CN101279839A - 焙烧粉煤灰煤矸石实心墙体保温砖 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焙烧粉煤灰煤矸石实心墙体保温砖，包括下列重量份的原料粉煤灰60份、煤矸石35份、膨润土5份、膨胀珍珠岩5份和水25－35份。本发明保温砖，不仅质量轻、保温性能良好、强度高，而且所采用的原料95％来自工业废弃物，焙烧粉煤灰的最高掺比达60％，产品焙烧温度950℃，低于实心粘土砖1050℃的焙烧温度；该保温砖强度高达到实心粘土砖MU30的优等标准；导热系数为0.400W/(m·K)，低于0.78W/(m·K)的国家标准对隔热材料的定义；抗冻性好；干缩系数为0.15mm/m；和易性好；耐酸碱性能好；充分利用废渣、废料、节约能源、保护耕地、减少污染，具有重大的社会经济效益。

Description

焙烧粉煤灰煤矸石实心墙体保温砖

技术领域

本发明涉及一种墙体材料，具体地说是焙烧粉煤灰煤矸石保温砖。

背景技术

长期以来，粘土实心砖作为建筑行业用量最大最重要的墙体材料，每年不仅毁坏大量土地，而且破坏了生态环境。现有生产墙体砖的技术，大部分仍停留在100％利用粘土焙烧，而且焙烧温度在1000℃以上，焙烧周期长达一周。现有市场上新型利用废弃物生产的砖，几乎所有产品原料中仅部分利用固体废弃物，产品质量和性能指标达不到好的性能要求，并且生产工艺配方复杂，需要外掺改性剂，一定程度上不能做为大宗建筑材料大范围使用；而且耐久性性能差，更没有实现节能材料性能要求。目前烧结粉煤灰砖，掺粉煤灰的比例只能达到40％，个别需加高塑性外加剂，掺粉煤灰比例才达50％，仍不能达到大量使用工业废渣生产安全建筑材料的目的。目前市场上广泛使用的蒸压粉煤灰砖，由于生产过程中采用150℃左右的温度蒸压而成，产品中的SiO₂含量是造成钍系衰变子体和钾-40产生辐射的主要源头，所以这类产品在使用过程中二次污染问题已经引起专家们的高度关注。

发明内容

本发明旨在提供一种高强、低温焙烧、保温性能好、固体废弃物利用率高的焙烧粉煤灰煤矸石实心墙体保温砖(简称新型FM保温砖)。

实现上述目的的技术方案如下：

焙烧粉煤灰煤矸石实心墙体保温砖，其特征在于：包括下列重量份的原料

粉煤灰        60份

煤矸石        35份

膨润土        5份

膨胀珍珠岩    5份

水            25-35份；

煤矸石破碎为粒度为≤3mm，粉煤灰为火力发电厂出厂原灰，膨胀珍珠岩粒度≤2mm，膨润土为出厂原土，膨胀珍珠岩重量份为前三者重量份总和的5％。

焙烧粉煤灰煤矸石实心墙体保温砖的制备方法，包括按上述配方配料，混合搅拌，振实成型，烘干，陈腐，焙烧，冷却后得成品，其特点在于：所述产品的原料组成中95％为矿渣废弃物，且不需添加任何外加剂；焙烧工艺的焙烧温度900-1000℃，焙烧时间24小时，电炉或隧道窑一次烧成。

