CN110759745A - 一种高强空腔陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固废再利用领域，尤其涉及一种高强空腔陶粒及其制备方法。本发明针对现有烧结陶粒堆积密度高、烧结能耗大等问题，提供一种高强空腔陶粒及其制备方法，同时实现对粉煤灰等固体废弃物的资源化利用。本发明的高强空腔陶粒，通过覆膜剂作为复合层，解决了有机层的空腔造孔剂与无机层的矿物材料无法粘结、造粒困难的问题；同时覆膜剂在高温状态熔融后附着在无机层的内侧，阻隔了空腔陶粒内空腔吸水，大幅度降低了空腔陶粒的吸水率。内部的空腔结构也降低了烧结温度和陶粒的堆积密度。本发明采用粉煤灰、煤矸石、矿渣等固体废弃物作为原料制备陶粒，为固废资源再利用提供了有效的途径，且使得陶粒原料易得，降低了陶粒的制备成本。

Description

一种高强空腔陶粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及固废再利用领域，尤其涉及一种高强空腔陶粒及其制备方法。
背景技术
现有陶粒中，黏土陶粒占绝大多数，而随着社会经济迅猛发展，人类对土壤的过度开发，导致可耕种的土壤越来越少，尤其对于我国这样一个人多地少的国家而言，可耕土壤的减少将会导致农作物产量下降，严重影响我国的经济发展。因此需寻找一种可替代黏土制备陶粒的原料。
粉煤灰、煤矸石、矿渣等固体废弃物在我国堆放量庞大且利用率较低，长期堆放会造成环境污染、危害人类健康，因此，需要为这些固体废弃物的资源化利用提供新的途径。由于这些固体废弃物中含有大量的硅铝成分，可作为制备陶粒的主要原料。
现有的陶粒种类中，烧结陶粒的堆积密度较高，普遍在900kg/m3以上；发泡陶粒的能耗相对较高，烧结温度需要在1200℃以上，浪费能源，且发泡陶粒多用于填充，强度较低。
发明内容
本发明针对现有烧结陶粒堆积密度高、烧结能耗大等问题，提供一种高强空腔陶粒及其制备方法，同时实现对粉煤灰等固体废弃物的资源化利用。
本发明采用以下技术方案：
一种高强空腔陶粒，该陶粒为包覆结构，从外向内依次为无机层、复合层和有机层，陶粒各层由如下原料制备而成，无机层：粉煤灰、煤矸石、矿渣、增塑剂、助熔剂、减水剂；复合层：覆膜剂；有机层：空腔造孔剂。
进一步的，陶粒由如下质量分数的原料制备而成，粉煤灰20-70wt％，煤矸石5-60wt％，矿渣3-15wt％，增塑剂2-6wt％，助熔剂1-6wt％，减水剂0.1-3wt％，覆膜剂1-4wt％，空腔造孔剂3-10wt％。
进一步的，覆膜剂为长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉、界面活性剂和水制备而成的复合材料。
进一步的，覆膜剂由10-20重量份的长石、10-20重量份的铝矾土、5-18 重量份的煅烧高岭土、2-8重量份的锰粉、40-55重量份的水和0.5-5重量份的界面活性剂制备而成。
进一步的，空腔造孔剂为聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛树脂中的一种或多种。
本发明还提供一种高强空腔陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照原料配比将空腔造孔剂和覆膜剂加入混合机中混合均匀；
(2)将步骤(1)中的混合料和剩余其他原料加入造粒机中，加入适量的水进行造粒；
(3)将造好的粒加入烧结机中烧结，烧结温度为1000-1200℃；
(4)将烧结后的粒进行淬火处理，自然冷却后得到陶粒成品。
进一步的，步骤(1)中混合机转速≥1000r/min。
进一步的，步骤(4)中的淬火温度为500-900℃。
进一步的，覆膜剂的制备方法为：将长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉和水按比例加入球磨机中球磨1-3h，再加入界面活性剂球磨10-30min后卸出即得覆膜剂。
进一步的，球磨机转速为45-90r/min。
