煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿体系全废渣泡沫陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了煤矸石‑粉煤灰‑硅砂尾矿体系全废渣轻质高强无机泡沫陶瓷及其制备方法。以煤矸石、粉煤灰和硅砂尾矿为原料，外加少量水作润湿剂，通过尾矿内部组成在高温下反应释放的气体而赋与泡沫陶瓷的多孔结构，获得了综合性能优良的泡沫陶瓷，废渣利用率高、制备工艺简单、成本低廉，其主要物相为钙长石相，轻质、高强、隔热、保温、防火、抗腐蚀和不产生二次污染，体积密度为0.68~0.81g.cm‑3，气孔率65.2‑74.7%，抗压强度为8.5‑13.7MPa，抗弯强度为5.3‑8.4MPa，耐酸性98.91‑99.94%，耐碱性99.61‑99.83%，可作为建筑物顶层、非承重墙和内外墙的隔热保温防火材料。

Waste slag ceramics made from coal gangue fly ash silica sand tailings system and preparation method thereof

The invention discloses a light weight and high strength inorganic foam ceramics of coal gangue, fly ash, silica sand tailings system and a preparation method thereof. With coal gangue, fly ash and silica sand tailings as raw materials and a small amount of water as wetting agent, the porous structure of foam ceramics was obtained by reacting the gas released from the tailings at high temperature. The foam ceramics with excellent comprehensive properties were obtained. The utilization rate of waste slag was high, the preparation process was simple and the cost was low. The main phase of the foam ceramics was as follows. The anorthite phase, light weight, high strength, heat insulation, heat preservation, fire protection, corrosion resistance and no secondary pollution, the volume density is 0.68-0.81g.cm_3, the porosity is 65.2_74.7%, the compressive strength is 8.5_13.7MPa, the bending strength is 5.3_8.4MPa, the acid resistance is 98.91_99.94%, the alkali resistance is 99.61_99.83%, and can be used as the top floor of the building, non-alkali resistance is 99.61_99.83%. Thermal insulation and fireproof materials for load-bearing walls and internal and external walls.

【技术实现步骤摘要】
煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿体系全废渣泡沫陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及固体废弃物资循环利用、建筑物节能及新型建筑陶瓷材料领域，具体涉及以煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿体系全废渣组成为原料制备轻质高强无机泡沫陶瓷及其制备方法。
