂。

本发明还提供一种所述的地质聚合物墙板的挤压成型方法，采用包括双螺杆挤压系统1和单螺杆挤压系统3的复合挤压系统，所述双螺杆挤压系统1包括双螺杆挤压机7、强制喂料螺杆8、固体原料料斗9、计量泵10和液桶11；单螺杆挤出成型系统3包括单螺杆挤压机5和墙板模具6；

地质聚合物墙板的成型方法包括如下步骤：

按上述地质聚合物墙板的所述的比例称取原料组分，固体组分经充分搅拌后加入到双螺杆挤压系统1的固体原料料斗9；液体组分加入对应的液桶11；

将固体组分和液体组分分别通过强制喂料螺杆8和计量泵10喂入双螺杆挤压机7内，控制强制喂料螺杆8的螺杆转速和计量泵10的流量，使其满足权利要求1所述的固液配比关系；

固体组分和液体组分在双螺杆挤压机7内在螺杆的搅拌下，混合均匀，控制螺杆转速，使物料在双螺杆挤压系统1内的停留时间为5-10min；

充分搅拌后的料浆经连接过渡装置2供给单螺杆挤成型系统3的单螺杆挤压机6，料浆经螺杆搅拌、建压后进入墙板模具5成型，控制单螺杆挤压机6的螺杆转速，使料浆在单螺杆挤压系统3内的停留时间为10-15min；

成型后的地质聚合物墙板经切割后进入养护窑中养护，养护温度为60-80℃，相对湿度为80-90%，养护时间12-24小时，再经过15-20天的自然养护即得到最终的地质聚合物墙板。

由于采用了以上技术方案，本发明的地质聚合物墙板具有以下优点：

（1）实现工业固体废弃物的资源化和再利用，以工业固体废弃物为主要原料用于地质聚合物墙板的制备，不添加任何普通硅酸盐水泥等凝胶材料，最大程度地挖掘出工业固体废弃物的潜在价值；

（2）采用双阶式螺杆挤压成型的成型工艺，实现了固液两相的在线配混，连续成型。提高了成型效率并提高产品质量的稳定性，弥补了传统的浇筑成型生产效率低，劳动强度大等不足之处；

（3）本发明制备的地质聚合物墙板，具有较高的抗压、抗折强度，耐水性和韧性。本发明制备的地质聚合物墙板符合绿色建筑、快速建筑、预制结构等发展趋势，可以在基础设施建设、环境保护等领域创造较大的社会经济价值。

附图说明

图1是一种地质聚合物墙板及挤压成型方法的墙板结构示意图。

图2是一种地质聚合物墙板及挤压成型方法的示意图。

图3是一种地质聚合物墙板及挤压成型方法的工艺流程图。

其中：1-双螺杆挤压系统， 2-连接过渡装置， 3-单螺杆挤压系统， 4-墙板， 5-墙板模具， 6-单螺杆挤压机， 7-双螺杆挤压机， 8-强制喂料螺杆， 9-固体原料料斗，10-计量泵，11-液体原料桶。

具体实施方式：

为进一步阐明本发明，以下结合具体实例进行说明，但本发明的内容不仅仅局限于以下实例。本发明中地质聚合物墙板及其挤压成型方法原料组分中各原料均以重量计算。

实例一：

一种地质聚合物墙板及挤压成型方法，固体组分中，采用硅铝质工业固体废弃物100份、钙质工业固体废弃物30份、短切纤维10份、细骨料200份、固体外加剂3份；液体组分中，采用占固体组分的20%的碱性激发剂、占固体组分的15%的水、占固体组分的3%的液体外加剂。

其中硅铝质工业固体废弃物为粒化高炉矿渣粉和低钙粉煤灰的混合物，钙质工业固体废弃物选用熟石灰，短切纤维为长度为10毫米的聚乙烯醇纤维，细骨料为铁尾矿经破碎后的细砂（我国铁尾矿渣的利用率较低，由于以二氧化硅为主要成分，所以作为细骨料进行填充的潜力很大，即便含有较多其他成分，也可以在地质聚合物材料体系中得到很好的相容性），固体外加剂为膨胀剂；碱性激发剂选用氢氧化钠和钠水玻璃的复合激发剂，模数为1.2，可以获得较短的凝结时间和较高的早期强度，液体外加剂为偶联剂。

上述地质聚合物墙板的挤压成型方法，采用包括双螺杆挤压系统1和单螺杆挤压系统3的复合挤压系统，所述双螺杆挤压系统1包括双螺杆挤压机7、强制喂料螺杆8、固体原料料斗9、计量泵10和液桶11；单螺杆挤出成型系统3包括单螺杆挤压机5和墙板模具6；

地质聚合物墙板的成型方法包括如下步骤：

按上述比例称取原料组分，固体组分经充分搅拌后加入到双螺杆挤压系统1的固体原料料斗9；液体组分加入对应的液桶11；

将固体组分和液体组分分别通过强制喂料螺杆8和计量泵10喂入双螺杆挤压机7内，控制强制喂料螺杆8的螺杆转速和计量泵10的流量，使各组分满足上述固液配比关系；

固体组分和液体组分在双螺杆挤压机7内在螺杆的搅拌下，混合均匀，控制螺杆转速，使物料在双螺杆挤压系统1内的停留时间为5min；

充分搅拌后的料浆经连接过渡装置2供给单螺杆挤成型系统3的单螺杆挤压机6，料浆经螺杆搅拌、建压后进入墙板模具5成型，控制单螺杆挤压机6的螺杆转速，使料浆在单螺杆挤压系统3内的停留时间为10min；