本发明的高强空腔陶粒，通过覆膜剂作为复合层，解决了有机层的空腔造孔剂与无机层的矿物材料无法粘结、造粒困难的问题；同时覆膜剂在高温状态熔融后附着在无机层的内侧，阻隔了空腔陶粒内的空腔吸水，大幅度降低了空腔陶粒的吸水率；内部的空腔结构也降低了烧结温度和陶粒的堆积密度。
本发明采用粉煤灰、煤矸石、矿渣等固体废弃物作为原料制备陶粒，一方面减少了黏土资源的应用，另一方面也为固废资源再利用提供了有效的途径，且陶粒原料易得，降低了陶粒的制备成本，并具有良好的性能，适于大范围推广应用。
本发明的高强空腔陶粒的制备方法，采用“覆膜-造粒-筛分-烧结-淬火”的工艺进行制备，工艺步骤简单；先将覆膜剂覆在空腔造孔剂外侧，再加入无机层原料进行造粒，经高温烧结后，造孔剂形成空腔，空腔外被覆膜剂包覆，阻隔了空腔陶粒内空腔吸水，且空腔结构降低了烧结温度和陶粒的堆积密度；烧结后的淬火工艺进一步增加了陶粒的强度。本发明制得的高强空腔陶粒的筒压强度在6-11MPa左右，堆积密度500-800kg/m3左右，吸水率≤5％，满足建筑用陶粒的条件。
附图说明
为了更清楚的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的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它附图。
图1为本发明的高强空腔陶粒的结构示意图；
图2为本发明的高强空腔陶粒的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
一种高强空腔陶粒，该陶粒为包覆结构，如图1所示，从外向内依次为无机层、复合层和有机层，陶粒由如下质量分数的原料制备而成，无机层：粉煤灰20-70wt％，煤矸石5-60wt％，矿渣3-15wt％，增塑剂2-6wt％，助熔剂1-6wt％，减水剂0.1-3wt％；复合层：覆膜剂1-4wt％；有机层：空腔造孔剂3-10wt％。
通过覆膜剂解决了内部有机层的空腔造孔剂和外部无机层的矿物材料之间无法粘结、造粒困难的问题。同时，覆膜剂在高温状态熔融后附着在无机层的内侧阻隔了空腔陶粒内的空腔吸水，大幅度降低了空腔陶粒的吸水率，使其达到了建筑用陶粒的条件。
本发明实施例中，覆膜剂附着在有机层和无机层中间而不附着在外层，能保证外部无机层可具有一定的吸水效果，满足建筑用陶粒需具有较低吸水率的要求。在较低吸水率下，既能满足泵送条件，也能养护混凝土，提高陶粒与水泥的结合度。
具体的，覆膜剂为长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉、界面活性剂和水制备而成的复合材料。更具体的，界面活性剂为硅烷偶联剂；优选的，硅烷偶联剂为A151(乙烯基三乙氧基硅烷)、A171(乙烯基三甲氧基硅烷)、A172(乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷)中的一种或几种。使用硅烷偶联剂，可在无机物质和有机物质的界面之间架起“分子桥”，把两种性质悬殊的材料连接在一起，达到提高复合材料的性能和增加粘结强度的作用。
优选的，覆膜剂由10-20重量份的长石、10-20重量份的铝矾土、5-18重量份的煅烧高岭土、2-8重量份的锰粉、40-55重量份的水和0.5-5重量份的界面活性剂制备而成。
具体的，复合层的厚度为0.1-1mm。复合层厚度较薄，主要起到有机层与无机层之间的连接作用，并经烧结后将内部空腔隔绝，降低空腔陶粒的吸水率的作用。
具体的，空腔造孔剂为聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛树脂中的一种或多种。空腔造孔剂的密度小于0.4g/m3。空腔造孔剂经烧结后产生空腔，降低了烧结温度，同时也降低了堆积密度。本发明实施例中采用微孔塑料中的聚氨酯、聚氯乙烯等做造孔剂，其有机质含量较少，能在烧结过程中完全烧失。若采用煤粉、秸秆等常规造孔剂，烧制过程中烧失不完全，易造成有机质残留，导致陶粒烧失量太大，达不到标准要求。同时添加有机质过多时，在烧结过程中会存在不完全燃烧，会产生大量的一氧化碳等有害气体，提高了尾气的处理成本。
