CN115073131A - 一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机非金属建筑材料技术领域，具体涉及一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺。本发明以长英岩尾矿为主要原料，利用长石高温熔融的特性，将堆积状态的长英岩尾矿颗粒粘结为整体，制备出高性能的陶瓷透水砖。该工艺首先将长英岩尾矿颗粒、河砂与有机粘结剂混合制备透水砖坯体，后在高温条件下使长英岩尾矿颗粒表面部分熔融，使长英岩尾矿颗粒粘结为整体，降温冷却后制备出陶瓷透水砖。采用该工艺可实现长英岩尾矿高效率回收利用，对资源的循环利用和生态环境的保护有着积极作用，并且获得了抗压与抗折强度均衡、耐久性和抗冻性好的高性能陶瓷透水砖，增加了海绵城市建设中所用透水材料的可选择性。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属建筑材料技术领域，具体涉及一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺。
背景技术
选矿中分选作业的产物中有用目标组分含量较低而无法用于生产的部分称为尾矿。尾矿可用作矿山地下开采采空区的充填料、混凝土集料以及路面材料，多数尾矿中因含有大量的石英、长石类矿物等硅铝质材料，也可用作烧制水泥、玻璃、耐火材料以及陶粒等的原料。然而，由于尾矿的产生量巨大，最常用的尾矿处置方法为将尾矿储存在专门修筑的尾矿库内，堆积如山的尾矿存在严重的安全问题，也对周边自然环境有着不利影响。
申请公布号为CN 106986623A的发明专利申请，公开了一种全长石型透水砖及其制备方法。全长石型透水砖由钾钠长石颗粒、钾钠长石细粉和辅助粘结剂以70-85:1-5:1-10的重量比制成。该专利利用钾钠长石颗粒和细粉，添加少量水玻璃或硅溶胶作为辅助结合剂，来制备高强度、高透水的全长石型透水砖。
发明内容
本发明针对尾矿利用率低的现状，提出一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺。长石是制备陶瓷的重要原料，本发明根据长英岩尾矿中矿物组成的特点，以长英岩尾矿颗粒为主要原料，利用长英岩尾矿颗粒表面熔融的原理，使堆积状态的长英岩尾矿颗粒结合为整体，制备出陶瓷透水砖。该工艺简单且资源利用率高，减少了长英岩尾矿因堆积而占用的大量土地及其对环境的污染，为长英岩尾矿的二次利用提供了解决方法。所制备的长英岩尾矿陶瓷透水砖具有较高的抗压、抗折强度、较好的透水性及耐久性。
本发明的具体技术方案为：
一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，包括以下步骤：
(1)坯体制备：将长英岩尾矿颗粒与河砂、有机粘合剂溶液混合并搅拌，后将混合料注入模具，振捣制得透水砖坯体。
(2)坯体养护：在室温下带模养护1～3d后，脱模并放入干燥箱中去除内部的自由水分。
(3)成品制备：设置合适的烧成制度，将干燥的透水砖坯体放入高温炉进行烧结，制备出长英岩尾矿陶瓷基透水砖。
上述方案中，所用长英岩尾矿颗粒的主要矿物成分为石英，其次是长石类矿物，粒径在0.30～4.75mm范围内。所用河砂为黄河水冲砂，其主要矿物成分为石英，其目的为提高透水砖烧结过程中的体积稳定性，粒径在0.30～4.75mm范围内。长英岩尾砂颗粒和河砂均分为四个粒径等级：2.36～4.75mm、1.18～2.36mm、0.60～1.18mm和0.30～0.60mm。本发明取粒径均为0.30～4.75mm的长英岩尾矿砂和河砂为主要原料，基于颗粒堆积的特征，保证透水砖具备优良的透水性能。
所用有机粘合剂为羧甲基纤维素钠(CMC-Na)。长英岩尾矿颗粒、河砂和有机粘合剂溶液的质量比为＝(5～10):(5～10):5，其中有机粘合剂溶液中有机粘合剂和水的质量比为1:4。
上述方案中，步骤(1)坯体制备时，先将长英岩尾矿颗粒和河砂进行筛选分级，接着混合均匀，然后加入有机粘合剂溶液，然后经搅拌机搅拌均匀。再将混合料分两层浇筑入模，即先将坯料铺设至40×40×160mm模具中的一半深度，振实台振实后将坯料填满模具，再振实。每层浇筑后，先用捣棒插捣10次，然后在振动台上振动10～15s，以保证尾矿颗粒紧密堆积。
作为优选方案长英岩尾矿颗粒、河砂和有机粘合剂溶液的质量比为＝9:9:5。2.36～4.75mm、1.18～2.36mm、0.60～1.18mm、0.30～0.60mm四个等级的长英岩尾矿和河砂的用量比均为4:2.5:1.5:1或5:2:1.5:0.5。