粉煤灰、煤矸石的化学成分如下：

                表1  粉煤灰的化学成分

      Tab.1  Chemical Composition of fly ash

                表2  粉煤灰的物理性质

      Tab.2  Physical properties of fly ash

                表3  煤矸石的化学成分

      Tab.3  Chemical Composition of coal gangue

                表4  煤矸石的物理性质

      Tab.4  Physical properties of coal gangue

本发明保温砖性能优良，其原材料95％利用固体废弃物外加5％膨胀珍珠岩保温材料生产实心墙体保温砖。该产品单块强度达到优等实心粘土砖MU30优等标准。具有导热系数为0.400W/(m·K)，具有高强、低温焙烧、保温性能好、耐酸、耐碱、的特点，同时新型FM保温砖还具有外观密实，颜色鲜红美观，孔洞率低，吸水率低的性能特点(具体见实验结果)。新型FM保温砖保温隔热，耐PH值为4--5酸侵蚀两周发生质量损失为0.87％，远优于国标值，且具有可承重等优点，可以取代传统的实心粘土砖，达到节能，节地，利废的目的。产品焙烧温度950℃，低于实心粘土砖1050℃的焙烧温度。产品使用后无二次污染，具有环境安全性，有大规模开发的技术应用价值。所谓一次污染物，即在自然条件的作用下，改变了原有性质，特别是那些反应性较强的物质，性质极不稳定，容易发生化学反应，而产生新的污染物，即出现二次污染。建筑材料的二次污染主要是考虑工业废渣在利用过程中的是否出现放射性，用放射性的材料作为居室装饰材料时会对人们健康有影响，粉煤灰和煤矸石中的放射性大小与原料中SiO₂的含量有直接关系，产生辐射主要是钍系衰变子体和钾-40，本发明研制产品是950℃焙烧后的产品，原料中的SiO₂焙烧后发生晶相反应，产生辐射的源头已经消失，完全可以替代传统黏土砖的使用。

本发明保温砖的实验结果分析

研究结果表明：当粉煤灰和煤矸石的掺量比达到60％∶35％时，未掺保温材料制品的抗压强度达到了33.75MPa，掺保温材料制品的抗压强度也达到了29.25Mpa，强度已达到普通粘土砖MU30水平；导热系数为0.400W/(m·K)，低于普通粘土砖的导热系数(0.78W/(m·K))；体积密度为0.953g/cm³，低于一般重质粘土砖的体积密度(2.1-2.2g/cm³⁾，仅相当于一般轻质粘土砖的体积密度(0.4-1.3g/cm³)。结果显示所制备的材料不仅质量轻、保温性能良好，而且强度比较高。

本发明保温砖的耐久性能实验

对本发明新型FM保温砖做耐冻性试验(耐冻性试验根据国家标准《烧结普通砖》(GB5101-2000)进行)、耐酸(在PH＝4的稀H₂SO₄溶液中浸泡24小时)、耐碱(在PH＝8的NaOH溶液中浸泡24小时)分析，考察新型FM保温砖的性能，结果见表5和表6。

           表5  FM保温砖耐酸、碱、冻性能测试结果

        Tab.5  Experimental results of FM performance-1

          表6  FM耐酸、碱、冻性能测试结果

     Tab.6  Experimental results of FM performance-2

本发明保温砖与部分墙体材料性能对比如下，见表7、表8、表9和表10：

          表7  本发明保温砖与部分墙体材料性能对比

         Tab.7  FM Performance comparison

          表8  烧结普通砖的强度等级(MPa)

  Tab.8  The rating of strength of the sintering ordinary brick

          表9  烧结普通砖的抗冻性

    Tab.9  The frost resistance of sintering ordinary brick

          表10  FM保温砖与粘土砖生产能耗对比表

             Tab.10  Energy consumption

参照上述标准，进行性能分析如下：

A抗冻性

砖的密实程度是决定耐久性的主要因素之一，由于砖的内部孔隙会在砌筑时吸水，这些水分结冰时体积发生膨胀较大，达到9％，这是砖受冻害的直接原因砖的孔径大小是影响砖抗冻性的重要参数。对于孔壁光滑，孔径在40～100微米的烧结砖，有良好的抗冻性，Dondi M等提出以孔隙率的大小和大于3微米孔的多少作为耐久性指数来衡量砖的抗冻性，耐久性指数越高，抗冻性越好。与普通粘土砖的质量要求相比较，本发明保温砖砖经15次冻融循环后，外观仍完整，抗压强度已然能达到23.5MPa，重量损失小于2.0％，试验结果显示本发明保温砖具有良好的抗冻性能。

