CN107098719B - 一种利用超塑性粘土制备轻质陶粒的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用超塑性粘土制备轻质陶粒的工艺，是利用超塑性粘土为主料、并以天然泡沫玄武岩和煤粉为辅料，采用简单的成型‑烧结工艺获取。本发明所得成品轻质陶粒的强度标号、堆积密度、表观密度、孔隙率、筒压强度和吸水率达到GBT17431.2‑2010中的国家标准。
Description
技术领域
本发明涉及一种轻质陶粒的制备工艺。
背景技术
轻质性是陶粒诸多优良性能中最重要的一个特性，这一点使其能够取代重质砂石，获得轻质混凝土。陶粒外壳坚硬，且其内部征呈细密蜂窝状微孔，具有封闭特征，有利于隔热、隔声，可以用于墙体保温材料。陶粒的其它性能还包括：质量轻、密度低、筒压强度高、孔隙率高，软化系数高、导热性低、抗冻性良好、抗碱集料反应、抗冲击等。由于陶粒密度小、内部多孔、形态和成分均一、具有一定强度和坚固性、耐腐蚀、抗冻、抗震，因此广泛应用于建材、园艺、食品饮料、耐火保温材料、化工、石油等部门。在陶粒发明之初，其作为一种新型轻骨料建筑材料用于建材领域。以陶粒为原料制成的轻骨料混凝土空心砌块、梁、板等已成为实心粘土砖的重要替代品，并发展成为一类新型墙体材料的主导产品。随着技术的不断发展和人们对陶粒性能的认识更加深入，其应用早已超过建材这一传统范围。目前，陶粒在建材方面的应用已经由100％下降到80％，在其他方面的应用占20％，尤其是随着城市建设的加快，陶粒在园艺、园林方面的应用也走上了城市美化的舞台。园艺陶粒仍有很大的发展空间，其需求也在逐年地增加，到2015年，我国陶粒在园艺、园林方面的应用量将会达到总产量的10％左右，将成为陶粒主要用途之一。陶粒在园艺、园林方面的应用主要体现在：(1)在花卉无土栽培方面应用。无土栽培是这几年新兴的花卉栽培技术，原来采用的基质原料是珍珠岩、玻璃棉、鹅卵石等，近几年，开始采用陶粒作为栽培基质。这是因为陶粒质轻并有吸水性，还可以供应一定的营养，比其他基质更有优越性。在花盘里装上陶粒就可以种花、种草，干净整洁，可以反复清洗，没有泥土的污染，因此更受人们的欢迎。(2)在树池、花池、花坛、地面覆盖装饰方面的应用。长安街街两边树池和花坛里都覆盖着一层暗红色的圆球，十分壮丽，这就是陶粒覆盖层。它可以使大街显得更漂亮，并可以防止树池和花池被大风扬起尘土。有利于空气的净化，其他城市也开始用陶粒覆盖树池、花池、花坛和地面，其用量将会逐年增加。随着陶粒新品质、新用途的不断开发，它在其他方面的比例将会逐渐增大。
许国仁等人(哈尔滨工业大学学报，2007,39,557)在“污泥作为添加剂制备轻质陶粒的实验研究”一文中污泥用量为100％(与粘土质量比)、粘结剂添加量为20％(与粘土质量比)、烧成温度为950℃、保温时间为20min，最终得到松散容重为519kg/m3、颗粒表观密度为1110kg/m3、吸水率为19.6％、空隙率为53.2％的性能优良的陶粒。刘属兴等人(中国陶瓷，2006,42,38)在“以红粘土、粉煤灰、页岩为主要原料研制多孔球形轻质陶粒滤料”一文中，以红粘土、粉煤灰、页岩为主要原料，加入适当的化工原料，研制出多孔球形轻质陶粒滤料，该滤料强度好、孔隙率大、比表面积、化学稳定性好，且各项指标均满足GBT17431.2-2010标准。郗斐等(功能材料，2010，41，518)在“轻质/超轻粉煤灰陶粒的研制及陶粒膨胀机理的探讨和运用”一文中，通过煤灰和粘土制备轻质/超轻粉煤灰陶粒，并通过能量散射谱(EXD)、差热分析(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)及粉末X-射线衍射技术(XRD)分析和推理，最终得到烧制陶粒的骨架成分：成气成分：助熔成分大约为78.5:4.0:16.5。此膨胀机理的物料比例可以用于指导实际陶粒工业生产的化学成分配比。杨丽炫等(中国专利，CN8106748，超轻陶粒及其配制方法)研制了一种用露天煤矿剥离物(黄、红土和泥岩)，不用外加剂或选用硅藻土或粉煤灰、砂为外加剂，加入适量的水后成型，经预热后再经高温焙烧，冷却即可制成松散容重为250～600kg/m3的超轻陶粒或松散容重500～600kg/m3的轻质陶粒。
超塑性是指材料在一定的内部条件和外部条件下，呈现出异常低的流变抗力、超高的流变性能的现象。超塑性粘土一般指塑性指数大于50％的土壤，其具有较大的水化膨胀性(自由膨胀率达100％以上)，无缩颈、承载力小，不能直接用于地基或路基建设。超塑性粘土是一类热带常见的水化高膨胀性粘土，在世界各地多有分布，如：印度国土的26％都是此类土壤。非洲中、南部地区大部分都是这类超塑性土壤。在我国云南、四川、安徽、河南、广西、贵州省等地也多有分布。超塑性粘土作为工程材料，如：路基、地基、坝梯、以及其他市政建设，则具有一定的局限性。原因是这类土壤的水化高膨胀性，即：这类土遇水体积能膨胀1.5-3倍，强度也降低至原来的10％。以路基为例，其自由膨胀率在150-300％之间，加州承载比降低至原土的10％-5％。因此，该土壤不能作为路基填料而直接使用。工程上采用最有效的处置方法挖土换填，获取高强度的路基。地基挖掘法固然能实现建筑道路的需求，但被挖出的超塑性粘土量大，若得不到处理，存储成本亦升高。
