CN112745133A - 一种粉煤灰基高强陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶粒制备技术领域，特别涉及一种粉煤灰基高强陶粒及其制备方法。该粉煤灰基高强陶粒由包括以下重量份数的组分制成：粉煤灰75～90份、球团粘结剂5～10份、低熔点玻璃粉5～15份。本发明的粉煤灰基高强陶粒密度等级为800～1000kg/m3、筒压强度不低于10MPa、吸水率在10～14％，可配置不低于CL40强度标号的混凝土，应用在结构工程上。

Description

一种粉煤灰基高强陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于陶粒制备技术领域，特别涉及一种粉煤灰基高强陶粒及其制备方法。
背景技术
大量堆放的粉煤灰不仅浪费土地，而且还会对土壤、大气等造成严重污染，给人的身体健康带来危害。同时，按照《粉煤灰综合利用管理办法》要求，新建电厂应综合考虑周边粉煤灰利用能力，避免建设永久性粉煤灰堆场(库)，确需建设的，原则上占地规模按不超过三年储灰量设计。这样就限制了企业正常生产，也增加了经营成本。认真做好火电企业固体排放物的综合利用，是节能减排和环境治理工作非常重要的一环，对于改善区域环境、促进资源综合利用具有重要的意义。
普通混凝土骨料的开采对自然生态环境是一种严重的破坏，很容易造成自然环境的恶化和自然资源的紧缺，严重影响国民经济社会的长远发展，因此受国家相关政策的约束，这正好为粉煤灰陶粒的研发和生产提供了市场。
粉煤灰陶粒作为天然砂石的替代产品，若能够规划化使用，可以减少传统的开山采石及下河挖沙，并有效避免对自然环境和土地资源的严重破坏，具有良好的社会效益和环境效益。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉煤灰基高强陶粒及其制备方法，以解决目前由粉煤灰、污泥等固废制作的陶粒致密性差、强度低，无法替代天然砂石作为建筑骨料的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种粉煤灰基高强陶粒，所述高强陶粒由包括以下重量份数的组分制成：粉煤灰75～90份、球团粘结剂5～10份、低熔点玻璃粉5～15份。
优选地，所述粉煤灰的细度为：45μm方孔筛筛余量≤30％。
优选地，所述球团粘结剂以硅酸盐为基料，以纤维素类物质为添加料。
优选地，所述低熔点玻璃粉为硼-硅、硼-锌-硅、硅-铝-硼玻璃粉中的一种。
优选地，所述低熔点玻璃粉的粒度为325～500目。
上述粉煤灰基高强陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将配方量的粉煤灰、玻璃粉、球团粘结剂与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为5～15mm的生料球；
(2)将步骤(1)所得的生料球烘干、烧结、冷却，得所述粉煤灰基高强陶粒。
优选地，步骤(1)中，所述水的用量为粉煤灰、玻璃粉、球团粘结剂总质量的5～12％。
优选地，步骤(2)中，所述烘干为将所述生料球在150～200℃进行加热处理。
优选地，步骤(2)中，所述烧结的最高温度为1100～1400℃，烧结的时间为20～30min。
优选地，步骤(2)中，所述烧结在回转窑中进行。
优选地，步骤(2)中，烧结前对烘干后的生料球预热处理。
优选地，步骤(2)中，所述预热的温度为300～450℃，预热的时间为5～13min。
优选地，步骤(2)中，所述冷却的速率为15min后将温度降至40℃以下。
优选地，步骤(2)中，所述冷却在冷却机中进行。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
传统的以粉煤灰为主要原材料所生产的陶粒的工艺方法中，粉煤灰掺量都在70％以下，而本发明中粉煤灰掺量能达到80％以上。本发明中所制备的高强陶粒的密度等级为800～1000kg/m3、筒压强度不低于10MPa、吸水率在10～14％，可配置不低于CL40强度标号的混凝土，应用在结构工程上。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中，所用粉煤灰至少达到GB1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅱ级灰的技术指标，具体为：
(1)细度(45μm方孔筛筛余)≤30％；
(2)烧失量≤8％。
本发明的粉煤灰基高强陶粒，由包括以下重量份数的组分制成：粉煤灰75～90份(例如75份、80份、82份、85份、87份、90份)、球团粘结剂5～10份(例如5份、6份、7份、8份、9份、10份)、低熔点玻璃粉5～15份(例如5份、7份、9份、11份、13份、15份)。
本发明中的球团粘结剂以硅酸盐为基料，以纤维素类物质为添加料，用于降低陶粒焙烧过程破碎率和有效抑制陶粒品位的下降。
一般来说，低熔点玻璃粉采用含SiO2、P2O5、B2O3、Li2O、ZnO、BaO、K2O、Na2O等成分的高纯环保无机非金属原材料，经先进工艺熔炼合成玻璃体，再经洗涤→干燥→粗磨→保纯精磨→精密分级等工序精制而成。本发明中的低熔点玻璃粉为硼-硅、硼-锌-硅、硅-铝-硼玻璃粉中的一种。低熔点玻璃粉的粒度为325～500目(例如325目、400目、500目)。
本发明的粉煤灰基高强陶粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将配方量的粉煤灰、球团粘结剂、低熔点玻璃粉和水混合均匀，通过对辊造粒机制成粒径为5～20mm(例如5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、15mm)的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、玻璃粉、球团粘结剂总质量的5～12％(例如5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％)；
(2)将步骤(1)所得的生料球在150～200℃(例如150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃)进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为300～450℃(例如300℃、330℃、350℃、370℃、390℃、410℃、430℃、450℃)，预热的时间为5～13min(例如5min、6min、7min、8min、9min、10min、11min、12min、13min)，烧结的最高温度为1100～1400℃(例如1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃)，烧结的时间为20～30min(例如20min、22min、24min、26min、28min、30min，烧结的时间是指从预热结束到出窑，在烧结过程中前期温度上升得较快，后期慢，温度不是匀速上升的，一般来说，15min左右升至最高温度)，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