具体的，粉煤灰符合二级灰的要求：细度(0.045μm方孔筛筛余量)不大于45.0％，标准稠度用水量不大于58.0％，烧失量不大于12.0％。煤矸石的细度满足250μm方孔筛筛余量不大于5％，100μm方孔筛筛余量不大于30％。矿渣为碱性矿渣(M>1)、中性矿渣(M＝1)和酸性矿渣(M<1)中的任意一种或多种。
减水剂为木质素磺酸盐类、萘系高效减水剂类、三聚氰胺系高效减水剂类、氨基磺酸盐系高效减水剂类、脂肪酸系高效减水剂类、聚羧酸盐系高效减水剂类中的一种或多种。减水剂的加入降低了造粒时的外加水量，进而降低了干燥时的能耗。
助熔剂为硅灰石、透辉石、透闪石、霞石等熔剂型原料中的一种或多种。助熔剂的加入可进一步降低烧结温度，节约能耗。
增塑剂为瓷土、伊利石、黏土、广东黑泥、煅烧高岭土中的一种或多种。由于粉煤灰等固体废弃物是脊性材料，造粒困难，通过添加增塑剂来增加塑性，提高造粒效率。
本发明还提供一种高强空腔陶粒的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
(1)按照原料配比将空腔造孔剂和覆膜剂加入混合机中混合均匀；
(2)将步骤(1)中的混合料和剩余其他原料加入造粒机中，加入适量的水进行造粒；
(3)将造好的粒加入烧结机中烧结，烧结温度为1000-1200℃；
(4)将烧结后的粒进行淬火处理，自然冷却后得到陶粒成品。
具体的，步骤(1)中混合机转速≥1000r/min。
具体的，步骤(4)中的淬火温度为500-900℃。
具体的，覆膜剂的制备方法为：将长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉和水按比例加入球磨机中球磨1-3h，再加入界面活性剂球磨10-30min，球磨机转速为45-90r/min，卸出后即得覆膜剂。
采用烧结机烧结，烧结机节约能源，且空心的易于烧结，烧结速率较常规实心陶粒的烧结快50％。烧结后淬火，可进一步增加陶粒的强度，同时锁住部分水分，使得陶粒用于混凝土时不会导致混凝土失水。
下面将结合具体实施例对本发明的高强空腔陶粒及其制备方法作进一步的描述。
实施例1
一种高强空腔陶粒，由如下质量分数的原料制备而成，粉煤灰21.3wt％，煤矸石58.7wt％，矿渣8.6wt％，伊利石2wt％，硅灰石2.8wt％，萘系高效减水剂0.2wt％；覆膜剂1wt％；聚氨酯5.4wt％。
覆膜剂由10重量份的长石、16重量份的铝矾土、18重量份的煅烧高岭土、 2.1重量份的锰粉、51重量份的水和2.9重量份的乙烯基三乙氧基硅烷(A151) 制备而成。
本实施例中的高强空腔陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照原料配比将聚氨酯和覆膜剂加入混合机中混合均匀，混合机转速为1000r/min；
(2)将步骤(1)中的混合料和剩余其他原料加入造粒机中，加入适量的水进行造粒；
(3)将造好的粒加入烧结机中烧结，烧结温度为1150℃；
(4)将烧结后的粒进行淬火处理，淬火温度为700℃，自然冷却后得到陶粒成品。
其中，覆膜剂的制备方法为：将长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉和水按比例加入球磨机中球磨2h，再加入乙烯基三乙氧基硅烷(A151)球磨20min，转速为50r/min，卸出后即得覆膜剂。
实施例2
一种高强空腔陶粒，由如下质量分数的原料制备而成，粉煤灰37.5wt％，煤矸石39.2wt％，矿渣5.8wt％，瓷土3.2wt％，透辉石3.8wt％，脂肪酸系高效减水剂0.4wt％；覆膜剂1.7wt％；聚苯乙烯8.4wt％。
覆膜剂由19.6重量份的长石、10.1重量份的铝矾土、5.2重量份的煅烧高岭土、7.8重量份的锰粉、53.7重量份的水和3.6重量份的硅烷偶联剂制备而成。
本实施例中的高强空腔陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照原料配比将聚苯乙烯和覆膜剂加入混合机中混合均匀，混合机转速为2000r/min；