发明内容
本发明是针对超塑性粘土在全球范围内大量存在的需求，提出利用超塑性粘土为主料，并以中非等地储备丰富的天然泡沫玄武岩和普通煤粉为辅料，采用简单的成型-烧结工艺获取轻质陶粒的方法。
超塑性粘土表观呈黑色或黑褐色，主要矿物为皂石、蒙脱石、伊-蒙混层矿物及蛭石等粘土矿物，且其膨胀性特别优良，是烧制轻质陶粒的上佳原料。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
本发明利用超塑性粘土制备轻质陶粒的工艺，包括如下步骤：
第一步、准备阶段：
依次用颚式破碎机和盘式粉磨机对超塑性粘土、天然泡沫玄武岩和煤块分别进行破碎、粉磨，然后过150目筛，分别获得超塑性粘土粉末、玄武岩粉末和煤粉；
第二步、混料：
将超塑性粘土粉末、玄武岩粉末和煤粉按质量比13:6:1混合均匀，然后加水并搅拌均匀，灰水比为2.2～2.4，获得混合料；
第三步、造粒成型：
将混合料加入造粒机中造粒成型，获得混合料颗粒；将所述混合料颗粒放入鼓风干燥箱中，于105℃下烘干至恒重；
第四步、烧制陶粒：
将箱式电阻炉或回转窑预烧至450℃，然后将烘干后混合料颗粒放入并在450℃保温15min，完成后立即取出并在室温下急冷，获得一次烧结料；
再将箱式电阻炉或回转窑预烧至1050℃，然后将一次烧结料放入并在1050℃保温15min，完成后立即取出并在室温下急冷，即获得成品轻质陶粒。
本发明所用超塑性性粘土具有普遍性，自由膨胀率在30-180％均可采用，包括：黑棉土，澳大利亚的“砂姜黑土(Vertisol)”、“黑地土(Dark earth)”及“Gilai soil”，南非的“黑色草生土(black turf soil)”，中非的“Argilenoirestropicals”、“黑暗裂土(Darkcracking soil)”，法国的“Sols de paluls”以及我国淮河流域的“砂礓黑土”、黄土高原的“黏化黑垆土”及西南地区的“积钙红粘土”等；
本发明所得成品轻质陶粒的强度标号、堆积密度、表观密度、孔隙率、筒压强度和吸水率达到GBT17431.2-2010中的国家标准。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明以超塑性粘土为主要原料、以天然泡沫玄武岩等为辅料，烧制出符合国标规定的轻质陶粒；由于许多发展中国家未来需要大量的市政建设，其被挖出的废弃超塑性粘土数量较大，因此，本发明方法不仅减少了超塑性粘土的储存成本，而且能获得高附加值的轻质陶粒，可用于世界各国的市政建设。
2、超塑性粘土分布广泛、可就地取材，不仅可以减少原料运输带来的困难，也降低了产品的生产成本，提高了经济效益。
3、本发明轻质陶粒的生产工艺简单，便于机械化生产，所得合格产品可广泛应用于建材、园艺、食品饮料、耐火保温材料、化工、石油等部门。
附图说明
图1为陶粒在烧制前、后的对比照片，其中(a)对应烧制前、(b)对应烧制后；
图2为黑棉土、泡沫玄武岩及轻质陶粒成品的XRD粉末衍射图谱；
图3为成品轻质陶粒的SEM照片。
具体实施方式
下面将给出实施例对本发明的技术方案做清晰的阐述说明。
下述实施例中所用超塑性粘土是来自肯尼亚内罗毕的黑棉土，所用天然泡沫玄武岩来自非洲肯尼亚。
实施例1
本实施例按如下步骤制备轻质陶粒：
第一步、准备阶段：
依次用颚式破碎机和盘式粉磨机对黑棉土、天然泡沫玄武岩和煤块分别进行破碎、粉磨，然后过150目筛，分别获得黑棉土粉末、玄武岩粉末和煤粉；
第二步、混料：
将黑棉土粉末、玄武岩粉末和煤粉按质量比10:7:3混合均匀，然后加水并搅拌均匀，灰水比为2.3左右，获得混合料；
第三步、造粒成型：
将200.0g混合料加入造粒机中造粒成型，获得直径10mm左右的混合料颗粒；将混合料颗粒放入鼓风干燥箱中，于105℃下烘干至恒重；
第四步、烧制陶粒：
将箱式电阻炉或回转窑预烧至450℃，然后将烘干后混合料颗粒放入并在450℃保温15min，完成后立即取出并在室温下急冷，获得一次烧结料；
再将箱式电阻炉预烧至1000℃，然后将一次烧结料放入并在1000℃保温15min，完成后立即取出并在室温下急冷，即获得成品轻质陶粒。
实施例2
本实施例按实施例1相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1025℃。
实施例3
