CN109608074A - 一种基于煤气化粗渣的轻骨料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于煤气化粗渣的轻骨料及其制备方法，包括以下原料：煤气化粗渣、粘土、长石、滑石粉、水、碳化硅晶须和分散剂。其制备方法包括：称取原料，对原料分别进行预处理后，将预处理后的原料进行混合，加水，机械搅拌，得混合料；将混合料压制，干燥，得坯体；对坯体进行烧结，得基于煤气化粗渣的轻骨料。本发明利用煤气化粗渣废料作为轻骨料的主要原料，可有效提高轻骨料的强度，拓展了轻骨料的应用范围，使轻骨料能够应用于高楼层建筑及大跨度桥梁上，并提高建筑物的耐久性，降低建造成本；同时解决了煤气化粗渣的工业污染问题。

Description

一种基于煤气化粗渣的轻骨料及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种基于煤气化粗渣的轻骨料及其制备方法。
背景技术
目前，混凝土在土木工程中被广泛应用，但混凝土本身韧性差、自重大等缺点，严重限制了其在高楼层建筑及大跨度桥梁上的应用。轻骨料具有优良的工程特性，如自重小、保温、隔热、强度高、抗冻、防腐、抗裂等，已广泛应用于混凝土工程、公路、机场道路等领域。除减轻结构物自重外，轻骨料混凝土与普通混凝土相比还具有耐磨性好，无碱集料反应，耐酸性强，吸音降噪，与预应力构件适配效果佳等优点。将轻骨料混凝土应用于建筑工程，可降低工程建设成本和后期维修等费用，提高结构物的耐久性，具有良好的经济效益和社会效益。
我国轻骨料资源丰富，按来源不同可将轻骨料分为三类：天然轻骨料，人造轻骨料，工业废渣轻骨料。目前，制备轻骨料最常用的方法是焙烧法。为了降低烧结温度，减少能耗，从材料组成设计和烧结工艺两个方面改善其性能。首先，引入一些助熔剂，降低烧结温度，形成部分低熔点的固溶体、玻璃相等，促进颗粒重排和粘性流动，从而获得致密的产品；其次，降低粉末粒度也可以促进烧结，粉末越细，表面能越高，烧结越容易，烧结温度也会降低。
煤气化技术是将难以加工处理、难以脱除无用组分的固体煤，在温度为1450℃～1550℃、压强为3.1MPa～4.1MPa条件下，以煤炭中主要矿物组分碳与水蒸汽经复杂的化学反应，转化为易于净化的燃料(CO+H2)和化学品，但同时会排出煤气化废渣，如何有效的利用煤气化废渣是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于煤气化粗渣的轻骨料及其制备方法，利用煤气化粗渣废料作为轻骨料的主要原料，可有效提高轻骨料的强度，拓展了轻骨料的应用范围，使轻骨料能够应用于高楼层建筑及大跨度桥梁上，并提高建筑物的耐久性，降低建造成本；同时解决了煤气化粗渣的工业污染问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
(一)一种基于煤气化粗渣的轻骨料，包括以下原料：煤气化粗渣、粘土、长石、滑石粉和水。
优选的，还包括碳化硅晶须和分散剂。
优选的，所述煤气化粗渣的化学成分为C、O、Al、Si、Ca、Fe、Mg，比表面积为220m2/kg，表观密度为1.82g/cm3。
优选的，所述粘土为高岭石族。
优选的，所述长石为钾长石。
优选的，所述滑石粉为硅酸镁盐类矿物滑石族滑石。
优选的，所述碳化硅晶须是单晶，直径为0.1～0.2um，长度为10～200um。
优选的，所述分散剂为六偏磷酸钠。
优选的，所述原料的重量份为：煤气化粗渣65～75份、粘土20～30份、长石1～3份、滑石粉1～3份、水25～35份、碳化硅晶须0.1～0.5份、分散剂0.01～0.025份。
(二)一种基于煤气化粗渣的轻骨料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取原料，对煤气化粗渣进行球磨，得磨细煤气化粗渣；将粘土烘干至恒重，得烘干粘土，将烘干粘土和长石分别进行研磨，过筛，得粘土粉和长石粉；将碳化硅晶须、分散剂与水进行预混，得预混物。
