CN110885241A - 一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料，按照质量百分比计算，包括如下成分：70～80%的硅铝质原料，10%～20%的碳酸盐质原料以及5%～10%的发泡剂；本蓄水材料气孔率为40%～55%，吸水率为80%～100%，可广泛应用于海绵城市建设、环保等领域中。另一方面，本发明提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料的制备方法，包括依次进行的配料、细磨均化、湿法造粒、干燥成型、筛分、加热、烧结以及冷却工序，该制备方法简便实用且环保，可实现莫来石结构陶质多孔蓄水材料的工业化生产，极大地降低了生产成本，有利于推广应用。

Description

一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料及其制备方法。
背景技术
海绵城市是一种新型城市建设管理模式，是指通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路、绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，实现自然存积、自然渗透、自然净化的城市发展方法。海绵城市建设要求基础建筑材料具有“渗、滞、蓄、净、用、排”的功能，能够将70%的降雨就地消纳和利用。
海绵城市建设目前使用的基础建筑材料主要是透水材料，包括沙基透水砖、石米地毯、透水性水泥混凝土、透水性沥青等，这些透水材料的缺点是不具备蓄水性能，难以满足蓄水和净水的功能要求。现有技术中，聚丙烯蓄水模块和蓄水陶粒是新型的蓄水材料，但聚丙烯蓄水模块存在成本高、使用寿命短的缺点；现有的蓄水陶粒由于生产工艺的原因，其气孔率较低且气孔均匀性差，导致透水率和蓄水性能不甚理想。
因此，需要研发一种新型的高性能蓄水材料，相较于现有生产技术，具有明显的竞争优势。
发明内容
本发明针对现有技术的不足之处，提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料、制备方法及生产系统，该莫来石结构陶质多孔蓄水材料是一种兼具“渗、滞、蓄、净、用、排”等特性的人造新型建筑材料，采用本发明的制备方法和生产系统实现产业化生产，可广泛应用于海绵城市建设、城市绿化、城市生态修复、城市阳台经济领域、环保等领域中。
本发明通过以下技术方案实现目的：一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料，按照质量百分比计算，包括如下成分：70～80%的硅铝质原料，10%～20%的碳酸盐质原料以及5%～10%的发泡剂。所述的莫来石结构陶质多孔蓄水材料成分简单，毋需添加塑性增强剂、高温液相促进剂等助剂，在保证蓄水性能的同时，降低了生产成本。在实践中发现，若添加高温液相促进剂，虽然有利于缩短烧结时间和降低烧结温度，但出现高温液相时，液相晶型会进入物料内部孔洞间、孔隙间的通道，进而在物料冷却过程中析出玻璃相堵塞通道，使得物料内部的孔洞之间和空隙之间不连通，最终材料表面无法形成开放性的孔道，从而大大降低透水和蓄水性能。
进一步的，所述的硅铝质原料为粘土和/或高岭土，所述的碳酸盐质原料为石灰石和/或白云石。原料来源简单，成本较低。
进一步的，所述的发泡剂为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O以及Na2O中的一种或多种。
进一步的，制备所述莫来石结构陶质多孔蓄水材料的原料按照质量百分比计算，由以下成分组成：77.3%的高岭土，14.3%的白云石以及8.4%的发泡剂。
进一步的，所述的发泡剂中，按照质量百分比计算由以下成分组成：60%的SiO2、25.0%的Al2O3、2.0%的Fe2O3、2.2%的CaO、1.8%的MgO、4.0%的K2O和5.0%的Na2O。
本发明的莫来石结构陶质多孔蓄水材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、将硅铝质原料和碳酸盐质原料分别进行粉磨处理，得到粉状硅铝质原料和粉状碳酸盐质原料；
