CN116143541A - 一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料及制备方法，属于尾矿固废综合利用和人造石材技术领域，包括先将铁尾矿固废进行碱激发加机械活化得到具有碱激发活性的铁尾矿固废，然后和水泥、缓凝剂、无机矿物质颜料置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；再将减水剂、早强剂、憎水剂和稳泡剂分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中搅拌，得到混合浆料；将化学发泡剂加入到混合浆料中搅拌，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先蒸养，待凝结硬化后，去皮，切割，然后养护，得到人造火山石多孔材料。本发明制得的人造火山石具有多功能性，无需煅烧，节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及尾矿固废综合利用和人造石材技术领域，尤其涉及一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料及制备方法。
背景技术
火山石(俗称浮石或多孔玄武岩)是一种功能型环保材料，是火山爆发后由火山玻璃、矿物与气泡形成的非常珍贵的非规则天然蜂窝多孔形石材，这种石材因其环保、无放射性、质地坚硬、耐腐蚀、耐磨损等特性以及吸水防滑、耐火保温、吸声降噪等功能而被广泛用于机切面片材、外墙装饰板、石材栏杆、石材雕刻品、石材家具等。
近年来，因火山石这种特殊石材资源稀缺且开发受限，已有企业及科研机构尝试人工制备人造火山石多孔材料。目前方法主要是基于普通硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥进行制备。前者凝结硬化较慢，早期强度低，造成生产周期较长；后者成型稳定性较差造成产品容易开裂，导致吸水率高。并且两者均以煅烧材料——水泥作为主要原材料，高能耗、成本高并且功能比较单一。另外，这两种水泥胶凝体系制备出的人造火山石多孔材料强度不高，保温隔热性能也低于天然火山石材料。
在人造火山石领域，不仅火山石功能单一，不能与天然火山石媲美，且制备人造火山石工艺复杂，原材料属于高能耗且成本高，通常为了获得装饰性能好的多孔结构，会忽略材料的力学性能，最终导致产品抗压强度不高，吸水率和耐久性能达不到高品质火山石的要求。因此，如何利用低廉的原材料和简单的制备工艺，制备高强度、低密度、低吸水率、多功能、多色彩、低成本的人造火山石是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料及制备方法，解决现有人造火山石功能单一、工艺复杂，原材料能耗高且成本高的技术问题。本发明开发一种利用铁尾矿固废制备的人造火山石多孔材料及其制备方法，利用低廉的原材料和简单的制备工艺，制备的人造火山石的外观形貌颜色与天然火山石效果接近，且抗压强度、保温隔热、防水性能比天然火山石优异，并且具有电磁波吸收功能，成本低。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料，包括以下重量份数的原料：水泥35份-55份、具有碱激发活性的铁尾矿固废45份-65份、缓凝剂2份-5份、减水剂0.2份-0.5份、早强剂0.5份-1份、稳泡剂0.5份-1份、憎水剂0.4-1份、化学发泡剂2-8份、无机金属氧化物颜料0.5份-4份和水28-50份。
进一步地，水泥为PⅡ52.5的润丰水泥或PW52.5的阿尔博白水泥，具有碱激发活性的铁尾矿固废为海南昌江铁尾矿。
进一步地，无机金属氧化物颜料主要为钛白粉、铁黄、铁蓝、铁红、铁黑、炭黑中的一种或多种。
进一步地，缓凝剂为脱硫石膏，减水剂为红墙CSP-12早强型聚羧酸减水剂，早强剂为无水硫酸钠或氯化钙，稳泡剂为甲基纤维素醚或阴离子型分子量为500-800万聚丙烯酰胺，憎水剂为硬脂酸钙。
进一步地，化学发泡剂为质量分数为30％的双氧水或铝粉。
进一步地，一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：首先将铁尾矿固废进行碱激发加机械活化得到具有碱激发活性的铁尾矿固废，然后和水泥、缓凝剂、无机矿物质颜料置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂、早强剂、憎水剂和稳泡剂分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，在100r/min-280r/min的条件下，搅拌2-5min，得到混合浆料；
步骤4：将化学发泡剂加入到混合浆料中，在400r/min-800r/min的条件下，搅拌10s-15s后，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在50℃-90℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护7-28天，得到人造火山石多孔材料。
