CN102674788A - 一种煤矸石建筑板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑材料制备领域，具体涉及一种利用煤矿开采固体废弃物煤矸石制备的轻质、防火、保温煤矸石建筑板材及其制备方法。本发明所述的煤矸石建筑板材，是由煤矸石陶砂和粘结剂粘结制备而成的；所述煤矸石陶砂与所述粘结剂的质量比为2-3:1；所述煤矸石陶砂由下述重量份的组分制备而成：煤矸石30-70份；玻璃粉20-70份；发泡剂2-10份；水玻璃10-25份。本发明所述的煤矸石建筑板材具有轻质、保温、防火、隔热、且抗压强度高的特点。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料制备领域，具体涉及一种利用煤矿开采固体废弃物煤矸石制备的轻质、防火、保温煤矸石建筑板材及其制备方法。
背景技术
中国是一个以煤炭为主要能源的发展中国家，在一次能源消耗中，煤炭占70%以上，所占比重高出世界平均水平的一倍以上，并且在今后相当长的一段时期内，中国的能源结构仍是以煤炭为主。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。包括巷道掘进过程中的掘进矸石、采掘过程中从顶板、底板及夹层里采出的矸石以及洗煤过程中挑出的洗矸石。其主要成分是Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素（镓、钒、钛、钴），每年的排放量相当于当年煤炭产量的10％左右，目前已累计堆存45亿吨，是目前我国排放量最大的工矿业固体废弃物之一。人类在享受着煤炭作为能源所带来工业革新的同时，也遭受着煤矸石自燃、堆放等所带来的空气污染、水体污染以及土壤污染等问题。
煤矸石弃置不用，不仅占用大片土地，而且煤矸石中的硫化物逸出或浸出会污染大气、农田和水体；矸石山还会自燃发生火灾，或在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害。因此为了消除污染，自60年代起，很多国家开始重视煤矸石的处理和利用。
中国专利CN101973756A公开了一种煤矸石和建筑垃圾空心陶瓷保温板及其制作方法，该专利是以大量煤矸石和建筑垃圾为原料，按照煤矸石50-70%、建筑垃圾10-30%、页岩5-15%、尾矿渣5-10%的配方配料，将配料研磨至40-80目，加入15-20%的水搅拌，陈腐24-72小时，使用挤出成型机将其挤出成带有中孔的薄板，烘干后入窑于1100-1200℃烧成即可。制得的板材为陶瓷中孔轻质薄板，导热系数较低，保温性能较好。不仅大量利用了煤矸石等废弃物料，同时由于使用了非易燃材料，也解决了现有技术中保温板材难以达到A级防火标准的问题。但该专利所述的方法仅仅是采用一般压制板材的方法，虽然通过陈腐的步骤使得制得的板材具有中孔，少许达到了减轻重量的目的，但该板材依然像泡沫玻璃等保温材料一样存在着强度低易粉化的问题，同时其密度依然具有极大的改进空间；另外该板材需要在1100-1200℃的高温下才能烧结，否则将很难保证板材的烧结密实，一方面耗能较大，另外对烧结设备的要求较高。
