CN101137595A - 包含iba和低钙的硅铝材料的高温加工的聚集体和此类聚集体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括将IBA和比所述IBA具有更小钙含量的第二硅铝材料混合。该方法还包括：将所述混合物附聚，例如通过造粒附聚，和将所述附聚物高温加工，例如通过烧结或玻璃化进行高温加工，以形成聚集体。例如，第二材料可以是粘土如膨润土或高岭土，矿业废料如花岗岩锯切残渣，废玻璃，或炉底灰。添加第二材料已经发现促进轻重量和正常重量聚集体的制备。也可以将塑性粘结剂如粘土添加到所述混合物中。优选地，在附聚之前将IBA或IBA和第二材料的混合物湿研磨。还公开了包含IBA和第二材料的轻重量烧结聚集体和包含IBA和第二材料的聚集体。

Description

包含IBA和低钙的硅铝材料的高温加工的聚集体和此类聚集体的制备方法
发明领域
[0001]高温加工(pyroprocess)的产物及其方法，更具体地说，包含得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)和低钙的硅铝(silicoaluminous)材料的高温加工的聚集体和此类聚集体的制造方法。例如，该产物可以经烧结或玻璃化成轻重量和正常重量的聚集体。例如，此类聚集体可以用于混凝土、砖石或绝缘体。
发明背景
[0002]聚集体(它们是混凝土的主要成分)可以衍生自具有最小加工的天然源或经过热处理的天然产生的材料。聚集体也可以是合成的。得自天然源如采石场、地基中的矿井和河床的聚集体通常由岩屑、砾石、石料和沙子组成，可以视需要将它们压碎、洗涤和调整大小用以使用。得自天然材料可用来形成聚集体的聚集体包括粘土、页岩和板岩，将它们高温加工，引起材料的膨胀。例如，OPTIROC和LECA是可商购的膨胀粘土聚集体的实例。合成聚集体可能包含工业副产物，它们可能是废料。例如，LYTAG是可商购的烧结聚集体，其包括粉煤灰(“PFA”)，亦称飞灰。例如，PFA是由发电厂中的煤炭燃烧产生的。
[0003]聚集体可以是轻重量或正常重量的。轻重量聚集体(“LWA”)具有由ASTM规格C330限定的小于2.0g/m3的颗粒密度或小于1.1g/cm3的干燥疏松堆积密度。得自例如砾石、沙子和碎石的正常重量聚集体具有约2.4-约2.9的堆积比重(既是烤干的又是饱和表面干燥的)，和至多约1.7g/cm3的堆积密度。高质量LWA具有强但是低密度多孔的均匀结构强度的烧结陶瓷芯和致密、连续、较不透性的表面层以抑制吸水。它们是物理上稳定、持久且环境上惰性的。LWA应该还是接近球形的，以改进混凝土性能和为混凝土糊剂提供良好的粘附性。根据ASTM规格C330，对于粗聚集体来说，引入混凝土的适合的尺寸为约4.75mm-约25mm，或2.36mm-9.5mm。例如，也可以使用更小的细聚集体(它们是LWA生产的副产物)，以替代混凝土中的沙子。对于在混凝土中的使用来说，LWA应该具有足够的压碎强度和耐破碎性以致所得的混凝土具有大于10MPa的强度和约1.5g/cm3-约2.0g/cm3的干密度。含LWA的混凝土(“LWA混凝土”)也可以具有低到约300kg/m3的密度。
[0004]虽然LWA混凝土可以比常规混凝土轻20-30％，但是它可能在强度上相同。即使当它不如常规混凝土强时，该LWA混凝土可能具有降低的结构失效载荷，使得能够在结构中使用更长的跨度、更窄的横截面和降低的增强。LWA混凝土的较低的重量促进处理和降低输送、设备和工资成本。例如，LWA混凝土在高升建筑物中的建筑板坯中和在混凝土拱桥中可能是尤其有用的。LWA混凝土也可以具有改进的绝缘性质、冻融性能、耐火性和降噪性。例如，LWA也可以用于其它结构的建筑、用于公路和用作污物填料。
[0005]在大多数国家，按体积计方形石是聚集体的最大来源。尽管LWA有许多优点，但是由于例如环境和法律问题、可利用性和运输和其它成本，聚集体提取是复杂的。
[0006]废料处理是提出重大环境和法律问题的另一个方面。由于可利用的拉圾填埋地点的耗尽、获得新地点的困难、不利的环境影响和填埋场的成本，废料处理已经是重要的问题达许多年。例如，焚烧炉底灰(“IBA”)，它由城市固体废物(“MSW”)焚烧产生的重质灰分流，在体积方面是值得注意的废料。IBA占MSW焚烧炉残渣总重量的约75％-约80％。IBA包括矿渣、玻璃、陶瓷、黑色及有色金属、矿物质、其它不燃物和未燃烧有机物质的多相混合物。所产生的IBA的相当大的量提出了值得注意的处理问题。当填埋时，重金属可能从IBA中浸出进入地面和地下资源。IBA当前以其原始形式(没有热处理)用于填方和堤防的建筑、人行道基底和道路底基层路线、土体加固、填埋场覆盖物，用于砖块、石块和铺路薄片石，和用作特定应用中的填料。虽然认为是较惰性的废料，但是在这些应用中重金属的浸出是可能的。例如，含IBA的混凝土比包括LYTAG的混凝土弱。IBA也可以与胶结物发生化学反应，引起溶胀和开裂。
[0007]显著的体积的废料还由产生电力的发电厂产生，主要呈来自发电厂炉子的烟道气中的细纹颗粒材料形式，其称为粉煤灰(“PFA”)。PFA占所产生的煤灰的70-80％。如上述，包含PFA的烧结LWA可按商品名称LYTAG商购。ASTM C 618限定了两种主要类别的PFA，基于它们的化学组成，即F类和C类。包含硅质且有时铝质材料的F类PFA通常由燃烧硬煤或烟煤产生并且几乎没有胶结值。通常由燃烧亚烟煤和褐煤产生的C类PFA通常包含大量氢氧化钙(CaOH)或石灰(CaO)。C类PFA具有一定的胶结性能。所产生的大部分PFA当前以较大成本在填埋场中处理并且具有可能污染地下含水层的重金属泄漏危险。
[0008]除了PFA之外，发电厂还产生炉底灰(“FBA”)，它是落向炉子底部的较重质粗糙灰分材料。FBA分类为湿或干炉底灰，这取决于所使用的锅炉的类型。虽然两种煤炭燃烧副产物具有使得它们在应用范围中的使用变得合乎需要的性能，但是大于70％煤灰是未使用的。其大部分抛弃在填埋场中。FBA当前以其原始形式用作轻质混凝土砖石块体中的聚集体，用作Portland胶结物中的原料，用作道路基底和基层聚集体，用作结构充填材料(如堤防和挡墙)和用作沥青铺路中的细聚集体。
[0009]采矿业产生大量呈不同尺寸的粉末、泥土和压碎材料形式的废料，它们在压碎和洗涤操作期间产生。这些残留物的约75％包含各种型式的软石如大理石，瓷料和石灰华。残留物的剩余部分包含硬石，如花岗岩。
[0010]用于例如花岗岩采矿(它是最重要的采矿领域之一)的花岗岩锯机和花岗岩切割机产生大量花岗岩废渣，它们呈来自锯切和洗涤过程的粉末或泥土形式。这些废料需要在污水池或填埋场处理之前加以处理以免污染地面或地下含水层。花岗岩包含二氧化硅和氧化铝。
[0011]从MSW流中除去的废玻璃是另一种废料。废玻璃已经在公路建筑中用作沥青铺路中的聚集体替代物并且用作颗粒基底或填料。废玻璃的尺寸为约25mm-约100mm。
[0012]Smith的美国专利号4,120,735公开了砖块或类似烧制的建筑块体，如陶瓷型瓷砖或陶管的制备方法，包括将至少50wt％得自城市垃圾焚烧炉的无机非铁残留物(其泛指焚烧炉底灰)与煤炭飞灰和粘结剂如硅酸钠混合。将该混合物成形然后分三步烧制。首先，在180℃加热该混合物一小时，以确保混合物中的水分蒸发掉。然后以65℃/分钟的递增将混合物加热到550℃并保持一整夜，以烧尽碳。然后在约1700(926℃)以约2000(1093℃)的温度下烧制该混合物，以形成砖块。Smith强调将焚烧炉残渣添加到煤炭飞灰中与煤炭飞灰砖块相比降低了烧制温度。Smith指出焚烧炉残渣(代替飞灰)熔融当冷却时产生粘结。显著的融合据说在1700(926℃)和1750(954℃)之间进行。Smith还报道随着焚烧炉残渣的比例增加砖块性能越好。优选的组成因此是50％-60％焚烧炉残渣，1％-4％粘结剂和剩余份数的煤炭飞灰。基于低的烧制温度，应该相信焚烧炉残渣主要包括玻璃和可能地焚烧炉飞灰。由于所报道的强度，还应相信Smith制备了具有较大玻璃质无定形相的陶砖。该砖块具有高强度和低孔隙率，因为焚烧炉残渣的熔融的玻璃组分填充了大多数孔隙。
[0013]废料处理的经济负担和危险使得开发替代技术以将废料转化成有利可图的产物是有利的，这还将减少对较不可获得、不能再生的材料的需求。
发明概述
[0014]由得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)制备合成聚集体将避免或减轻一些或所有与聚集体原材料的IBA和方形石的废料处理有关的问题。然而，已经发现IBA可能难以高温加工成具有所需特性的产物，原因在于它迅速地烧结和致密化。IBA含有高浓度的含钙矿物质，如氧化钙、碳酸钙和硫酸钙，以及钠和钾氧化物和硫酸盐。这些矿物质充当“助熔剂”。应该相信这些助熔剂降低IBA中其余化合物的熔点，而引起在比当更少量助熔剂存在时低的温度下烧结和致密化。另外，IBA的组成是高度可变的，使得其高温加工行为不可预知。IBA组成的可变性可以归因于若干因素，如焚烧程序和由MSW焚烧炉接收和加工的废料的可变性。所接收的废料可能基于一年中的时间和其中废料产生的地理位置改变。
[0015]根据本发明的一个实施方案，公开了制备聚集体的方法，该方法包括将得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)和比所述IBA含更少钙的第二硅铝材料混合。该方法还包括使该混合物附聚以形成附聚物和将所述附聚物高温加工以形成聚集体。第二材料可以包括粘土、页岩、板岩、矿业废料、废玻璃和/或炉底灰。例如，粘土可以包括膨润土和/或高岭土。例如，矿业废料可以包括花岗岩锯切残渣。
[0016]该方法可以进一步包括在混合之前将IBA研磨，优选通过湿研磨进行。也可以在附聚之前将IBA和第二材料的混合物研磨，如通过湿研磨进行。附聚可以包括造粒。在湿研磨之后，可以除去水并将其用于高温加工的聚集体的造粒和/或淬火过程中。例如，附聚物可以具有约3mm-约40mm的直径。该方法可以进一步包括湿研磨IBA，从经湿研磨的IBA中分离出废玻璃，研磨所述废玻璃，和将经研磨的废料玻璃与经湿研磨的IBA混合。该方法可以进一步包括用无机粉末涂覆附聚物。例如，所述无机粉末可以是PFA、粘土、页岩和/或板岩。还可以将塑性粘结剂如粘土添加到IBA和第二材料的混合物中。本文所使用的术语“塑性粘结剂”是指具有高塑性指数的粘结剂材料。按干燥重量计，粘土粘结剂可以占IBA、第二材料和粘土粘结剂的混合物的重量的约5％-约20％。例如，粘土粘结剂可以包括膨润土和/或高岭土。
[0017]优选在回转窑中高温加工附聚物。可以将聚集体高温加工成轻重量聚集体或正常重量聚集体。可以将聚集体高温加工形成烧结或玻璃化的聚集体。
[0018]IBA和第二材料可以与有机材料，如活性炭废料混合，以增加聚集体的孔隙率。例如，有机材料可以占IBA和第二材料的混合物的干燥重量的至多约30％。
[0019]该方法可以进一步包括至少部分地基于IBA与第二材料的比例和高温加工温度控制聚集体的所选性能，如密度和吸水率。该方法可以进一步包括至少部分地基于有机材料的添加控制聚集体的所选性能，如密度。
