CN110615667B - 基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法，包括以下步骤：将铁尾矿粉、粉煤灰和碱渣按照比例称量并混合均匀，得到核芯配合料A，将核芯配合料A置入成球机后加水，得到核芯生料球；将铁尾矿粉、粉煤灰和助熔剂按比例称量并混合均匀，得到壳层配合料B；将核芯生料球置入壳层配合料B中滚动，得到陶粒生料球；将所得陶粒生料球从室温升至1100~1260℃并保温30~100min，自然冷却至室温，得到核壳结构陶粒。本发明主要由粉煤灰提供Al2O3和SiO2成分，铁尾矿提供SiO2成分，碱渣中的碱金属离子能降低核芯的烧成温度，减小液相粘度，提高煅烧过程中莫来石、蓝晶石、钙长石和玻璃相的生成量，提升陶粒核芯部分的力学性能。

Description

基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于固体废弃物综合利用制备建筑材料技术领域，具体来说涉及一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒及其制备方法。
背景技术
碱渣是氨碱法制碱过程中排放的一种工业废料，其化学组成以CaCO3为主，目前的氨碱法工艺中每生产1t纯碱，将会排放1t含水量在60％左右的固体碱渣。如此规模庞大的碱渣资源如果不进行综合利用，将对环境、经济和社会造成极其重大的负面影响。当前在利用碱渣制备水泥、工程土、碱渣砖等建筑材料方面开展了大量的研究工作，但均由于碱渣中可溶性碱离子和氯离子等的析出，造成建筑材料吸水性强、易潮解、泛霜和引起钢筋锈蚀等问题，限制了其在建材中的推广应用。
同时，随着钢铁行业的快速发展，铁矿石的开采量逐年增多，造成铁尾矿堆存量大幅提高，特别是细粒尾矿及浮选厂排出的尾矿，对农田、水源产生污染，严重影响环境，甚至发生尾矿坝溃坝等恶性事故，危及人民生命和财产安全。
此外，随着混凝土建筑工程建设量增多，对砂石等天然资源的需用量越来越大。大量开山采石，已经严重破坏自然山体的景观和绿色植被，造成水土流失和环境破坏等严重后果。目前全国混凝土总的用量已达二十多亿立方米，混凝土的集料资源出现了严重危机。由于建筑陶粒具有密度低、筒压强度高、孔隙率高、保温性好、抗冻性良好、抗碱骨料反应等优异性能，已在混凝土中得到了广泛应用。为了打破资源约束和环境压力等多因素限制艰难局面，现亟需利用碱渣和铁尾矿等固体废弃物制备混凝土轻集料。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法。
本发明的另一目的是提供一种上述制备方法得到的基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒，该核壳结构陶粒实现固封有害离子(碱离子和氯离子)、提高混凝土耐久性的要求，达到以废治废、变废为宝、固体废弃物资源化的目的。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)制备核芯生料球：将铁尾矿粉、粉煤灰和碱渣按照比例称量并混合均匀，得到核芯配合料A，将所述核芯配合料A置入成球机后加水直至水固比为0.2～0.4，造粒得到所述核芯生料球，其中，所述水中含有0.2～0.5wt％的减水剂，按质量百分比计，所述铁尾矿粉为68～81％，所述粉煤灰为15～26％，所述碱渣为4～15％；
制备壳层配合料B：将铁尾矿粉、粉煤灰和助熔剂按比例称量并混合均匀，得到壳层配合料B，其中，按质量百分比计，所述铁尾矿粉为60～75％，所述粉煤灰为20～35％，所述助熔剂为1～5％；
在所述步骤1)中，所述核芯生料球的粒径为5～10mm。
在所述步骤1)中，所述铁尾矿粉、粉煤灰、助熔剂和碱渣的粒度均大于等于200目。
在所述步骤1)中，所述助熔剂为氟化钙、石膏或硼酸。
2)将核芯生料球置入壳层配合料B中滚动，以使在核芯生料球外包覆上由所述壳层配合料B形成的壳体，得到陶粒生料球；
在所述步骤2)中，所述陶粒生料球的壳体的厚度为2～4mm。