中国专利CN1502587A公开了一种高掺量煤矸石膨化轻质高强材料及其制备方法。该方法所述的高强材料包括煤矸石、岩石和发泡剂，并通过将上述各组分破碎、搅拌、研磨、过筛、并进行焙烧发泡处理即可制得，使用中可以根据需要对该材料进行后续处理制得所需的板材。该建筑材料不仅利用了煤矸石这种废弃材料，同时通过发泡处理使得该建筑材料具有重量更轻、强度大、硬度高、耐磨性好的优点。不仅解决了保温板材防火的问题，同时通过发泡处理也使得制备得到的材料具有更好的强度。然而该方法所述的发泡处理步骤需要在1200℃左右完成，过高的温度一方面会破坏发泡的质量，同时也对发泡设备的要求较高。另外，该高强材料的密度为200-1800kg/m3，依然具有轻质改进的空间。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中利用煤矸石制备建筑板材时无法在较低的烧结温度下达到较高的抗压强度的问题，进而提供一种可在较低温度下焙烧并且抗压强度较好的煤矸石建筑板材。
本发明要解决的第二个技术问题在于现有技术中无法在较低温度下实现发泡处理的问题，进而提供一种可在较低温度下进行发泡处理并且更为轻质、同时具有防火、保温功效的煤矸石建筑板材。
本发明还提供了上述煤矸石建筑板材的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所述的一种煤矸石建筑板材，是由煤矸石陶砂和粘结剂粘结制备而成的；
所述煤矸石陶砂与所述粘结剂的质量比为2-3:1；
所述煤矸石陶砂的粒径为0.25-8mm、堆积密度小于650kg/m3。
所述煤矸石陶砂由下述重量份的组分制备而成：
煤矸石 30-70份；
玻璃粉20-70份；
发泡剂2-10份；
水玻璃10-25份。
所述煤矸石陶砂由下述重量份的组分制备而成：
煤矸石 30-45份；
玻璃粉50-70份；
发泡剂2-5份；
粘结剂10-15份。
玻璃粉末为无定型硬质颗粒，生产中使用原料为PbO、SiO2、TiO2等电子级原料混匀后，在高温进行固相反应，形成无序结构的玻璃均质体，化学性质稳定，其耐酸性已远远超过氧化铅。玻璃粉为白色粉末，白度在93%以上，PH值为6-7，平均粒径为2.5±0.5um，比重是2.7g/ml，吸油量是28±2.5ml/100g，莫氏硬度为7.8。
所述煤矸石陶砂还包括分散剂5-10份；
所述分散剂为玻璃粉、粘土、高岭土中的一种或几种的混合物。
所述发泡剂为碳酸钠、碳酸钙、白云石类发泡剂中的一种或几种的混合物。
所述粘结剂为水玻璃，其为硅酸钠或者硅酸钾的水溶液。
本发明还公开了一种煤矸石建筑板材的制备方法，包括如下步骤：
(a)将煤矸石陶砂与粘结剂以质量比2-3:1的比例混合均匀后倒入模具，震实抹平；
(b)对模具内的混合物施加1.2-1.5MPa的压力进行模压，并保持模压1-15秒，压力撤除后立即脱模，得到所需的板材坯体；
(c)将模压成型的板材坯体烘干后于700-800℃焙烧15-30min，冷却，即得。
在步骤(a)之前还包括制备煤矸石陶砂的步骤，具体步骤包括：
(1)分别按照选定的重量份称取煤矸石、玻璃粉和发泡剂，并混合均匀，粉磨至粒径在400目以上的粉料；
(2)将上述制备好的粉料与水玻璃混合均匀，并造粒形成陶砂坯体；
(3)将制成的陶砂坯体干燥至含水率低于0.005%；
(4)将干燥后的陶砂坯体在760-850℃下进行发泡处理，过筛，即得所需的煤矸石陶砂。
