專利名稱：一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷及制備方法，屬與資源(土地、礦產(chǎn))、環(huán)保(有毒有害物排放)、能源(建筑物節(jié)能降耗)和新材料多學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
粉煤灰作為燃煤電廠排出的固體廢棄物，其對環(huán)境的污染是多方面的。粉煤灰的處置及加工利用過程中，其中富集的有害元素可通過各種方式侵入環(huán)境，危害生物及人體健康。貯存在灰場的粉煤灰，水分一旦蒸發(fā)，遇到四級以上的風(fēng)力就可將表層灰粒剝離揚棄，揚灰高度可達(dá)40-50m，不僅影響能見度，而且在潮濕環(huán)境中會對建筑物、露天雕塑品等 表面造成腐蝕。粉煤灰對水體的污染主要是電廠直接向水域排灰。粉煤灰進(jìn)入水體，形成沉淀物、懸浮物、可溶物等物質(zhì)而使水濁度增加，惡化水質(zhì)。粉煤灰被大量貯存堆放，不僅占用耕地，污染環(huán)境，而且危害人體的健康和生態(tài)環(huán)境，因此研究和重視粉煤灰資源的綜合利用，對構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會十分必要?？梢?，開展粉煤灰的綜合利用具有重要的環(huán)境保護(hù)價值和經(jīng)濟(jì)效益。赤泥是鋁土礦提煉氧化鋁過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，是一種不溶性殘渣。根據(jù)煉鋁方法不同，赤泥可以分為燒結(jié)法、拜耳法和聯(lián)合法赤泥。赤泥的主要成分有Si02、CaO、Al2O3等。一般赤泥顆粒中含有大量的強堿性物質(zhì)，還含有氟、鋁及其他多種有害物質(zhì)。我國從鋁土礦提煉氧化鋁的主要方法是燒結(jié)法和聯(lián)合法，這兩種工藝產(chǎn)生的赤泥的成分較為類似，主要有硅酸二鈣及其水合物。國外則多為拜耳法赤泥，其中主要含有赤鐵礦、鋁硅酸鈉水合物。到目前為止，大部分赤泥未得到充分利用和處置，被長期堆存在赤泥池中，不僅占用大量土地，耗費較多的堆場建設(shè)和維護(hù)管理費用，而且含堿廢液污染地表、地下水源，造成自然生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，直接危害人們的健康。綜合治理和利用赤泥，已經(jīng)成為氧化鋁工業(yè)一項亟待解決的課題。隨著環(huán)境保護(hù)意識的加強，赤泥利用已經(jīng)引起國內(nèi)外的普遍重視。目前，全世界許多國家都在積極尋找對策，力求得到更有效的赤泥處理技術(shù)和方法。利用赤泥制備生產(chǎn)新型材料——赤泥粉煤灰基泡沫陶瓷，可在很大程度上提高赤泥的利用率，是一個被看好的解決赤泥資源利用問題的新途徑?！吨袊Y源綜合利用技術(shù)政策大綱》已將提高廢棄物資源化水平作為“十二五”期間資源綜合利用的重點推進(jìn)領(lǐng)域，重點在排放量大、堆存量大、污染嚴(yán)重的固體廢棄物大宗利用和高附加值利用。建筑材料業(yè)是大宗利用工業(yè)廢渣的最佳選擇。目前國內(nèi)已有對于赤泥粉煤灰綜合利用的專利，中國專利(申請?zhí)?00610128450. 4)“赤泥粉煤灰免燒磚”，中國專利(申請?zhí)?00910092222. X) “一種赤泥粉煤灰免燒地質(zhì)聚合物材料及其制備方法”，在這兩項專利中，均使用了工業(yè)固體廢渣赤泥和粉煤灰作為原料，但其工業(yè)廢渣總添加量有限，不足以大規(guī)模消耗廢渣。并且目前國內(nèi)外尚沒有綜合利用赤泥粉煤灰為原料制備泡沫陶瓷的專利，本專利正彌補了這一不足
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷及制備方法，以大量消耗工業(yè)固體廢渣(主要是粉煤灰和赤泥)，同時又能開發(fā)出氣孔率高，抗壓強度、抗彎強度好，具有優(yōu)良的力學(xué)性能的高附加值泡沫陶瓷產(chǎn)品，從而使得集資源的合理利用、變廢為寶、節(jié)約土地、降低企業(yè)廢渣維護(hù)成本、減少廢渣中有毒有害物質(zhì)對環(huán)境的污染及實現(xiàn)建筑物的節(jié)能降耗為一體成為可能。一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷，包括下述組分，按質(zhì)量百分比組成粉煤灰20_40wt%，赤泥30_50wt%，碳酸鈣10_25wt%，硼砂5_20wt%。 