[0020]该方法可以进一步包括按所述混合物的干燥重量计将约5％-约95％IBA与约95％-约5％第二材料混合。优选地，按所述混合物的干燥重量计，将约30％-约70％IBA与约70％-约30％第二材料混合。更优选，按所述混合物的干燥重量计，将约30％-约50％IBA与约70％-约50％第二材料PFA混合。
[0021]根据本发明的另一个实施方案，公开了烧结的轻重量聚集体的制备方法，该方法包括：制备包含IBA和比该IBA具有更少钙的第二硅铝材料的混合物，使该混合物附聚以形成附聚物，和将所述附聚物烧结。第二硅铝材料可以包括上面实施方案中论述的相同材料。该方法可以进一步包括将所述附聚物烧结以形成相对密度小于约2.0g/cm3的聚集体。以干燥重量计，所述轻重量聚集体可以具有小于约40％的吸水率。优选在回转窑中烧结所述附聚物。所述附聚物可以具有约3mm-约40mm的直径。
[0022]该方法可以进一步包括将预定比例的IBA与第二材料混合并在至少部分地基于该预定比例的温度下将该附聚物烧结，以形成具有预定密度的轻重量聚集体。按所述混合物的干燥重量计，将约40％IBA与约60％第二材料混合是优选的。这一实施方案也可以按上述比例包括混合物。该方法可以进一步包括研磨IBA，如通过湿研磨进行。该方法可以进一步包括在约1050℃-约1240℃的温度下高温加工该混合物。
[0023]根据本发明的另一个实施方案，通过包括以下步骤的方法形成轻重量烧结聚集体：将IBA、比该IBA具有更少钙的硅铝材料和粘土粘结剂混合，使该混合物附聚以形成附聚物，和将所述附聚物烧结。
[0024]根据本发明的另一个实施方案，公开了轻重量烧结聚集体，其包含IBA和比该IBA具有更少钙的第二硅铝材料。在一种温度下将所述IBA和第二材料的混合物烧结以形成烧结的轻重量聚集体。第二硅铝材料可以包括上面实施方案中论述的相同材料。按所述混合物的干燥重量计，所述IBA可以占约5％-约95％；第二材料可以占约95％-约5％。优选地，按所述混合物的干燥重量计，所述IBA占约30％-约70％.；第二材料占约70％-约30％。更优选，按所述混合物的干燥重量计，所述IBA占约30％-约50％；第二材料占约70％-约50％。非常优选地，按所述混合物的干燥重量计，所述IBA占约40％；第二材料占约60％。这一实施方案的轻重量烧结聚集体可以具有小于约40％的吸水率。所述轻重量烧结聚集体还可以包含塑性粘结剂，如粘土。粘土粘结剂可以占所述混合物干燥重量的约5％-约20％。所述聚集体可以具有约2mm-约30mm的直径。
[0025]根据本发明的另一个实施方案，公开了聚集体，其包含IBA和比该IBA具有更少钙的第二硅铝材料。所述聚集体可以包括高温加工的粒料，后者包含所述IBA和第二材料的混合物。所述高温加工的粒料可以具有约2mm-约30mm的直径。可以将所述粒料烧结或玻璃化。所述聚集体可以是轻重量或正常重量的。第二硅铝材料可以包括上面实施方案中论述的相同材料。所述聚集体还可以包含塑性粘结剂。
[0026]根据本发明的另一个实施方案，公开了包含IBA和粘土、页岩和/或板岩的聚集体。所述粘土可以包括膨润土和/或高岭土。
[0027]根据本发明的另一个实施方案，公开了包含IBA、矿业废料和塑性粘结剂的聚集体。所述矿业废料可以包括花岗岩锯切残渣。
[0028]根据本发明的另一个实施方案，公开了包含IBA、废玻璃和塑性粘结剂的聚集体。
[0029]根据本发明的另一个实施方案，公开了包含IBA、炉底灰和塑性粘结剂的聚集体。
[0030]本发明的实施方案可以通过减少IBA和硅铝废料，以及活性炭废料对填埋处理的依赖性并在聚集体原材料的寻找中为自然资源的消耗提供替代方案而提供显著的经济和环境利益。
附图简述
[0031]图1是根据本发明的一个实施方案的IBA和IBA和膨润土的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图；
[0032]图2是根据本发明的方法制备的附聚物的实例的横截面示意图；
[0033]图3是根据本发明实施方案的烧结聚集体的实例的剖面示意图；
[0034]图4是根据本发明实施方案的玻璃化聚集体的实例的横截面示意图；
[0035]图5是根据本发明的一个实施方案的制备聚集体的方法的实例；
[0036]图6是根据本发明实施方案的烧结聚集体的实例的照片；
[0037]图7是根据本发明的另一个实施方案的制备聚集体的另一个方法的实例；
[0038]图8是根据本发明的一个实施方案的IBA和IBA和废玻璃的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图；
[0039]图9是根据本发明的一个实施方案的IBA和IBA和花岗岩锯切残渣的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图；
[0040]图10是根据本发明的一个实施方案的IBA和IBA和高岭土的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图；
[0041]图11是根据本发明的一个实施方案的IBA和IBA和页岩的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图；和
[0042]图12是根据本发明的一个实施方案的IBA和IBA和板岩的混合物的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图；
具体实施方式
[0043]材料当加热时的行为主要取决于其组成、粒径和矿物质的分布。只有当耐熔物质和助熔矿物质之间的良好比率存在以致它在高温加工温度下提供受控致密化时才可以获得适合的烧结产物。助熔矿物质降低材料中其余组分的熔点。材料中存在大量呈氧化物、碳酸盐或硫酸盐形式的碱土金属钙和镁，以及碱金属钠和钾导致玻璃网络形成元素硅的比例相应降低。它们为其余化合物提供“助熔”作用，从而促进在混合物中的组分的最低共熔点的温度下烧结和熔融。用于在本发明的实施方案中制备高温加工聚集体的IBA含有大量氧化钙和碳酸钙，以及少量的钠和钾氧化物或硫酸盐。烧结和玻璃化因此在比耐熔矿物质的那些低的温度下进行。另外，根据所涉及的温度，具有低粘度和高迁移率的助熔剂通过液相烧结帮助烧结或玻璃化产物的形成。已经发现，由于存在高浓度的这些助熔剂，IBA显示快速的烧结和致密化。
[0044]根据本发明的实施方案，将比IBA具有更低钙含量的某种硅铝材料与IBA混合以改进在温度下IBA的致密化行为。这已经发现在聚集体生产过程内提供更好的控制。可以使用的一类硅铝材料是粘土。可以使用的粘土的实例是膨润土，它是硅酸镁-铝。可以使用的粘土的另一个实例是高岭土，它是水合的二氧化硅铝酸盐。页岩是可以使用的硅铝材料的相关实例，它是通过粘土、淤泥或泥土的压缩形成的堆积岩。板岩是可以使用的硅铝材料的另一个相关实例，它是由粘土或火山灰组成的匀质堆积岩。可以使用的其它硅铝材料包括废料如矿业废料、废玻璃和炉底灰(“FBA”)。矿业废料包括花岗岩锯切残渣。FBA是在煤炭燃烧发电厂中流到炉子底部的较重质、的粗灰材料。它具有与PFA相同的组成。
[0045]图1是在约1060℃-约1220℃的范围内包含IBA的聚集体，和包含IBA和膨润土的混合物的聚集体的密度(g/cm3)对高温加工温度(℃)的曲线图。对应于100％IBA的曲线A显示随着温度从约1060℃增加到约1100℃，密度从约1.3g/cm3的低密度增加到约2.6g/cm3的最大密度。随着温度从1100℃增加到1120℃，密度从约2.6g/cm3的最大密度减小到约1.6g/cm3。密度为2.0g/cm3和以下的聚集体称为轻重量聚集体，而密度大于2.0g/cm3的聚集体称为正常重量聚集体。
[0046]在1060℃到1100℃内密度增加，因为在这一温度范围内，当产物烧结时，IBA中的助熔剂熔融形成液相，该液相通过毛细管作用填充IBA中颗粒之间的孔隙。当孔隙被填充并且样品的体积减小时，密度增加。另外，液相中较小的颗粒朝较大的颗粒扩散。熔融的材料在硬化后形成刚性、玻璃质、无定形骨架或基体。随着加工温度增加，IBA中更多的化合物熔融，从而基本上排除所有孔隙并形成更玻璃质、结晶的固体基体。在最大致密化的温度下，基本上所有孔隙被填充并且产物被玻璃化。
[0047]在1100℃到1120℃的温度内密度减小，因为进一步的温度增加导致样品熔融并且膨胀。膨胀由熔融液相中气体的夹带造成，这起因于样品的某些组分的挥发。夹带的气体形成孔隙。
[0048]如图1所示，IBA在非常窄的温度范围内迅速地烧结。例如，为了制备包含100％IBA密度为约1.5g/cm3-约1.8g/cm3的烧结的轻重量聚集体，烧结温度必须在1070℃-1080℃的范围之内，它的宽度仅为10℃。另外，IBA的给定样品的组成变化引起在加热期间不同IBA样品的行为的显著变化。不同IBA样品的温度和密度之间的关系因此可以广泛地改变。因此，很难获得具有所需的密度、孔隙率、吸水率等特性的IBA最终产物。在大规模生产中，不能控制IBA随温度的致密化行为是具有需要性能的聚集体的生产中的重大阻碍。
[0049]本发明实施方案中使用的低钙的硅铝材料(“SAMS”)包括比IBA更耐熔的矿物质，如二氧化硅和氧化铝，和更不助熔的试剂，如钙、镁、钾和钠氧化物。以下，用于实施例的IBA包含约42％二氧化硅(SiO2)、11％氧化铝(Al2O3)和20％氧化钙(CaO)。天然SAM粘土(例如，膨润土和高岭土)、页岩和板岩包含约48％-58％二氧化硅(SiO2)，约18％-约29％铝(Al2O3)和小于约3％氧化钙(CaO)。花岗岩锯切残渣，它是可以用于本发明实施方案的矿业废料的实例，包含约65％二氧化硅(SiO2)，约15％氧化铝(Al2O3)和约2.6％氧化钙(CaO)。这些低钙SAM的其它组分在以下实施例中进行了描述。废玻璃包含约72％二氧化硅(SiO2)，约2％氧化铝(Al2O3)和约9％氧化钙(CaO)。废玻璃还包含约12％氧化钠(Na2O)，它也是助熔化合物。炉底灰，其具有与得自煤炭燃烧(“PFA”)的粉煤灰相同的组成，包含约52％二氧化硅(SiO2)，约26％氧化铝(Al2O3)和约2％氧化钙(CaO)。这些低钙SAM中的其它助熔剂具有与IBA中类似的低浓度。
[0050]以特定比例混合IBA与低钙SAM改变混合物的化学组成和矿物学，从而以可预计的方式改进IBA的快速烧结行为。这导致样品的初始软化、烧结和熔融之间的更平缓烧结和更宽的温度间隔。例如，将膨润土添加到IBA中与100％的IBA相比减少存在于混合物中的助熔矿物质的量，同时增加耐熔矿物质如石英和高岭石的含量。因为耐熔矿物质如石英和高岭石具有比助熔剂高的熔点，所以该混合物在更高的温度下烧结和熔融。
[0051]如图1所示，在60％/40％IBA/膨润土混合物中，例如，为了制备密度为约1.5g/cm3-约1.8g/cm3的烧结的轻重量聚集体，烧结温度可以在约20℃(从约1085℃-约1105℃)的范围之内。在40％/60％IBA/膨润土混合物中，在约1080℃-约1130℃的50℃范围内的温度下可以达到类似的密度。另外，将膨润土浓度增加到60％延迟烧结，因为最大密度在约1180℃下达到(相比，100％IBA在1100℃下达到，60％/40％IBA/膨润土在1130℃下达到)。预计进一步增加膨润土到80％和以上将在比40％/60％IBA/膨润土混合物更宽的温度范围内获得密度为约1.5g/cm3-约1.8g/cm3的轻重量聚集体。更宽的温度范围促进具有所需密度和其它性能的聚集体的产生，尽管IBA的组成有变化。图1基于以下实施例3的结果。
