CN111792886A - 非烧结瓦板岩尾矿砖及其制备方法 - Google Patents

非烧结瓦板岩尾矿砖及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，公开了一种非烧结瓦板岩尾矿砖及其制备方法。该尾矿砖包括以下原料组分，以质量份计为：瓦板岩尾矿50‑60份、粉煤灰30‑50份、偏高岭土5‑10份、碱性激发剂12‑16份。该尾矿砖的制备方法包括以下步骤：将瓦板岩尾矿、粉煤灰和偏高岭土进行干混，然后加入碱性激发剂和水搅拌混匀，得到混合料，将所述混合料压制成型后，自然养护，得到所述尾矿砖。本发明中尾矿砖以瓦板岩尾矿作为基体，同时大量消化工业废渣粉煤灰，制得的尾矿砖具有稳定的固化效果，为尾矿和固体废弃物的合理二次利用提供新的途径，减少了能源损耗，也有效减少烧结砖形成的环境污染。

Description

非烧结瓦板岩尾矿砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种非烧结瓦板岩尾矿砖及其制备方法。
背景技术
随着我国建筑行业的高速发展，对建筑用砖的需求量也越来越大。建筑用砖多为烧结砖和水泥砖，烧结砖是以粘土、页岩、煤矸石或粉煤灰为原料，经成型和高温焙烧而制得，因传统烧结砖的原料大多采用粘土，造成部分可耕种的土地缩减，国家已于2005年正式推行禁止使用实心粘土砖的政策，以开发推广新型烧结砖(例如以页岩代替粘土)为手段，进而达到推进建筑节能的目标，但烧结过程造成的大气污染和水污染也是制约烧结砖发展的主要因素之一；水泥砖作为烧结砖的替代品之一，主要由石粉与部分细石子再加水泥构成，虽然水泥砖工艺简单、成本低，但原料中不含泥土成分，也未经过砖窑烧结，不具备超高硬度和耐久性。目前，我国大力推行利用工业废料生产建筑用砖，不仅可以降低生产成本，而且对推动绿色发展、改善环境质量发挥了强有力的推动作用。
随着我国城市、道路建设的不断推进，为满足建设用砖瓦市场的需求，有效的促进了岩石开采加工企业蓬勃发展。利用瓦板岩矿石生产建设所用的板瓦或填料时，会产生大量的瓦板岩尾矿，该尾矿颗粒粒径较小，难以堆放，很容易造成粉尘污染，且约束了企业可持续发展的要求。如何将瓦板岩矿石有效利用，使之变废为宝成为了一个亟待解决的重要课题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种非烧结瓦板岩尾矿砖及其制备方法，以瓦板岩尾矿作为基体，同时大量消化工业废渣粉煤灰，制得的尾矿砖具有稳定的固化效果。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种非烧结瓦板岩尾矿砖，包括以下原料组分，以质量份计为：瓦板岩尾矿50-60份、粉煤灰30-50份、偏高岭土5-10份、碱性激发剂12-16份。
优选地，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、硅酸钠和水，所述氢氧化钠、硅酸钠和水的质量比为4-6：8-12：3-5。
优选地，所述瓦板岩尾矿的粒度分布在0.5-30μm不低于90％。
优选地，所述瓦板岩尾矿包括SiO2、CaO、Fe2O3和Al2O3。
优选地，所述偏高岭土的比表面积为15-25m2/g、平均粒径为0.8-1.2μm。
本发明第二方面提供一种非烧结瓦板岩尾矿砖的制备方法，包括以下步骤：将瓦板岩尾矿、粉煤灰和偏高岭土进行干混，然后加入碱性激发剂和水搅拌混匀，得到混合料，将所述混合料压制成型后自然养护，得到所述尾矿砖；其中，各原料的用量为：瓦板岩尾矿50-60份、粉煤灰30-50份、偏高岭土5-10份、碱性激发剂12-16份、水5-10份。
优选地，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、硅酸钠和水，所述氢氧化钠、硅酸钠和水的质量比为4-6：8-12：3-5。
优选地，所述瓦板岩尾矿的粒度分布在0.5-30μm不低于90％；所述偏高岭土的比表面积为15-25m2/g，平均粒径为0.8-1.2μm。
优选地，所述干混过程包括将瓦板岩尾矿、粉煤灰和偏高岭土混合后搅拌1-3min；加入碱性激发剂和水后再搅拌8-12min；所述自然养护的时间为25-30天。
本发明第三方面提供由上述制备方法制得的尾矿砖。
本发明的非烧结瓦板岩尾矿砖，在高压成型等条件下，借助压制过程原材料颗粒之间的空气被充分排出，原料颗粒之间紧密接触，增加了砖坯的密实度，使砖坯产生了自然粘结，形成尾矿砖的初始强度。在免烧砖制备过程中，砖坯的初始强度不仅体现砖坯的密实程度，而且决定砖块后期强度的增长。