3)将步骤2)所得陶粒生料球进行烘干，烘干后从室温20～25℃升至1100～1260℃并保温30～100min，自然冷却至室温20～25℃，得到所述核壳结构陶粒。
在所述步骤3)中，所述烘干的温度为105～110℃，所述烘干的时间为3～4h。
在所述步骤3)中，从室温20～25℃升至1100～1260℃的速率为5～10℃/min。
上述制备方法得到的核壳结构陶粒。
上述制备方法在制备核壳结构陶粒中的应用，所述核壳结构陶粒的筒压强度为9.5～12MPa，堆积密度为750～971kg/m3。
本发明主要由粉煤灰提供Al2O3和SiO2成分，铁尾矿提供SiO2成分，在核芯部分利用铁尾矿含铁氧化物和碱渣中碳酸钙以及有机杂质起到发气溶胀的作用，使陶粒达到轻质的目的，同时碱渣中的碱金属离子(Na+、K+、Mg2+等)又能降低核芯的烧成温度，减小液相粘度，提高煅烧过程中莫来石、蓝晶石、钙长石和玻璃相的生成量(见图1)，提升陶粒核芯部分的力学性能。在壳体部分，掺加助熔剂不仅促进煅烧过程中粉煤灰和铁尾矿反应生成玻璃相，而且降低液相粘度，更加适应核芯球的膨胀，减少壳层的开裂，更易形成封闭的保护壳(见图2)，进而提高陶粒力学性能。
本发明提供的制备方法操作简单、煅烧温度较低、成孔均匀，适宜大规模工业推广。
附图说明
图1为实施例4得到的核壳结构陶粒的XRD图谱；
图2为壳部不同助熔剂掺量下核壳结构陶粒的表观形貌照片，2(a)为1％CaF2；2(b)为4％CaF2。
具体实施方式
粉煤灰取自衡水恒润集团；碱渣取自唐山三友集团；铁尾矿取自迁西；减水剂取自冀东外加剂有限公司；助熔剂为市售化学分析纯药品。
成球机型号：620型圆盘造粒机。
在下述实施例中，铁尾矿粉、粉煤灰、助熔剂和碱渣均参照《水泥细度检验方法筛析法》(GB/T1345-2005)中进行过筛，以使铁尾矿粉0.045mm筛余量9％，粉煤灰为I级(0.045mm筛余量11％)，碱渣0.045mm筛余量10％，助熔剂粒径低于0.075mm。
下述实施例中的减水剂为DSM聚羧酸减水剂(由6.5wt％的聚羧酸系母液、3.0wt％的葡萄酸钠和90.5wt％的水组成)，购买自冀东外加剂有限公司。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)制备核芯生料球：将铁尾矿粉、粉煤灰和碱渣按照比例称量并混合均匀，得到核芯配合料A，将核芯配合料A置入成球机后加水直至水固比为0.2，造粒得到粒径为5mm的核芯生料球，其中，水中含有该水质量0.5wt％的减水剂，按质量百分比计，铁尾矿粉为70％，粉煤灰为26％，碱渣为4％；
制备壳层配合料B：将铁尾矿粉、粉煤灰和助熔剂按比例称量并混合均匀，得到壳层配合料B，其中，按质量百分比计，铁尾矿粉为74％，粉煤灰为25％，助熔剂为1％，助熔剂为硼酸。
2)将核芯生料球置入壳层配合料B中滚动，以使在核芯生料球外包覆上由壳层配合料B形成厚度为2mm的壳体，得到陶粒生料球；
3)将步骤2)所得陶粒生料球进行烘干，烘干后从室温20～25℃升至1140℃并保温90min，自然冷却至室温20～25℃，得到核壳结构陶粒，其中，烘干的温度为105℃，烘干的时间为3h；从室温20～25℃升至1140℃的速率为10℃/min。
经测试，实施例1制备得到的核壳结构陶粒的筒压强度为11.5MPa，堆积密度为887kg/m3，符合《轻集料及其试验方法-1轻集料》(GB/T17431.1-2010)中900kg/m3密度等级，高强轻集料筒压强度大于6.5MPa的要求，且此核壳结构陶粒筒压强度远超标准，具有超高强性能。
实施例2
一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)制备核芯生料球：将铁尾矿粉、粉煤灰和碱渣按照比例称量并混合均匀，得到核芯配合料A，将核芯配合料A置入成球机后加水直至水固比为0.3，造粒得到粒径为7mm的核芯生料球，其中，水中含有该水质量0.3wt％的减水剂，按质量百分比计，铁尾矿粉为70％，粉煤灰为24％，碱渣为6％；
制备壳层配合料B：将铁尾矿粉、粉煤灰和助熔剂按比例称量并混合均匀，得到壳层配合料B，其中，按质量百分比计，铁尾矿粉为73％，粉煤灰为24％，助熔剂为3％，助熔剂为石膏。