本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：
1、本发明选用铁尾矿作为主要原材料制备人造火山石，能够提高人造火山石的多功能性，使人造火山石多孔材料具有电磁波吸收效果；能够提升人造火山石产品强度、保温隔热性能，降低吸水率；能够有效提高铁尾矿综合利用率，无需煅烧，起到节能环保的作用，并且还能降低制备火山石成本。
2、本发明通过在制备人造火山石中加入憎水剂，能够降低吸水率，由于憎水剂会与其水泥浆体发生反应生成一种不溶性的薄膜络合物，吸附在水泥和铁尾矿粉表面形成憎水层，防止外部水分的进入，很好的提高了人造火山石多孔材料的防水性。
3、本发明制备的人造火山石多孔材料，利用低廉的原材料和简单的制备工艺，制备的人造火山石的外观形貌颜色与天然火山石效果接近，且抗压强度、保温隔热、防水性能比天然火山石优异，并且具有电磁波吸收功能，成本低。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照实施例并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料，包括以下重量份数的原料：水泥35份-55份、具有碱激发活性的铁尾矿固废45份-65份、缓凝剂2份-5份、减水剂0.2份-0.5份、早强剂0.5份-1份、稳泡剂0.5份-1份、憎水剂0.4-1份、化学发泡剂2-8份、无机金属氧化物颜料0.5份-4份和水28-50份。水泥为PⅡ52.5的润丰水泥或PW52.5的阿尔博白水泥，具有碱激发活性的铁尾矿固废为海南昌江铁尾矿；无机金属氧化物颜料主要为钛白粉、铁黄、铁蓝、铁红、铁黑、炭黑中的一种或多种；缓凝剂为脱硫石膏，减水剂为红墙CSP-12早强型聚羧酸减水剂，早强剂为无水硫酸钠或氯化钙，稳泡剂为甲基纤维素醚或阴离子型分子量为500-800万聚丙烯酰胺，憎水剂为硬脂酸钙；化学发泡剂为质量分数为30％的双氧水或铝粉。
一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：首先将铁尾矿固废进行碱激发加机械活化得到具有碱激发活性的铁尾矿固废，然后和水泥、缓凝剂、无机矿物质颜料置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂、早强剂、憎水剂和稳泡剂分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，在100r/min-280r/min的条件下，搅拌2-5min，得到混合浆料；
步骤4：将化学发泡剂加入到混合浆料中，在400r/min-800r/min的条件下，搅拌10s-15s后，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在50℃-90℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护7-28天，得到人造火山石多孔材料。
本发明选用铁尾矿作为主要原材料，能够提高人造火山石的多功能性，使人造火山石多孔材料具有电磁波吸收效果：铁尾矿化学成分中主要含有铁的氧化物，其次为二氧化硅和其他的金属氧化物(主要化学成分见表1)。这些大量的金属氧化物主要存在形式有磁铁矿、赤铁矿、黄铁矿等有关的尖晶石形态，这种多铁相的矿物组成可以同时具有磁性极化、电极化效应、极化弛豫损耗，使其吸波性能大大增强；并且铁尾矿中还含有大量低介电常数的二氧化硅、钾长石等非金属矿物组分，降低了复合材料的相对介电常数，填充至人造多孔结构火山石基体后可提供大量的透波通道使其具有良好的阻抗匹配特性，从而引导更多的电磁波进入材料内部并得到损耗。正是由于铁尾矿具有较好电磁损耗特性和阻抗匹配特性，为它应用于吸波建材领域提供了良好的物质基础。
表1铁尾矿的化学组成(质量分数％)
本发明选用铁尾矿作为主要原材料，能够提升人造火山石产品强度、保温隔热性能，降低吸水率：本发明利用铁尾矿固废进行碱激发加机械活化得到具有碱激发活性的铁尾矿，使活化后的比表面积大于450kg/m3,所以经过活化后的铁尾矿颗粒尺寸比水泥颗粒尺寸要小，当铁尾矿在适量掺杂后，能提高水泥浆体的初始密度，细小的铁尾矿颗粒还能填充到水泥水化产物凝胶的孔隙，能有效改善混凝土的孔隙结构，使最终成型的净浆密实度增加、强度增强、吸水率降低。
本发明通过在制备人造火山石中加入憎水剂，能够降低吸水率低，由于憎水剂会与其水泥浆体发生反应生成一种不溶性的薄膜络合物，吸附在水泥和铁尾矿粉表面形成憎水层，防止外部水分的进入，很好的提高了人造火山石多孔材料的防水性。
本发明选用铁尾矿作为主要原材料制备人造火山石，可以有效提高铁尾矿综合利用率，无需煅烧，起到节能环保的作用，并且还能降低制备火山石成本。
实施例1
