CN109776067A - 一种利用陶土制备烧结透水材料的方法 - Google Patents

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李宇
李化聪
周剑飞
何伟
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Abstract

本发明公开一种利用陶土制备透水砖的方法，其原料包括陶土15‑85％、铝土矿尾矿0‑30％、硅质岩0‑60％、风化岩0‑80％、钙质岩0‑20％中的一种或多种按照质量百分比混合磨细，控制粉料200目筛余量小于3％；直接将粉料进行造粒制备出陶瓷粉料颗粒，将其进行筛分获得分级颗粒并进行干燥，其干燥颗粒含水率控制到质量百分含量的6～13％；然后将器进行压制成型，其压缩比控制到0.38～0.48；最后将压制生坯干燥并在1100～1180℃烧成，获得烧结透水材料。采用本发明的制备方法，可实现陶土和尾矿的高附加值批量化使用，生产方法简单易行，有利于实现工业化生产；所制备的烧结透水砖可作为海绵城市透水铺装材料、过滤材料、吸附材料等，抗折强度大于4.5MPa，透水系数大于2×10‑2cm/s，性能优良。

Description

一种利用陶土制备烧结透水材料的方法
技术领域
本发明属于劣质矿产资源综合利用领域，具体涉及一种劣质矿产资源的利用以及新型多孔材料制备的方法。
背景技术
陶土是一种粘土组分少的陶瓷原料，在全国均有分布。贵州省矿产资源丰富，其中各类陶土粘土资源储量数百亿吨，主要存在于黔北、清镇到黔西南一带。贵州余庆一处就探明陶土矿床资源量超过31亿吨，全为露天开采。但是，由于贵州陶土成矿岩石普遍存在粘土矿物含量少，高钙高铁等杂质成分含量高的特点，除了极少部分应用于水泥行业外，大部分未能有效利用。余庆陶土的典型成分为SiO2为54.29％，Al2O3为14.21％，K2O为3.60％，Fe2O3为5.95％，CaO为17.47％，MgO为2.87％，SO3为0.05％，TiO2为0.81％等。因此陶土中含有较多的CaO以及Fe2O3，导致了其利用在传统石英-黏土-长石陶瓷体系中会导致其收缩率增大，烧结区间降低，易变形等缺陷。
另外当地在开采矿产资源时会产生大量的尾矿资源，这些资源都没有有效的利用途径，目前的处理方式为露天堆积，可能会引起沙尘暴或形成泥石流等自然灾害，因此将其制备成建筑陶瓷材料不但可以有效的利用资源也可以解决其处理难的问题。
公开号为CN 03133228.5的中国专利中提出了一种利用陶土生产路边石、地砖的制备方法，系由高岭土、硼砂、石英及长石混合配制而成，其配为(重量百分比)：高岭土75～80％、硼砂5～8％、石英6～10％、长石6～10％制成半成品后经隧道窑高温烧结成通体全瓷。
公开号为CN105541282A的中国专利中提出了一种利用高钙陶土和白云石生产陶瓷砖的方法。制备工艺为高钙陶土50份～90份，白云石2.5份～30份，经过湿磨、造粒、成型、烧制等工序制备出了高性能的陶瓷砖。
公开号为CN105565775B的中国专利：一种利用高钙陶土生产陶瓷砖的方法，提出在制备陶瓷砖原料中，高钙陶土(不含灼减)占质量百分比为30～86％，其他关键组分配料(不含灼减)占混合原料的质量百分比为：硅石0～30％、含钾页岩0～20％、低品位铝土矿0～25％、其它粘土0～10％。原料经颚式破碎机破碎，然后将以上原料及相应传统陶瓷添加剂按配方加入球磨机，并加水进行湿磨混匀，湿磨至250目筛筛余小于2.5％，湿磨混合料通过干燥造粒和压制成型工艺或者通过挤压成型工艺获得陶瓷坯体，并进一步送入窑内烧制获得陶瓷制品。
以上3个方法能够大量利用陶土资源，但是这2个专利方法制备产品为传统陶瓷砖，产品竞争力差；且第一个方法还使用大量高岭土等陶瓷原料，导致成本高，很多地区原料受限。
公开号为CN104496537A的中国专利中提到了一种以60％的页岩、20-25％的大豆秸秆、总量为20-25％的铁粉和生石灰支成砖坯，在将含水率为50-55％的陶土泥浆喷涂在砖坯表面在950-1200℃的温度下烧结8-12h最终的到具有良好的保温、隔热、隔音、防水、抗冻、不变色、耐久、环保无放射性可用于室内室外的清水砖。该方法陶土使用量较低，且使用秸秆等发泡剂工艺复杂。