上述方案中，步骤(2)坯体养护时，在模具表面覆盖一层不透水膜，室温下养护1～3d，养护期间空气相对湿度控制在60～80％，拆模后放入干燥箱中，在50～80℃的温度下，干燥12h。
上述方案中，在步骤(3)成品制备时通过控制烧结温度，使长英岩尾矿颗粒表面熔融，充当粘结剂，将堆积状态下的长英岩尾矿颗粒粘结为整体。该步骤烧成制度分为升温、保温和降温三个阶段，具体的，将烘干后的试块在高温炉中进行焙烧，升温速率不大于5℃/min，烧结温度为1050～1150℃，保温时间为1～2h；然后进行冷却，降温速率不大于5℃/min，冷却至50℃以下后，由炉内取出制得产品。本发明的长英岩尾矿陶瓷透水砖的烧结过程中长英岩尾矿中的长石类矿物在颗粒表面发生相变反应，形成液相，起到粘结剂的作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明拓展了陶瓷透水砖原材料的范围，并为长石和石英质废弃物的利用提供了新途径，高效率的利用了长英岩尾矿，实现节约资源、保护环境和经济效益的双赢。该工艺在实现了长英岩尾矿高效率回收利用的同时，获得了抗压抗折强度均衡、抗折强度高、透水性好的陶瓷基透水砖，所制备的陶瓷基透水砖的抗折强度可达8MPa以上，抗折与抗压强度比在65％以上，透水速率在0.42～0.73cm/s之间，并具有良好的抗冻性能，以上指标均满足甚至高出GB/T25993-2010《透水路面砖和透水路面板》国家标准中相关要求。
附图说明
图1为陶瓷透水砖的坯体；
图2为陶瓷透水砖的成品。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明进行更加详细的说明，以便于对本发明技术方案的理解，但并不用于对本发明保护范围的限制。
长英岩尾矿颗粒：将长英岩尾矿筛分为A1(2.36～4.75mm)、A2(1.18～2.36mm)A3(0.60～1.18mm)和A4(0.30～0.60mm)四个粒径等级；本实施例的长英岩尾矿来自陕西瑞德宝尔投资有限公司。
黄河水冲砂(河砂)：将黄河水冲砂筛分为B1(2.36～4.75mm)、B2(1.18～2.36mm)、B3(0.60～1.18mm)和B4(0.30～0.60mm)四个粒径等级；本实施例的河砂来自开封附近的黄河滩。
长英岩尾矿和黄河水冲砂的化学成分为如表1所示。
表1长英岩尾矿和黄河水冲砂的化学成分
有机粘结剂为羧甲基纤维素钠(CMC-Na)，将羧甲基纤维素钠与水按质量比1:4混合制得有机粘结剂溶液。
按照表2所示的配合比配制4种透水砖：
表2陶瓷透水砖配合比
| 编号 | A1/g | B1/g | A2/g | B2/g | A3/g | B3/g | A4/g | B4/g | CMC-Na/g | 水/g |
| 实施例1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 500 | 500 | 0 | 0 | 100 | 400 |
| 实施例2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 250 | 250 | 250 | 250 | 100 | 400 |
| 实施例3 | 400 | 400 | 250 | 250 | 150 | 150 | 100 | 100 | 100 | 400 |
| 实施例4 | 500 | 500 | 200 | 200 | 150 | 150 | 50 | 50 | 100 | 400 |
长英岩尾矿颗粒陶瓷基透水砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)坯体制备：将不同粒径等级的长英岩尾矿和黄河水冲砂在100±5℃的烘干箱中放置6h，烘干后按表2的配合比进行称量，依次倒入搅拌机，慢速(62±5r/min)干拌2min，沿筒壁缓慢加入羧甲基纤维素钠溶液，慢速搅拌2min，再快速搅拌(125±10r/min)2min。将混合料分两层浇筑入模，具体的，先将坯料铺设至40×40×160mm模具中的一半深度，振实台振实后将坯料填满模具，再振实。每层浇筑后，先用捣棒插捣10次，然后在振动台上振动10～15s。
(2)坯体养护：在模具表面覆盖一层不透水膜，室温下养护3d，拆模后在60±5℃的烘干箱中放置12h。所得坯体如图1所示。