所述步骤(2)和步骤(3)之间还包括在形成的陶砂坯体外表面包覆分散剂的步骤，所述分散剂的重量份为5-10份；所述分散剂为玻璃粉、粘土、高岭土中的一种或几种的混合物。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，1、本发明所述的煤矸石建筑板材由煤矸石陶砂和粘结剂粘结制成，由于煤矸石陶砂经过发泡处理的步骤，并且选用了分散性能极好的玻璃粉作为原料，使得到的煤矸石陶砂具有更为多孔的特性，其保温及防火效果均较好，因而实现了在700-800℃的较低温度下即可完成板材的焙烧，同时所述的煤矸石建筑板材的抗压强度达到1.2 MPa，抗压性能极好；2、由于制备得到的煤矸石陶砂的堆积密度小于650kg/m3，具有更为轻质的功效，使得所述的煤矸石建筑板材具有更为轻质的特性；3、制备得到的煤矸石建筑板材的导热系数小于0.15W/（m.K），具有更强的保温效果；4、选用不易燃烧的原料制备所述建筑板材，使得到的板材具有良好的防火效果，达到A级防火材料的要求；5、将形成的陶砂坯体包覆分散剂后再进行干燥处理，避免了陶砂坯体因含水过高而直接干燥造成的坯体断裂甚至毁坏；6、通过首先制备得到保温及防火性能良好的煤矸石陶砂后，再模压制得所述的煤矸石板材，利用所述煤矸石陶砂本身已具有的良好性能以及模压过程中陶砂之间存在的孔隙使得所述的煤矸石建筑板材的性能得以进一步提升，此方法照比直接将各种原料混合后直接发泡并模压的方式具有更好的性能；7、大量利用煤炭开采领域中的固体废弃物煤矸石，减少煤矸石对环境的多重污染，实现环境保护与节能减排。
具体实施方式
实施例1
本发明所述的煤矸石陶砂是通过以下重量份的组分制备得到的：
煤矸石30份、玻璃粉70份、碳酸钠和碳酸钙的混合物5份、水玻璃10份。
上述煤矸石陶砂的粒径为0.25-8mm、堆积密度为185-200kg/m3，导热系数为0.07-0.08W/(m.K)。
所述煤矸石建筑板材，是由上述煤矸石陶砂和水玻璃粘结剂以质量比为2:1的比例粘结制备而成的。
上述煤矸石陶砂是通过下述方法制备得到的：
(1)分别按照选定的重量份称取煤矸石、玻璃粉和碳酸钠和碳酸钙的混合物混合均匀，并粉磨至粒径在400目以上的粉粒；
(2)将上述制备好的粉粒与水玻璃混合均匀，并在圆盘造粒机器上造粒形成陶砂坯体；
(3)将制成的陶砂坯体烘干干燥至含水率低于0.005%；
(4)将干燥后的陶砂坯体在760-850℃下进行烘焙发泡处理，并分级过筛，即得所需的煤矸石陶砂。
本发明所述的煤矸石建筑板材是通过下述步骤制备得到的：
(a)将上述制得的煤矸石陶砂与水玻璃粘结剂以质量比2:1的比例混合均匀后倒入模具，震实抹平；
(b)对模具内的混合物施加1.2-1.5MPa的压力进行模压，并保持模压1-15秒，压力撤除后立即脱模，得到所需的板材坯体；
(c)将模压成型的板材坯体烘干后于700-800℃焙烧15-30min，冷却，即得所述的煤矸石建筑板材。
本实施例所制备得到的煤矸石建筑板材的抗压强度为2.7MPa，导热系数为0.045-0.05W/(m.K)，达到A级防火材料标准。
实施例2
本发明所述的煤矸石陶砂是通过以下重量份的组分制备得到的：
煤矸石70份、玻璃粉20份、白云石类发泡剂10份、水玻璃25份、以及作为分散剂的玻璃粉10份。
上述煤矸石陶砂的粒径为0.25-8mm、堆积密度为630-650kg/m3，导热系数为0.14-0.15W/(m.K)。
所述煤矸石建筑板材，是由上述煤矸石陶砂和水玻璃粘结剂以质量比为3:1的比例粘结制备而成的。
上述煤矸石陶砂是通过下述方法制备得到的：
(1)分别按照选定的重量份称取煤矸石、玻璃粉和白云石类发泡剂混合均匀，并粉磨至粒径在400目以上的粉粒；
(2)将上述制备好的粉粒与水玻璃混合均匀，并在圆盘造粒机器上造粒形成陶砂坯体；并在制成的陶砂坯体外表面分散包覆玻璃粉10份，使得所述陶砂坯体的外表面的含水率进一步降低；