步骤2，将预混物与磨细煤气化粗渣、滑石粉、粘土粉、长石粉进行混合，加水，机械搅拌1～2h，得混合料。
步骤3，将混合料压制成型，干燥，得坯体；对坯体进行烧结，得基于煤气化粗渣的轻骨料。
优选的，步骤1中，所述碳化硅晶须与分散剂的质量总和占水的质量的2％。
优选的，步骤1中的水与步骤2中的水的质量比为1:2～5:2。
优选的，步骤3中，所述烧结为：从室温升温至400℃，升温速率为10℃/min，400℃下保温20～30min；从400℃升温至1000℃，升温速率为20℃/min，从1000℃升温至烧结温度，升温速率为10℃/min，烧结温度下保温10～20min。
进一步优选的，所述烧结的温度为1150～1200℃。
优选的，步骤1中，所述球磨为滚动球磨，球磨的时间为1～2h。
优选的，步骤1中，所述过筛为过200目筛网。
优选的，步骤3中，所述压制成型为将混合料采用压片机压制成圆柱体，压制的压力为6MPa，压制的保压时间1min。
优选的，步骤3中，所述干燥的温度为100～110℃，干燥的时间为3～5h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明首次将煤气化粗渣应用于轻骨料领域，利用煤气化粗渣在烧结过程中，把氧化铁还原为铁质合金，提升轻骨料强度；利用煤气化粗渣中残碳的发泡作用，有效降低轻骨料的密度，同时残碳可起到助燃的作用，节省能源。
(2)本发明从轻骨料的高强度和低密度出发，利用了煤气化粗渣与粘土的高温分解产物与长石、滑石在高温下形成的低熔点共熔物，在降低烧结温度的同时形成了高强度的骨料坯体。
(3)本发明首次采用碳化硅晶须作为轻骨料的增强、增韧材料，提高轻骨料的强度与耐久性，使轻骨料能够应用于高楼层建筑及大跨度桥梁上，扩展了轻骨料的应用范围，降低建造成本；同时解决了煤气化粗渣的工业污染问题。
(4)将本发明的高强度轻骨料应用于建筑工程，提升了混凝土的综合技术性能，同时，为资源化利用煤气化粗渣开辟了新途径。
(5)本发明的制备方法是基于各原料的性质，利用了各原料之间的高温相变反应，工艺简单，烧结温度低，且制备的轻骨料性能优良。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种基于煤气化粗渣的轻骨料及其制备方法进行详细描述。
实施例1
一种基于煤气化粗渣的轻骨料，按以下步骤制得：
步骤1，称取以下质量的原料：煤气化粗渣65g，粘土25g，长石2g，滑石粉3g，碳化硅晶须0.2g，分散剂0.01g。对煤气化粗渣进行球磨，得磨细煤气化粗渣；将粘土80℃烘干至恒重，得烘干粘土，将烘干粘土和长石分别进行研磨，过200目筛网，得粘土粉和长石粉；将碳化硅晶须加入10g水中，再加入分散剂进行充分搅拌分散，得预混物。
步骤2，将预混物与磨细煤气化粗渣、滑石粉、粘土粉、长石粉进行混合，再加水15g，机械搅拌1.5h，得混合料。
步骤3，将混合料放入压片机中进行压制成型，压制压力为6Mpa，保压时间为1min；在温度105℃下干燥5h，得坯体；将坯体放入管式炉中进行烧结，设定烧结程序为：从室温至400℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min；400℃至1000℃，加热速率为20℃/min，1000℃至1100℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min，烧结程序完成后，随炉冷却，即得基于煤气化粗渣的轻骨料。
实施例2
一种基于煤气化粗渣的轻骨料，按以下步骤制得：
步骤1，称取以下质量的原料：煤气化粗渣65g，粘土30g，长石1g，滑石粉3g，碳化硅晶须0.2g，分散剂0.01g。对煤气化粗渣进行球磨，得磨细煤气化粗渣；将粘土80℃烘干至恒重，得烘干粘土，将烘干粘土和长石分别进行研磨，过200目筛网，得粘土粉和长石粉；将碳化硅晶须加入10g水中，再加入分散剂进行充分搅拌分散，得预混物。
步骤2，将预混物与磨细煤气化粗渣、滑石粉、粘土粉、长石粉进行混合，再加水20g，机械搅拌2h，得混合料。