公开号为CN106278366A的中国专利提出一种由多孔陶瓷坯料先加水制多孔陶瓷浆料、再成型多孔陶瓷坯体、最后高温烧结制得厚度大于0.5CM的多孔陶瓷砖；所述多孔陶瓷坯料主要包括粘土和生物质燃料；所述粘土为陶土、瓷土和硼泥中的一种。坯体烧结过程中，坯体内的生物质燃料在高温无氧密闭的环境下迅速炭化，只残留少量焦炭，原先生物质燃料占有体积迅速缩小并由生物质炭化产生的气体填充，因此能够坯体形成无数肉眼可见的孔隙。
公开号CN106007777A的中国专利提出一种由以下按照重量份的原料组成：长石粉22-38份、石英粉13-28份、陶土22-45份、三氧化二铁4-6份、二氧化锰2-4份、三氧化二钴1-3份和海藻酸钠8-15份的多孔陶瓷。产品中三氧化二铁、二氧化锰和三氧化二钴起到杂质效应，可以调节产品的电子与离子的浓度比例，使得产品的气孔率高。
公开号CN101830729A的中国专利提出一种多孔陶瓷过滤器及制备方法，将长石粉20～40％；石英粉15～25％；陶土30～50％；煅烧陶土10～20％；碳酸钙粉末1～10％；蒙脱石1～10％；锯末1～5％；按重量比进行混合，同时加入上述固体粉料总重量20％～40％的水，搅拌均匀；将搅拌均匀的原料放入模具中，挤压成型；待原料干燥后放入高温炉，升温至1100～1400℃，恒温1～3小时，随炉冷却即制得多孔陶瓷过滤器。
公开号CN108002807A的中国专利提出一种比表面积大的多孔陶瓷及其制备方法，包括以下重量法的原料：酚醛树脂3-8份、氧化铝2.4-5份、硼砂8-18份、方解石10-16份、钠闪石16-25份、陶土75-83份、锌镁合金粉0.6-1.3份、石墨2-4份、晶须0.8-1.4份、氧化铬1-2份、苯酚6-10份、纳米二氧化硅4-6份、表面活性剂2-5份和芋头3-10份。
以上4个专利为利用陶土等原料制备的多孔陶瓷，但是其中的化学反应发泡的方法成孔，其中成本高、易于形成封闭孔，工艺复杂，难于大规模利用陶土等资源。同时，目前尚未发现陶土在建筑陶瓷领域制备多孔材料或透水材料开展工业化生产的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用陶土制备烧结透水材料的方法，实现陶土的资源化利用，同时制备出高性能低成本的烧结透水材料。
其技术方案如下：
一种利用陶土制备烧结透水材料的方法，包括如下步骤：
步骤S1，将陶土与铝土矿尾矿、硅质岩、风化岩、钙质岩中的一种或多种按照质量百分比混合磨细，控制粉料200目筛余量小于3％；
步骤S2，无需粘结剂，直接将得到的粉料进行造粒制备出陶瓷粉料颗粒，并按颗粒大小将其进行筛分获得分级颗粒；
步骤S3，将得到的分级颗粒进行干燥，并将干燥颗粒进行压制成型，得到坯体；
步骤S4，将得到的坯体进行干燥，并进一步在1100～1180℃烧成，获得烧结透水材料。
所述陶土按质量百分比：CaO含量大于10％且小于30％，Fe2O3含量大于2％且小于20％；其为劣质粘土或者以高钙高铁劣质粘土为主要成分的渣土中的其中一种或多种混合。
所述铝土矿尾矿按质量百分比：CaO含量小于5％，Al2O3含量大于25％且小于50％。其为低品质铝土矿、铝土矿尾矿、铝矾土尾矿、高铝粘土、叶腊石或者焦宝石中的任意一种或多种组合。
所述硅质岩按质量百分比：CaO含量小于5％，SiO2含量大于67％，A12O3含量小于20％。其为硅石、高硅岩、高硅尾矿中的任意一种或多种组合。
所述风化岩成分按质量百分比为：CaO含量小于5％，SiO2含量大于50％且小于67％，A12O3含量大于10％且小于20％。其为页岩、风化石以及以风化岩为主要成分的渣土中的其中一种或两种混合。
所述钙质岩成分按质量百分比为：CaO含量大于45％，或CaO与MgO含量之和大于45％，SiO2含量小于10％。其为白云石、石灰石、大理岩、大理岩切割废料、砂石粉料等中的一种或多种组合。
上述步骤S1中按总质量的质量百分比计，陶土为15-85％，铝土矿尾矿0-30％，硅质岩为0-60％，风化岩0-80％，钙质岩0-20％。
步骤S2中的所述分级颗粒分为1个颗粒级别，其为10～30目粒级、10～20目粒级或者20～40目的粒级。