(3)将包覆有分散剂的陶砂坯体烘干干燥至含水率低于0.005%；
(4)将干燥后的陶砂坯体在800-850℃下进行烘焙发泡处理，并分级过筛，即得所需的煤矸石陶砂。
本发明所述的煤矸石建筑板材是通过下述步骤制备得到的：
(a)将上述制得的煤矸石陶砂与水玻璃粘结剂以质量比3:1的比例混合均匀后倒入模具，震实抹平；
(b)对模具内的混合物施加1.2-1.5MPa的压力进行模压，并保持模压5-10秒，压力撤除后立即脱模，得到所需的板材坯体；
(c)将模压成型的板材坯体烘干后于750-800℃焙烧15-30min，冷却，即得所述的煤矸石建筑板材。
本实施例所制备得到的煤矸石建筑板材的抗压强度为1.2MPa，导热系数为0.13-0.15W/(m.K)，达到A级防火材料标准。
实施例3
本发明所述的煤矸石陶砂是通过以下重量份的组分制备得到的：
煤矸石45份、玻璃粉50份、碳酸钙8份、水玻璃15份、以及作为分散剂的高岭土5份。
上述煤矸石陶砂的粒径为0.25-8mm、堆积密度为400-420kg/m3，导热系数为0.1-0.12W/(m.K)。
所述煤矸石建筑板材，是由上述煤矸石陶砂和水玻璃粘结剂以质量比为2.5:1的比例粘结制备而成的。
上述煤矸石陶砂是通过下述方法制备得到的：
(1)分别按照选定的重量份称取煤矸石、玻璃粉和碳酸钠混合均匀，并粉磨至粒径在400目以上的粉粒；
(2)将上述制备好的粉粒与水玻璃混合均匀，并在圆盘造粒机器上造粒形成陶砂坯体；并在制成的陶砂坯体外表面分散包覆高岭土5份，使得所述陶砂坯体的外表面的含水率进一步降低；
(3)将制成的陶砂坯体烘干干燥至含水率低于0.005%；
(4)将干燥后的陶砂坯体在780-820℃下进行烘焙发泡处理，并分级过筛，即得所需的煤矸石陶砂。
本发明所述的煤矸石建筑板材是通过下述步骤制备得到的：
(a)将上述制得的煤矸石陶砂与水玻璃粘结剂以质量比2.5:1的比例混合均匀后倒入模具，震实抹平；
(b)对模具内的混合物施加1.2-1.5MPa的压力进行模压，并保持模压1-5秒，压力撤除后立即脱模，得到所需的板材坯体；
(c)将模压成型的板材坯体通过马沸炉烘干后于730-780℃焙烧15-30min，冷却，即得所述的煤矸石建筑板材。
本实施例所制备得到的煤矸石建筑板材的抗压强度为4.2MPa，导热系数为0.025-0.03W/(m.K)，达到A级防火材料标准。
实施例4
本发明所述的煤矸石陶砂是通过以下重量份的组分制备得到的：
煤矸石60份、玻璃粉35份、碳酸纳和白云石类发泡剂的混合物2份、水玻璃20份、以及作为分散剂的粘土7份。
上述煤矸石陶砂的粒径为0.25-8mm、堆积密度为500-550kg/m3，导热系数为0.13-0.14W/(m.K)。
所述煤矸石建筑板材，是由上述煤矸石陶砂和水玻璃粘结剂以质量比为2:1的比例粘结制备而成的。
上述煤矸石陶砂是通过下述方法制备得到的：
(1)分别按照选定的重量份称取煤矸石、玻璃粉、以及碳酸纳和白云石类发泡剂的混合物混合均匀，并粉磨至粒径在400目以上的粉粒；
(2)将上述制备好的粉粒与水玻璃混合均匀，并在圆盘造粒机器上造粒形成陶砂坯体；并在制成的陶砂坯体外表面分散包覆粘土和玻璃粉的混合物7份，使得所述陶砂坯体的外表面的含水率进一步降低；
(3)将制成的陶砂坯体烘干干燥至含水率低于0.005%；
(4)将干燥后的陶砂坯体在760-850℃下进行烘焙发泡处理，并粉剂过筛，即得所需的煤矸石陶砂。
本发明所述的煤矸石建筑板材是通过下述步骤制备得到的：