步骤1：将PⅡ52.5的润丰水泥40份、具有碱激发活性的铁尾矿固废60份、缓凝剂5份、氧化铁红颜料1.5份、钛白粉0.5份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.3份、早强剂0.8份、稳泡剂0.4份、憎水剂0.6份水35份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将3份双氧水和0.2份铝粉加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌10s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造红色火山石多孔材料。
实施例2
步骤1：将PW52.5的阿尔博白水泥45份、具有碱激发活性的铁尾矿固废55份、缓凝剂5份、氧化铁蓝1份、氧化铁红1份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.4份、早强剂1份、稳泡剂0.5份、憎水剂0.6份、水37份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将3.5份双氧水和0.3份铝粉加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌12s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造紫红火山石多孔材料。
实施例3
步骤1：将PⅡ52.5的润丰水泥50份、具有碱激发活性的铁尾矿固废50份、缓凝剂5份、氧化铁红1份、氧化铁黄1份、钛白粉0.5份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.3份、早强剂0.8份、稳泡剂0.4份、憎水剂0.7份、水33份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将4份双氧水和0.2份铝粉加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌10s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造橙色火山石多孔材料。
实施例4
步骤1：将PⅡ52.5的润丰水泥40份、具有碱激发活性的铁尾矿固废60份、缓凝剂5份、氧化铁黑1份、炭黑0.5份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.4份、早强剂1份、稳泡剂0.6份、憎水剂0.6份、水40份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将4份双氧水和0.4份铝粉加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌10s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造黑色火山石多孔材料。
实施例5
步骤1：将PⅡ52.5的润丰水泥35份、具有碱激发活性的铁尾矿固废65份、缓凝剂5份、氧化铁黑0.5份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.5份、早强剂1份、稳泡剂0.4份、憎水剂0.6份、水30份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将1份双氧水和0.3份铝粉加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌15s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造小孔灰色火山石多孔材料。
实施例6
步骤1：将PⅡ52.5的润丰水泥50份、具有碱激发活性的铁尾矿固废50份、缓凝剂5份、氧化铁黑0.5份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.4份、早强剂1份、稳泡剂1份、憎水剂0.8份、水35份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将6份双氧水和0.2份铝粉加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌10s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造粗孔灰色火山石多孔材料。
对比例1
步骤1：将PⅡ52.5的润丰水泥40份、具有碱激发活性的铁尾矿固废60份、缓凝剂1份、氧化铁红1份，钛白粉0.5份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.1份、早强剂0.1份、稳泡剂0份、憎水剂0份、水35份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将4份双氧水加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌10s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造红色火山石多孔材料。