S2、按照质量比配制粉状硅铝质原料、粉状碳酸盐质原料和发泡剂，然后细磨均匀混合，得到混合粉料；
S3、对混合粉料进行湿法造粒工序，得到料球；
S4、造粒完成后，将料球干燥成型，然后筛分合格粒径的料球；
S5、将筛分出的料球依次进行加热、烧结以及冷却工序，得到莫来石结构陶质多孔蓄水材料。
进一步的，在所述的步骤S5中，所述步骤S5中，所述的加热包括如下步骤：
S5.1、将所述料球从室温升温至200℃，时间为10～15min，以使料球表面的自由水脱去；
S5.1、将料球从200℃升温至550℃，时间为15～20min，以使料球的硅铝酸盐层间结构水脱去；
S5.2、将料球从550℃升温至850℃，时间为10～15min，以使料球的碳酸盐成分分解释放出CO2，从而在料球中形成孔隙结构。
进一步的，所述步骤S5中，烧结温度区间为850℃～1100℃，烧结时间为20～40min；采用的是连续烧结法，整个烧结过程中温度并非恒定，而是从850℃逐渐升温至1100℃。加热工序和烧结工序可在一个装置中完成，如竖式连接烧结机。
本发明的有益效果为：
1、本发明的莫来石结构陶质多孔蓄水材料成分简单，气孔率为40%～55%，抗压强度为3.0～4.5MPa，吸水率（按重量比）为80%～100%，其内部形成大量孔洞、孔隙和毛细孔结构且彼此连通，赋予材料“渗、滞、蓄、净、用、排”的特性，可应用于海绵城市建设、城市绿化、城市生态修复、城市阳台经济领域、环保等领域中；
2、本发明的莫来石结构陶质多孔蓄水材料制备方法简便，充分使用清洁能源，减少氮氧化物、二氧化硫以及二氧化碳等有害气体的产生，生产过程无二噁英、重金属元素等有害元素产生；
3、本发明的莫来石结构陶质多孔蓄水材料制备方法可实现蓄水材料的工业化生产，极大地降低了生产成本，有利于推广应用。
附图说明
图1为实施例七中一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料的生产系统示意图。
其中，附图标记如下所述：
1：配料仓，2：循环中转料仓，3：混料均化机，4：成品粉料仓，5：盘式造粒机，6：板链烘干机，7：圆筒筛分机，8：竖式连续烧结机，9：带式冷却机，10：第一螺旋输送机，11：第二螺旋输送机，12：第三螺旋输送机，13：第四螺旋输送机，14：第一皮带输送机，15: 第二皮带输送机。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合附图和具体的实施例对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明较佳的实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例一
本实施例提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料，按照质量百分比计算：包括如下成分：包括80.0%的粘土，12.5%的石灰石以及7.5%的发泡剂。所述的发泡剂为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O以及Na2O的混合物。
在所述的发泡剂中，按照质量百分比计算，成分配比为：69.0%的SiO2、12.0%的Al2O3、8.0%的Fe2O3、3.5%的CaO、3.0%的MgO、2.0%的K2O和2.5%的Na2O。本实施例的莫来石结构陶质多孔蓄水材料性能详见表1。
实施例二
实施例提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料，按照质量百分比计算：包括如下成分：包括77.3%的高岭土，14.3%的白云石以及8.4%的发泡剂。所述的发泡剂为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O以及Na2O的混合物。
在所述的发泡剂中，按照质量百分比计算，成分配比为：60%的SiO2、25.0%的Al2O3、2.0%的Fe2O3、2.2%的CaO、1.8%的MgO、4.0%的K2O和5.0%的Na2O。本实施例的莫来石结构陶质多孔蓄水材料性能详见表1。
实施例三
