CN114455931A - 一种陶瓷铁尾矿复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷铁尾矿复合材料及其制备方法和应用。这种陶瓷铁尾矿复合材料包括以下组分：陶瓷粉、铁尾矿、水玻璃、十二烷基硫酸钠、芒硝。本发明利用激发剂激发陶瓷粉本身的胶凝活性，与铁尾矿形成复合充填材料，充分利用固体废弃物陶瓷粉、铁尾矿，实现了陶瓷粉、铁尾矿的资源利用化，在实现环境效益的同时创造了经济效益。

Description

一种陶瓷铁尾矿复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及固废资源化技术领域，具体涉及一种陶瓷铁尾矿复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会经济及陶瓷工业的快速发展，陶瓷工业废料日益增多，对城市环境造成巨大压力。瓷质抛光砖是我国产量最大的建筑陶瓷产品之一，瓷质砖经研磨抛光工序通常将从砖坯表面去除0.5-0.7mm表面层，有时甚至高达1-2mm，每生产1m²抛光砖将形成1.5kg左右的砖屑废粉(陶瓷抛光砖粉，简称陶瓷粉)，如能对其合理开发利用，将具有显著的经济效益和社会效益。

尾矿属于选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分。冶金矿山企业每生产1吨铁精矿，产生约2吨的尾矿废弃物，其中堆存的铁尾矿量占全部尾矿堆存总量的近1/3，铁尾矿目前多采用尾矿库集中堆放方式，个别矿区将尾矿直接排入河流及荒地，占用大量土地、堵塞河流，对周围环境也产生了负面影响。垃圾是放错位置的资源，将固废综合利用，不仅能够带来环境效益还可带来经济效益。

发明内容

为了克服现有技术存在陶瓷粉、铁尾矿综合利用的问题，本发明的目的之一在于提供一种陶瓷铁尾矿复合材料，本发明的目的之二在于提供这种陶瓷铁尾矿复合材料的制备方法，本发明的目的之三在于提供这种陶瓷铁尾矿复合材料的应用。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种陶瓷铁尾矿复合材料，包括以下组分：陶瓷粉、铁尾矿、水玻璃、十二烷基硫酸钠、芒硝。

优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料，包括以下质量份的组分：50-70份陶瓷粉、25-35份铁尾矿、3-10份水玻璃、1-7份十二烷基硫酸钠、1-7份芒硝；进一步优选的，包括以下质量份的组分：55-65份陶瓷粉、25-30份铁尾矿、4-9份水玻璃、3-5份十二烷基硫酸钠、3-5份芒硝。

优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料的组分还包括水；进一步优选的，水与除水之外其他组分的总质量比为(0.5-1.5):1；再进一步优选的，水与除水之外其他组分的总质量比为(0.8-1.2)：1；更进一步优选的，水与除水之外其他组分的总质量比为1：1。

优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，陶瓷粉包括以下质量百分数的组分：60-70％SiO₂、15-25％Al₂O₃、0.3-1％Fe₂O₃、0.5-2％CaO、0.08-2.5％MgO、0.2-1.5％SO₃、0.08-1％Na₂O、0.3-1％K₂O；进一步优选的，陶瓷粉包括以下质量百分数的组分：62-70％SiO₂、18-23％Al₂O₃、0.4-0.9％Fe₂O₃、0.7-1.7％CaO、0.09-2.1％MgO、0.2-1.5％SO₃、0.1-0.8％Na₂O、0.4-0.9％K₂O。

对陶瓷粉进行XRD衍射分析，其矿物组成主要为石英和莫来石，同时还含有一定量的水化硅酸钙和水化铝酸钙结晶，其中，水化硅酸钙呈薄片状和纤维状，结晶度较差，内部有大量化学能，具有一定的胶凝性和水硬性，但胶凝速度缓慢，强度偏低；陶瓷粉的XRD光谱同时存在馒头状的弥散峰，说明陶瓷粉中存在活性的非晶体物质。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，陶瓷粉的组分还包括4.00-5.10wt％烧失量；在本发明的一些优选具体实施方式中，陶瓷粉包括以下质量百分数的组分：64.37-67.12％SiO₂、19.13-22.38％Al₂O₃、0.45-0.81％Fe₂O₃、0.81-1.54％CaO、0.10-1.98％MgO、0.30-1.39％SO₃、0.11-0.64％Na₂O、0.49-0.86％K₂O、4.00-5.10wt％烧失量。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，陶瓷粉的比表面积为500-800m²/kg；再进一步优选的，陶瓷粉的比表面积为600-700m²/kg；更进一步优选的，陶瓷粉的比表面积为650m²/kg。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，陶瓷粉的粒度＞45μm的占比＜10wt％；再进一步优选的，陶瓷粉的粒度＞45μm的占比＜8wt％；更进一步优选的，陶瓷粉的粒度＞45μm的占比＜5wt％。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，陶瓷粉的含水量为0.8-1wt％；再进一步优选的，陶瓷粉的含水量为0.9wt％。