本实施例按实施例1相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1050℃。
实施例4
本实施例按实施例1相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1060℃。
实施例5
本实施例按实施例1相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第二步中黑棉土粉末、玄武岩粉末和煤粉的质量比为6:3:1。
实施例6
本实施例按实施例5相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1025℃。
实施例7
本实施例按实施例5相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1050℃。
实施例8
本实施例按实施例5相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1060℃。
实施例9
本实施例按实施例1相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第二步中黑棉土粉末、玄武岩粉末和煤粉的质量比为13:6:1。
实施例10
本实施例按实施例9相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1025℃。
实施例11
本实施例按实施例9相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1050℃。
图1为陶粒在烧制前、后的对比照片，其中(a)对应烧制前、(b)对应烧制后，可以看出烧制前后的体积变化；图2为黑棉土、泡沫玄武岩及轻质陶粒成品的XRD粉末衍射图谱；图3为成品轻质陶粒的SEM照片。
实施例12
本实施例按实施例9相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中二次烧结的温度为1060℃。
实施例13
本实施例按实施例11相同的方法制备轻质陶粒，区别仅在于第四步中所用设备为回转窑。
经过对比得出：
1、上述实施例中的三种配比只有13:6:1条件下的成型度最高，其余两种在干燥或煅烧时均出现较大程度的开裂。因此本发明的最优配比为13:6:1。
2、实施例9所得样品表面呈红色、内部为黑色，整体密实，为烧结不完全。实施例10所得样品比实施例9有所改善，但烧结仍不完全。实施例11样品为整体膨胀性较好、表面为红色、内部孔径均一、颜色均匀的合格样品。实施例12样品表面为红色、内部空隙较大且均匀分布，但强度较实施例11低，且由于过烧导致其样品扁平、粘结。因此本发明的最优温度为1050℃。
3、本发明的陶粒由于孔径较大且分布均匀，故其堆积密度与表观密度均较小，根据GBT17431.2-2010及其相应检测标准测得：本发明实施例11所得陶粒堆积密度为389.6kg/m3、表观密度为700kg/m3、孔隙率为44.34％、吸水率为11.1％、筒压强度为0.78MPa、粒型系数为1.044；本发明实施例13利用回转窑制得的陶粒堆积密度为378.4kg/m3、表观密度为692kg/m3、孔隙率为45.01％、吸水率为11.34％、筒压强度为0.81MPa、粒型系数为1.091。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种利用超塑性粘土制备轻质陶粒的工艺，其特征在于包括如下步骤：
第一步、准备阶段：
依次用颚式破碎机和盘式粉磨机对超塑性粘土、天然泡沫玄武岩和煤块分别进行破碎、粉磨，然后过150目筛，分别获得超塑性粘土粉末、玄武岩粉末和煤粉；所述超塑性粘土自由膨胀率在30-180％；
第二步、混料：
将超塑性粘土粉末、玄武岩粉末和煤粉按质量比13:6:1混合均匀，然后加水并搅拌均匀，灰水比为2.2～2.4，获得混合料；
第三步、造粒成型：
将混合料加入造粒机中造粒成型，获得混合料颗粒；将所述混合料颗粒放入鼓风干燥箱中，于105℃下烘干至恒重；
第四步、烧制陶粒：
将箱式电阻炉或回转窑预烧至450℃，然后将烘干后混合料颗粒放入并在450℃保温15min，完成后立即取出并在室温下急冷，获得一次烧结料；
再将箱式电阻炉或回转窑预烧至1050℃，然后将一次烧结料放入并在1050℃保温15min，完成后立即取出并在室温下急冷，即获得成品轻质陶粒。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所得成品轻质陶粒的强度标号、堆积密度、表观密度、孔隙率、筒压强度和吸水率达到GBT17431.2-2010中的国家标准。
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