(a)将上述制得的煤矸石陶砂与水玻璃粘结剂以质量比2:1的比例混合均匀后倒入模具，震实抹平；
(b)对模具内的混合物施加1.2-1.5MPa的压力进行模压，并保持模压4-12秒，压力撤除后立即脱模，得到所需的板材坯体；
(c)将模压成型的板材坯体通过微波烘干后于700-800℃焙烧15-30min，冷却，即得所述的煤矸石建筑板材。
本实施例所制备得到的煤矸石建筑板材的抗压强度为3.1MPa，导热系数为0.03-0.05W/(m.K)，达到A级防火材料标准。
实施例5
本发明所述的煤矸石建筑板材抗压强度大于1.2 MPa，导热系数小于0.15 W/(m.K)，达到A级防火材料标准。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种煤矸石建筑板材，其特征在于：是由煤矸石陶砂和粘结剂粘结制备而成的；
所述煤矸石陶砂与所述粘结剂的质量比为2-3:1；
所述煤矸石陶砂由下述重量份的组分制备而成：
煤矸石 30-70份；
玻璃粉20-70份；
发泡剂2-10份；
水玻璃10-25份。
2.根据权利要求1所述的煤矸石建筑板材，其特征在于，所述煤矸石陶砂由下述重量份的组分制备而成：
煤矸石 30-45份；
玻璃粉50-70份；
发泡剂5-8份；
粘结剂15-20份。
3.根据权利要求1或2所述的煤矸石建筑板材，其特征在于：
所述煤矸石陶砂还包括分散剂5-10份；
所述分散剂为玻璃粉、粘土、高岭土中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求3所述的煤矸石建筑板材，其特征在于：
所述发泡剂为碳酸钠、碳酸钙、白云石类发泡剂中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求4所述的煤矸石建筑板材，其特征在于：
所述粘结剂为水玻璃。
6.根据权利要求1-5任一所述的煤矸石建筑板材，其特征在于：
所述煤矸石陶砂的粒径为0.25-8mm、堆积密度为185-650kg/m3。
7.根据权利要求1-6任一所述的煤矸石建筑板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)将煤矸石陶砂与粘结剂以质量比2-3:1的比例混合均匀后倒入模具，震实抹平；
(b)对模具内的混合物施加1.2-1.5MPa的压力进行模压，并保持模压1-15秒，压力撤除后立即脱模，得到所需的板材坯体；
(c)将模压成型的板材坯体烘干后于700-800℃焙烧15-30min，冷却，即得。
8.根据权利要求7煤所述的矸石建筑板材的制备方法，其特征在于，在步骤(a)之前还包括制备煤矸石陶砂的步骤，具体步骤包括：
(1)分别按照选定的重量份称取煤矸石、玻璃粉和发泡剂，并混合均匀，粉磨至粒径在400目以上的粉料；
(2)将上述制备好的粉料与水玻璃混合均匀，并造粒形成陶砂坯体；
(3)将制成的陶砂坯体干燥至含水率低于0.005%；
(4)将干燥后的陶砂坯体在760-850℃下进行发泡处理，过筛，即得所需的煤矸石陶砂。
9.根据权利要求8所述的煤矸石建筑板材的制备方法，其特征在于：
所述步骤(2)和步骤(3)之间还包括在形成的陶砂坯体外表面包覆分散剂的步骤；所述分散剂的重量份为5-10份；所述分散剂为玻璃粉、粘土、高岭土中的一种或几种的混合物。
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