步骤S2中的所述分级颗粒也可以分为2个颗粒级别，分别为：10～20目粒级以及20～40目粒级。
步骤S3中分为1个颗粒级别的干燥后直接压制成型，分为2个颗粒级别的将两个粒级的干燥颗粒通过二次布料进行压制成型，在底层用较大粒级的颗粒而在面层用小粒级的颗粒进行压制；面层小粒级的颗粒中加入着色剂。
上述步骤S3中将得到的分级颗粒进行干燥，干燥颗粒含水率控制到质量百分含量的6～13％；其压制成型时坯体被压缩的高度与压缩前坯体高度的比值控制到0.38～0.48。
本发明利用陶土塑性好和含钙特点，经过配方优化实现造粒过程颗粒粒度窄粒级的有效控制；同时通过控制含水率，使得原料能够在含钙矿物作用下形成具有较高强度的颗粒，能够在压力成型时既能保证生坯强度，还能够具有物理形成的通孔特点的多孔结构，并具有优良的力学性能和透水性能。
本发明的关键点在于：
1、利用了陶土的塑性。多孔材料需要以粒级较窄的颗粒作为原料进行压制，因此需要将陶土等原料制备为颗粒。而大多尾矿或高硅廉价矿物为瘠性料，在造粒过程中，可以使瘠性料分散陶土，同时陶土将颗粒内部粉磨粘结形成颗粒。只要控制常规原料粉磨细度和造粒转速以及水分参数，就容易获得粒级较窄的造粒颗粒。
2、利用了陶土中的含钙成分。陶土中CaO含量大于10％，含钙成分为白云石或石灰石等含钙矿物。在造粒过程中需要加入水，因此造粒后的颗粒中含钙成分与水具有亲和性，在颗粒内部的细化粉末表面发生反应，从而使造粒颗粒强度增强。
3、对陶土颗粒含水率和生坯压缩比进行了很好的控制。陶土含有大量含钙含铁成分，因此其含水率与造粒颗粒强度具有独特的相关性，不同于其他粘土。在大量实验基础上，获得了一定含水率和一定压缩比的关键范围，在此范围内压制的生坯能够同时具有较高的生坯强度和较大的孔隙率，保证了后续烧制产品具有优异的力学性能和透水性能。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
下面通过具体的实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种利用陶土制备透水砖的方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S11，将15-85％的陶土与0-30％的铝土矿尾矿、0-60％的硅质岩、0-80％风化岩、0-20％钙质岩中的一种或多种按照质量百分比混合磨细，控制粉料200目筛余量小于3％；
步骤S12，直接将得到的粉料进行造粒制备出陶瓷粉料颗粒，并按颗粒大小将其进行筛分获得10～20目粒级以及20～40目粒级的分级颗粒；
步骤S13，将得到的分级颗粒进行干燥，含水率控制到质量百分含量的6～13％；然后在底层用20～40目粒级的颗粒而在面层用加入着色剂的10～20目粒级的颗粒在1.5-2.5MPa下进行压制，得到坯体，压制成型时坯体被压缩的高度与压缩前坯体高度的比值控制到0.38～0.48；
步骤S14，将得到的坯体进行干燥，控制含水率<1％，并进一步在1100～1180℃烧成，获得面层具有着色剂的烧结透水材料。
本实施例及以下实施例中采用陶土为质量百分比为：CaO含量大于10％且小于30％，Fe2O3含量大于2％且小于20％的劣质粘土或者以高钙高铁劣质粘土为主要成分的渣土中的其中一种或多种混合；
采用铝土矿尾款为质量百分比为：CaO含量小于5％，Al2O3含量小于50％且大于25％的低品质铝土矿、铝土矿尾矿、铝矾土尾矿、高铝粘土、叶腊石或者焦宝石中的任意一种或多种组合；
采用的硅质岩为质量百分比为：CaO含量小于5％，SiO2含量大于67％，A12O3含量小于20％的硅石、高硅岩、高硅尾矿中的任意一种或多种组合；
采用的风化岩为质量百分比为：CaO含量小于5％，SiO2含量大于50％且小于67％，A12O3含量大于10％且小于25％的页岩、风化石、以及以风化岩为主要成分的渣土中的其中一种或多种混合；
采用的钙质岩为质量百分比为：CaO含量大于45％，或者CaO与MgO含量之和大于45％，SiO2含量小于10％的白云石、石灰石、大理岩、大理岩切割废料、砂石粉料等中的一种或多种组合。
实施例2