对比例2
步骤1：将PⅡ52.5的润丰水泥35份、具有碱激发活性的铁尾矿固废65份、缓凝剂1份、氧化铁黑1份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.1份、早强剂0.1份、稳泡剂0份、憎水剂0份、水35份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将1份双氧水加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌15s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造小孔灰色火山石多孔材料。
对比例3
步骤1：将PⅡ52.5的润丰水泥50份、具有碱激发活性的铁尾矿固废50份、缓凝剂1份、氧化铁黑0.5份置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂0.1份、早强剂0.1份、稳泡剂0份、憎水剂0份、水35份，将其分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，混合均匀进行打浆3min,打浆的搅拌速度为180r/min,得到混合浆料；
步骤4：将6份双氧水加入到混合浆料中，在600r/min条件下快速搅拌10s，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在55℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护28天，得到人造粗孔灰色火山石多孔材料。
表2实施例1-6，对比例1-3性能检测结果
结合以上性能检测可以看出，利用本发明制备的人造火山石，如实施例1-6，颜色与真火山石接近，有色彩多样的红色、橙色、灰色、黑色以及不同孔径大小的火山石，抗压强度高于JGJ/T 341-2014《泡沫混凝土应用技术规程》标准要求，吸水率和导热系数比标准要求低很多，并且还具有电磁波吸收功能，可以有效防护大部分频段的电磁辐射；而对比例1-3，是在实施例基础上减少了化学发泡剂铝粉、稳泡剂、憎水剂和减水剂的配方下制备的人造火山石，它的抗压强度下降，吸水率升高、保温隔热性能也下降，产品的成型稳定性差，说明如果缺少发泡剂、稳泡剂、憎水剂和减水剂及其配比，将导致最终产品达不到标准要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料，其特征在于：包括以下重量份数的原料：水泥35份-55份、具有碱激发活性的铁尾矿固废45份-65份、缓凝剂2份-5份、减水剂0.2份-0.5份、早强剂0.5份-1份、稳泡剂0.5份-1份、憎水剂0.4-1份、化学发泡剂2-8份、无机金属氧化物颜料0.5份-4份和水28-50份。
2.根据权利要求1所述的一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料，其特征在于：水泥为PⅡ52.5的润丰水泥或PW52.5的阿尔博白水泥，具有碱激发活性的铁尾矿固废为海南昌江铁尾矿。
3.根据权利要求1所述的一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料，其特征在于：无机金属氧化物颜料主要为钛白粉、铁黄、铁蓝、铁红、铁黑、炭黑中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料，其特征在于：缓凝剂为脱硫石膏，减水剂为红墙CSP-12早强型聚羧酸减水剂，早强剂为无水硫酸钠或氯化钙，稳泡剂为甲基纤维素醚或阴离子型分子量为500-800万聚丙烯酰胺，憎水剂为硬脂酸钙。
5.根据权利要求1所述的一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料，其特征在于：化学发泡剂为质量分数为30％的双氧水或铝粉。
6.根据权利要求1所述的一种铁尾矿制备的人造火山石多孔材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：首先将铁尾矿固废进行碱激发加机械活化得到具有碱激发活性的铁尾矿固废，然后和水泥、缓凝剂、无机矿物质颜料置于搅拌容器中，搅拌均匀得到干粉混合物；
步骤2：将减水剂、早强剂、憎水剂和稳泡剂分别溶解于水中，搅拌均匀得到混合水溶液；
步骤3：将干粉混合物和混合水溶液加入搅拌机中，在100r/min-280r/min的条件下，搅拌2-5min，得到混合浆料；
步骤4：将化学发泡剂加入到混合浆料中，在400r/min-800r/min的条件下，搅拌10s-15s后，然后将混合后的产物浇筑在模具中，摊铺均匀，发泡成型，先在50℃-90℃的条件下蒸养8h，待凝结硬化后，去皮，切割，然后在20℃±2℃、相对湿度95％的条件下养护7-28天，得到人造火山石多孔材料。
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