CN102731138A - 一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷及制备方法，是将赤泥、粉煤灰过300目筛后与碳酸钙、硼砂和聚乙烯醇粘接剂混合、研磨，制成配合料，然后压制成块状坯体；将成型后的块状坯体置于烧结炉中进行烧结，在烧结过程中形成分布均匀的气孔，冷却到室温后得到高强度高气孔率的工业废渣基泡沫陶瓷。泡沫陶瓷中大量气孔的存在赋予其优良的隔热（夏天）、保温（冬天）和隔音功能，高温烧结过程中的化学结合又使得这种泡沫陶瓷有高的强度和耐高温性能。这种泡沫陶瓷的制备工艺简单，烧结温度低，生产成本低，粉煤灰和赤泥总引入量达到70wt%或70wt%以上，可大量消耗粉煤灰、赤泥类工业废渣，可广泛应用于建筑物顶层（隔热、保温）、室内非承重墙（隔热、保温、隔音）及室内外墙（隔热、保温），使用过程中不再产生新的工业废渣，属环保型多功能建筑材料。

Description

一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷及制备方法

技术领域

本发明涉及一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷及制备方法，属与资源（土地、矿产）、环保（有毒有害物排放）、能源（建筑物节能降耗）和新材料多学科交叉技术领域。

技术背景

粉煤灰作为燃煤电厂排出的固体废弃物，其对环境的污染是多方面的。粉煤灰的处置及加工利用过程中，其中富集的有害元素可通过各种方式侵入环境，危害生物及人体健康。贮存在灰场的粉煤灰，水分一旦蒸发，遇到四级以上的风力就可将表层灰粒剥离扬弃，扬灰高度可达40-50m，不仅影响能见度，而且在潮湿环境中会对建筑物、露天雕塑品等表面造成腐蚀。粉煤灰对水体的污染主要是电厂直接向水域排灰。粉煤灰进入水体，形成沉淀物、悬浮物、可溶物等物质而使水浊度增加，恶化水质。粉煤灰被大量贮存堆放，不仅占用耕地，污染环境，而且危害人体的健康和生态环境，因此研究和重视粉煤灰资源的综合利用，对构建资源节约型、环境友好型社会十分必要。可见，开展粉煤灰的综合利用具有重要的环境保护价值和经济效益。

赤泥是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的固体废弃物，是一种不溶性残渣。根据炼铝方法不同，赤泥可以分为烧结法、拜耳法和联合法赤泥。赤泥的主要成分有SiO₂、CaO、Al₂O₃等。一般赤泥颗粒中含有大量的强碱性物质，还含有氟、铝及其他多种有害物质。我国从铝土矿提炼氧化铝的主要方法是烧结法和联合法，这两种工艺产生的赤泥的成分较为类似，主要有硅酸二钙及其水合物。国外则多为拜耳法赤泥，其中主要含有赤铁矿、铝硅酸钠水合物。到目前为止，大部分赤泥未得到充分利用和处置，被长期堆存在赤泥池中，不仅占用大量土地，耗费较多的堆场建设和维护管理费用，而且含碱废液污染地表、地下水源，造成自然生态环境严重破坏，直接危害人们的健康。综合治理和利用赤泥，已经成为氧化铝工业一项亟待解决的课题。随着环境保护意识的加强，赤泥利用已经引起国内外的普遍重视。目前，全世界许多国家都在积极寻找对策，力求得到更有效的赤泥处理技术和方法。利用赤泥制备生产新型材料——赤泥粉煤灰基泡沫陶瓷，可在很大程度上提高赤泥的利用率，是一个被看好的解决赤泥资源利用问题的新途径。

《中国资源综合利用技术政策大纲》已将提高废弃物资源化水平作为“十二五”期间资源综合利用的重点推进领域，重点在排放量大、堆存量大、污染严重的固体废弃物大宗利用和高附加值利用。建筑材料业是大宗利用工业废渣的最佳选择。目前国内已有对于赤泥粉煤灰综合利用的专利，中国专利（申请号：200610128450.4）“赤泥粉煤灰免烧砖”，中国专利（申请号：200910092222.X）“一种赤泥粉煤灰免烧地质聚合物材料及其制备方法”，在这两项专利中，均使用了工业固体废渣赤泥和粉煤灰作为原料，但其工业废渣总添加量有限，不足以大规模消耗废渣。并且目前国内外尚没有综合利用赤泥粉煤灰为原料制备泡沫陶瓷的专利，本专利正弥补了这一不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷及制备方法，以大量消耗工业固体废渣（主要是粉煤灰和赤泥），同时又能开发出气孔率高，抗压强度、抗弯强度好，具有优良的力学性能的高附加值泡沫陶瓷产品，从而使得集资源的合理利用、变废为宝、节约土地、降低企业废渣维护成本、减少废渣中有毒有害物质对环境的污染及实现建筑物的节能降耗为一体成为可能。