实施例提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料，按照质量百分比计算：包括如下成分：包括73.6%的粘土，19.8%的白云石以及6.6%的发泡剂。所述的发泡剂为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO的混合物。
在所述的发泡剂中，按照质量百分比计算，成分配比为：34.0%的SiO2、3.0%的Al2O3、4.0%的Fe2O3、54.0%的CaO以及5.0%的MgO。本实施例的莫来石结构陶质多孔蓄水材料性能详见表1。
实施例四
实施例提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料，按照质量百分比计算：包括如下成分：包括72.3%的粘土和高岭土混合物（按照质量比1：1混合），20.0%的白云石以及7.7%的发泡剂。所述的发泡剂为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO的混合物。
在所述的发泡剂中，按照质量百分比计算，成分配比为：80.0%的SiO2、15.0%的Al2O3、3.0%的Fe2O3和2.0%的CaO。本实施例的莫来石结构陶质多孔蓄水材料性能详见表1。
实施例五
实施例提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料，按照质量百分比计算：包括如下成分：包括71.4%的粘土，19.3%的白云石和石灰石混合物（按照质量比1：2混合）以及9.3%的发泡剂。所述的发泡剂为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO和MgO的混合物。
在所述的发泡剂中，按照质量百分比计算，成分配比为：47.5%的SiO2、20.4%的Al2O3、3.3%的Fe2O3、27.8%的CaO以及1.0%的MgO。本实施例的莫来石结构陶质多孔蓄水材料性能详见表1：
表1 实施例一至实施例五的莫来石结构陶质多孔蓄水材料性能
项目名称 气孔率（%） 吸水率（%） 抗压强度（MPa）
实施例一 45.50 90.30 3.70
实施例二 54.70 99.63 4.48
实施例三 50.80 97.10 4.16
实施例四 46.60 93.80 3.86
实施例五 48.30 96.23 4.02
实施例六
本实施例提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料的制备方法，能够用于制备实施例一至实施例五中公开的莫来石结构陶质多孔蓄水材料，本方法简便实用且环保，具体包括如下步骤：
S1、将硅铝质原料和碳酸盐质原料分别进行粉磨处理，得到粉状硅铝质原料和粉状碳酸盐质原料；
S2、按照质量比配制粉状硅铝质原料、粉状碳酸盐质原料和发泡剂，然后细磨均匀混合，得到混合粉料；
S3、对混合粉料进行湿法造粒工序，得到料球；
S4、造粒完成后，将料球干燥成型，然后筛分合格粒径的料球；
S5、将筛分出的料球依次进行加热、烧结以及冷却工序，得到莫来石结构陶质多孔蓄水材料。
对上述步骤需要说明的是，在所述步骤S1中，粉状硅铝质原料和粉状碳酸盐质原料为150～325目。在所述步骤S2中，发泡剂配制为粉状。在所述步骤S3中，进行造粒时，在造粒机内以喷雾的方式加入水，形成粒径为5mm～20mm的料球，粒径大小可根据实际需求作出适应性调整。在所述步骤S4中，料球干燥后产生微膨胀，筛选粒径为3～5mm的料球进入下一道工序。
在所述的步骤S5中，所述的加热包括如下步骤：
S5.1、将所述料球从室温升温至200℃，时间为10～15min，以使料球表面的自由水脱去；
S5.1、将料球从200℃升温至550℃，时间为15～20min，以使料球的硅铝酸盐层间结构水脱去；
S5.2、将料球从550℃升温至850℃，时间为10～15min，以使料球的碳酸盐成分分解放出CO2，从而在料球中形成孔隙结构。