2)将核芯生料球置入壳层配合料B中滚动，以使在核芯生料球外包覆上由壳层配合料B形成厚度为3mm的壳体，得到陶粒生料球；
3)将步骤2)所得陶粒生料球进行烘干，烘干后从室温20～25℃升至1200℃并保温60min，自然冷却至室温20～25℃，得到核壳结构陶粒，其中，烘干的温度为110℃，烘干的时间为3h；从室温20～25℃升至1200℃的速率为10℃/min。
经测试，实施例2制备得到的核壳结构陶粒的筒压强度为9.66MPa，堆积密度为756.6kg/m3，符合《轻集料及其试验方法-1轻集料》(GB/T17431.1-2010)中800kg/m3密度等级，高强轻集料筒压强度大于6.0MPa的要求，且此核壳结构陶粒筒压强度远超标准，具有超高强性能。
实施例3
一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)制备核芯生料球：将铁尾矿粉、粉煤灰和碱渣按照比例称量并混合均匀，得到核芯配合料A，将核芯配合料A置入成球机后加水直至水固比为0.3，造粒得到粒径为10mm的核芯生料球，其中，水中含有该水质量0.2wt％的减水剂，按质量百分比计，铁尾矿粉为68％，粉煤灰为24％，碱渣为8％；
制备壳层配合料B：将铁尾矿粉、粉煤灰和助熔剂按比例称量并混合均匀，得到壳层配合料B，其中，按质量百分比计，铁尾矿粉为72％，粉煤灰为23％，助熔剂为5％，助熔剂为氟化钙。
2)将核芯生料球置入壳层配合料B中滚动，以使在核芯生料球外包覆上由壳层配合料B形成厚度为4mm的壳体，得到陶粒生料球；
3)将步骤2)所得陶粒生料球进行烘干，烘干后从室温20～25℃升至1120℃并保温45min，自然冷却至室温20～25℃，得到核壳结构陶粒，其中，烘干的温度为105℃，烘干的时间为4h；从室温20～25℃升至1120℃的速率为8℃/min。
经测试，实施例3制备得到的核壳结构陶粒的筒压强度为11.9MPa，堆积密度为970.5kg/m3。符合《轻集料及其试验方法-1轻集料》(GB/T17431.1-2010)中1000kg/m3密度等级，高强轻集料筒压强度大于6.5MPa的要求，且此核壳结构陶粒筒压强度远超标准，具有超高强性能。
实施例4
一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)制备核芯生料球：将铁尾矿粉、粉煤灰和碱渣按照比例称量并混合均匀，得到核芯配合料A，将核芯配合料A置入成球机后加水直至水固比为0.2，造粒得到粒径为5mm的核芯生料球，其中，水中含有该水质量0.2wt％的减水剂，按质量百分比计，铁尾矿粉为70％，粉煤灰为24％，碱渣为6％；
制备壳层配合料B：将铁尾矿粉、粉煤灰和助熔剂按比例称量并混合均匀，得到壳层配合料B，其中，按质量百分比计，铁尾矿粉为71％，粉煤灰为25％，助熔剂为4％，助熔剂为氟化钙。
2)将核芯生料球置入壳层配合料B中滚动，以使在核芯生料球外包覆上由壳层配合料B形成厚度为2mm的壳体，得到陶粒生料球；
3)将步骤2)所得陶粒生料球进行烘干，烘干后从室温20～25℃升至1120℃并保温45min，自然冷却至室温20～25℃，得到核壳结构陶粒，其中，烘干的温度为105℃，烘干的时间为4h；从室温20～25℃升至1140℃的速率为8℃/min。
经测试，实施例4制备得到的核壳结构陶粒的筒压强度为10.7MPa，堆积密度为870.3kg/m3。符合《轻集料及其试验方法-1轻集料》(GB/T17431.1-2010)中900kg/m3密度等级，高强轻集料筒压强度大于6.5MPa的要求，且此核壳结构陶粒筒压强度远超标准，具有超高强性能。
对实施例4制备得到的核壳结构陶粒进行X射线衍射分析，如图1所示，核壳结构陶粒中有大量钠长石、钙长石、含氯矿物等物质形成，可见碱离子和氯离子被固化在矿物结构中(见图1)，减少了碱离子和氯离子的溶出。依照《轻集料及其试验方法-1轻集料》(GB/T17431.1-2010)要求，陶粒(核壳结构陶粒)中氯化物含量按《建筑用砂》(GB/T14684-2011)中6.11规定进行测定。按照标准要求配制0.01mol/L的NaCl和0.01mol/L的AgNO3溶液，未能检测出陶粒有氯离子渗出；然后分别将NaCl和AgNO3溶液稀释100倍至0.0001mol/L，测出陶粒氯离子渗出率为0.0001％，远低于标准中I类砂≤0.01％的要求。可见核壳结构陶粒能有效固封碱离子和氯离子，降低其对混凝土耐久性的影响。因此，在高消纳固体废弃物的设计思路下，通过调整原料配比可优化陶粒综合性能。