B强度

新型FM保温砖的抗折抗压强度，主要根据生产工艺、配方和水化水热合成反应方式以及建筑需要来决定。根据中华人民共和国建材行业标准(JC239-2001)规定，抗折强度平均值在2.5～6.2MPa之间，抗压强度在10～30MPa之间。将本发明保温砖试验结果与部分新型墙体材料内控技术指标对比，无论是强度，还是导热系数，制成品的性能都优于普通烧结砖，已达到国家建材行业标准(JC239-2001)优等水平。本发明保温砖成品红色、表面光滑平整有微小孔隙和裂纹，敲击声清脆。

C、耐久性能

本发明保温砖的耐久性能包括耐酸、耐碱、耐冻等性能指标，实验结果如表5、6、7、8、9所示，结果显示本发明保温砖强度损失小于10％，耐久性能优良。

D、保温砖导热系数的测定

导热系数是通过材料本身热量传导能力大小的量度，它受本身物质构成构成、孔隙率、材料所处环境的温、湿度及热流方向的影响。(1)材料的导热系数受自身组成物质的化学组成和分子结构的影响。化学组成和分子结构比较简单的物质比结构复杂的物质有较大的导热系数。(2)孔隙率：由于固体物质的导热系数比空气的导热系数大得多，因此，材料的孔隙率越大，一般来说，材料的导热系数就越小。导热的系数不仅与孔隙率有关，而且还与孔隙的大小、分布、性状及连通状况有关。导热系数是衡量材料隔热性能的具体指标，本发明保温砖导热系数的测定采用TC-II导热系数测定仪，利用傅立叶导热定律原理测定的。测定本发明保温砖的导热系数为0.400W/(m·K)，属于性能良好的保温材料。

本发明保温砖性能优良的微观结构分析

本发明保温砖的XRD衍射成分分析

图1是新型FM保温砖的XRD图谱，从图1和图2的对比分析可见：比较焙烧砖与粉煤灰、煤矸石的XRD图谱，可以看出：FM保温砖的石英峰值明显高于粉煤灰的石英峰值，主要是FM保温砖煅烧过程中，煤矸石中的碳被燃烧，而高岭石和白云母脱去-OH，生成无定形物质，致使石英晶体含量相对总晶体提高。2θ：20°～40°范围内出现的弥散峰较大，这主要是粉煤灰引入大量玻璃相所致，相比煤矸石XRD图，FM保温砖图在CAS₂峰高增大，粘土中含有较多的低熔杂质，在此温度下与粉煤灰发生作用，并且煤矸石中原有的CAS₂成为晶种，使粉煤灰中的玻璃相析晶，由原来的1100℃提前到900℃左右；粉煤灰XRD图中在2θ：15°～35°的区域出现的较宽大衍射特征峰，在FM保温砖图中消失，表明烧成后的粉煤灰中存在的玻璃体已经转化为晶态物质。粉煤灰玻璃体在升温及降温过程中，一方面有晶相化的可能，重新结晶形成莫来石；另一方面，玻璃体直接参与粘土质成分的共融，形成共融体，在高温作用下FM保温砖发生一系列理化反应，使粘土和粉煤灰都失去本身的塑性，原料铝，铁，钙，镁，钾，钠等氧化物与硅氧化物结合形成复杂的硅酸盐共熔物，在砖坯中产生液相，熔化的玻璃体也把未熔颗粒包裹起来，相互牢固地粘结在一起。在冷却时重新结晶形成稳定的莫来石晶格，产生很高的力学强度。