一种利用陶土制备透水砖的方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S21，按质量百分比将陶土60％，硅质岩25％，铝土矿尾矿15％混合，经过干法研磨后得到混合料粉末，粉磨细度过200目筛余小于3％；
步骤S22，将所述混合料粉末过筛，经造粒机造粒，选取20～40目的粒级颗粒；
步骤S23，将得到的分级颗粒进行干燥，含水率控制到质量百分含量的6～13％；然后在1.5-2.5MPa压制成型为胚体，压缩比为0.43；
步骤S24，将胚体进行干燥，控制含水率<1％；将干燥后的陶瓷坯体送入陶瓷窑炉烧制，最佳烧成温度为1160℃，烧制后即得到陶土陶瓷透水砖。
本实施例中获得的陶土陶瓷透水砖的抗折强度为6.20MPa，透水系数为2×10-2cm/s，形成晶相除传统石英、莫来石外，还含有部分辉石、钙长石相。
实施例2
本实施例提供了一种利用陶土制备透水砖的方法，本实施例的所述制备方法与实施例2中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：陶土70％，硅质岩18％，钙质岩12％。原料粉磨造粒后，选取10～30目的粒级成型，压缩比为0.41，所采用的烧成温度为1150℃。
本实施例中获得的陶土陶瓷透水砖的抗折强度为9.4MPa，透水系数为2.5×10- 2cm/s。
实施例4
本实施例提供了一种利用陶土制备透水砖的方法，本实施例的所述制备方法与实施例2中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：陶土60％，硅质岩23％，铝土矿尾矿17％。原料粉磨造粒后，选取10～30目的粒级成型，压缩比为0.42，所采用的烧成温度为1140℃。
本实施例中获得的陶土陶瓷透水砖的抗折强度为10.5MPa，透水系数为2.5×10- 2cm/s。
实施例5
本实施例提供了一种利用陶土制备透水砖的方法，本实施例的所述制备方法与实施例2中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：陶土80％，硅质岩15％，钙质岩5％。原料粉磨造粒后，选取20～40目的粒级成型，压缩比为0.42，所采用的烧成温度为1160℃。
本实施例中获得的陶土陶瓷透水砖的抗折强度为9.4MPa，透水系数为2.5×10- 2cm/s。
实施例6
本实施例提供了一种利用陶土制备透水砖的方法，本实施例的所述制备方法与实施例2中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：陶土20％，风化岩80％；原料粉磨造粒后，选取20～40目的粒级成型，压缩比为0.39，所采用的烧成温度为1150℃。
本实施例获得的陶瓷烧结透水砖抗折度为5.5MPa，透水系数为4×10-2cm/s，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相为石英、钙黄长石。
实施例7
本实施例提供了一种利用陶土制备透水砖的方法，本实施例的所述制备方法与实施例2中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：陶土50％，硅质岩50％；原料粉磨造粒后，选取20～40目的粒级成型，压缩比为0.40，所采用的烧成温度为1150℃。
本实施例所获得的陶瓷制品，烧结透水砖抗折强度为6.0MPa，透水系数为3.8×10-2cm/s，是一种优良的陶瓷材料，形成晶相为石英、莫来石。
实施例8
本实施例提供了一种利用陶土制备透水砖的方法，本实施例的所述制备方法与实施例2中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：陶土80％，硅质岩20％；原料粉磨造粒后，选取10～30目的粒级成型，压缩比为0.39，所采用的烧成温度为1150℃。
本实施例所提供的陶瓷制品，烧结透水砖抗折强度为6.6MPa，透水系数为1.2×10-2cm/s是一种优良的陶瓷材料，形成晶相为石英、钙黄长石。
实施例9
本实施例提供了一种利用陶土制备透水砖的方法，本实施例的所述制备方法与实施例2中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：陶土50％，硅质岩50％；原料粉磨造粒后，筛分选取10～30目的粒级成型，压缩比为0.43，烧成温度为1160℃。