在本发明的非烧结瓦板岩尾矿砖压制成型后的养护阶段，瓦板岩尾矿、粉煤灰、偏高岭土原料中的铝硅酸盐在新型碱性激发剂溶解，溶解的铝硅配合物由固体颗粒表面向颗粒间隙的扩散，凝胶相逐渐排除剩余的水分，固化硬化成矿物聚合材料砖体，聚合物材料的凝胶相M+n{-(SiO2)z-AlO2-}n·wH2O的形成，导致在碱硅酸盐溶液和铝硅配合物之间发生聚合作用，形成本发明的非烧结瓦板岩尾矿砖的抗压强度。在此之后的硬化过程，是在碱性催化剂作用下的硅氧键和铝氧键的断裂-重组的反应过程。
铝硅酸盐聚合反应是一个放热脱水的过程。反应以水为介质，聚合后又将大部分水排除，少量水则以结构水的形式取代【SiO4】中的一个O的位置，最终形成AlO4和SiO4四面体结构单元组成三维立体网状结构的无机聚合物，发生缓慢的化学反应，缓慢促进本发明的非烧结瓦板岩尾矿砖的强度提高。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
本发明以瓦板岩尾矿作为基体，并结合工业废渣粉煤灰，节约成本的同时，实现了对瓦板岩尾矿资源以及固体废弃物资源的合理大量利用；本发明利用碱性激发剂对瓦板岩尾矿进行激发，通过瓦板岩尾矿、粉煤灰、偏高岭土的不同配合比，可以制成不同强度的非烧结尾矿砖；本发明制备成的尾矿砖无侧限抗压强度最高可达23.6MPa，吸水率为11.2％左右，为尾矿和固体废弃物的合理二次利用提供新的途径。不但减少了烧结时的能源损耗，也有效减少烧结过程所形成的环境污染，能够产生良好的社会效益、经济效益和环境效益。
附图说明
图1是瓦板岩尾矿的XRD图；
图2是瓦板岩尾矿的粒度分析图；
图3是粉煤灰的XRD图；
图4是粉煤灰的粒度分析图；
图5是偏高岭土的粒度分析图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
第一方面，本发明提供了一种非烧结瓦板岩尾矿砖，包括以下原料组分，以质量份计为：瓦板岩尾矿50-60份、粉煤灰30-50份、偏高岭土5-10份、碱性激发剂12-16份。本发明中，所述粉煤灰的主要成分为SiO2和Al2O3，偏高岭土的主要成分为SiO2和Al2O3。
优选地，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、硅酸钠和水，所述氢氧化钠、硅酸钠和水的质量比为4-6：8-12：3-5。本发明中，碱性激发剂的制备过程包括将氢氧化钠与水混合配成溶液后，再与硅酸钠混合均匀。
优选地，所述瓦板岩尾矿的粒度分布在0.5-30μm不低于90％。
优选地，所述瓦板岩尾矿包括SiO2、CaO、Fe2O3和Al2O3。
优选地，所述偏高岭土的比表面积为15-25m2/g，平均粒径为0.8-1.2μm。
第二方面，本发明提供了一种非烧结瓦板岩尾矿砖的制备方法，包括以下步骤：将瓦板岩尾矿、粉煤灰和偏高岭土进行干混，然后加入碱性激发剂和水搅拌混匀，得到混合料，将所述混合料压制成型后，进行自然养护，得到所述尾矿砖；其中，各原料的用量为：瓦板岩尾矿50-60份、粉煤灰30-50份、偏高岭土5-10份、碱性激发剂12-16份、水5-10份。
优选地，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、硅酸钠和水，所述氢氧化钠、硅酸钠和水的质量比为4-6：8-12：3-5。
优选地，所述瓦板岩尾矿的粒度分布在0.5-30μm不低于90％；所述偏高岭土的比表面积为15-25m2/g，平均粒径为0.8-1.2μm。
优选地，所述干混过程包括将瓦板岩尾矿、粉煤灰和偏高岭土混合后搅拌1-3min，具体可以为1min、2min、3min或者上述两个值之间的任意值；加入碱性激发剂和水后再搅拌8-12min，具体可以为8min、9min、10min、11min、12min或者上述两个值之间的任意值；所述压制成型的条件为压强5.0MPa、时间为5.0min，时间具体可以为2min、3min、4min、5min或者上述两个值之间的任意值；所述自然室内通风养护的时间为25-30天，具体可以为25天、26天、27天、28天、29天、30天或者上述两个值之间的任意值。
第三方面，本发明提供了由上述制备方法制得的尾矿砖。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，所使用的制砖机为郑州润林机械设备有限公司生产的QTJ4-25B自动砌块砖机；无侧限抗压强度通过济南力驰试验设备有限公司生产的WDW-50E微机控制电子式万能试验机测得；吸水率根据GB/T2542-2003的试验方法测试而得。偏高岭土购自上海灵动化工有限公司。