此外，在所述的步骤S5中，在850℃～1100℃的温度区间内进行烧结工序，烧结时间为20～40min，整个烧结过程中温度并非恒定，而是从850℃逐渐升温至1100℃；物料在烧结过程中发生莫来石固相反应，发泡剂中的氧化物受热膨胀在物料中形成孔洞结构。完成烧结工序后，需将物料冷却至120℃以下，冷却时间为25～30min，莫来石结构固化形成具有高抗压强度的料球。
实施例七
本实施例提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料的生产系统，如图1所示，包括配料仓1、循环中转料仓2、细磨混料机3、成品粉料仓4、盘式造粒机5、板链烘干机6、圆筒筛分机7、竖式连续烧结机8、带式冷却机9以及物料输送装置。所述的物料输送装置包括第一螺旋输送机10、第二螺旋输送机11、第三螺旋输送机12、第四螺旋输送机13、第一皮带输送机14和第二皮带输送机15，其中，第一皮带输送机14和第二皮带输送机15的倾斜角度为50度，各个皮带输送机的倾斜角度可按实际需求予以调整。
所述的配料仓1设有三个料仓，分别存贮有硅铝质原料、碳酸盐质原料和发泡剂，硅铝质原料和碳酸盐质原料均为150～325目的细粉状，发泡剂亦为粉状。配料仓1设有PLC智能配料系统，能够以固体计量方式按照配方质量比配制各个原料。所述配料仓1的出料端与所述循环中转料仓2的进料端通过第一螺旋输送机10相连，所述循环中转料仓2的出料端与所述细磨混料机3的进料端通过第二螺旋输送机11相连，即：配制好的原料先进入循环中转料仓2，再进入细磨混料机3中均匀混合。
所述细磨混料机3的出料端与所述成品粉料仓4的进料端通过第三螺旋输送机12相连，所述品粉体料仓的出料端与所述盘式造粒机5的进料端通过第四螺旋输送机13相连，即：从细磨混料机3中卸出的物料进入成品粉料仓4中存贮，将成品粉料仓4中的粉料输送至盘式造粒机5中造粒。在盘式造粒机5中以喷雾方式添水造粒，形成粒径为5～20mm的料球，粒径大小可根据实际需求做出适应性调整。
所述盘式造粒机5的出料端与所述板链烘干机6的进料端相连，所述板链烘干机6的出料端与所述圆筒筛分机7的进料端通过第一皮带输送机14相连。造粒完成后，将含有水份的料球输送至所述的板链烘干机6进行干燥成型，料球在所述板链烘干机6中缓慢干燥使发泡剂产生微膨胀，提高料球孔隙率的同时，赋予料球较高的抗压强度（毋需使用塑性增强剂），确保料球在后续烧结工序中的完整度。
将完成干燥成型的料球通过第一皮带输送机14送入圆筒筛分机7中，筛选粒径大小为3～5mm的料球进入后续烧结工序。
所述竖式连续烧结机8的进料端与所述圆筒筛分机7的出料端通过第二皮带输送机15连接，料球进入竖式连续烧结机8内作自上而下的连续运动，而热气流作自下而上运动，料球经历表面自由水脱去、硅铝酸盐层间结构水脱去、碳酸盐成分分解、发泡剂分解以及烧结一系列连续反应，形成莫来石结构多孔料球。竖式烧结炉的烧结热力学工艺条件稳定性好，一方面，能在烧结过程中严格控制液相的出现，防止液相在冷却过程中析出玻璃相堵塞料球的孔洞或孔隙，确保料球内部有充足的相互联通且不封闭的孔洞、孔隙和毛细孔道，从而提升料球的吸水性能和蓄水性能；另一方面，通过持续的加热和烧结工艺，控制各个温度区间持续的时间，有利于提高蓄水材料的力学性能，如抗压强度等。
在竖式连续烧结机8完成加热和烧结工序，具体流程如下：
S1、对竖式连续烧结机8内的料球预热，使其升温至200℃，预热时间为15min；
S2、将料球从200℃升温至550℃，以使料球的硅铝酸盐层间结构水脱去，反应时间为20min；
S3、将料球从550℃升温至850℃，以使料球的碳酸盐成分分解放出CO2，从而在料球中形成孔隙结构，反应时间为15min；
S4、将料球从850℃升温至1100℃，使料球发生莫来石固相反应，发泡剂中的氧化物受热膨胀在物料中形成孔洞结构，反应时间为40min。
所述竖式连续烧结机8内设有冷却机构，完成烧结工序的料球进入冷却机构，使料球温度降至120℃左右，冷却时间为25～30min。此外，所述竖式连续烧结机8的出料端与所述带式冷却机9的进料端相连，温度降至120℃的料球从竖式连续烧结机8的底部出料端卸出，然后进入带式冷却机9中进一步冷却至室温，使料球形成具有高抗压强度的莫来石结构陶质多孔材料产品。将冷却后的产品通过输送装置运送至产品储存仓内贮存，以待分装、包装。
实施例八