[0052]还发现IBA组成变化对所得聚集体的特性的影响可以进一步通过将该IBA湿研磨而减轻。与其它常用技术相比，湿研磨已经发现降低材料多相性和产生更适合于进一步加工的更均匀的浆料。
[0053]在根据本发明一个实施方案的方法中，如下形成聚集体：将预定量的IBA和低钙的硅铝材料(“SAM”)混合，使该混合物附聚，和在选定的温度下高温加工该附聚物。所述低钙SAM比该IBA具有更少的钙。基于如图1中图解表示的那些数据，温度可以至少部分地基于IBA与SAM的比例，和聚集体的所需密度和其它性能，如吸水率和/或强度选择。将引起烧结的温度是优选的。可以在烧结之前研磨IBA，以提供用于分布的细小颗粒尺寸。优选地，还研磨SAM，除膨润土和高岭土之外，它们已经具有细小颗粒尺寸分布。IBA和SAM可以在一起研磨。湿研磨是优选的。在烧结之前还优选将混合物附聚，以产生具有所需尺寸和形状的附聚物以形成烧结聚集体20。造粒是优选的附聚方法。
[0054]图2是附聚物10的实例，其包含SAM颗粒12，如废玻璃、粘土(膨润土、高岭土)、页岩、板岩、花岗岩锯切残渣和FBA，IBA颗粒14和孔隙16，可以将该附聚物高温加工，例如，以形成根据本发明实施方案的聚集体。还可以包括任选的塑性粘结剂(如粘土粘结剂)的颗粒18，以提高SAM颗粒12和IBA颗粒14的物理粘结和改进附聚物10的完整性。在高温加工期间，IBA14和SAM颗粒12的原始晶粒颗粒中的助熔化合物，如氧化钙、氧化钠和其它熔点低于加工温度的化合物熔融并流入孔隙16，如以上所讨论的那样。如果SAM颗粒12是废玻璃(它是非结晶固体)，由于软化的玻璃颗粒在比其它结晶SAM颗粒，如花岗岩锯切残渣、粘土、页岩、板岩和炉底灰的熔融温度通常低得多的温度下通过粘性烧结而熔融引起致密化。
[0055]图3是根据本发明的一个实施方案由附聚物10的烧结产生的聚集体20的实例的剖面示意图。该聚集体20包含IBA、SAM和任选地，塑性粘结剂的混合物。在这一实例中，根据IBA与SAM的比例和所需的密度和/或其它特性，在约1060℃-约1220℃的温度下烧结该附聚物10。该烧结聚集体20包含许多通过部分玻璃质和部分结晶的基体24彼此粘结的晶粒22，所述基体由组分的熔融和/或结晶产生。晶粒22可以包含二氧化硅、氧化铝和熔点大于加工温度的其它矿物质。晶粒22在烧结期间完全或部分地结晶，从而提供晶粒22之间的附加粘结。聚集体20可以具有致密、连续、较不透性的表面层26，其由用PFA或其它无机材料任选地涂覆附聚物10产生，如下面进一步论述的那样。还存在内孔28(它们可以是通道状的)和小表面孔(它们可以是细微的)。所述表面孔可以与内孔连接，使得该聚集体20能够吸水。吸水率的程度指示孔的体积和连通性。
[0056]图4是根据本发明另一个实施方案的玻璃化聚集体30的实例的剖面示意图，该聚集体包含更少的晶粒22和更大的基体24。玻璃化如下产生：在对于IBA与SAM的特定比例而产生最大致密化的温度处或之上将附聚物10高温加工，其中附聚物的大多数组分熔融。
[0057]根据本发明的实施方案可以制备密度低到约1.2g/cm3和吸水率大于约40％，具有非常低强度的高孔隙度轻重量聚集体(“LWA”)，以及密度至多2.0g/cm3的非常强的、良好烧结的LWA。根据本发明的实施方案还可以制备密度大于2.0g/cm3且至多约2.6g/cm3，吸水率接近零的正常重量聚集体。根据本发明实施方案实施方案的采用IBA和SAM的聚集体制备提供有利的再利用应用。
[0058]当预计的应用需要较低密度(小于约1.3g/cm3)的具有在基体24内的高孔隙度微结构的聚集体时，可以将有机材料引入IBA/SAM混合物中。所述有机材料可以是废料有机材料，如活性炭废料(“ACW”)，或得自农业、林业或工业源的具有高碳含量的任何废料。活性炭由含碳物质，如木制品、煤炭或泥炭的受控燃烧产生。它在水处理中用作过滤器以吸收污染物。活性炭废料是在其已经使用之后的废活性炭。也可以使用淀粉。有机材料在烧制期间烧尽，从而增加所得聚集体的孔隙度和降低它们的密度。密度低到0.5g/cm3的轻重量聚集体可以通过添加有机废料制备。采用IBA、SAM和ACW的聚集体制备为至少两种废料提供进一步有利的再利用应用。如果SAM也是废料(废玻璃、花岗岩锯切残渣、炉底灰)，则可以再利用三种废料。
[0059]图5是根据本发明的一个实施方案的制造聚集体的方法100的实例。在步骤105中，将IBA添加到球磨机的筒体中并在步骤110中与水一起研磨。研磨用来将IBA的颗粒尺寸分布降到细小的分布，以改进高温加工。具有细小颗粒尺寸分布的粉末具有有利的特性，因为高的表面积与体积的比例增加小颗粒通过液相向较大颗粒的扩散并且因为粉末在整个聚集体中分布得更好，具有良好的填充密度。例如，所得的颗粒优选具有约45微米且更少的平均颗粒尺寸。湿研磨是优选的，因为它已经发现提供更均匀的颗粒尺寸分布。另外，在湿研磨过程中使用的液体倾向于打碎附聚物并降低粉末颗粒的熔接。或者，例如，可以在锤磨机中干研磨IBA。
[0060]例如，湿研磨可以在密闭的运动圆筒形容器中进行，其中在液体介质如水或醇中的球形研磨介质如铝球体施加足够的力以使悬浮在介质中的颗粒破碎。可以通过滚动、振动、行星旋转和/或搅拌使研磨介质产生运动。控制粉末颗粒尺寸分布的最重要的变量是研磨速度(rpm)、研磨时间、研磨介质的量、液体的量和原材料的初始颗粒尺寸。优选提供是IBA(按重量计)约两倍的液体(按重量计)。研磨介质可以是总重量为IBA的约四至五倍的铝球体。对于有效的结果，容器应该被研磨介质至少填充一半。可以使用钢球体代替铝球体。所述球体优选具有小的直径，如约0.5英寸(12.7mm)-约5/8英寸(15.9mm)。例如，可以进行研磨约8小时。
[0061]例如，在步骤115中，通过筛网分离经湿研磨的IBA以除去较大的颗粒。较大颗粒的存在可能干扰匀质粒料的形成。分离可以按多个步骤进行。在一个实例中，可以在开孔为3.35mm、1.70mm、355微米和150微米的ASTM标准不锈钢网筛上连续地机械摇动IBA。对颗粒尺寸小于355微米的较细IBA部分进一步加工。
[0062]在步骤125中，将得自步骤120的较细部分脱水。优选，除去所有游离水。所除去的水称为排出物，其可以用于下面进一步论述的造粒步骤150和/或淬火步骤165，或丢弃。已经发现当钠和钾盐浸出进入排出物时，重金属不会浸入。因此水的使用或丢弃是安全的。应该相信存在于IBA中的重金属不会浸出，因为它们受低溶解度碳酸盐和/或硅酸盐束缚。例如，可以在压滤机或其它过滤设备中除去水。脱水导致在步骤130中形成固体湿滤饼残留物。
[0063]在步骤135中，将滤饼干燥和磨碎。这一步骤将滤饼转化成粉末。例如，可以在110℃下的烘箱中干燥滤饼。例如，可以通过岩钵和研杵磨碎该粉末。在大规模生产中，例如，可以在桨式搅拌机或干燥锤磨机中将干固体滤饼磨碎成粉末。
[0064]在步骤140中，将磨碎的IBA粉末与SAM彻底地混合。如果SAM已经呈具有适合颗粒尺寸分布的粉末形式，则可以在步骤140中将SAM与经研磨的IBA直接地混合。如果SAM是废玻璃、花岗岩锯切残渣、页岩、板岩、FBA或具有粗分布，则可以在与经研磨的IBA混合之前将它干研磨。按干燥重量计，可以将约95％-5％SAM添加到IBA中。更优选，按干燥重量计，添加约70％-约30％SAM。更优选，按干燥重量计，添加约70％-约50％SAM。非常优选，添加约60％SAM。如果需要的话，在步骤140中还可以添加有机材料，如有机废料，以增加烧结聚集体20中的孔隙度。按IBA/SAM/有机材料混合物的干燥重量计，可以添加至多约30％有机材料。
[0065]在步骤140中可以任选地添加塑性粘结剂(如果SAM不是粘土)，以提高在造粒期间各个颗粒的物理粘结和改进粒料完整性。例如，塑性粘结剂可以包括粘土。如以上的讨论，塑性粘结剂是具有高塑性指数的粘结剂材料。至少10的塑性指数是优选的。按IBA/SAM/粘土混合物的干燥重量计，粘土粘结剂可以占约5％-约20％。在那种情况下，按该混合物的干燥重量计，IBA可以占约5％-75％，SAM可以占约90％-约5％。优选地，按该混合物的干燥重量计，IBA占约30％-约70％，SAM占约60％-约10％，粘土粘结剂占约10％-约20％。更优选，按该混合物的干燥重量计，IBA占约30％-约50％，SAM占约60％-约35％，粘土粘结剂占约10％-约15％。在优选的组成中，按该混合物的干燥重量计，IBA占约40％，SAM占约50％，粘土粘结剂占约10％。
[0066]添加在这一范围中的粘土量不会在高温加工期间相当地影响混合物的行为。所添加的粘土的实际量可以取决于所使用的IBA或废玻璃的量。例如，对于占高浓度IBA或废玻璃的混合物，则所使用的粘土粘结剂的量优选在该范围的上端。在包含SAM如板岩或磨细的炉底灰的混合物中，优选使用较少的粘土粘结剂。例如，可以使用膨润土和/或高岭土作为粘土粘结剂。因为膨润土和高岭土中钙的量与在此公开的其它SAM相似，所以SAM的量可以减少约所添加的粘土粘结剂的量。例如，如果按混合物的干燥重量计将添加10％粘土粘结剂，则SAM的量可以减少约10％。如果需要的话，也可以减少IBA，但是这可能影响在高温加工期间该混合物的行为。
[0067]将水添加到该混合物中以获得粘土状稠度，这会促进附聚，这在下面步骤145中进行了论述。待添加的水的量与SAM颗粒的吸水特性有关，该吸水特性取决于SAM的类型、SAM在混合物中的的量和SAM的颗粒尺寸。例如，如果SAM是膨润土并且IBA与SAM的比例为约60％IBA对40％SAM，则已经发现需要的水量为IBA/粘土混合物的总干燥重量的约27wt％。如果该比例是40％/60％IBA/粘土，则已经发现应该添加IBA/粘土混合物的总干燥重量的约30％的水。如果该比例是20％/80％IBA/粘土，则需要的水量为IBA/粘土混合物的总干燥重量的约32％。在步骤125中从研磨的浆料中除去的排出物可以在此使用。如果混合物中的SAM是例如废玻璃或花岗岩锯切残渣，则需要较少的水，如下面实施例中所论述。如果使用粘土粘结剂，则也可以需要较少的水。
[0068]在步骤150中，将所得的混合物附聚。附聚是颗粒尺寸扩大技术，其中小、细的颗粒，如粉尘或粉末聚集成较大的物质如粒料。优选地，通过造粒将该混合物附聚，其中在没有其它外部压实力下通过滚动将分散在气体或液体中的细颗粒扩大。例如，可以使用造粒转鼓或转盘。如本领域中已知的那样，所得粒料的强度取决于颗粒的性能，介质中水分的量和机械工艺参数，如转鼓的转速和倾斜角。转鼓的使用实例在下面实施例中进行了描述。例如，所得的粒料接近球形或是略微有角的，并且颜色为亮至暗褐色(取决于混合物中的碳和铁含量)并且尺寸范围可以为约3mm-约40mm。如上所讨论，图2是粒料10的实例。也可以使用挤出代替造粒。挤出产生块状材料，可以在硬化之后将它压碎成较小的颗粒。或者，可以使用压实来制备圆柱形附聚物，如片剂或其它型材。