瓦板岩尾矿
瓦板岩尾矿取自陕西省岚皋县某瓦板岩矿场，经烘干粉粹后得到实验所需的尾矿。取少量瓦板岩尾矿经X射线衍射分析，其主要矿物组成见图1。由图1可知，此瓦板岩尾矿的矿物组成主要成分为石英、碳酸钙、斜绿泥石、多铁白云母，此瓦板岩尾矿的化学成分和粒度分析分别见表1和图2。
表1瓦板岩尾矿的化学组成
氧化物 SiO<sub>2</sub> CaO Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> MgO
含量(％) 41.02 32.44 9.21 8.99 5.28
此瓦板岩尾矿中以SiO2居多，其次为CaO、Fe2O3、Al2O3，这些成分易于被碱性激发剂激发发生地聚反应，进而提高产品的强度。瓦板岩尾矿的粒度集中分布在0.5-30μm之间，达到了90％，尾矿中的粒度较大的部分可以在砖块成型过程中起到骨架的作用，最终可以提高试件强度。
粉煤灰
本发明中使用的粉煤灰取自河南某燃煤火电厂，从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，为一级粉煤灰，烘干后取样进行X射线衍射分析，结果如图3。由图3可知，此粉煤灰的矿物组成主要为莫来石。此粉煤灰的化学成分和粒度分析见表2和图4。此粉煤灰中SiO2和Al2O3的含量最高，分别为51.95％和30.59％。
表2粉煤灰的化学组成
氧化物 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO K<sub>2</sub>O
含量(％) 51.95 30.59 6.53 4.77 1.80
偏高岭土
所用的偏高岭土为上海灵动化工有限公司生产的K-1300W型偏高岭土，呈白色，其化学成分见表3，采用激光粒度分析仪测定其粒度特性，比表面积为20m2/g，其粒度分析图见图5。
表3偏高岭土的化学成分
氧化物 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TiO<sub>2</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
含量(％) 53.36 42.96 1.50 0.586 0.555
实施例1
(1)将40kg氢氧化钠与32kg水混合配成溶液后，与80kg硅酸钠混合均匀，制得碱性激发剂；
(2)将550kg瓦板岩尾矿、400kg粉煤灰和75kg偏高岭土(比表面积为20m2/g、平均粒径为1.0μm)在搅拌机中进行干混2min，然后加入140kg步骤(1)制得的碱性激发剂和75kg水混匀再搅拌10min，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料倒进制砖机中在5.0MPa下压制3min成型，成型后的砖坯移入室内通风自然养护28天，制得尾矿砖。
经检测，该尾矿砖的无侧限抗压强度为：20.47MPa，密度为：1.72kg/m3，吸水率为：13.4％。
实施例2
(1)将50kg氢氧化钠与25kg水混合配成溶液后，与100kg硅酸钠混合均匀，制得碱性激发剂；
(2)将600kg瓦板岩尾矿、300kg粉煤灰和100kg偏高岭土(比表面积为25m2/g、平均粒径为1.2μm)在搅拌机中进行干混3min，然后加入160kg步骤(1)制得的碱性激发剂和50kg水混匀搅拌12min，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料倒进制砖机中在5.0MPa下压制5min成型，成型后的砖坯移入养护室自然养护30天，制得尾矿砖。
经检测，该尾矿砖的无侧限抗压强度为：23.6MPa，密度为：1.84kg/m3，吸水率为：11.2％。
实施例3
(1)将32kg氢氧化钠与48kg水混合配成溶液后，与64kg硅酸钠混合均匀，制得碱性激发剂；
(2)将500kg瓦板岩尾矿、500kg粉煤灰和50kg偏高岭土(比表面积为15m2/g、平均粒径为0.8μm)在搅拌机中进行干混1min，然后加入120kg步骤(1)制得的碱性激发剂和100kg水混匀搅拌8min，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料倒进制砖机中在5.0MPa下压制2min成型，成型后的砖坯移入养护室自然养护25天，制得尾矿砖。
经检测，该尾矿砖的无侧限抗压强度为：15.1MPa，密度为：1.63kg/m3，吸水率为：15.7％。