(2)将步骤(1)中的混合料和剩余其他原料加入造粒机中，加入适量的水进行造粒；
(3)将造好的粒加入烧结机中烧结，烧结温度为1100℃；
(4)将烧结后的粒进行淬火处理，淬火温度为750℃，自然冷却后得到陶粒成品。
其中，覆膜剂的制备方法为：将长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉和水按比例加入球磨机中球磨3h，再加入硅烷偶联剂球磨10min，转速为45r/min，卸出后即得覆膜剂。
实施例3
一种高强空腔陶粒，由如下质量分数的原料制备而成，粉煤灰58.3wt％，煤矸石14.2wt％，矿渣13.6wt％，煅烧高岭土4.5wt％，透闪石1.2wt％，三聚氰胺系高效减水剂1.2wt％；覆膜剂2.3wt％；聚氯乙烯4.7wt％。
覆膜剂由14.4重量份的长石、20重量份的铝矾土、16重量份的煅烧高岭土、7.2重量份的锰粉、41.2重量份的水和1.2重量份的乙烯基三甲氧基硅烷 (A171)制备而成。
本实施例中的高强空腔陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照原料配比将聚氯乙烯和覆膜剂加入混合机中混合均匀，混合机转速为1350r/min；
(2)将步骤(1)中的混合料和剩余其他原料加入造粒机中，加入适量的水进行造粒；
(3)将造好的粒加入烧结机中烧结，烧结温度为1200℃；
(4)将烧结后的粒进行淬火处理，淬火温度为900℃，自然冷却后得到陶粒成品。
其中，覆膜剂的制备方法为：将长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉和水按比例加入球磨机中球磨3h，再加入乙烯基三甲氧基硅烷(A171)球磨20min，转速为75r/min，卸出后即得覆膜剂。
实施例4
一种高强空腔陶粒，由如下质量分数的原料制备而成，粉煤灰69.3wt％，煤矸石6.8wt％，矿渣3.2wt％，广东黑泥5.8wt％，硅灰石5.6wt％，聚羧酸盐系2.2wt％；覆膜剂3.6wt％；酚醛树脂3.5wt％。
覆膜剂由11.8重量份的长石、13.5重量份的铝矾土、15.4重量份的煅烧高岭土、6.2重量份的锰粉、52.6重量份的水和0.5重量份的乙烯基三甲氧基硅烷(A171)制备而成。
本实施例中的高强空腔陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照原料配比将酚醛树脂和覆膜剂加入混合机中混合均匀，混合机转速为1500r/min；
(2)将步骤(1)中的混合料和剩余其他原料加入造粒机中，加入适量的水进行造粒；
(3)将造好的粒加入烧结机中烧结，烧结温度为1050℃；
(4)将烧结后的粒进行淬火处理，淬火温度为550℃，自然冷却后得到陶粒成品。
其中，覆膜剂的制备方法为：将长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉和水按比例加入球磨机中球磨2h，再加入乙烯基三甲氧基硅烷(A171)球磨10min，转速为80r/min，卸出后即得覆膜剂。
实施例5
一种高强空腔陶粒，由如下质量分数的原料制备而成，粉煤灰51.6wt％，煤矸石5.2wt％，矿渣14.8wt％，伊利石5.9wt％，透辉石5.9wt％，萘系高效减水剂 3wt％；覆膜剂3.9wt％；聚乙烯9.7wt％。
覆膜剂由17.2重量份的长石、16.6重量份的铝矾土、13.2重量份的煅烧高岭土、5.7重量份的锰粉、42.3重量份的水和5重量份的乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷(A172)制备而成。
本实施例中的高强空腔陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照原料配比将聚乙烯和覆膜剂加入混合机中混合均匀，混合机转速为2500r/min；
(2)将步骤(1)中的混合料和剩余其他原料加入造粒机中，加入适量的水进行造粒；
(3)将造好的粒加入烧结机中烧结，烧结温度为1000℃；
(4)将烧结后的粒进行淬火处理，淬火温度为500℃，自然冷却后得到陶粒成品。