本实施例提供了一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料的生产系统，本实施例是在实施例七的基础上加入了立式粉磨机，所述立体磨粉机的出料端与所述配料仓的进料端连接，即：本实施例的生产系统包括依次连接的立式粉磨机、配料仓、循环中转料仓、细磨混料机、成品粉料仓、盘式造粒机、板链烘干机、圆筒筛分机、竖式连续烧结机和带式冷却机，各个装置之间通过物料输送装置连接。
所述的立式粉磨机用于对硅铝质原料和碳酸盐质原料进行预处理，以得到粉状硅铝质原料和粉状碳酸盐质原料。具体操作流程为：将含水量小于5%的硅铝质原料或碳酸盐质原料输送至立式粉磨机内，粉磨10～15min后，制得细度为150～325目的原料粉，然后将原料粉从立式粉磨机中卸出，并运送至配料仓中对应的料仓中贮存。
本实施例实现了原料预处理、智能配料、细磨均化、湿法造粒、干燥成型、筛分、加热、烧结以及冷却工序的流水线操作，具有生产效率高、便于管理控制的优点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。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 (8)

1.一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料，其特征在于，制备所述莫来石结构陶质多孔蓄水材料的原料按照质量百分比计算，包括如下成分：70～80%的硅铝质原料，10%～20%的碳酸盐质原料以及5%～10%的发泡剂。
2.根据权利要求1所述的莫来石结构陶质多孔蓄水材料，其特征在于，所述的硅铝质原料为粘土和/或高岭土，所述的碳酸盐质原料为石灰石和/或白云石。
3.根据权利要求1或2所述的莫来石结构陶质多孔蓄水材料，其特征在于，所述的发泡剂为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O以及Na2O中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的莫来石结构陶质多孔蓄水材料，其特征在于，制备所述莫来石结构陶质多孔蓄水材料的原料按照质量百分比计算，由以下成分组成：77.3%的高岭土，14.3%的白云石以及8.4%的发泡剂。
5.根据权利要求4所述的莫来石结构陶质多孔蓄水材料，其特征在于，所述的发泡剂中，按照质量百分比计算由以下成分组成：60%的SiO2、25.0%的Al2O3、2.0%的Fe2O3、2.2%的CaO、1.8%的MgO、4.0%的K2O和5.0%的Na2O。
6.一种莫来石结构陶质多孔蓄水材料的制备方法，其特征在于，制备如权利要求1－5任一项中所述的莫来石结构陶质多孔蓄水材料，具体包括如下步骤：
S1、将硅铝质原料和碳酸盐质原料分别进行粉磨处理，得到粉状硅铝质原料和粉状碳酸盐质原料；
S2、按照质量比配制粉状硅铝质原料、粉状碳酸盐质原料和发泡剂，然后细磨均匀混合，得到混合粉料；
S3、对混合粉料进行湿法造粒工序，得到料球；
S4、造粒完成后，将料球干燥成型，然后筛分制成合格粒径的料球；
S5、将筛分出的料球依次进行加热、烧结以及冷却工序，得到莫来石结构陶质多孔蓄水材料。
7.根据权利要求6所述的莫来石结构陶质多孔蓄水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述的加热工序具体包括如下步骤：
S5.1、将所述料球从室温升温至200℃，时间为10～15min，以使料球表面的自由水脱去；
S5.1、将料球从200℃升温至550℃，时间为15～20min，以使料球的硅铝酸盐层间结构水脱去；
S5.2、将料球从550℃升温至850℃，时间为10～15min，以使料球的碳酸盐成分分解释放出CO2，从而在料球中形成孔隙结构。
8.根据权利要求6或7所述的莫来石结构陶质多孔蓄水材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5中，烧结温度区间为850℃～1100℃，烧结时间为20～40min。
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