步骤3，将混合料放入压片机中进行压制成型，压制压力为6Mpa，保压时间为1min；在温度105℃下干燥5h，得坯体；将坯体放入管式炉中进行烧结，设定烧结程序为：从室温至400℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min；400℃至1000℃，加热速率为20℃/min，1000℃至1100℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min，烧结程序完成后，随炉冷却，即得基于煤气化粗渣的轻骨料。
实施例3
一种基于煤气化粗渣的轻骨料，按以下步骤制得：
步骤1，称取以下质量的原料：煤气化粗渣70g，粘土25g，长石2g，滑石粉2g，碳化硅晶须0.3g，分散剂0.015g。对煤气化粗渣进行球磨，得磨细煤气化粗渣；将粘土80℃烘干至恒重，得烘干粘土，将烘干粘土和长石分别进行研磨，过200目筛网，得粘土粉和长石粉；将碳化硅晶须加入15g水中，再加入分散剂进行充分搅拌分散，得预混物。
步骤2，将预混物与磨细煤气化粗渣、滑石粉、粘土粉、长石粉进行混合，再加水15g，机械搅拌1.8h，得混合料。
步骤3，将混合料放入压片机中进行压制成型，压制压力为6Mpa，保压时间为1min；在温度105℃下干燥5h，得坯体；将坯体放入管式炉中进行烧结，设定烧结程序为：从室温至400℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min；400℃至1000℃，加热速率为20℃/min，1000℃至1100℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min，烧结程序完成后，随炉冷却，即得基于煤气化粗渣的轻骨料。
实施例4
一种基于煤气化粗渣的轻骨料，按以下步骤制得：
步骤1，称取以下质量的原料：煤气化粗渣75g，粘土25g，长石1g，滑石粉1g，碳化硅晶须0.3g，分散剂0.015g。对煤气化粗渣进行球磨，得磨细煤气化粗渣；将粘土80℃烘干至恒重，得烘干粘土，将烘干粘土和长石分别进行研磨，过200目筛网，得粘土粉和长石粉；将碳化硅晶须加入15g水中，再加入分散剂进行充分搅拌分散，得预混物。
步骤2，将预混物与磨细煤气化粗渣、滑石粉、粘土粉、长石粉进行混合，再加水20g，机械搅拌1.5h，得混合料。
步骤3，将混合料放入压片机中进行压制成型，压制压力为6Mpa，保压时间为1min；在温度105℃下干燥5h，得坯体；将坯体放入管式炉中进行烧结，设定烧结程序为：从室温至400℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min；400℃至1000℃，加热速率为20℃/min，1000℃至1100℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min，烧结程序完成后，随炉冷却，即得基于煤气化粗渣的轻骨料。
实施例5
一种基于煤气化粗渣的轻骨料，按以下步骤制得：
步骤1，称取以下质量的原料：煤气化粗渣75g，粘土20g，长石1g，滑石粉2g，碳化硅晶须0.5g，分散剂0.025g。对煤气化粗渣进行球磨，得磨细煤气化粗渣；将粘土80℃烘干至恒重，得烘干粘土，将烘干粘土和长石分别进行研磨，过200目筛网，得粘土粉和长石粉；将碳化硅晶须加入25g水中，再加入分散剂进行充分搅拌分散，得预混物。
步骤2，将预混物与磨细煤气化粗渣、滑石粉、粘土粉、长石粉进行混合，再加水10g，机械搅拌2h，得混合料。
步骤3，将混合料放入压片机中进行压制成型，压制压力为6Mpa，保压时间为1min；在温度105℃下干燥5h，得坯体；将坯体放入管式炉中进行烧结，设定烧结程序为：从室温至400℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min；400℃至1000℃，加热速率为20℃/min，1000℃至1100℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min，烧结程序完成后，随炉冷却，即得基于煤气化粗渣的轻骨料。