以下结合具体实施例为本发明的粉煤灰基高强陶粒的制备进行进一步的说明。
以下实施例中，球团粘结剂采用河南强兴化工有限公司的“东风”牌球团粘结剂，低熔点玻璃粉采用佛山晶谷材料科技有限公司的“晶谷”牌玻璃粉。
实施例1
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰75份、球团粘结剂10份、硼-硅玻璃粉15份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为15mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的10％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在180℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为400℃，预热的时间为13min，烧结的最高温度为1184℃，烧结的时间为25min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
实施例2
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰80份、硼-硅玻璃粉10份、球团粘结剂10份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为10mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的10％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在180℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为400℃，预热的时间为10min，烧结的最高温度为1265℃，烧结的时间为30min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
实施例3
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰85份、硼-硅玻璃粉10份、球团粘结剂5份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为15mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的12％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在200℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为450℃，预热的时间为10min，烧结的最高温度为1295℃，烧结的时间为30min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
实施例4
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰77份、硼-锌-硅玻璃粉8份、球团粘结剂15份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为10mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的8％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在160℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为380℃，预热的时间为8min，烧结的最高温度为1206℃，烧结的时间为25min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
实施例5
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰82份、硼-锌-硅玻璃粉8份、球团粘结剂10份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为6mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的6％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在200℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为420℃，预热的时间为10min，烧结的最高温度为1284℃，烧结的时间为30min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
实施例6
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰87份、硼-锌-硅玻璃粉8份、球团粘结剂5份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为15mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的7％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在200℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为450℃，预热的时间为6min，烧结的最高温度为1283℃，烧结的时间为30min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
实施例7
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰80份、硅-铝-硼玻璃粉5份、球团粘结剂15份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为10mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的10％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在160℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为400℃，预热的时间为8min，烧结的最高温度为1295℃，烧结的时间为20min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
实施例8