实施例4
(1)将20kg氢氧化钠与20kg水混合配成溶液后，与60kg硅酸钠混合均匀，制得碱性激发剂；
(2)将600kg瓦板岩尾矿、350kg粉煤灰和50kg偏高岭土(比表面积为20m2/g、平均粒径为1.0μm)在搅拌机中进行干混2min，然后加入100kg步骤(1)制得的碱性激发剂和120kg水混匀搅拌8min，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料倒进制砖机中在5MPa下压制3min成型，成型后的砖坯移入养护室进行洒水养护25天，制得尾矿砖。
经检测，该尾矿砖的无侧限抗压强度为：15.0MPa，密度为：1.63kg/m3，吸水率为：15.9％。
实施例5
(1)将54kg氢氧化钠与36kg水混合配成溶液后，与72kg硅酸钠混合均匀，制得碱性激发剂；
(2)将400kg瓦板岩尾矿、450kg粉煤灰和75kg偏高岭土(比表面积为20m2/g、平均粒径为1.0μm)在搅拌机中进行干混2min，然后加入150kg步骤(1)制得的碱性激发剂和80kg水混匀搅拌10min，得到混合料；
(3)将步骤(2)得到的混合料倒进制砖机中在5.0MPa下压制4min成型，成型后的砖坯移入养护室自然养护27天，制得尾矿砖。
经检测，该尾矿砖的无侧限抗压强度为：22.9MPa，密度为：1.82kg/m3，吸水率为：12.2％。
从上述实施例可以看出，本发明的非烧结瓦板岩尾矿砖的最高无侧限抗压强度达到了23.6Mpa，所有实施例的非烧结瓦板岩尾矿砖的无侧限抗压强度均在15Mpa以上，均达到了MU15等级，密度和吸水率符合JC/T422-2007《非烧结垃圾尾矿砖》建材行业标准，能够在多种建筑、道路工程施工中使用。本发明的非烧结瓦板岩尾矿砖不仅能够利用瓦板岩尾矿制作成尾矿砖，实现了瓦板岩尾矿及固体废弃物的合理利用，解决了尾矿污染环境的问题，而且，本发明的瓦板岩尾矿转不需要烧结，避免了烧结所造成的能源消耗和所带来的环境污染，使用价值较高。本发明的方法，工艺简单，加工效率高，环境污染小，便于推广使用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非烧结瓦板岩尾矿砖，其特征在于，包括以下原料组分，以质量份计为：瓦板岩尾矿50-60份、粉煤灰30-50份、偏高岭土5-10份、碱性激发剂12-16份。
2.根据权利要求1所述的非烧结瓦板岩尾矿砖，其特征在于，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、硅酸钠和水，所述氢氧化钠、硅酸钠和水的质量比为4-6：8-12：3-5。
3.根据权利要求1所述的非烧结瓦板岩尾矿砖，其特征在于，所述瓦板岩尾矿的粒度分布在0.5-30μm不低于90％。
4.根据权利要求1所述的非烧结瓦板岩尾矿砖，其特征在于，所述瓦板岩尾矿包括SiO2、CaO、Fe2O3和Al2O3。
5.根据权利要求1所述的非烧结瓦板岩尾矿砖，其特征在于，所述偏高岭土的比表面积为15-25m2/g、平均粒径为0.8-1.2μm。
6.一种非烧结瓦板岩尾矿砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将瓦板岩尾矿、粉煤灰和偏高岭土进行干混，然后加入碱性激发剂和水搅拌混匀，得到混合料，将所述混合料压制成型后自然养护，得到所述尾矿砖；
其中，各原料的用量为：瓦板岩尾矿50-60份、粉煤灰30-50份、偏高岭土5-10份、碱性激发剂12-16份、水5-10份。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碱性激发剂包括氢氧化钠、硅酸钠和水，所述氢氧化钠、硅酸钠和水的质量比为4-6：8-12：3-5。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述瓦板岩尾矿的粒度分布在0.5-30μm不低于90％；所述偏高岭土的比表面积为15-25m2/g，平均粒径为0.8-1.2μm。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述干混过程包括将瓦板岩尾矿、粉煤灰和偏高岭土混合后搅拌1-3min；加入碱性激发剂和水后再搅拌8-12min；所述自然养护的时间为25-30天。
10.根据权利要求6至9中任意一项所述的制备方法制得的尾矿砖。
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