本实施例所提供的陶瓷制品，烧结透水砖抗折强度为11.6MPa，透水系数为1.1×10-2cm/s。
实施例10
本实施例提供了一种利用陶土制备透水砖的方法，本实施例的所述制备方法与实施例2中的制备方法过程相同，所不同的是，所采用的原料配比为：陶土20％，风化岩80％；原料粉磨造粒后，筛分选取10～30目的粒级成型，压缩比为0.38，烧成温度为1160℃。
本实施例所提供的陶瓷制品，烧结透水砖抗折强度为5.0MPa，透水系数为2.1×10-2cm/s。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用陶土制备烧结透水材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1，将陶土与铝土矿尾矿、硅质岩、风化岩、钙质岩中的一种或多种按照质量百分比混合磨细，控制粉料200目筛余量小于3％；
步骤S2，无需粘结剂，直接将得到的粉料进行造粒制备出陶瓷粉料颗粒，并按颗粒大小将其进行筛分获得分级颗粒；
步骤S3，将得到的分级颗粒进行干燥，并将干燥颗粒进行压制成型，得到坯体；
步骤S4，将得到的坯体进行干燥，并进一步在1100～1180℃烧成，获得烧结透水材料。
2.根据权利要求1所述的利用陶土制备烧结透水材料的方法，其特征在于，所述陶土为高钙陶土，其成分按质量百分比为：CaO含量大于10％且小于30％，Fe2O3含量大于2％且小于20％；
所述铝土矿尾矿成分按质量百分比为：CaO含量小于5％，Al2O3含量小于50％且大于25％；
所述硅质岩成分按质量百分比为：CaO含量小于5％，SiO2含量大于67％，A12O3含量小于20％；
所述风化岩成分按质量百分比为：CaO含量小于5％，SiO2含量大于50％且小于67％，A12O3含量大于10％且小于25％；
所述钙质岩成分按质量百分比为：CaO含量大于45％，或者CaO与MgO含量之和大于45％，SiO2含量小于10％。
3.根据权利要求2所述的利用陶土制备烧结透水材料的方法，其特征在于，所述陶土为劣质粘土或者以高钙高铁劣质粘土为主要成分的渣土中的其中一种或多种混合。
4.根据权利要求2所述的利用陶土制备烧结透水材料的方法，其特征在于，所述铝土矿尾矿为低品质铝土矿、铝土矿尾矿、铝矾土尾矿、高铝粘土、叶腊石或者焦宝石中的任意一种或多种组合；
所述硅质岩为硅石、高硅岩、高硅尾矿中的任意一种或多种组合；
所述风化岩为页岩、风化石、以及以风化岩为主要成分的渣土中的其中一种或两种混合；
所述钙质岩为白云石、石灰石、大理岩、大理岩切割废料、砂石粉料等中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的利用陶土制备烧结透水材料制备方法，其特征在于，步骤S1中按总质量的质量百分比计，陶土为15-85％，铝土矿尾矿0-30％，硅质岩为0-60％，风化岩为0-80％，钙质岩为0-20％。
6.根据权利要求1所述的利用陶土制备烧结透水材料制备方法，其特征在于，步骤S2中的所述分级颗粒分为1个颗粒级别，其为10～30目粒级或10～20目粒级或20～40目粒级。
7.根据权利要求1所述的利用陶土制备烧结透水材料制备方法，其特征在于，步骤S2中的所述分级颗粒分为2个颗粒级别，分别为：10～20目粒级以及20～40目粒级。
8.根据权利要求1或7或8所述的利用陶土制备烧结透水材料制备方法，其特征在于，步骤S3中将得到的分级颗粒进行干燥，干燥颗粒含水率控制到质量百分含量的6～13％；其压制成型时坯体被压缩的高度与压缩前坯体高度的比值控制到0.38～0.48。
9.根据权利要求7所述的利用陶土制备烧结透水材料制备方法，其特征在于，步骤S3中干燥颗粒通过二次布料进行压制成型，在底层用20～40目粒级的颗粒而在面层用10～20目粒级的颗粒进行压制。
10.根据权利要求9所述的利用陶土制备烧结透水材料制备方法，其特征在于，所述面层小粒级的颗粒中加入着色剂。
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