一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷，包括下述组分，按质量百分比组成：

粉煤灰     20-40wt%，

赤泥       30-50wt%，

碳酸钙     10-25wt%，

硼砂       5-20wt%。

本发明一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，包括下列步骤：

第一步：配料、制坯

按设计的泡沫陶瓷组份配比，取过300目筛的赤泥、粉煤灰原料及化学分析纯级碳酸钙、硼砂原料，混合均匀，制成混合料；向混合料中加入占混合料质量1-10wt%的粘接剂，搅拌均匀后压制成块状坯料；

第二步：烧制

将第一步制得的块状坯料以3℃/min-5℃/min的升温速率加热至800℃-950℃进行烧结，保温0.5-3h后；随炉冷却到室温，即制得粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷。

本发明一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，所述粘接剂为聚乙烯醇。

本发明一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，压制压力为20MPa～25MPa。

本发明一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，所述烧结采用箱式电阻炉或陶瓷烧结炉。

本发明一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，制备的泡沫陶瓷气孔率可高达69%，抗弯强度达可高达8.05MPa，抗压强度可高达11.04MPa。

本发明由于采用上述组分配比及制备工艺方法，在样品烧结过程中碳酸钙分解释放出了二氧化碳气体，大量的气体在基体内形成气孔。样品烧结过程中生成硬度较大的钙铁矿和蓝方石等矿物，虽然其强度受气孔的影响较大，但抗弯强度仍可达到8.05MPa，抗压强度可高达11.04MPa。多孔性使得材料具备一定的隔热、隔音、隔声性能。

与已有技术相比，本发明的特点在于：

1）粉煤灰中主要成分是SiO₂和Al₂O₃，赤泥中主要成分是CaO，属于一种富氧化钙矿渣，两种矿渣正好在成分上互补，形成CaO-Al₂O₃-SiO₂系陶瓷。前者赋予烧结制品的高强度、高化学稳定性，后者赋予烧结制品相对低的烧成温度。

2）泡沫陶瓷中粉煤灰和赤泥工业废渣的消耗量达到70wt%，废渣耗量大，有着重大的环境效益。

3）泡沫陶瓷中含有大量气孔，从而赋予其优良的隔热（夏天）、保温（冬天）和隔音功能。

4）泡沫陶瓷经过了高温烧结，成份间产生化学结合，使得这种泡沫陶瓷有高的强度和耐高温性能；同时，使得这种泡沫陶瓷在使用过程中有高的化学稳定性，不会产生新的二次污染。

5）本发明涉及的一种工业废渣基高强度、高气孔率泡沫陶瓷，所需制备条件简单且易操作，成本低，主要是以工厂弃置的粉煤灰、赤泥为原料，所制备的泡沫陶瓷材料综合性能优良；既可大量消耗工业固体废渣，又可获得高附加值、多功能制品。

综上所述，本发明提出了一种粉煤灰、赤泥综合利用的新途径，粉煤灰、赤泥类废渣引入量达到了70wt%或70wt%以上，既可大量消耗工业固体废渣，又可实现建筑物的节能降耗。对于资源的合理利用、变废为宝、节约土地、降低企业废渣维护成本、减少废渣中有毒有害物质对环境的污染，都具有非常重要的社会意义和经济效益。适于工业化应用。

附图说明：

附图1为本发明实施例1制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

附图2为本发明实施例2制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

附图3为本发明实施例3制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

附图4为本发明实施例1、2、3制备的泡沫陶瓷的XRD图谱。

附图5为本发明实施例4制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

附图6为本发明实施例5制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

附图7为本发明实施例6制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

附图8为本发明实施例7制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

附图9为本发明实施例8制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

附图10为本发明实施例9制备的泡沫陶瓷的SEM照片。

由图1、2、3可见，本发明制得的泡沫陶瓷中粉煤灰、赤泥的相对含量对产品气孔率的影响很大，在赤泥20wt%，粉煤灰50wt%时，气孔较大；在赤泥30wt%，粉煤灰40wt%时，气孔分布较均匀，并且气孔直径都较小，气孔率较高；在赤泥40wt%，粉煤灰30wt%时，得到的产品气孔直径小，气孔率相对较低。

由图4可见，本发明制得的泡沫陶瓷主晶相主要是钙铁榴石（Ca₃Fe₂(SiO₄)₃）和蓝方石（K_1.6Ca_2.4Na_4.32(AlSiO₄)6(SO₄)₃），在赤泥20wt%，粉煤灰50wt%中，出现钙长石（CaAl₂Si₂O₈）；当赤泥30wt%，粉煤灰40wt%时，主要是钙铁榴石和蓝方石两种晶相；在赤泥40wt%，粉煤灰30wt%时，主晶相仍然是钙铁榴石和蓝方石，但有霞石相出现。