实施例5——对比例
一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法，包括以下步骤：
1)制备核芯生料球：将铁尾矿粉、粉煤灰和碱渣按照比例称量并混合均匀，得到核芯配合料A，将核芯配合料A置入成球机后加水直至水固比为0.2，造粒得到粒径为5mm的核芯生料球，其中，水中含有该水质量0.2wt％的减水剂，按质量百分比计，铁尾矿粉为70％，粉煤灰为24％，碱渣为6％；
制备壳层配合料B：将铁尾矿粉、粉煤灰和助熔剂按比例称量并混合均匀，得到壳层配合料B，其中，按质量百分比计，铁尾矿粉为71％，粉煤灰为25％，助熔剂为1％，助熔剂为氟化钙。
2)将核芯生料球置入壳层配合料B中滚动，以使在核芯生料球外包覆上由壳层配合料B形成厚度为2mm的壳体，得到陶粒生料球；
3)将步骤2)所得陶粒生料球进行烘干，烘干后从室温20～25℃升至1120℃并保温45min，自然冷却至室温20～25℃，得到核壳结构陶粒，其中，烘干的温度为105℃，烘干的时间为4h；从室温20～25℃升至1140℃的速率为8℃/min。
实施例5制备得到的核壳结构陶粒的表观形貌照片如图2(a)所示，实施例4制备得到的核壳结构陶粒的表观形貌照片如图2(b)所示，由图可知，CaF2助熔剂掺量1％时，核壳结构陶粒的壳部被撑裂，表面粗糙并出现少量孔洞；当CaF2掺量4％时，陶粒表面光滑明亮，孔洞减少，壳部完好包裹陶粒。由此说明，适当掺量的助熔剂可提高壳部的液相量和降低液相粘度，使核壳结构陶粒的壳部更好地适应核部的膨胀，填补表面的孔洞，完好地包裹陶粒，提高陶粒的筒压强度，并有效固封有害离子。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于铁尾矿和碱渣的核壳结构陶粒的制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：
1）制备核芯生料球：将铁尾矿粉、粉煤灰和碱渣按照比例称量并混合均匀，得到核芯配合料A，将所述核芯配合料A置入成球机后加水直至水固比为0.2~0.4，造粒得到所述核芯生料球，其中，所述水中含有0.2~0.5wt%的减水剂，按质量百分比计，所述铁尾矿粉为68~81%，所述粉煤灰为15~26%，所述碱渣为4~15%；
制备壳层配合料B：将铁尾矿粉、粉煤灰和助熔剂按比例称量并混合均匀，得到所述壳层配合料B，其中， 按质量百分比计，所述铁尾矿粉为60~75%，所述粉煤灰为20~35%，所述助熔剂为1~5%；
2）将核芯生料球置入壳层配合料B中滚动，以使在核芯生料球外包覆上由所述壳层配合料B形成的壳体，得到陶粒生料球；
3）将步骤2）所得陶粒生料球进行烘干，烘干后从室温20~25℃升至1100~1260℃并保温30~100min，自然冷却至室温20~25℃，得到所述核壳结构陶粒；
在所述步骤1）中，所述核芯生料球的粒径为5~10mm；
在所述步骤1）中，所述铁尾矿粉、粉煤灰、助熔剂和碱渣的粒度均大于等于200目；
在所述步骤1）中，所述助熔剂为氟化钙、石膏或硼酸；
在所述步骤2）中，所述陶粒生料球的壳体的厚度为2~4mm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3）中，所述烘干的温度为105~110℃，所述烘干的时间为3~4h。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3）中，从室温20~25℃升至1100~1260℃的速率为5~10℃/min。
4.如权利要求1~3中任意一项所述制备方法得到的核壳结构陶粒。
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