[0069]在步骤155中，任选地对附聚的混合物进行表面涂覆然后干燥。可以用在高温加工温度下不会熔融的无机材料涂覆粒料。例如，所述无机材料可以包括呈粉尘形式的低烧失量(“LOI”)PFA、粘土、页岩、板岩或花岗岩锯切残渣。例如，如在图3中所示，用不粘性材料的薄层覆盖粒料表面使得在粒料表面上形成皮层，该皮层减小粒料的簇合，提高粒料强度并在聚集体20上产生薄密实的外皮层26。所使用的无机材料的量可以是少的。例如，可以如下涂覆粒料：将所述粉尘撒在它们上面或将所述粒料在粉尘中辊压。例如，可以在烘箱中在约110℃下进行干燥。优选提供干燥，因为在炉中烧结湿粒料可能由于快速的温度改变导致粒料开裂和分解。如果将粘土粘结剂添加到该混合物中，如上所讨论，不需要涂覆来提高粒料完整性或提供涂层，因为粘土提供改进的内部粘结。然而，涂覆仍然是个选项。
[0070]在步骤160中，将涂覆和干燥的粒料高温加工。例如，高温加工可以在约1000℃-约1300℃的温度下进行，这取决于混合物的组成和聚集体的所需性能，如下面更详细论述那样。高温加工可以烧结，其在小于最大致密化温度的温度下进行，或玻璃化，其在最大致密化温度处和之上进行。高温加工优选在回转窑中进行。如上所讨论，通过形成颗粒间的粘结，烧结使得原先松散粘结的颗粒的强度和密度增加。玻璃化在最大致密化温度下导致甚至更高的强度。然而，因为玻璃化在更高的温度下进行，所以如上所讨论，密度和强度由于材料的膨胀而降低。
[0071]在步骤165中，可以在水中将高温加工的粒料淬火。淬火冷却粒料，从而终止熔融。如果经淬火，所得的聚集体20将具有比当空气冷却时更无定形的基体24，它允许再结晶。本领域中已知的是，淬火改进高温加工的聚集体的硬度、柔韧性和耐磨性。例如，水可以在室温下(约30℃)。
[0072]在高温加工和淬火之后，如果规定，在步骤170中可以将聚集体压碎和分级到不同的尺寸。由于粒料在高温加工期间的收缩，例如，如果粒料的尺寸为约3mm-约40mm，则高温加工的聚集体的尺寸可以为约2mm-约30mm。经分级的聚集体的合适的尺寸范围可以为约4mm-约8mm，这可以用于过滤应用，和约12mm-约19mm，这可以用于混凝土。例如，更小的聚集体(低至约2mm)也可以用作混凝土中的细小聚集体。
[0073]由于根据本发明实施方案的高温加工，聚集体在常规环境条件下对大多数物质是化学惰性的。图6是根据本发明实施方案的包含40％IBA和60％膨润土在约1090℃下高温加工的许多烧结聚集体的实例。
[0074]图7是根据本发明一个实施方案的聚集体的制造方法200的另一个实例，其中SAM和，任选地，有机材料与原始IBA混合，以致两者材料都在一起经历湿研磨处理。经研磨的混合物因此具有比图5所示的方法制备的研磨粉末更细的颗粒尺寸分布，在图5中SAM是在IBA已被研磨之后引入IBA中的。在步骤205中，将IBA、SAM和任选地，有机材料添加到用于研磨的筒体中。在步骤210中，湿研磨这些材料。图7的步骤215-235对应于图5的步骤115-135，而图7的步骤240-265对应于图5的步骤145-170。任选地，可以在步骤205或步骤240中添加粘土粘结剂(如果SAM不是粘土)。优选地，在步骤240中将粘土粘结剂添加到经研磨的粉末中。
[0075]如果分别在图5和7的步骤110和210中使用干研磨而不是湿研磨，则分别在步骤125和225中不必脱水。通过干研磨制备的IBA粉末可以通过100微米筛网加以筛分并且可以烘干所得的部分。然后根据图5的步骤145-170或图7的步骤240-265将干燥部分加工。
[0076]已经进行了以下实验：
实施例1
[0077]在这一实施例中，制备包含IBA和废玻璃(“WG”)的高温加工的聚集体。
[0078]在加工成聚集体之前，通常筛选IBA以分离较大的物体或束状材料。例如，通过电磁铁除去铁金属，通过涡流隔板除去非铁金属。将其余材料按尺寸分级，它们可以用于不同的目的。小于约8mm的部分用于这些实施例。较大部分也可以在压碎之后使用。
[0079]用于这些实验的IBA和WG的平均化学分析(主要氧化物)在下表A中示出。这一研究中的WG由钠钙玻璃制造，后者占美国生产的玻璃的大致90％。它主要由硅、钠和氧化钙以及其它次要组分，如氧化铝和氧化镁组成。通过在比当前用来生产陶瓷的其它玻璃低的温度下进行液相烧结，玻璃的这种组成使得材料致密化，因此降低能量生产成本。IBA中的主要结晶相是石英(SiO2)、方解石(CaCO3)和较低量的赤铁矿(Fe2O3)，而废玻璃是典型的无定形材料。
表A：IBA&废玻璃的化学分析
  成分   重量(％)
  IBA   废玻璃
  SiO2   41.91   71.7
  Al2O3   11.09   2.1
  Fe2O3   5.83   0.3
  CaO   19.99   9.4
  MgO   1.57   2.8
  Na2O   1.80   12.1
  K2O   1.11   0.9
  TiO2   1.31   0.1
[0080]下面将根据上图5更详细描述的那样，加工IBA和WG。在这一实施例中，在造粒之前将WG添加到经湿研磨的IBA粉末中。
[0081]在以约50rpm旋转的5升聚丙烯研磨机中，使用高密度氧化铝研磨介质在水与固体比为2下将1kg IBA样品湿研磨约8小时。该研磨机是得自Pascal Engineering Co.，Ltd.的Model No.21589。研磨介质是4.536kg 3/4英寸(19.05mm)高密度氧化铝球体。使经研磨的浆料通过3.35mm、1.70mm、355微米和150微米筛网以除去不适于烧结的粗颗粒。这些粗颗粒可以包括WG，可以将它磨碎然后与经湿研磨的IBA粉末混合。
[0082]使用激光衍射分析器分析经研磨的浆料的颗粒尺寸分布。颗粒尺寸分布数据显示通过湿研磨原样IBA和通过干研磨原样WG得到相当大的颗粒尺寸降低。原样IBA的95％体积(d95值)包括比759微米细的颗粒。在研磨之后这降低到23微米的d95。原样IBA的相应的d50值是30微米，这在研磨之后降低到6微米。已经发现所得的烧结聚集体比由研磨更短时间并因此具有更粗分布的混合物制成的聚集体具有更高的密度和强度以及更低的吸水率。
[0083]使用Whatman GF/C滤纸在不锈钢浸提器中通过压滤将小于355微米的部分脱水，从而形成滤饼。在110℃下烤干该滤饼一整夜并用岩钵和研杵磨碎以制备细小均匀的粉末。
[0084]所使用的WG部分地从与原始IBA分离的瓶子和窗玻璃获得。洗涤这一WG并在110℃烤干一整夜。然后在鳄式破碎机中将WG压碎并分离以将颗粒尺寸降低2mm-6mm，然后在碳化钨Tema研磨机(可以从Gy-Ro，Glen Creston Ltd.，Brownfields，England获得)中通过使用振动环磨碎到95％体积(d95)具有小于710微米的颗粒尺寸。再研磨4分钟以进一步降低颗粒尺寸分布。将这一细小WG部分用于这一实施例。由197.6微米的颗粒组成的压碎的WG的d50值在4分钟的干研磨之后降低到19.8微米。另外，还使用得自IBA的经湿研磨浆料的通过355微米筛网分离的WG。还在Tema干磨机中磨碎这一部分4分钟，并与第一部分合并。
[0085]按100％/0％，40％/60％，60％/40％和0％/100％(IBA/WG)的所选比例将经磨碎的WG添加到通过湿研磨制备的IBA粉末中。在间歇式混和机中将经磨碎的IBA和WG的粉末混合物与水(所得混合物的总干燥重量的至多约35％)混合然后供给转鼓造粒机，该造粒机具有40cm的直径和1米的长度，在约17rpm下旋转，与水平呈30度的角度。所得的“生”粒料通常是球形或略微有角的。它们的直径平均为约4mm-约11.2mm。将小于4mm的粒料返回到所述转鼓中用于再一次造粒。手工将大于11.2mm的粒料破碎成较小的粒料并返回到造粒机中。
[0086]用得自煤炭燃烧(“PFA”)粉末的粉煤灰通过将本粉末撒到粒料上而将所述粒料涂覆。然后在约110℃下干燥所述粒料并供给具有77mm内径×1500mm长度的回转窑中，其中加热带的长度为900mm。对于不同的IBA/WG混合物，将该窑炉设置到在1080℃-1220℃的温度下运转。所述粒料行进并沿着该回转窑的管子以约2.8rpm的速度旋转约10分钟-约12分钟。在这一实施例中，所述窑炉是可以从Carbolite Hope Valley，England获得电烧旋转炉Model No.GTFR195。将高温加工的粒料排出该窑炉并允许在室温下冷却。应该指出温度对密度曲线(如图1所示的)在每个窑炉中可以不同。例如，对应于特殊比例的IBA和WG或其它SAM的曲线可以具有比使用上面确定的特定窑炉的那些略低或略高的最大致密化温度。曲线漂移可能归因于许多与特殊窑炉的操作效率相关的因素，如温度分布的稳定性、能量损耗等。因此在正在用来确定聚集体将具有所需特性所在的温度范围的特殊窑炉中，制备数个样品可能是必要的。
结果
[0087]下表B-D概括了通过实施例1的方法形成的聚集体的物理机械性能。应该指出随增加IBA/WG混合物中WG的浓度聚集体显示出相当大的物理性能改变。
[0088]下表B概括了包含不同比例的IBA和WG，在不同温度范围(10℃递增)中高温加工的聚集体的试验结果。所述数据对于100％IBA是7个值的平均值，对于所有含WG的样品是2个值的平均值。在图8的曲线图上将数据绘图。使用阿基米德方法(Archimedes＇method)计算高温加工的聚集体的相对干燥密度，由浸水24小时之后“表面干燥”样品的重量增加测定吸水率。
[0089]如上所讨论，增加混合物中WG的量实现样品的初始软化、最大致密化和完全或接近完全熔融之间的更宽的温度间隔，这归因于随着增加WG的量IBA的化学组成和矿物学的改变。还注意到，随着增加IBA混合物中的WG在更高的温度下发生最大致密化，这归因于存在于所得混合物中的二氧化硅的浓度增加。例如，100％IBA具有约1100℃的最大致密化温度。60％IBA/40％WG的混合物具有约1120℃的最大致密化温度，40％IBA/60％WG具有约1150℃的最大致密化温度。
[0090]然而，已经发现在IBA中引入WG不如其它硅铝材料在扩展样品烧结的温度范围方面有效。例如，如上所讨论，当100％IBA在约1070℃-约1080℃(10℃)的温度范围内烧结形成约1.5g/cm3-约1.8g/cm3的轻重量聚集体，和40％IBA/60％WG在1080℃-约1110℃(30℃)的温度范围内烧结形成在那一密度范围内的聚集体时，40％IBA/60％膨润土混合物在50℃的范围内烧结形成轻重量聚集体。其它SAM，如页岩，如膨润土那样提供类似的温度范围扩展。应该相信这归因于存在于WG中的高浓度的氧化钠和氧化钙的存在，它们充当助熔剂。还应相信助熔剂和熔融玻璃产生低粘度的熔体，从而产生比采用其它SAM更致密、更低孔隙率的产物。
[0091]如从图8和下表B看出的那样，对于IBA和WG的给定组合，温度可用来确定高温加工的产物的密度和其它特性。例如，在IBA/WG的40％/60％混合物中，在1080℃下烧结将产生密度的约1.5g/cm3的LWA。在1150℃下高温加工相同的混合物将产生密度为约2.6g/cm3的正常重量聚集体。