对比实施例
一种基于煤气化粗渣的轻骨料，按以下步骤制得：
步骤1，称取以下质量的原料：煤气化粗渣70g，粘土20g，长石3g，滑石粉2g。对煤气化粗渣进行球磨，得磨细煤气化粗渣；将粘土80℃烘干至恒重，得烘干粘土，将烘干粘土和长石分别进行研磨，过200目筛网，得粘土粉和长石粉。
步骤2，将磨细煤气化粗渣、滑石粉、粘土粉、长石粉进行混合，加水25g，机械搅拌1h，得混合料。
步骤3，将混合料放入压片机中进行压制成型，压制压力为6Mpa，保压时间为1min；在温度105℃下干燥5h，得坯体；将坯体放入管式炉中进行烧结，设定烧结程序为：从室温至400℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min；400℃至1000℃，加热速率为20℃/min，1000℃至1100℃，加热速率为10℃/min，保温时间为20min，烧结程序完成后，随炉冷却，即得基于煤气化粗渣的轻骨料。
以上实施例中，煤气化粗渣的化学成分为C、O、Al、Si、Ca、Fe、Mg，比表面积为220m2/kg，表观密度为1.82g/cm3；粘土为高岭石类，是含水铝硅酸盐，主要成分为SiO2和Al2O3；长石为钾长石，主要成分为Al2O3、SiO2、K2O，密度为2.55g/cm3，熔点为1100℃；滑石粉为硅酸镁盐类矿物滑石族滑石，主要成分为含水硅酸镁；碳化硅晶须是单晶，直径为0.1～0.2um，长度为10～200um，密度为3.21g/cm3，熔点为2300℃；分散剂为六偏磷酸钠。
对以上实施例制得的轻骨料分别进行筒压强度、堆积密度、1h吸水率试验，具体的规范和测试方法参见《轻集料试验方法GB/T 17431.1-1998》、《轻集料试验方法GB/T17431.2-1998》。
测试结果如表1所示。
表1各实施例所得轻骨料的筒压强度、堆积密度、1h吸水率试验结果
实施例 筒压强度/MPa 堆积密度(kg/m<sup>3</sup>) 1h吸水率(％)
对比实施例 4.8 648 7.1
实施例1 6.0 670 6.2
实施例2 6.4 675 6.0
实施例3 7.2 659 6.4
实施例4 7.6 650 7.3
实施例5 8.1 642 7.9
规范要求* ≥4.0 600-900 ≤15
*《轻集料试验方法GB/T 17431.1-1998》
根据表1试验数据可知，实施例1-5和对比实施例中的基于煤气化粗渣的轻骨料的筒压强度、堆积密度和1h吸水率均能满足《轻集料试验方法GB/T 17431.1-1998》中对于轻集料的规范指标要求。从实施例5、1、2可以看出，随着粘土含量的增加，轻骨料的堆积密度逐渐变大，1h吸水率逐渐减小；这主要是由于粘土可以增加原料的塑性，补充原料在硅铝成分上的不足；同时粘土可与煤气化粗渣在高温作用下发生化学反应，即由高岭石脱水产物分解出的无定形Al2O3在950℃左右开始转变为γ-Al2O3，γ-Al2O3与SiO2在1000℃可生成部分的莫来石晶体，形成坯体骨架，熔融长石、滑石与低共熔物构成坯体中的玻璃相，黏土颗粒及石英部分地溶解在玻璃相中，未被溶解的颗粒级石英等物质之间的空隙逐渐被玻璃态物质所填充，坯体强度增大，气孔减少，骨料急剧收缩，因此，轻骨料的堆积密度逐渐变大。
从实施例1-5可以看出，随着煤气化粗渣含量的增加，所得产物的筒压强度逐渐增大，而堆积密度基本呈现逐渐减小的趋势，即随着煤气化粗渣含量的增加，轻骨料的强度增大，骨料更轻质。这主要是由于煤气化粗渣中含有少量的有机物质和较多的残碳，在烧结过程中，煤气化粗渣中少量的有机物质受热分解，燃烧放热，为烧结反应提供热能。煤气化粗渣中的部分残碳，一方面，可以起到助燃作用，另一方面，能够起到还原剂的作用，把氧化铁还原产生气体(CO2、CO)及铁质合金，进一步提升轻骨料强度。此外，残碳燃烧也会产生气体，因而煤气化粗渣自身起到了发泡剂的作用，能使骨料产生较好膨胀，有效降低轻骨料的密度，达到多孔轻质的目的。