(3)成品制备：①升温焙烧：将干燥后的试块在高温炉中进行焙烧，升温速率为5℃/min，烧结温度为1150℃；②保温，保温时长60min；③冷却：降温速率为5℃/min，降温至室温后得到透水砖。所得透水砖成品如图2所示。在高温条件下，有机物被完全分解，长英岩尾矿颗粒表面所产生的液相则起到粘结颗粒的作用，从图2中可以明显看出，陶瓷透水砖成品中颗粒仍呈现为堆积状态。
透水砖性能测试结果如表3；
表3陶瓷透水砖性能
由性能结果可以看出，本发明所制得的陶瓷透水砖抗压和抗折强度最高可分别达12.1MPa和8.2MPa，折压比在65％以上，透水速率为0.42～0.62cm/s，25次冻融循环后质量损失率仅为1.6～2.0％，力学性能损失率为7.2～8.4％，性能满足GB/T25993-2010《透水路面砖和透水路面板》国家标准中相关要求。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。
Claims (10)
1.一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）坯体制备：将长英岩尾矿颗粒与河砂、有机粘合剂溶液混合并搅拌，然后将混合料注入模具，振捣制得透水砖坯体；长英岩尾矿颗粒、河砂和有机粘合剂溶液的质量比为=（5～10）:（5～10）:5，其中有机粘合剂溶液中有机粘合剂和水的质量比为1:4；
（2）坯体养护：在室温下带模养护1～3d后，脱模并放入干燥箱中去除内部的自由水分；
（3）成品制备：将干燥的透水砖坯体进行烧结，烧结温度为1050～1150℃，制备出长英岩尾矿陶瓷基透水砖。
2.根据权利要求1所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，所用长英岩尾矿颗粒和河砂的粒径均为0.30～4.75mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，长英岩尾砂颗粒和河砂均分为四个粒径等级：2.36～4.75mm、1.18～2.36mm、0.60～1.18mm和0.30～0.60mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，所述有机粘合剂为羧甲基纤维素钠。
5.根据权利要求3所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，步骤（1）坯体制备时，先将长英岩尾矿颗粒和河砂进行筛选分级，接着混合均匀，然后加入有机粘合剂溶液，然后搅拌均匀；再将混合料铺设至模具中的一半深度，振实台振实后将坯料填满模具，再振实。
6.根据权利要求5所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，长英岩尾矿颗粒、河砂和有机粘合剂溶液的质量比为=9:9:5。
7.根据权利要求6所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，2.36～4.75mm、1.18～2.36mm、0.60～1.18mm、0.30～0.60mm四个等级的长英岩尾矿和河砂的用量比均为4:2.5:1.5:1或5:2:1.5:0.5。
8.根据权利要求5所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，浇筑后先用捣棒插捣10次，然后在振动台上振动10～15s。
9.根据权利要求1所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，步骤（2）坯体养护时，在模具表面覆盖一层不透水膜，室温下养护1～3d，养护期间空气相对湿度控制在60～80%，拆模后放入干燥箱中，在50～80℃的温度下，干燥12h。
10.根据权利要求1所述的一种基于颗粒堆积法的陶瓷透水砖制备工艺，其特征在于，步骤（3）成品制备时，将烘干后的试块在高温炉中进行焙烧，升温速率不大于5℃/min，保温时间为1～2h；然后进行冷却，降温速率不大于5℃/min，冷却至50℃以下后，由炉内取出制得产品。
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| CN106336201A (zh) * | 2016-08-31 | 2017-01-18 | 郑州大学 | 一种以耐火粘土尾矿为原料的陶瓷透水砖的制备方法 |
| CN113773048A (zh) * | 2021-09-28 | 2021-12-10 | 山东永能节能环保服务股份有限公司 | 一种垃圾飞灰和固废无害化制作的烧结砖及方法和应用 |
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