[0092]表B还显示WG添加对不同聚集体的吸水能力的影响。在小于最大致密化温度的温度下制备的轻重量聚集体通常具有某种孔隙率。当接近最大致密化时，孔隙的尺寸和数目逐渐地减少到零，因为孔隙被熔融材料填充。含大量IBA的聚集体随着温度显示吸水率的快速降低，而高WG聚集体随着温度显示更平缓的吸水率降低。100％WG粒料在所有研究的温度下比所有其它混合物具有显著更小的吸水率，这归因于填充孔隙的熔融玻璃通过挥发产生。
表B：IBA/WG聚集体的物理性能
  比例   温度(℃)   密度   吸水率
  100/0   1060   1.29   41.80
  1070   1.46   33.07
  1080   1.78   21.51
  1090   2.12   3.20
  1100   2.56   1.00
  1110   2.09   0.32
  1120   1.63   0.12
  60/40   1060   1.43   29.88
  1070   1.52   24.45
  1080   1.59   19.13
  1090   1.66   14.34
  1100   1.85   9.23
  1110   2.22   0.80
  1120   2.64   0.02
  1130   2.19   0.03
  1140   2.03   0.03
  1150   1.92   0.01
  1160   1.81   0.01
  1170   1.69   0.01
  1180   1.55   0.03
  40/60   1080   1.48   20.31
  1100   1.64   14.23
  1110   1.79   10.23
  1120   1.96   2.78
  1130   2.22   1.56
  1140   2.39   0.77
  1150   2.59   0.5
  1160   2.32   0.1
  1170   2.13   0.07
  1180   1.95   0.02
  1190   1.69   0.01
  0/100   1080   1.52   18.36
  1100   1.68   13.98
  1120   1.74   9.85
  1130   1.88   2.56
  1140   1.99   1.84
  1150   2.10   0.88
  1160   2.22   0.56
  1180   2.48   0.08
  1200   2.66   0.03
  1210   2.18   0.02
  1220   2.08   0.04
[0093]下表C概括了在特定高温加工温度下IBA和WG的所选混合物的聚集体压碎值(“ACV”)(％)。对于不同的IBA与WG的比例，在三种不同温度下提供ACV。ACV与聚集体强度成反比。为了对比，所选的温度是引起不同产物特性和不同微结构的那些。在每组中的较低温度下，根据本发明的一个优选的实施方案制备烧结的轻重量聚集体(“LWA”)。在中间温度下，根据本发明的一个实施方案，制备了良好烧结或玻璃化的，随着少量残余孔隙的正常重量聚集体。在较高的温度下，还根据本发明的一个实施方案，制备了玻璃化的LWA。
[0094]在最大致密化温度(中间温度)下，ACV更低并且聚集体的强度更高。在那一温度以下，密度更低ACV更高，各个或堆积聚集体的强度更低。在那一温度(中间)之上，随着密度和聚集体强度降低ACV开始增加，这归因于增加样品熔融。正如所料，随着增加温度聚集体强度显示聚集体密度的相同趋势，增加到最大值然后降低。如下所指出，根据本发明实施方案的以不同比例包含IBA和WG的LWA还具有比LYTAG更低的ACV和更高的强度，该LYTAG具有约34％的ACV。
表C：聚集体压碎值(％)
  比例   温度   ACV   温度   ACV   温度   ACV
  100/0   1080   18.7   1100   9.3   1110   13.9
  60/40   1090   16.9   1120   6.9   1170   14.3
  40/60   1100   16.2   1150   6.6   1190   12.9
  0/100   1100   15.2   1200   5.9   1220   11.2
[0095]基于高温加工温度和WG添加对高温加工的聚集体的性能影响，图8和表B和C所示，在1080℃-1190℃的温度范围下烧结的40％/60％IBA/WG混合物是优选的，它具有约1.5g/cm3-约2.6g/cm3的密度。这些聚集体可以在应用范围中使用，包括用作混凝土中的聚集体。在烧结和其它高温加工期间这一混合物的行为和所得的LWA的最终性能因此可以比包含100％IBA的聚集体更容易地控制，这一组合的聚集体的降低的吸水率归因于熔融玻璃，其填充孔隙，包括聚集体的表面孔隙。
[0096]下表D概括了在三个所选温度下包含40％/60％IBA/WG的聚集体的某些物理性能(相对干燥密度和吸水率(得自表B)，和堆积密度)和机械性能(得自表C的ACV)。商购的LYTAG(烧结PFA)和OPTIROC(膨胀粘土)聚集体的相应性能也在表D中给出。各个粒料性能是20个测量值的平均值，堆积粒料性能是2个测量值的平均值。
表D：IBA/WG聚集体的物理机械性能
  比例   温度   相对   水   堆积   ACV
  40/60   1080   1.48   20.31   0.86   17.6
  1100   1.64   14.23   0.92   16.2
  1150   2.59   0.5   1.76   6.6
  LYTAG   1.48   15.5   0.85   34.2
  OPTIROC   0.68   11.0   0.39   92.3
*附注：相对密度是比重(OD-烘干)
[0097]LYTAG和在1080℃下烧结(称为LWA-1)或在1100℃下烧结(称为LWA-2)的包含40％/60％IBA/WG的聚集体的对比表明LWA-1具有类似的相对干燥密度和堆积聚集体密度(相对密度约1.5g/cm3，疏松堆积密度为0.8-0.9g/cm3)。烧结的LWA-2比LWA-1和LYTAG具有略高的相对密度和堆积密度。两种烧结的聚集体显示比LYTAG显著低的ACV，这表明它们作为整体当受压负载时可以抵抗更高的应力。OPTIROC具有非常低的密度，较低的吸水率和非常低的强度。这是预期的，因为OPTIROC具有隔离的球形气孔的高体积蜂窝状微结构。
[0098]为了说明LWA-1和LWA-2在混凝土中的可行性，设计混凝土混合物并测试新鲜和硬化的混凝土。在这一实施例中的混合物在表E中示出，它示出了包括LYTAG、OPTIROC和LWA-1和LWA-2的混凝土的各个成分的比例，基于聚集体的干燥条件。改变混合物以致LYTAG和LWA-1和LWA-2将达到由塌落度试验测量的类似的可加工性。OPTIROC的塌落度略高。因为聚集体在浇铸的时候处于风干状态，所以总水/胶结物比例的差异归因于聚集体吸水率的差异。随着吸水率增加聚集体的总水/胶结物比例增加。
表E：LWA-1和LWA-2的混凝土混合比例
  材料   LYTAG   OPTIROC   LWA-1(1080℃)   LWA-2(1100℃)
  胶结物   1.0   1.0   1.0   1.0
  沙子   2.11   2.05   2.11   2.11
  粗聚集体(4-11.2mm)(ASTM)   1.35   0.45   1.22   1.44
  总水/胶结物比例   0.58   0.52   0.64   0.55
[0099]采用所有三种聚集体容易地达到混凝土的所需稠度和随后的压实。测量所有聚集体的硬化混凝土的密度并概括在表F中。在7、14和28天时测定用商品和LWA-1和LWA-2制成的硬化混凝土的平均抗压强度并提供于下表F中。
表F：得自LYTAG、OPTIROC、LWA-1和LWA-2的新鲜和硬化混凝土的性能
  性能   LYTAG   OPTIROC   LWA-1(1080℃)   LWA-2(1100℃)
  塌落(mm)   50   75   50   45
  空气干燥密度(g/cm3)   1.88   1.69   1.96   1.96
  7天抗压   46.2   24.3   47.3   49.8
  14天抗压   52.2   25.3   52.5   58.3
  28天抗压   57.8   25.5   58.6   64.2
[00100]显然，得自本发明的烧结LWA-1的混凝土达到与由LYTAG制成的相应混凝土类似的抗压强度。然而，研究人员已经报道用LYTAG制成的混凝土在所有时候具有显著较低的抗压强度。(例如参见，Kayali等人于2003年3月13日发布的美国专利号2003/0047114A1)LWA-2在所有时候达到较高的抗压强度，这归因于较高的聚集体密度、强度和较低的吸水率。
[00101]得自烧结LWA-1的混凝土在7、14和28天的抗压强度为47.3MPa、52.5MPa和58.6MPa，这将它分类为高强度混凝土。用LYTAG制成的混凝土获得类似的抗压强度。用OPTIROC轻重量聚集体制成的混凝土的非常低的强度归因于该聚集体的非常低的强度、低的密度和高的孔隙率。用LWA-2制成的混凝土在28天具有高达64.2MPa的抗压强度，这比所有经研究的聚集体在所有时候的都高。
实施例2
[00102]在这一实施例中，制备包含IBA和花岗岩锯切残渣(“GSR”)的高温加工的聚集体。
用于这些实验的IBA和GSR的平均化学分析(主要氧化物)在下表G中示出。用于实施例2的IBA的组成与用于实施例1的相同。在此使用在实施例1中使用的相同设备。如上所讨论，在收到之前将IBA加工。
表G：IBA & GSR的化学分析
  成分   重量(％)
  IBA   花岗岩
  SiO2   41.91   65.17
  Al2O3   11.09   14.75
  Fe2O3   5.83   6.28
  CaO   19.99   2.61
  MgO   1.57   0.32
  Na2O   1.80   2.02
  K2O   1.11   4.22
  TiO2   1.31   0.15
[00103]对IBA和GSR进行如上所述且在图7示出的加工。通过150微米筛网筛分GSR并使用所得的部分。将GSR添加到IBA中以致两种材料一起经历湿研磨处理。
[00104]如上面实施例1详细描述，将按100％/0％，80％/20％，60％/40％和40％/60％的所选比例的IBA和GSR的1kg样品湿研磨。将经研磨的浆料筛分并过滤小于355微米的部分以除去游离水。在110℃下干燥制备的固体湿滤饼并磨碎成粉末。
[00105]在间歇式混和机中将所述粉末与(所得混合物的总干燥重量的至多35％)水混合直到该混合物的稠度允许造粒。将该混合物供给转鼓并通过4mm和12.7mm筛网将在该转鼓末端收集的粒料筛分。用PFA涂覆粒料(通过撒置)，然后在烘箱中在约110℃干燥一整夜。然后在回转窑中在1060℃-1240℃的温度下烧结所得的生粒料约10分钟-约12分钟。