其中，覆膜剂的制备方法为：将长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉和水按比例加入球磨机中球磨1h，再加入乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷(A172)球磨 10min，转速为90r/min，卸出后即得覆膜剂。
将实施例1-5制得的高强空腔陶粒进行性能测试，结果如表1所示。
表1高强空腔陶粒性能测试结果
Figure BDA0001745627480000081
Figure BDA0001745627480000091
由表1可知，本发明制得的高强空腔陶粒，通过空腔造孔剂在内部形成空腔，降低了陶粒的密度，同时覆膜剂熔融后附着在无机层内侧阻隔了空腔吸水，大幅度降低了空腔陶粒的吸水率；制备过程中的淬火工艺增加了陶粒的强度。本发明制得的陶粒的筒压强度在6-11MPa左右，堆积密度500-800kg/m3左右，吸水率≤5％，满足建筑用陶粒的条件，可被广泛推广应用。同时，也为粉煤灰、煤矸石等固体废弃物提供了新的利用途径。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (10)

1.一种高强空腔陶粒，其特征在于，所述陶粒为包覆结构，从外向内依次为无机层、复合层和有机层，陶粒各层由如下原料制备而成，无机层：粉煤灰、煤矸石、矿渣、增塑剂、助熔剂、减水剂；复合层：覆膜剂；有机层：空腔造孔剂。
2.根据权利要求1所述的高强空腔陶粒，其特征在于，所述陶粒由如下质量分数的原料制备而成，粉煤灰20-70wt％，煤矸石5-60wt％，矿渣3-15wt％，增塑剂2-6wt％，助熔剂1-6wt％，减水剂0.1-3wt％，覆膜剂1-4wt％，空腔造孔剂3-10wt％。
3.根据权利要求1或2所述的高强空腔陶粒，其特征在于，所述覆膜剂为长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉、界面活性剂和水制备而成的复合材料。
4.根据权利要求3所述的高强空腔陶粒，其特征在于，所述覆膜剂由10-20重量份的长石、10-20重量份的铝矾土、5-18重量份的煅烧高岭土、2-8重量份的锰粉、40-55重量份的水和0.5-5重量份的界面活性剂制备而成。
5.根据权利要求1所述的高强空腔陶粒，其特征在于，所述空腔造孔剂为聚氨酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛树脂中的一种或多种。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的高强空腔陶粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按照原料配比将空腔造孔剂和覆膜剂加入混合机中混合均匀；
(2)将步骤(1)中的混合料和剩余其他原料加入造粒机中，加入适量的水进行造粒；
(3)将造好的粒加入烧结机中烧结，烧结温度为1000-1200℃；
(4)将烧结后的粒进行淬火处理，自然冷却后得到陶粒成品。
7.根据权利要求6所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)中混合机转速≥1000r/min。
8.根据权利要求6所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的淬火温度为500-900℃。
9.根据权利要求6所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，覆膜剂的制备方法为：将长石、铝矾土、煅烧高岭土、锰粉和水按比例加入球磨机中球磨1-3h，再加入界面活性剂球磨10-30min后卸出即得覆膜剂。
10.根据权利要求9所述的高强陶粒的制备方法，其特征在于，球磨机转速为45-90r/min。
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