从对比实施例和实施例1-5可以看出，随着碳化硅晶须的掺入，轻骨料的强度明显提高；一方面，碳化硅晶须基本上是完整的单晶体，直径较小但强度很大，适量掺入能够桥接其他烧结组分，提升煤气化粗渣烧结轻骨料的强度；另一方面，当应力作用于骨料时，晶须在周围的基体中局部的抵抗应变，使更强的应力作用于晶须，从而降低周围的材料所承受的应力，在基体产生裂纹时，裂纹尖端尾部存在一个晶须-基体界面解离区，在此区域内，晶须把裂纹架接起来，并在裂纹表面产生闭合应力，阻止裂纹发展，起到增韧作用，进一步提高了轻骨料的力学性能。
在本发明中，钾长石和滑石粉作为主要的助熔剂，是K2O、MgO碱性氧化物助熔剂的主要来源。助熔剂加入到烧结料中后，在高温下熔融，与其它原料生成低共熔物,液相的出现,促进粒子重排和质点迁移，降低烧结组分的熔化温度和烧结温度，加速烧结过程，从而降低能耗，还有利于促进莫来石晶体的形成和长大，提高烧结料的力学强度、表面硬度和化学稳定性。
综上所述，本发明提出的基于煤气化粗渣的轻骨料组成及制备方法，提高了轻骨料的强度与耐久性，扩展了轻骨料的应用范围；使轻骨料能够应用于高楼层建筑及大跨度桥梁上，并提高建筑物的耐久性，降低建造成本；同时解决了煤气化粗渣的工业污染问题。
本发明中使用的试剂均为市售，本发明中使用的方法，若无特殊说明，均为常规方法。
虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于煤气化粗渣的轻骨料，其特征在于，包括以下原料：煤气化粗渣、粘土、长石、滑石粉和水。
2.根据权利要求1所述的基于煤气化粗渣的轻骨料，其特征在于，还包括碳化硅晶须和分散剂。
3.根据权利要求2所述的基于煤气化粗渣的轻骨料，其特征在于，所述煤气化粗渣的化学成分为C、O、Al、Si、Ca、Fe、Mg，比表面积为220m2/kg，表观密度为1.82g/cm3。
4.根据权利要求3所述的基于煤气化粗渣的轻骨料，其特征在于，所述粘土为高岭石族；所述长石为钾长石；所述滑石粉为硅酸镁盐类矿物滑石族滑石。
5.根据权利要求2所述的基于煤气化粗渣的轻骨料，其特征在于，所述碳化硅晶须是单晶，直径为0.1～0.2um，长度为10～200um；所述分散剂为六偏磷酸钠。
6.根据权利要求2～5中的任一项所述的基于煤气化粗渣的轻骨料，其特征在于，所述原料的重量份为：煤气化粗渣65～75份、粘土20～30份、长石1～3份、滑石粉1～3份、水25～35份、碳化硅晶须0.1～0.5份、分散剂0.01～0.025份。
7.一种基于煤气化粗渣的轻骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对煤气化粗渣进行球磨，得磨细煤气化粗渣；将粘土烘干至恒重，得烘干粘土，将烘干粘土和长石分别进行研磨，过筛，得粘土粉和长石粉；将碳化硅晶须、分散剂与水进行预混，得预混物；
步骤2，将预混物与磨细煤气化粗渣、滑石粉、粘土粉、长石粉进行混合，加水，机械搅拌1～2h，得混合料；
步骤3，将混合料压制成型，干燥，得坯体；对坯体进行烧结，得基于煤气化粗渣的轻骨料。
8.根据权利要求7所述的基于煤气化粗渣的轻骨料的制备方法，其特征在于，步骤1中的水与步骤2中的水的质量比为1:2～5:2。
9.根据权利要求7所述的基于煤气化粗渣的轻骨料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述烧结为：从室温升温至400℃，升温速率为10℃/min，400℃下保温20～30min；从400℃升温至1000℃，升温速率为20℃/min，从1000℃升温至烧结温度，升温速率为10℃/min，烧结温度下保温10～20min。
10.根据权利要求9所述的基于煤气化粗渣的轻骨料的制备方法，其特征在于，所述烧结温度为1150～1200℃。
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