结果
[00106]下表H-I概括了通过上述方法形成的聚集体的物理机械性能。
[00107]如实施例1所述测定烧结粒料的相对干燥密度和吸水率。在这一实施例中，通过在两个平行板之间将各个聚集体加载到破裂计算抗压强度。应力分析表明，当在两个径直相对的点上这样测试球体时，球体的抗压强度σ由以下公式给出：
IACS = σ = 2.8 P π * d 2
其中IACS＝各个聚集体压碎强度，d＝球体直径(mm)，P＝破裂载荷(N)。抗压强度的平均值是对在每个温度下制备的至少12个聚集体进行试验计算的。通过加压测试装置施加载荷直到聚集体破裂。该设备上的测微仪给出指示导致破裂的载荷的读数。所述载荷可以由该读数通过以下公式计算：载荷(1bs)＝550.95×(读数)-1620.7；载荷(kg)＝载荷(1bs)/2.205。
[00108]下表H概括了在不同温度下高温加工的包含不同比例的IBA和GSR的聚集体的试验结果。在图9的曲线图上将数据绘图。表H也概括了机械性能结果，即在特定温度下IBA和GSR的特定混合物的各个聚集体压碎强度(“IACS”)。如同上述，增加混合物中GSR浓度实现样品的初始软化、最大致密化和完全或接近完全熔融之间的更宽的温度间隔，这归因于具有GSR的IBA的化学组成和矿物学的改变。
表H：IBA/GSR聚集体的物理性能
  比例   温度(℃)   密度   吸水率   IACS(MPa)
  100/0   1060   1.29   41.80   239
  1070   1.46   33.07   322
  1080   1.78   21.51   694
  1090   2.12   3.20   990
  1100   2.56   1.00   1110
  1110   2.09   0.32   1055
  1120   1.63   0.12   779
  80/20   1070   1.42   32.21   298
  1080   1.49   27.35   355
  1090   1.55   22.56   489
  1100   1.72   18.69   712
  1110   2.09   7.39   844
  1120   2.44   3.24   1102
  1130   2.22   0.78   1085
  1140   2.03   0.77   1052
  1150   1.92   0.45   1001
  1160   1.86   0.30   944
  1170   1.75   0.23   885
  1180   1.69   0.09   832
  60/40   1070   1.65   21.32   585
  1080   1.72   19.45   612
  1090   1.89   16.49   684
  1100   1.96   13.24   702
  1110   2.05   8.58   788
  1120   2.19   5.34   832
  1130   2.35   0.68   989
  1140   2.44   0.52   1113
  1150   2.61   0.32   1200
  1160   2.44   0.22   1189
  1170   2.29   0.09   1168
  1180   2.18   0.09   1154
  1190   2.10   0.05   1128
  1200   2.03   0.03   1075
  比例   温度(℃)   密度   吸水率   IACS(MPa)
  1220   1.96   0.01   1021
  40/60   1070   1.57   23.55   548
  1080   1.59   20.67   634
  1090   1.65   18.34   678
  1100   1.69   17.23   699
  1110   1.79   15.23   723
  1120   1.88   14.89   795
  1130   1.96   12.76   834
  1140   2.00   7.23   902
  1150   2.06   5.23   927
  1160   2.11   3.89   951
  1170   2.22   2.78   1005
  1180   2.37   1.83   1111
  1190   2.49   0.67   1185
  1200   2.60   0.05   1248
  1220   2.44   0.01   1195
  1230   2.29   0.02   1161
  1240   2.16   0.03   1102
[00109]得自具有高浓度IBA的混合物的聚集体的吸水率随着温度增加迅速地降低，而得自具有高GSR量的混合物的聚集体随着温度显示更平缓的吸水率降低。IACS显示类似的致密化趋势，正如所料，增加到最大致密化温度并在更大的温度下降低。随着温度增加聚集体强度对于得自100％IBA混合物的聚集体迅速地增加，并且随着GSR的量增加变得更平缓。
[00110]基于高温加工温度并且GSR添加对聚集体性能的影响而获得的结果，可用于应用范围(包括混凝土中的轻重量聚集体)的聚集体的优选IBA/GSR混合物是40％/60％IBA/GSR。由含大量GSR的IBA的混合物制备的聚集体与单独的IBA相比在更宽的温度范围内烧结/致密化，所以在高温加工过程中的行为和聚集体的最终性能因此可以更容易控制。在1070℃-1140℃的温度范围内(70℃)40％/60％IBA/GSR混合物将烧结形成密度小于2.0g/cm3的LWA。因此可以更容易地制备具有所需性能和特性(孔隙率，密度、强度)的轻重量聚集体。
[00111]从图9和表H可以看出，对于IBA和GSR的给定组合，高温加工温度可用来制备具有预定密度和其它特性的聚集体。例如，在IBA/GSR的40％/60％混合物中，在1070℃下高温加工将产生密度为约1.5g/cm3-约1.6g/cm3的LWA，而在约1200℃下高温加工将产生密度为约2.6g/cm3的正常重量聚集体。
[00112]表I概括了在四个不同温度下得自IBA/GSR的40％/60％混合物的烧结聚集体的物理(相对干燥和堆积密度、吸水率)和机械(IACS)性能，以及商购LYTAG聚集体的相应性能。为了对比，所选的温度是引起不同产物特性和不同微结构的那些。根据本发明的一个优选的实施方案，较低的温度产生多孔、低密度LWA。高温产生良好烧结或玻璃化的、无孔、致密产物。
表I：IBA/GSR聚集体的物理机械性能
比例 温度 相对   水 堆积 IACS
  40/60   1070   1.57   23.55   0.86   548
  1090   1.69   17.23   0.89   699
  1200   2.60   0.05   1.76   1248
  Lytag   1.48   15.5   0.85   532
[00113]LYTAG和得自在1070℃下高温加工(LWA-1)或在1090℃下烧结(称为LWA-2)的IBA/GSR的40％/60％混合物的聚集体的性能对比表明LWA-1具有与LYTAG类似的密度和聚集体强度，但是它具有更高的吸水率。烧结的LWA-2具有比LWA-1和LYTAG高的密度和强度，但是它还具有比LYTAG高的吸水率。
实施例3
[00114]在这一实施例中，制备包含IBA和粘土的高温加工的聚集体。
[00115]用于这些实验中的粘土膨润土和高岭土、页岩和板岩的平均化学分析在下表J中示出。用于实施例3的IBA的组成与用于实施例1和2的相同。在此使用在实施例1中使用的相同设备。
表J：粘土、页岩和板岩的化学分析
  成分   重量(％)
  膨润土   高岭土   页岩   板岩
  SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OTiO2   51.9918.421.651.044.020.440.620.50   48.3229.442.742.822.990.880.290.42   54.2324.855.120.760.881.112.160.02   58.3228.547.231.823.671.450.880.02
[00116]分别如图1和10-12且在实施例1中更详细描述的那样，将膨润土、高岭土、页岩和板岩进行加工。
[00117]在为2的水与固体比例下将1kgIBA的样品湿研磨8小时，筛分经研磨的浆料并过滤小于355微米的部分以除去游离水。在110℃下干燥制备的固体湿滤饼并磨碎成粉末。
[00118]按100％/0％，80％/20％，60％/40％和40％/60％(IBA/膨润土)的所选比例将膨润土、高岭土、页岩和板岩各自添加到经研磨的IBA粉末中。在间歇式混和机中将所述粉末与水(所得混合物的总干燥重量的至多40％)混合以形成用于造粒的粘土状材料混合物。
[00119]所有这些添加剂(粘土、页岩和板岩)具有较细的颗粒尺寸分布。因此可以使用图5和7所示的两种加工方法将它们与IBA加工，其中它们可以在IBA经湿研磨之前或之后添加。所使用的页岩和板岩已经被磨碎。如果还没有磨碎，则它们可以在与IBA混合之前需要经过磨碎或它们可以与IBA一起经湿研磨。所得的生粒料为约4mm-约11.2mm。例如，用膨润土粉末涂覆包含膨润土的粒料然后在110℃下干燥，之后供给实施例1中描述的回转窑。在1080℃-1220℃的温度下烧制所述粒料约10-约12分钟，之后从该窑炉排出并允许在室温下冷却。
结果
[00120]下表K-M概括了在不同高温加工温度下包含IBA和膨润土的高温加工的聚集体的物理机械性能。
[00121]如实施例1所述测定高温加工的聚集体的相对干燥密度和吸水率。如实施例2所述测定各个聚集体压碎强度。各个聚集体的抗压强度还如下定义为聚集体强度质量指数(“ASMI”)：
ASMI = P m
其中P＝破裂载荷(kg)，m＝粒料的质量(kg)。
[00122]抗压强度的平均值是对在每个高温加工温度和比例下制备的至少12个聚集体进行试验计算的。
[00123]下表K概括了在不同温度下高温加工的包含不同比例的IBA和膨润土的聚集体的试验结果。在图1的曲线图上将数据绘图。表K概括了物理性能(相对干燥密度、吸水率)和机械性能(IACS和ASMI)。如上所讨论，增加混合物中粘土含量实现样品的初始软化、最大致密化和样品熔融之间的更宽的温度间隔，这归因于IBA的化学组成和矿物学的改变。
表K：IBA/膨润土聚集体的物理性能
  比例(IBA/粘土)   温度(℃)   密度(g/cm3)   吸水率(％)   IACS(MPa) ASMI
  100/0   1060   1.29   41.80   239   0.9
  1070   1.46   33.07   322   3.7
  1080   1.78   21.51   694   7.8
  1090   2.12   3.20   990   13.6