由图5、6、7可见，本发明中制得的泡沫陶瓷，在赤泥30wt%，粉煤灰40wt%时，保温时间对气孔的大小及分布影响很大。在保温时间0.5h时，气孔直径相对较小；在保温时间1h时，气孔直径较大、分布也较均匀；在保温时间3h时，气孔直径相对较大。

由图8、9、10可见，本发明中制得的泡沫陶瓷中硼砂、碳酸钙的相对含量对样品影响很大，在硼砂含量较低，碳酸钙含量较高时（图8，A7），样品不易软化，由碳酸钙分解出的气体不易溢出，在内部形成一些孔径相对较小的气孔。在硼砂含量较高，碳酸钙含量较低时（图10，A9），样品的软化温度明显降低，气体较易溢出坯体，并且在内部形成孔径相对较大的气孔。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1（编号A1）：原料配比（质量比）为赤泥20wt%，粉煤灰50wt%，硼砂15wt%，碳酸钙15wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度800℃，保温2h。经试验检测结果其气孔率59%，抗压强度12.09MPa，抗弯强度3.08MPa。

实施例2（编号A2）：原料配比（质量比）为赤泥30wt%，粉煤灰40wt%，硼砂15wt%，碳酸钙15wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度800℃，保温2h。经试验检测结果其气孔率64%，抗压强度13.21MPa，抗弯强度7.05MPa。

实施例3（编号A3）：原料配比（质量比）为赤泥40wt%，粉煤灰30wt%，硼砂15wt%，碳酸钙15wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度800℃，保温2h。经试验检测结果其气孔率59%，抗压强度16.01MPa，抗弯强度8.04MPa。

实施例4（编号A4）：原料配比（质量比）为赤泥30wt%，粉煤灰40wt%，硼砂15wt%，碳酸钙15wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度900℃，保温0.5h。经试验检测结果其气孔率57%，抗压强度13.5MPa，抗弯强度11.09MPa。

实施例5（编号A5）：原料配比（质量比）为赤泥30wt%，粉煤灰40wt%，硼砂15wt%，碳酸钙15wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度900℃，保温1h。经试验检测结果其气孔率69%，抗压强度11.04MPa，抗弯强度8.05MPa。

实施例6（编号A6）：原料配比（质量比）为赤泥30wt%，粉煤灰40wt%，硼砂15wt%，碳酸钙15wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度900℃，保温3h。经试验检测结果其气孔率59%，抗压强度13.45MPa，抗弯强度9.20MPa。

实施例7（编号A7）：原料配比（质量比）为赤泥25wt%，粉煤灰45wt%，硼砂8wt%，碳酸钙22wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度950℃，保温1h。经试验检测结果其气孔率52%，抗压强度13.5MPa，抗弯强度10.42MPa。

实施例8（编号A8）：原料配比（质量比）为赤泥25wt%，粉煤灰45wt%，硼砂13wt%，碳酸钙17wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度950℃，保温1h。经试验检测结果其气孔率57%，抗压强度12.86MPa，抗弯强度8.24MPa。

实施例9（编号A9）：原料配比（质量比）为赤泥25wt%，粉煤灰45wt%，硼砂18wt%，碳酸钙12wt%，升温速率3℃/min-5℃/min，烧结温度950℃，保温1h。经试验检测结果其气孔率60%，抗压强度12.41MPa，抗弯强度6.4MPa。

由以上可知，本发明制备的高强度高气孔率泡沫陶瓷，其气孔率60%左右，抗压强度达到10MPa以上，抗弯强度也基本上都达到8MPa以上，具有优良的力学性能。

Claims (6)

1.一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷，包括下述组分，按质量百分比组成：

粉煤灰  20-40wt%，

赤泥    30-50wt%，

碳酸钙  10-25wt%，

硼砂    5-20wt%。

2.一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，包括下列步骤：

第一步：配料、制坯

按设计的泡沫陶瓷组份配比，取过300目筛的赤泥、粉煤灰原料及化学分析纯级碳酸钙、硼砂原料，混合均匀，制成混合料；向混合料中加入占混合料质量1-10wt%的粘接剂，搅拌均匀后压制成块状坯料；

第二步：烧制

将第一步制得的块状坯料以3℃/min-5℃/min的升温速率加热至800℃-950℃进行烧结，保温0.5-3h后；随炉冷却到室温，即制得粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷。

3.根据权利要求2所述的一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：所述粘接剂为聚乙烯醇。

4.根据权利要求3所述的一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：压制压力为20MPa～25MPa。

5.根据权利要求4所述的一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：所述烧结采用箱式电阻炉或陶瓷烧结炉。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的一种粉煤灰基高强度高气孔率泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于：制备的泡沫陶瓷气孔率高达69%，抗弯强度达高达8.05MPa，抗压强度高达11.04MPa。

Images