技术介绍
近年来，以回收工业固体废弃物、实现资源的二次利用为目的的研究越来越受到关注。我国是一个矿产储量的大国，其煤矿、钢铁、有色金属等资源的产量均位于世界的领先水平。但同时也因生产技术和开采设备落后等因素产生了大量的工业固体废弃物，如煤矸石、粉煤灰、赤泥和各种尾矿等。这些废渣大部分被堆放在露天渣场，或用于筑路、回填采空区等低层次用途。仅少部分被用于生产水泥、墙砖、硅酸盐砌块、加气混凝土、泡沫水泥、泡沫玻璃、陶瓷、微晶玻璃等建筑材料，引入的废渣种类和引入量都极有限。工业固体废渣的堆存占用了大量土地，一方面产生高额的废渣维护成本；另一方面，废渣的溢出或塌陷直接危害渣场附近财产和人类生命安全，特别是一些废渣中往往含重金属及放射性有毒有害物质，其在自然界的风化作用下，到处流失，对土壤、水域和大气造成严重污染。因此，日益增加的工业废渣已成为社会公害，如何科学利用废渣是世界各国面临的重大难题之一。此外，节能减排是我国可持续经济发展的重要目标。根据全球气候变化控制目标，世界可持续发展工商理事会提出到2050年要将建筑物能源使用量减少60％，墙壁和窗户产生的建筑物能耗约占全球能源消耗的38％。而具有轻质、高强、气孔率高等特点的泡沫陶瓷在隔热、保温、隔音等方面具有优良的效果，可用于建筑物冬天取暖和夏天致冷过程中通过墙壁热流量的控制。因此，泡沫陶瓷是控制建筑物能耗的关键材料。目前，已经出现了许多利用工业固体废弃物制备无机泡沫材料的研究和报道，而且许多国家近年来也出台了相关的政策，这将进一步的促进相关技术的转化和应用，有利于环境和能源节约等问题的合理解决。专利104446628A公开一种利用煤矸石制备轻质保温墙体材料的方法。其组成配比和工艺如下：1)组成配比：煤矸石71～95％，助熔剂4.5～26.5％，发泡剂0.3～2.5％，其中，发泡剂为碳化硅、三氧化二铁、硫酸钙中的一种或几种按任意配比混合；助熔剂为长石、碎玻璃、铁尾矿、白云石、滑石、菱镁矿、纯碱、碳酸钾、萤石、硼砂中的一种或几种按任意配比混合。2)工艺：将配制好的粒状粉料装入耐火模具并送入窑炉内，同时利用窑炉内的高温烟气和温度获得了一种新型隔热保温墙体材料。该专利以煤矸石为主要原料(71～95wt％)，添加了部分助熔剂与发泡剂，未涉及全废渣泡沫陶瓷及其制备方法，也未涉及煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿三组成体系泡沫陶瓷及其制备方法。同时，泡沫陶瓷的性能明显依赖于煤矸石的化学组成，严重影响制品性能的稳定性。专利CN104671824A公开了一种利用煤矸石制备轻质发泡陶瓷保温材料的方法。该方法以85％～95％煤矸石、3％～14％矿物原料、1％～5％化工原料。其中，矿物原料包括白炭黑、菱苦土、镁钙砂中的一种或多种，化工原料采用纯碱、羧甲基纤维素钠或硅酸钠中的一种或多种。按比例称量各种原料，经过球磨、过筛、喷雾造粒、成型及烧结处理后，制得了高强度轻质发泡陶瓷保温材料。该专利以煤矸石为主要原料(85％～95wt％)，添加了部分矿物原料和化工原料，如纯碱类助熔剂，白炭黑类发泡剂，羧甲基纤维素钠与硅酸钠类粘结剂。未涉及全废渣泡沫陶瓷及其制备方法，也未涉及煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿三组成体系泡沫陶瓷及其制备方法。同时，泡沫陶瓷的性能明显依赖于煤矸石的化学组成，严重影响制品性能的稳定性。而专利CN104496536A公开了一种利用硅砂尾矿和煤矸石制备的泡沫陶瓷及其制备方法。其组成配比和工艺如下：1)组成配比：石英砂和/或硅砂矿尾矿30～55％，煤矸石25～50％，烧结添加剂15～25％，其中，烧结添加剂包括烧结助剂、发泡剂和粘结剂，烧结助剂为硼砂，发泡剂为碳酸钙，粘结剂为水玻璃。2)工艺：将原料按比例混合均匀后，经成型、干燥、烧成工序获得多孔陶瓷材料。该专利以硅砂尾矿和煤矸石两种不同的工业固体废渣为主要原料，添加了烧结助剂、发泡剂和粘结剂。未涉及全废渣泡沫陶瓷及其制备方法，也未涉及煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿三组成体系泡沫陶瓷及其制备方法。
技术实现思路