  1100   2.56   1.00   1110   16.8
  1110   2.09   0.32   1055   12.5
  1120   1.63   0.12   779   8.2
  80/20   1080   1.43   35.82   285   4.5
  1090   1.63   26.73   485   6.1
  1100   1.82   19.11   704   8.9
  1110   2.39   2.45   1066   14.5
  比例(IBA/粘土)   温度(℃)   密度(g/cm3)   吸水率(％)   IACS(MPa) ASMI
  1120   1.98   0.50   1022   11.1
  1130   1.75   0.46   896   10.2
  1140   1.53   0.39   645   7.4
  60/40   1080   1.42   30.45   335   5.1
  1090   1.59   27.00   396   5.9
  1100   1.73   21.89   597   7.2
  1110   1.96   9.51   740   10.1
  1120   2.21   5.63   844   11.9
  1130   2.48   1.04   1135   15.6
  1140   2.31   0.84   1098   12.8
  1150   2.08   0.74   999   11.1
  1160   1.93   0.59   981   10.9
  1170   1.88   0.43   904   10.3
  1180   1.74   0.12   855   9.6
  1190   1.59   0.13   698   8.2
  40/60   1080   1.52   26.79   447   5.3
  1090   1.57   24.54   596   5.9
  1100   1.63   20.53   688    7.6
  1110   1.71   18.34   709   9.5
  1120   1.79   15.35   741   9.8
  1130   1.86   12.39   835   10.2
  1140   1.98   9.34   888   12.2
  1150   2.06   5.89   919   13.8
  1160   2.18   3.56   943   15.4
  1170   2.28   2.13   1051   16.2
  1180   2.41   0.89   1107   16.9
  1190   2.28   0.02   1040   14.2
  1200   2.13   0.11   992   12.8
  1210   2.07   0.07   946   12.5
  1220   1.88   0.09   934   11.9
[00124]得自具有高浓度IBA的混合物的聚集体的吸水率随着温度增加迅速地降低，而得自具有高粘土量的混合物的聚集体随着温度显示更平缓的吸水率降低。IACS和ASMI显示类似的致密化趋势，正如所料，增加到最大致密化温度并在更高的空气温度下降低。随着温度增加聚集体强度的增加对于得自100％IBA混合物的聚集体是迅速的，并且随着混合物中粘土的量增加而变得更平缓。
[00125]基于温度和粘土添加对烧结聚集体的性能的影响，图1和表K所示，在约1080℃-约1140℃的宽范围的温度下烧结的40％/60％IBA/膨润土混合物是优选的，它具有约1.5g/cm3-约2.0g/cm3的密度。这一混合物在烧结过程中的行为和所得的烧结LWA的最终性能因此可以比100％IBA和IBA和膨润土的其它组合更容易控制，使得它更容易制造。这些聚集体可以在应用范围中使用，包括用作混凝土中的轻重量聚集体。
[00126]为了对比，表L概括了在三个所选温度下包含IBA/膨润土的40％/60％混合物的聚集体的某些物理性能(相对干燥密度、吸水率，得自表K)和机械性能(IACS和ASMI，得自表K)，以及LYTAG聚集体的相应性能。
表L：聚集体的物理机械性能
  比例IBA/玻璃   温度(℃)   相对干燥密度(g/cm3)   吸水率(％)   堆积密度(g/cm3)   IACS(MPa) ASMI
  40/60   1080   1.52   26.79   0.82   447   5.3
  1100   1.63   20.53   0.88   688   7.6
  1120   1.79   15.35   1.07   741   9.8
  LYTAG   1.48   15.5   0.85   532   5.7
[00127]对于IBA和粘土的给定组合，温度可用来产生具有预定密度和其它特性的聚集体。
[00128]根据需要的聚集体性能，与LYTAG具有类似或更好性能的轻重量聚集体可以由这一组合物制备。
[00129]表M概括了由IBA与膨润土和其它添加剂、高岭土、页岩和板岩的混合物制备的聚集体的行为。对于添加剂与IBA的不同比例和不同添加剂材料，示出了聚集体高温加工的温度范围，相应的密度，吸水率和ASMI范围，以及最大致密化温度。图10-12示出了高岭土，页岩和板岩的各种比例的密度(g/cm3)和温度(℃)之间的关系。已经发现粘土膨润土和高岭土，以及页岩和板岩都对改进IBA在高温加工下的行为具有类似的效果，这归因于它们的低钙浓度。然而，对于得自IBA/页岩和IBA/板岩混合物的粒料的致密化，观察到略高的温度，这归因于这两种材料中存在的略高量的二氧化硅和氧化铝。
表M：IBA/添加剂聚集体的特性
添加剂   比例IBA/添加剂   温度范围(℃)   密度范围(g/cm3)   吸水率范围(％) ASMI   温度最大密度(℃)
  100/0   1060-1120   1.29-   0.1-41.8   0.9-   1100
  膨润土   80/20   1080-1140   1.43-   0.4-35.8   4.5-   1110
  60/40   1080-1190   1.42-   0.1-30.5   5.1-   1130
  40/60   1080-1220   1.52-   0.1-26.8   5.3-   1180
  高岭土   80/20   1080-1150   1.52-   0.04-32.5   4.9-   1110
  60/40   1080-1200   1.44-   0.03-30.3   5.0-   1140
  40/60   1080-1210   1.51-   0.1-27.3   5.1-   1190
  页岩   80/20   1080-1150   1.50-   0.1-33.6   5.4-   1110
  60/40   1080-1190   1.48-   0.1-32.4   4.6-   1140
  40/60   1080-1220   1.51-   0.04-27.1   5.0-   1190
  板岩   80/20   1080-1150   1.54-   0.1-35.2   5.3-   1110
  60/40   1080-1190   1.49-   0.04-32.4   5.1-   1150
  40/60   1080-1220   1.50-   0.04-29.8   5.3-   1200
[00130]基于与废玻璃，花岗岩锯切残渣，粘土如膨润土和高岭土，页岩和板岩的高温加工的混合物有关的这些实施例，应该相信炉底灰(“FBA”)，它与来自MSW焚烧炉(“PFA”)的粉煤灰来自相同来源，也可以用来形成在混凝土和其它应用中有用的轻重量和正常重量的烧结和玻璃化聚集体。所述FBA应该与IBA一起受到研磨，优选通过湿研磨进行，以达到合适的颗粒尺寸。优选地，IBA和FBA的经研磨的混合物的95体积％的颗粒小于约30微米。为了对比，将PFA的化学分析与IBA的分析在表N和O中提供。IBA和PFA的高温加工在于2005年9月28日提交的申请号11/238,758中进行了更详细地论述，该文献在此作为参考资料引入。
表N：IBA & PFA的化学分析
成分   重量(％)
  IBA   PFA
  SiO2   41.91   52.32
  Al2O3   11.09   26.14
  Fe2O3   5.83   8.61
  CaO   19.99   1.87
  MgO   1.57   1.62
  Na2O   1.80   1.43
  K2O   1.11   3.77
  P2O5   1.23   0.28
  TiO2   1.31   1.11
  MnO   0.11   0.07
  SO3   0.49   0.58
  水分   24   0
  烧失量(LOI)   6.63   2.98
表O：IBA & PFA中的次要和痕量成分
  成分   mg/kg
  IBA   PFA
  As   107   179
  Ba   1033   1010
  Cd   44   5
  Cr   327   144
  Cu   717   212
Ni 93 143
  Pb   815   144
  Sr   297   288
  Zn   3000   174
[00131]虽然在上述实施例中，将一种硅铝材料与IBA混合形成聚集体，但是也可以将数种硅铝材料与IBA混合形成聚集体。
[00132]在此描述的实施方案是本发明的执行实施例。在不脱离由下面权利要求限定的本发明精神和范围的情况下可以对这些实施例作出修改。

Claims (101)

1.制备聚集体的方法，该方法包括：
将得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)和比所述IBA含更少钙的第二硅铝材料混合；
使该混合物附聚以形成附聚物；和
将所述附聚物高温加工以形成聚集体。
2.权利要求1的方法，其中第二材料包括以下物质中的一种或多种：粘土、页岩、板岩、矿业废料、废玻璃和炉底灰。
3.权利要求2的方法，其中所述粘土包括以下物质中的一种或多种：膨润土和高岭土。
4.权利要求2的方法，其中所述矿业废料包括花岗岩锯切残渣。
5.权利要求1的方法，该方法还包括：在混合之前将所述IBA研磨。
6.权利要求5的方法，该方法包括：将所述IBA湿研磨。
7.权利要求1的方法，该方法还包括：在附聚之前将所述IBA和第二材料的混合物研磨。
8.权利要求7的方法，该方法包括：将所述混合物湿研磨。
9.权利要求1的方法，该方法包括：通过造粒将所述混合物附聚。
10.权利要求1的方法，该方法还包括：
将所述混合物湿研磨；
在湿研磨之后从所述混合物中除去水；和
在造粒过程中使用所除去的水的至少一些。
11.权利要求1的方法，该方法还包括：
将所述混合物湿研磨；
在湿研磨之后从所述混合物中除去水；