本发明保温砖SEM形貌结构观察

图4(A、B)是FM保温砖未掺保温材料膨胀珍珠岩的SEM扫描图片，从图中非常清晰的看见球体状的实心玻璃珠。呈球体的只有实心玻璃珠、空心玻珠、厚壁微珠。但焙烧温度为950℃，这时空心玻珠、厚壁微珠已爆破。从图可见已破裂的空心玻珠、厚壁微珠及形似蜂窝的多孔玻璃体。图片可见实心玻璃珠非常多但处于比较疏松的状态，镶嵌或浮于其他物质之间或表面。图4(B)呈六方薄片状，瓦片状的鳞石英呈层状排布，实心玻珠浮于或镶嵌于石英及板状钙长石表面，从中也可看见粒状的莫来石少量的纤维状硅灰石。粘性玻璃体几乎包住了所有的原料颗粒及烧结过程中所产生的新物质，紧紧把它们包裹或粘接在一起，类似于构成比较结实的内部结构，使得砖结构加强，测试抗压强度结果高达33.75MPa，超过MU30。图4(C、D)是掺保温材料后B7试样SEM照片。由于加入膨胀珍珠岩从而影响了粉煤灰烧结砖的内部结构，烧结砖的致密度下降，可看见珠状皱晶的珍珠岩，图4(C)可看见多孔状的珍珠岩；图4(D)可看见块状、浮石状珍珠岩，由于有块状、浮石状的珍珠岩从而使结构不密实出现孔洞，相比不掺珍珠岩强度下降，强度为30.25MPa仍达到优等粘土砖的强度等级。

本发明保温砖的TGA-DTA热形成机理分析

图5是FM保温砖的热形成机理图。从热重曲线见：FM保温砖有两个明显的放热峰，第一个对应478.88℃，第二个对应1174.59℃，因为珍珠岩中72％～78％为无定形SiO₂，这些游离的SiO₂具有很高的化学反应活性，与焙烧过程中生成的其他矿物质反应，膨胀珍珠岩的加入使得在高温产生更多的玻璃相，同时降低了液相出现的温度。由于试验过程中载气为空气，样品料中部分化学成分与空气中的CO₂等发生化合反应，使得总重量稍微增加，膨胀珍珠岩的加入增大了活化粒子的数目，提高了化合空气中CO₂等气体的化合能力，样品B7在室温～900℃的区间：无论是生成新的硅酸盐矿物还是再结晶，都是放热的化学反应过程。由于粉煤灰不参与吸热的分解反应，坯体升温较快，加速了粘土中矿物质的分解速度，当温度达到800℃以上时，由于粘土原料的分解吸热效应的作用已经微乎其微，而粉煤灰预分解矿物参与的放热化学反应加剧，强化了放热反应，尽管存在各种散热损失，但并不能有效地抵消粉煤灰预分解矿物化学反应的放热效应，致使坯体温度快速升高，图谱显示出很明显的放热峰。在900℃～1200℃的区间：随着温度的升高，坯体吸热开始熔融玻化，发生晶型转变，导致材料强度提高。

本发明保温砖的主要优点是：

强度高达到实心粘土砖MU30的优等标准；导热系数为0.400W/(m·K)，低于0.78W/(m·K)的国家标准对隔热材料的定义；抗冻性好；干缩系数为0.15mm/m；和易性好；耐酸碱性能好。

本发明保温砖与现有技术相比所具有的优点：

积极发展节能、节地、利废的FM保温砖代替传统的实心粘土砖，对于转变经济增长方式，促进我国建材业和建筑业技术进步，具有显著的社会效益和经济效益。FM保温砖主要的性能优点是：(1)粉煤灰掺量达到目前国内焙烧粉煤灰的最高掺比65％，而且没有添加任何外加剂，塑性材料只掺5％的膨润土，打破了目前国内焙烧粉煤灰砖仍需掺30％-70％的黏土原料，仍然浪费土地的缺点；(2)焙烧工艺简单，只需在成型过程中添加振实成型的设备即可，一次烧成，可以用小型焙烧隧道窑代替；(3)产品生产和使用过程中无二次污染，性能优越；(4)本发明保温砖仅掺5％的膨胀珍珠岩作为保温材料，导热系数却优于空心粉煤灰砖；(5)强度指标达到优等黏土砖的MU30标准；(6)本发明保温砖95％原料采用工业废渣，是目前焙烧砖利用固体废弃物的国内之最。