为了提高废渣的引入量，并突破各种尾矿因成分差异而引起的利用率低的问题，本专利技术主要利用尾矿化学组成间的协同、互补与相克效应，充分发挥每种尾矿内部成分的作用，以获得废渣利用率高且具有轻质、高强、隔热、保温、防火、抗腐蚀性和不产生二次污染等特点的泡沫陶瓷，可作为建筑物顶层、非承重墙和内外墙的隔热保温防火材料。本专利技术提供一种以煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿体系全废渣组成为原料的轻质高强无机泡沫陶瓷及其制备方法，该泡沫陶瓷由以下质量百分比组分原料通过制坯、烧结而成：煤矸石45～57％；粉煤灰21～48％；硅砂尾矿5～30％，三种成分中发泡剂Fe2O3的重量占总重量的1.5-4.0％。泡沫陶瓷中煤矸石、粉煤灰和硅砂尾矿占原料总质量的100％，无需添加任何助烧结助剂、发泡剂和粘结剂。煤矸石、粉煤灰和硅砂尾矿三种废渣均含有大量的SiO2和Al2O3成分，在烧结过程中参与泡沫陶瓷骨架的形成，使泡沫陶瓷具备优良的机械性能、热学性能和化学稳定性。煤矸石、粉煤灰和硅砂尾矿废渣中含有一定量Fe2O3，在1200-1300℃的高温下烧结，一部分Fe2O3颗粒被还原并释放出O2气体；一部分的Fe2O3颗粒则在高温下融于形成的玻璃相中，也释放出O2气体。因废渣中含有多种碱土金属和碱金属氧化物，可大大降低材料的烧结温度，且Na2O、K2O、CaO、MgO、SrO等组分能均能参与玻璃相的形成。而由Fe2O3释放出的O2被高温形成的液相包裹，从而形成制品的多孔结构。因此，无需添加额外发泡剂。同时，玻璃相也可与重金属离子等有毒有害组分固溶，形成化学键合如Si-O-Pb2+、Al-O-Cd2+、Al-O-Cr3+等，从而使后者受到束缚与变性；或者通过物理包埋的方式对重金属离子及放射性物质等有毒害组分进行固封，从而实现陶瓷类制品中由废渣引入的有毒害物的零排放。当原料颗粒较细时，加少量水，在一定机械压力作用下成型后，细小颗粒间产生一定粘结力，从而赋予陶瓷坯体一定的机械强度。本专利技术提供的方法中将煤矸石、粉煤灰和硅砂尾矿原料经球磨机加工成细小颗粒，通过过筛获取粒度为200～300目的粉末，将所得的粉末按照预先设计的配比进行混合、干燥后获得配合料，然后外加原料总重量3-5％的水，混合均匀后装入模具，在一定压力下压制成型，得到坯体；所得的泡沫陶瓷坯体先置于干燥箱中进行干燥，再进行高温烧结并保温一定时间，冷却，即得泡沫陶瓷。本专利技术所述的煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿体系全废渣组成为原料的轻质高强无机泡沫陶瓷及其制备方法还包括以下优选方案：优选的方案中将充分干燥后的泡沫陶瓷坯体置于燃气窑炉或电阻炉中，以5℃/min的升温速率加热到1220～1235℃，保温0.5～1小时。优选的方案中少量水的加入起到润湿和粘结性能，有利于原料的压制成型，赋予陶瓷坯体初始机械强度。优选的方案中压制成型采用单面加压方式成型，成型压力为25～30MPa。优选的方案中冷却方式为随炉冷却。本专利技术的技术优势：根据材料的化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以煤矸石‑粉煤灰‑硅砂尾矿体系全废渣组成为原料制备轻质高强无机泡沫陶瓷，其特征在于，泡沫陶瓷以煤矸石、粉煤灰和硅砂尾矿为原料，各组成的质量百分比为：煤矸石45～57％，粉煤灰21～48％，硅砂尾矿5～30％，其中，三种成分中发泡剂Fe2O3的重量占总重量的1.5‑4.0％。

【技术特征摘要】
1.一种以煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿体系全废渣组成为原料制备轻质高强无机泡沫陶瓷，其特征在于，泡沫陶瓷以煤矸石、粉煤灰和硅砂尾矿为原料，各组成的质量百分比为：煤矸石45～57％，粉煤灰21～48％，硅砂尾矿5～30％，其中，三种成分中发泡剂Fe2O3的重量占总重量的1.5-4.0％。2.权利要求1所述的以煤矸石-粉煤灰-硅砂尾矿体系全废渣组成为原料制备轻质高强无机泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：1)将煤矸石、粉煤灰和硅砂尾矿原料经球磨机加工成细小颗粒，通过过筛获取粒度为200～300目的粉末；2)将步骤1)所得的粉末按照设计的配比进行混合、干燥后获得配合料，然后外加原料总重量3-5％的水，混合均匀后装入模...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢安贤，刘涛涌，杨琦峰，韩磊，刘建磊，李翠，高翔龙，于静波，汤悟夫，林昌伟，桂花，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43