优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，铁尾矿包括以下质量百分数的组分：68-80％SiO₂、4-10％Fe₂O₃、4-10％Al₂O₃、2-5％MgO、2-5％CaO、0.8-2％K₂O、0.6-1.5％Na₂O；进一步优选的，铁尾矿包括以下质量百分数的组分：70-78％SiO₂、5-9％Fe₂O₃、5-8％Al₂O₃、2-4％MgO、2-4％CaO、0.8-1.8％K₂O、0.8-1.4％Na₂O。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，铁尾矿的组分还包括5-10wt％烧失量；在本发明的一些优选具体实施方式中，铁尾矿包括以下质量百分数的组分：71.58-75.49％SiO₂、6.18-8.45％Fe₂O₃、5.10-7.08％Al₂O₃、2.50-3.27％MgO、2.31-3.05％CaO、0.95-1.55％K₂O、0.85-1.20％Na₂O、5-10wt％烧失量。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，铁尾矿的粒度＞4.75mm的占比＜12wt％；再进一步优选的，铁尾矿的粒度＞4.75mm的占比＜10wt％；更进一步优选的，铁尾矿的粒度＞4.75mm的占比＜8wt％。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，铁尾矿的含水量为1-3wt％；再进一步优选的，铁尾矿的含水量为2-2.5wt％；更进一步优选的，铁尾矿的含水量为2.3wt％。

优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，水玻璃为工业固体水玻璃(硅酸钠)；在本发明的一些优选具体实施方式中，采用工业固体水玻璃，其指标如下：可溶性固体≥98wt％，Fe含量≤0.12wt％，模数为3.51-3.55；模数＝SiO₂/Na₂O(摩尔比)。

优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，十二烷基硫酸钠为固体产品；在本发明的一些优选具体实施方式中，采用工业级固体的十二烷基硫酸钠，其指标如下：活性物质的含量≥90wt％，石油醚可溶物≤2.1％，以硫酸钠和氯化钠计的无机盐含量≤5.0％，白度＞75，水分含量为3％。

优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料中，芒硝为工业芒硝，其粒径分布为：粒径＜2.75μm的颗粒占10wt％；粒径＜5.54μm的颗粒占30wt％；粒径＜8.61μm的颗粒占50wt％；粒径＜13.46μm的颗粒占60wt％；粒径＜35.94μm的颗粒占90wt％。

本发明第二方面提供了上述陶瓷铁尾矿复合材料的制备方法。

一种上述陶瓷铁尾矿复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将各组分混合，得到陶瓷铁尾矿复合材料。

优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：将除水以外的组分混合，搅拌，再加入水，再搅拌，得到陶瓷铁尾矿复合材料。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料的制备方法中，将除水以外的组分混合后搅拌的时间为5-15min；再进一步优选的，将除水以外的组分混合后搅拌的时间为8-12min；更进一步优选的，将除水以外的组分混合后搅拌的时间为10min。

进一步优选的，这种陶瓷铁尾矿复合材料的制备方法中，加入水后再搅拌的时间为5-15min；再进一步优选的，加入水后再搅拌的时间为8-12min；更进一步优选的，加入水后再搅拌的时间为10min。

本发明第三方面提供了上述陶瓷铁尾矿复合材料的应用。

本发明提供了上述陶瓷铁尾矿复合材料在公路采空区治理中的应用；进一步优选的，陶瓷铁尾矿复合材料在公路采空区填充中的应用；具体来说，采用上述的陶瓷铁尾矿复合材料对公路采空区进行充填。

本发明的有益效果是：

本发明利用激发剂激发陶瓷粉本身的胶凝活性，与铁尾矿形成复合充填材料，充分利用固体废弃物陶瓷粉、铁尾矿，实现了陶瓷粉、铁尾矿的资源利用化，在实现环境效益的同时创造了经济效益。

本发明制备的陶瓷铁尾矿复合材料的28天抗压强度＞0.6MPa，满足高速公路的采空区治理的强度要求；本发明制备的陶瓷铁尾矿复合材料的流动度＞301mm，具有更高的流动度，可以更好的填满采空区且不易堵塞管道，更加有利于充填管道的设计。

本发明制备的陶瓷铁尾矿复合材料在对高速公路的路基采空区进行治理时，在实现大量消耗固体废弃物目的的同时也降低了高速公路的造价。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。实施例和对比例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有技术方法得到。除非特别说明，试验或测试方法均为本领域的常规方法。