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰85份、硅-铝-硼玻璃粉5份、球团粘结剂10份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为15mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的5～12％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在200℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为350℃，预热的时间为6min，烧结的最高温度为1302℃，烧结的时间为30min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
实施例9
本实施例的粉煤灰基高强陶粒的具体制备方法如下：
(1)将粉煤灰90份、硅-铝-硼玻璃粉5份、球团粘结剂5份与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为10mm的生料球，其中，水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的8％；
(2)将步骤(1)所得的生料球在200℃进行烘干，然后送入回转窑，在回转窑内完成预热和烧结，预热的温度为400℃，预热的时间为10min，烧结的最高温度为1283℃，烧结的时间为30min，烧成后进入冷却机进行冷却，冷却的速率为15min后降至40℃以下，冷却结束后得到不同粒径、满足不同要求的粉煤灰基高强陶粒。
对比例1
本对比例的粉煤灰陶粒采用粉煤灰80份、膨润土10份、硼-锌-硅玻璃粉10份制备得到，烧结温度为1281℃。其他实验参数与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例2
本对比例的粉煤灰陶粒采用粉煤灰82份、膨润土8份、硼-锌-硅玻璃粉10份制备得到，烧结温度为1286℃。其他实验参数与实施例1中的相同，不再赘述。
对比例3
本对比例的粉煤灰陶粒采用粉煤灰85份、膨润土5份、硼-锌-硅玻璃粉10份制备得到，烧结温度为1277℃。其他实验参数与实施例1中的相同，不再赘述。
实验例
对实施例1～9中的粉煤灰基高强陶粒、对比例1～3中的粉煤灰陶粒的吸水率、堆积密度、筒压强度进行测试，结果如下表1所示。
表1实施例1～9、对比例1～3的产品性能测试结果
吸水率/％ 堆积密度/kg/m<sup>3</sup> 筒压强度/MPa
实施例1 10.2 850 12.9
实施例2 13.6 864 14.1
实施例3 13.5 881 12.8
实施例4 11.2 926 15.8
实施例5 10.9 933 19.9
实施例6 10.4 948 14.2
实施例7 11.8 1056 14.8
实施例8 11.4 1034 15.4
实施例9 11.2 1066 14.8
对比例1 14.9 873 11.9
对比例2 16.3 908 11.6
对比例3 15.7 856 12.8
研究表明，温度低于1200℃的情况下，烧成的陶粒表面无釉，性能较差，这是因为当烧结温度较低时，陶粒内部液相较少，随着温度的升高，陶粒内部液相增多。陶粒烧结温度越高，生成的液相越多，液相粘度越小。
整个焙烧过程中，料球进行着复杂的物理化学反应，形成晶体矿物和较多的玻璃体尤其是烧结后的陶粒表面，形成一层以玻璃体为主的坚硬外壳，像一层瓷釉，从而具有一定的光泽和较高的强度。其内部由于烧结时产生的气体压力与玻璃态软化后的粘度相平衡而形成许多细微的封闭气孔。若焙烧温度控制不当，可能造成气体压力太大而冲破玻璃态的粘稠物，使气体溢出形成开口气孔，这将对陶粒的密度和吸水率造成很大影响。
当温度超过1300℃，玻璃相逐渐形成。陶粒内部产生了足够多的液相，液相粘度显著下降，陶粒体积收缩，表观密度增加，筒压强度增加。同时，液相进一步填补烧结过程中产生的缺陷孔，使气孔间壁更加致密，陶粒吸水率降低。在毛细管力的作用下，熔融玻璃相填补缺陷孔，并粘结颗粒形成网状结构，从而赋予陶粒良好性能。
本发明通过天然膨润土和“东风”球团粘结剂，两元和三元体系低熔点玻璃粉作对比，发现在冶金中改性后的球团粘结剂效果更佳，有助于成球和保持粘结力，在烧结过程中破碎率更低，团聚力更强，性能也更加优良。在低熔点玻璃粉的选择方面，多元体系的玻璃粉节能效果更好，使用硼-锌-硅玻璃粉烧结温度大幅降低，筒压强度高达20MPa(实施例5中为19.9MPa)，致密性良好，烧结温度和吸水率降低，有利于节能减排。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉煤灰基高强陶粒，其特征在于，所述高强陶粒由包括以下重量份数的组分制成：粉煤灰75～90份、球团粘结剂5～10份、低熔点玻璃粉5～15份。
2.根据权利要求1所述的粉煤灰基高强陶粒，其特征在于，所述粉煤灰的细度为：45μm方孔筛筛余量≤30％。
3.根据权利要求1所述的粉煤灰基高强陶粒，其特征在于，所述球团粘结剂以硅酸盐为基料，以纤维素类物质为添加料。
4.根据权利要求1所述的粉煤灰基高强陶粒，其特征在于，所述低熔点玻璃粉为硼-硅、硼-锌-硅、硅-铝-硼玻璃粉中的一种；
优选地，所述低熔点玻璃粉的粒度为325～500目。
5.如权利要求1所述的粉煤灰基高强陶粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将配方量的粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂与水混合均匀，通过造粒机制成粒径为5～15mm的生料球；
(2)将步骤(1)所得的生料球烘干、烧结、冷却，得所述粉煤灰基高强陶粒。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述水的用量为粉煤灰、低熔点玻璃粉、球团粘结剂总质量的5～12％。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烘干为将所述生料球在150～200℃进行加热处理。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述烧结的最高温度为1100～1400℃，烧结的时间为20～30min；
优选地，所述烧结在回转窑中进行。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，烧结前对烘干后的生料球预热处理；
优选地，所述预热处理的温度为300～450℃，预热处理的时间为5～13min。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述冷却的速率为15min后将温度降至40℃以下；
优选地，所述冷却在冷却机中进行。
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