成型后的地质聚合物墙板经切割后进入养护窑中养护，养护温度为65℃，相对湿度为80-90%，养护时间12小时，再经过15-20天的自然养护即得到最终的地质聚合物墙板。

本实例中制备的地质聚合物墙板的抗压强度为50MPa，抗折强度为9MPa，软化系数为0.89。

实例二：

一种地质聚合物墙板及挤压成型方法，固体组分中，采用硅铝质工业固体废弃物100份、钙质工业固体废弃物15份、短切纤维5份、细骨料150份、固体外加剂3份；液体组分中，采用占固体组分的15%的碱性激发剂、占固体组分的15%的水、占固体组分的3%的液体外加剂。

其中硅铝质工业固体废弃物为粒化高炉矿粉、粉煤灰和赤泥的混合物，钙质工业固体废弃物选用生石灰和磷石膏的混合物，短切纤维为长度为5毫米的聚丙烯纤维，细骨料为铜尾矿经破碎后的细砂（铜离子对于地质聚合物结构没有显著的影响，所以铜可以被很好的固封在地质聚合物结构中，实现铜尾矿砂的高效利用），固体外加剂为增韧剂；碱性激发剂选用氢氧化钠和钾水玻璃的复合激发剂，模数1.2，钾水玻璃有利于降低返碱的可能性，液体外加剂为减缩剂偶联剂。

上述地质聚合物墙板的挤压成型方法，采用包括双螺杆挤压系统1和单螺杆挤压系统3的复合挤压系统，所述双螺杆挤压系统1包括双螺杆挤压机7、强制喂料螺杆8、固体原料料斗9、计量泵10和液桶11；单螺杆挤出成型系统3包括单螺杆挤压机5和墙板模具6；

地质聚合物墙板的成型方法包括如下步骤：

按上述比例称取原料组分，固体组分经充分搅拌后加入到双螺杆挤压系统1的固体原料料斗9；液体组分加入对应的液桶11；

将固体组分和液体组分分别通过强制喂料螺杆8和计量泵10喂入双螺杆挤压机7内，控制强制喂料螺杆8的螺杆转速和计量泵10的流量，使各组分满足上述固液配比关系；

固体组分和液体组分在双螺杆挤压机7内在螺杆的搅拌下，混合均匀，控制螺杆转速，使物料在双螺杆挤压系统1内的停留时间为7min；

充分搅拌后的料浆经连接过渡装置2供给单螺杆挤成型系统3的单螺杆挤压机6，料浆经螺杆搅拌、建压后进入墙板模具5成型，控制单螺杆挤压机6的螺杆转速，使料浆在单螺杆挤压系统3内的停留时间为10min；

成型后的地质聚合物墙板经切割后进入养护窑中养护，养护温度为70℃，相对湿度为80-90%，养护时间24小时，再经过15-20天的自然养护即得到最终的地质聚合物墙板。

本实例中制备的地质聚合物墙板的抗压强度为40MPa，抗折强度为8MPa，软化系数为0.83。

实例三：

一种地质聚合物墙板及挤压成型方法，固体组分中，采用硅铝质工业固体废弃物100份、钙质工业固体废弃物3份、短切纤维1份、细骨料100份、固体外加剂1份；液体组分中，采用占固体组分的10%的碱性激发剂、占固体组分的10%的水、占固体组分的1%的液体外加剂。

其中硅铝质工业固体废弃物为粒化高炉矿粉、粉煤灰的混合物，细骨料为白云石尾矿经破碎后的细砂（白云石在地质聚合物体系中不会发生碱骨料反应，同时可以进一步增强地质聚合物的强度）；碱性激发剂选用氢氧化钠溶液，浓度为15mol/L。

上述地质聚合物墙板的挤压成型方法，采用包括双螺杆挤压系统1和单螺杆挤压系统3的复合挤压系统，所述双螺杆挤压系统1包括双螺杆挤压机7、强制喂料螺杆8、固体原料料斗9、计量泵10和液桶11；单螺杆挤出成型系统3包括单螺杆挤压机5和墙板模具6；

地质聚合物墙板的成型方法包括如下步骤：

按上述比例称取原料组分，固体组分经充分搅拌后加入到双螺杆挤压系统1的固体原料料斗9；液体组分加入对应的液桶11；

将固体组分和液体组分分别通过强制喂料螺杆8和计量泵10喂入双螺杆挤压机7内，控制强制喂料螺杆8的螺杆转速和计量泵10的流量，使各组分满足上述固液配比关系；

固体组分和液体组分在双螺杆挤压机7内在螺杆的搅拌下，混合均匀，控制螺杆转速，使物料在双螺杆挤压系统1内的停留时间为10min；

充分搅拌后的料浆经连接过渡装置2供给单螺杆挤成型系统3的单螺杆挤压机6，料浆经螺杆搅拌、建压后进入墙板模具5成型，控制单螺杆挤压机6的螺杆转速，使料浆在单螺杆挤压系统3内的停留时间为15min；

成型后的地质聚合物墙板经切割后进入养护窑中养护，养护温度为80℃，相对湿度为80-90%，养护时间24小时，再经过15-20天的自然养护即得到最终的地质聚合物墙板。

本实例中制备的地质聚合物墙板的抗压强度为50MPa，抗折强度为9MPa，软化系数为0.89。