我国煤炭资源丰富，火力发电厂粉煤灰排放量巨大，粉煤灰中有残余的未燃尽碳，内部存在大量的玻璃体，可以降低焙烧温度实现节能。利用固体废弃物在原有生产粘土实心砖企业的设备和生产场地的基础上，经过适当的更新改造和工艺调整，就可以生产具有保温、隔热的优质新型墙体材料。本发明保温砖的未来应用会对保护耕地，节约能源，变废为宝，治理污染，改善建筑材料功能，提高住宅质量，推进住宅产业现代化具有重要的现实意义。本发明保温砖，生产工艺简单，易操作，生产设备便宜。可以根据市场对产品形状的需求，采取不同的目前生产建筑砌块的设备满足客户需求。本发明保温砖未掺保温材料抗压强度达到33.75MPa，掺保温材料抗压强度达到29.25MPa，强度达到普通粘土砖MU30优等水平；导热系数为0.400W/(m·K)，低于普通粘土砖的导热系数[0.78W/(m·K)]；体积密度为0.953g/cm³，低于一般重质粘土砖体积密度[2.1-2.2(g/cm³)]，仅相当于轻质粘土砖的体积密度[0.4-1.3(g/cm³)]。本发明新型FM保温砖，不仅质量轻、保温性能良好、强度高，而且所采用的原料95％来自工业废弃物，是充分利用废渣、废料、节约能源、保护耕地、减少污染，改善建筑材料功能的成功实践，具有重大的社会经济效益。本发明保温砖以其优越的品质一定会成为未来节能保温墙体材料的替代品，它的发明和生产应用，将会是建筑材料领域的亮点，是建筑节能理想的环保绿色墙体材料，使用后无二次污染，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明保温砖的XRD图谱，

图2为粉煤灰与本发明保温砖的XRD图谱比较，

图3为煤矸石与本发明保温砖的XRD图谱比较，

图4为本发明保温砖的扫描电镜照片(A、B、C、D)图，

图5为本发明保温砖TGA-DTA曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地描述。

实施例1：

取下列原料：粉煤灰60份、煤矸石35份、膨润土5份、膨胀珍珠岩5份和水25-35份。

将煤矸石破碎为粒度为≤3mm，粉煤灰为火力发电厂出厂原灰，膨胀珍珠岩粒度≤2mm，膨润土为出厂原土。

本发明保温砖主要利用固体废弃物粉煤灰和煤矸石为主要原料，加入膨润土为粘结剂，膨胀珍珠岩为保温材料；经配料、搅拌、成型、陈腐、干燥、低温焙烧而成。本发明保温砖工艺条件：焙烧温度：950℃±50℃、焙烧周期：24h。具体工艺过程即：破碎、配料、振实成型、烘干、陈腐、焙烧、冷却后即成品。破碎煤矸石采用鄂式破碎机，粉煤灰采用火力发电厂出厂原灰；将原料配好加水搅拌，在JJ-5型水泥胶砂搅拌机里搅拌，边搅拌边加水，加水总量为原料总量的25％-35％，搅拌好后倒入模具中，在ZS-15型水泥胶砂振实台上振实成型(这一工艺过程完全可以用生产实心黏土砖的机械代替)；采用实心粘土砖生产机自动切条、切坯、机械码坯、运坯；成型后在设置60℃的烘干箱中烘干2小时(可以自然干燥两天即可)；也可用窑炉余热干燥坯件；将陈腐四天即可的坯件入窑焙烧，焙烧温度950℃±50℃，烧成周期为24小时，自然冷却出窑即为成品。

Claims (2)

1、焙烧粉煤灰煤矸石实心墙体保温砖，其特征在于：包括下列重量份的原料

粉煤灰        60份

煤矸石        35份

膨润土        5份

膨胀珍珠岩    5份

水            25-35份

上述原料中粉煤灰为出厂原灰，膨润土为出厂原土，煤矸石破碎后粒度小于3毫米，膨胀珍珠岩粒度小于2毫米。

2、根据权利要求1所述的焙烧粉煤灰煤矸石实心墙体保温砖的制备方法，包括按上述配方配料，混合搅拌，振实成型，烘干，陈腐，焙烧，冷却后得成品，其特征在于：所述产品的原料组成中95％为矿渣废弃物，且不需添加任何外加剂；焙烧工艺的焙烧温度900-1000℃，焙烧时间24小时，电炉或隧道窑一次烧成。

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