将所述高温加工的附聚物淬火；和
在淬火过程中使用所除去的水的至少一些。
12.权利要求1的方法，该方法包括：将所述混合物附聚成直径为约3mm-约40mm的附聚物。
13.权利要求1的方法，该方法还包括：用无机粉末涂覆所述附聚物。
14.权利要求13的方法，其中所述无机粉末包括以下物质中的一种或多种：得自煤炭燃烧的粉煤灰、粘土、页岩和板岩。
15.权利要求1的方法，该方法包括：在回转窑中将所述附聚物高温加工。
16.权利要求1的方法，其中所述聚集体是轻重量聚集体。
17.权利要求1的方法，其中所述聚集体是正常重量聚集体。
18.权利要求1的方法，该方法包括：将所述附聚物高温加工以烧结所述附聚物。
19.权利要求1的方法，该方法包括：将所述附聚物高温加工以使所述附聚物玻璃化。
20.权利要求1的方法，该方法还包括：将所述聚集体压碎和分级到预定尺寸。
21.权利要求1的方法，该方法还包括：将所述IBA和第二材料与有机材料混合。
22.权利要求21的方法，该方法包括：按IBA和第二材料的混合物的干燥重量计，将所述IBA和第二材料与至多约30％有机材料混合。
23.权利要求21的方法，其中所述有机材料包括活性炭废料。
24.权利要求1的方法，该方法还包括：至少部分地基于IBA与第二材料的比例和高温加工温度控制所述聚集体的所选性能。
25.权利要求24的方法，该方法包括：至少部分地基于所述比例和温度控制所述聚集体的密度。
26.权利要求24的方法，该方法包括：至少部分地基于所述比例和温度控制所述聚集体的吸水率。
27.权利要求1的方法，该方法还包括：
将有机材料与所述IBA和第二材料的混合物混合；和
至少部分地基于有机材料在所述混合物中的比例控制所述聚集体的所选性能。
28.权利要求27的方法，该方法包括：至少部分地基于有机材料在所述混合物中的比例控制密度。
29.权利要求27的方法，该方法包括：至少部分地基于有机材料在所述混合物中的比例控制吸水率。
30.权利要求1的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约5％-约95％IBA与约95％-约5％第二材料混合。
31.权利要求30的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约30％-约70％IBA与约70％-约30％第二材料混合。
32.权利要求31的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约30％-约50％IBA与约70％-约50％第二材料混合。
33.权利要求1的方法，该方法还包括：
将所述IBA湿研磨；
从所述经湿研磨的IBA中分离废玻璃；
研磨所述废玻璃；和
将经研磨的废玻璃与经湿研磨的IBA混合，其中所述经研磨的废玻璃包含第二材料。
34.权利要求1的方法，该方法还包括：将塑性粘结剂与IBA和第二材料的混合物混合。
35.权利要求34的方法，该方法包括：将粘土粘结剂与所述混合物混合。
36.权利要求35的方法，其中：所述粘土粘结剂占所述混合物干燥重量的约5％-约20％。
37.权利要求35的方法，其中所述粘土粘结剂包括膨润土和/或高岭土。
38.制备烧结的轻重量聚集体的方法，该方法包括：
制备包含得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)和比所述IBA含更少钙的第二硅铝材料的混合物；
使该混合物附聚以形成附聚物；和
将所述附聚物烧结。
39.权利要求38的方法，其中第二材料包括以下物质中的一种或多种：粘土、页岩、板岩、矿业废料、废玻璃和炉底灰。
40.权利要求39的方法，其中所述粘土包括以下物质中的一种或多种：膨润土和高岭土。
41.权利要求39的方法，其中所述矿业废料包括花岗岩锯切残渣。
42.权利要求38的方法，该方法包括：通过造粒将所述混合物附聚。
43.权利要求38的方法，该方法包括：将所述混合物附聚成直径为约3mm-约40mm的附聚物。
44.权利要求38的方法，该方法包括：将所述附聚物烧结以形成相对密度小于约2.0g/cm3的聚集体。
45.权利要求38的方法，其中以干燥重量计，所述轻重量聚集体具有小于约40％的吸水率。
46.权利要求38的方法，该方法包括：在回转窑中将所述附聚物烧结。
47.权利要求38的方法，该方法包括：
将IBA与第二材料材料按预定比例混合；和
在至少部分基于所述预定比例的温度下将所述附聚物烧结以形成具有预定密度的轻重量聚集体。
48.权利要求38的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约5％-约95％IBA与约95％-约5％第二材料混合。
49.权利要求48的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约30％-约70％IBA与约70％-约30％第二材料混合。
50.权利要求49的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约30％-约50％IBA与约70％-约50％第二材料混合。
51.权利要求50的方法，该方法包括：按所述混合物的干燥重量计，将约40％IBA与约60％第二材料混合。
52.权利要求51的方法，该方法包括：在约1050℃-约1240℃的温度下将所述混合物高温加工。
53.权利要求38的方法，该方法还包括：在混合之前将所述IBA研磨。
54.权利要求53的方法，该方法包括：将所述IBA湿研磨。
55.权利要求38的方法，该方法还包括：将所述混合物湿研磨。
56.权利要求38的方法，该方法还包括：用无机粉末涂覆所述附聚物。
57.权利要求38的方法，该方法还包括：将所述聚集体压碎和分级到预定尺寸。
58.权利要求38的方法，该方法还包括：将所述IBA和第二材料与有机材料混合。
59.权利要求58的方法，其中所述有机材料包括活性炭废料。
60.权利要求38的方法，该方法还包括：制备包含IBA、第二材料和塑性粘结剂的混合物。
61.权利要求60的方法，其中所述塑性粘结剂包括粘土。
62.通过包括以下步骤的方法形成的轻重量烧结聚集体：
将得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)、比所述IBA包含更少钙的第二硅铝材料和粘土粘结剂混合；
使该混合物附聚以形成附聚物；和
将所述附聚物烧结。
63.权利要求62的轻重量烧结聚集体，其中该方法还包括：在与第二材料和粘土粘结剂混合之前将所述IBA研磨。
64.权利要求63的轻重量烧结聚集体，其中该方法还包括：将所述IBA湿研磨。
65.权利要求62的轻重量烧结聚集体，其中该方法还包括：将所述IBA、第二材料和粘土粘结剂的混合物研磨。
66.权利要求65的轻重量烧结聚集体，其中该方法还包括：将所述混合物湿研磨。
67.权利要求62的轻重量烧结聚集体，其中该方法还包括：在约1000℃-约1300℃的温度下将所述附聚物烧结。
68.权利要求62的轻重量烧结聚集体，还包括：将所述IBA和第二材料与有机材料混合。
69.权利要求68的轻重量烧结聚集体，其中所述有机材料包括活性炭废料。
70.轻重量烧结聚集体，该聚集体包含：
得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)；和钙含量小于所述IBA第二硅铝材料；
其中在一种温度下将所述IBA和第二材料的混合物烧结以形成烧结的轻重量聚集体。
71.权利要求70的轻重量烧结聚集体，其中第二材料包括以下物质中的一种或多种：粘土、页岩、板岩、矿业废料、废玻璃和炉底灰。
72.权利要求71的轻重量烧结聚集体，其中所述粘土包括以下物质中的一种或多种：膨润土和高岭土。
73.权利要求71的轻重量烧结聚集体，其中所述矿业废料包括花岗岩锯切残渣。
74.权利要求70的轻重量烧结聚集体，其中：按所述混合物的干燥重量计，所述IBA占约5％-约95％；第二材料占约95％-约5％。
75.权利要求7 4的轻重量烧结聚集体，其中：按所述混合物的干燥重量计，所述IBA占约30％-约70％；第二材料占约70％-约30％。
76.权利要求75的轻重量烧结聚集体，其中：按所述混合物的干燥重量计，所述IBA占约30％-约50％；第二材料占约70％-约50％。
77.权利要求76的轻重量烧结聚集体，其中：按所述混合物的干燥重量计，所述IBA占约40％；第二材料占约60％。
78.权利要求70的轻重量烧结聚集体，具有小于约40％的吸水率。
79.权利要求70的轻重量烧结聚集体，其中：所述聚集体是化学惰性的。
80.权利要求70的轻重量烧结聚集体，其中：所述聚集体具有约2mm-约30mm的直径。
81.权利要求70的轻重量烧结聚集体，还包括：塑性粘结剂。
82.权利要求81的轻重量烧结聚集体，其中所述塑性粘结剂包括粘土。
83.权利要求82的轻重量烧结聚集体，其中所述粘土粘结剂占所述混合物干燥重量的约5％-约20％。
84.聚集体，该聚集体包含：
得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)；和
比所述IBA包含更少钙的第二硅铝材料。
85.权利要求84的聚集体，该聚集体包含：包含所述IBA和第二材料的混合物的高温加工的粒料。
86.权利要求85的聚集体，其中：所述高温加工的粒料具有约2mm-约30mm的直径。
87.权利要求85的聚集体，其中所述高温加工的粒料是经烧结的。
88.权利要求85的聚集体，其中所述高温加工的粒料是经玻璃化的。
89.权利要求84的聚集体，其中：所述聚集体是正常重量聚集体。
90.权利要求84的聚集体，其中：所述聚集体是轻重量聚集体。
91.权利要求84的聚集体，其中：第二材料包括以下物质中的一种或多种：粘土、页岩、板岩、矿业废料、废玻璃和炉底灰。
92.权利要求91的聚集体，其中所述粘土包括以下物质中的一种或多种：膨润土和高岭土。
93.权利要求91的聚集体，其中所述矿业废料包括花岗岩锯切残查。
94.权利要求84的聚集体，还包含：塑性粘结剂。
95.权利要求94的聚集体，其中所述塑性粘结剂包括粘土。
96.聚集体，该聚集体包含：
得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)，和
以下物质中的至少一种：粘土、页岩或板岩。
97.权利要求96的聚集体，其中所述粘土包括以下物质中的一种或多种：膨润土和高岭土。
98.聚集体，该聚集体包含：
得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)，
矿业废料，和
塑性粘结剂。
99.权利要求98的聚集体，其中：所述矿业废料包括花岗岩锯切残渣。
100.聚集体，该聚集体包含：
得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)，
废玻璃，和
塑性粘结剂。
101.聚集体，该聚集体包含：
得自城市固体废物焚烧炉的焚烧炉底灰(“IBA”)，
炉底灰，和
塑性粘结剂。
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