实施例1

本例陶瓷铁尾矿复合材料的组分质量份如表1所示。

表1实施例1的陶瓷铁尾矿复合材料组分

原料	质量份
		陶瓷粉	52
铁尾矿	34
		水玻璃	8
十二烷基硫酸钠	3
		芒硝	3

实施例2

本例陶瓷铁尾矿复合材料的组分质量份如表2所示。

表2实施例2的陶瓷铁尾矿复合材料组分

原料	质量份
		陶瓷粉	66
铁尾矿	26
		水玻璃	4
十二烷基硫酸钠	3
		芒硝	1

实施例3

本例陶瓷铁尾矿复合材料的组分质量份如表3所示。

表3实施例3的陶瓷铁尾矿复合材料组分

原料	质量份
		陶瓷粉	58
铁尾矿	28
		水玻璃	7
十二烷基硫酸钠	3
		芒硝	4

实施例4

本例陶瓷铁尾矿复合材料的组分质量份如表4所示。

表4实施例4的陶瓷铁尾矿复合材料组分

原料	质量份
		陶瓷粉	60
铁尾矿	25
		水玻璃	7
十二烷基硫酸钠	4
		芒硝	4

实施例5

本例陶瓷铁尾矿复合材料的组分质量份如表5所示。

表5实施例5的陶瓷铁尾矿复合材料组分

原料	质量份
		陶瓷粉	63
铁尾矿	26
		水玻璃	4
十二烷基硫酸钠	4
		芒硝	3

实施例6

本例陶瓷铁尾矿复合材料的组分质量份如表6所示。

表6实施例6的陶瓷铁尾矿复合材料组分

原料	质量份
		陶瓷粉	65
铁尾矿	25
		水玻璃	4
十二烷基硫酸钠	3
		芒硝	3

实施例1-6陶瓷铁尾矿复合材料的制备方法如下：

1、将实施例组分按质量份加入到搅拌机中，搅拌10分钟，使其充分搅拌均匀；

2、加入水，水的添加量与各实施例组分总质量相同，开启搅拌机，搅拌10分钟，使其混合均匀即得到陶瓷铁尾矿复合材料。

对比例1

采用目前高速公路使用的成熟充填材料浆料，即普通国标硅酸盐P.O42.5水泥砂浆；砂为河砂，其浓度为50％，灰砂比为1：5；其中河砂的相关指标为：表观密度2580kg/m³，堆积密度为1650kg/m³，含泥量为1.42％，水为普通自来水。

性能测试

测定实施例1-6制备得到的陶瓷铁尾矿复合材料以及对比例1的浆料的7天与28天抗压强度。强度实验采用BC-300D电脑恒应力压力试验机进行测定，具体测试结果如表7所示。

测定实施例1-6制备得到的陶瓷铁尾矿复合材料以及对比例1的浆料的流动度。参考GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行流动度测试，具体测试结果如表7所示。

表7实施例与对比例性能测试结果

由表7的结果可知，实施例1-6的28天抗压强度均≥0.75MPa，大于对比例1的28天抗压强度的82％，大于高速公路对采空区的强度0.6MPa的要求，其抗压强度满足高速公路采空区治理充填材料使用需求。

由表7的结果可知，实施例1-6的流动度≥305mm，大于对比例1的流动度301mm，满足高速公路采空区治理较高的流动性要求，其中实施例3的流动度最高为325mm，更高的流动度可以更好的填满采空区且不易堵塞管道，更加有利于充填管道的设计。

本发明所使用的充填及混合装备均为常规装备且在现有基础上没有增加设备，且本发明大量采用固体废弃物作为原料，不但节约了成本，同时也保护了自然环境，是绿色环保的高速公路采空区治理材料。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种陶瓷铁尾矿复合材料，其特征在于，包括以下组分：陶瓷粉、铁尾矿、水玻璃、十二烷基硫酸钠、芒硝。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷铁尾矿复合材料，其特征在于，包括以下质量份的组分：50-70份陶瓷粉、25-35份铁尾矿、3-10份水玻璃、1-7份十二烷基硫酸钠、1-7份芒硝。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷铁尾矿复合材料，其特征在于，所述陶瓷铁尾矿复合材料的组分还包括水。

4.根据权利要求2所述的一种陶瓷铁尾矿复合材料，其特征在于，所述陶瓷粉包括以下质量百分数的组分：60-70％SiO₂、15-25％Al₂O₃、0.3-1％Fe₂O₃、0.5-2％CaO、0.08-2.5％MgO、0.2-1.5％SO₃、0.08-1％Na₂O、0.3-1％K₂O。

5.根据权利要求4所述的一种陶瓷铁尾矿复合材料，其特征在于，所述陶瓷粉的比表面积为500-800m²/kg。

6.根据权利要求4所述的一种陶瓷铁尾矿复合材料，其特征在于，所述陶瓷粉的粒度＞45μm的占比＜10wt％。

7.根据权利要求2所述的一种陶瓷铁尾矿复合材料，其特征在于，所述铁尾矿包括以下质量百分数的组分：68-80％SiO₂、4-10％Fe₂O₃、4-10％Al₂O₃、2-5％MgO、2-5％CaO、0.8-2％K₂O、0.6-1.5％Na₂O。

8.根据权利要求7所述的一种陶瓷铁尾矿复合材料，其特征在于，所述铁尾矿的粒度＞4.75mm的占比＜12wt％。

9.一种权利要求1-8任一项所述的陶瓷铁尾矿复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将各组分混合，得到所述陶瓷铁尾矿复合材料。

10.权利要求1-8任一项所述的陶瓷铁尾矿复合材料在公路采空区治理中的应用。