本發(fā)明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，包括下列步驟第一步配料、制坯按設(shè)計的泡沫陶瓷組份配比，取過300目篩的赤泥、粉煤灰原料及化學(xué)分析純級碳酸I丐、硼砂原料，混合均勻，制成混合料；向混合料中加入占混合料質(zhì)量l_10wt%的粘接齊U，攪拌均勻后壓制成塊狀坯料；第二步燒制將第一步制得的塊狀坯料以3°C /min-5°C /min的升溫速率加熱至800°C -950°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫0. 5-3h后；隨爐冷卻到室溫，即制得粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷。本發(fā)明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，所述粘接劑為聚乙烯醇。本發(fā)明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，壓制壓力為20MPa 25MPa。本發(fā)明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，所述燒結(jié)采用箱式電阻爐或陶瓷燒結(jié)爐。本發(fā)明一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，制備的泡沫陶瓷氣孔率可高達(dá)69%，抗彎強度達(dá)可高達(dá)8. 05MPa,抗壓強度可高達(dá)11. 04MPa。本發(fā)明由于采用上述組分配比及制備工藝方法，在樣品燒結(jié)過程中碳酸鈣分解釋放出了二氧化碳?xì)怏w，大量的氣體在基體內(nèi)形成氣孔。樣品燒結(jié)過程中生成硬度較大的鈣鐵礦和藍(lán)方石等礦物，雖然其強度受氣孔的影響較大，但抗彎強度仍可達(dá)到8. 05MPa，抗壓強度可高達(dá)11. 04MPa。多孔性使得材料具備一定的隔熱、隔音、隔聲性能。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點在于I)粉煤灰中主要成分是SiO2和Al2O3,赤泥中主要成分是CaO，屬于一種富氧化鈣礦渣，兩種礦渣正好在成分上互補，形成CaO-Al2O3-SiO2系陶瓷。前者賦予燒結(jié)制品的高強度、高化學(xué)穩(wěn)定性，后者賦予燒結(jié)制品相對低的燒成溫度。2)泡沫陶瓷中粉煤灰和赤泥工業(yè)廢渣的消耗量達(dá)到70wt%，廢渣耗量大，有著重大的環(huán)境效益。3)泡沫陶瓷中含有大量氣孔，從而賦予其優(yōu)良的隔熱(夏天)、保溫(冬天)和隔音功能。4)泡沫陶瓷經(jīng)過了高溫?zé)Y(jié)，成份間產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，使得這種泡沫陶瓷有高的強度和耐高溫性能；同時，使得這種泡沫陶瓷在使用過程中有高的化學(xué)穩(wěn)定性，不會產(chǎn)生新的
二次污染。5)本發(fā)明涉及的一種工業(yè)廢渣基高強度、高氣孔率泡沫陶瓷，所需制備條件簡單且易操作，成本低，主要是以工廠棄置的粉煤灰、赤泥為原料，所制備的泡沫陶瓷材料綜合性能優(yōu)良；既可大量消耗工業(yè)固體廢渣，又可獲得高附加值、多功能制品。綜上所述，本發(fā)明提出了一種粉煤灰、赤泥綜合利用的新途徑，粉煤灰、赤泥類廢渣引入量達(dá)到了 70wt%或70wt%以上，既可大量消耗工業(yè)固體廢渣，又可實現(xiàn)建筑物的節(jié)能降耗。對于資源的合理利用、變廢為寶、節(jié)約土地、降低企業(yè)廢渣維護(hù)成本、減少廢渣中有毒有害物質(zhì)對環(huán)境的污染，都具有非常重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。適于工業(yè)化應(yīng)用。



附圖I為本發(fā)明實施例I制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖2為本發(fā)明實施例2制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖3為本發(fā)明實施例3制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖4為本發(fā)明實施例1、2、3制備的泡沫陶瓷的XRD圖譜。附圖5為本發(fā)明實施例4制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖6為本發(fā)明實施例5制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖7為本發(fā)明實施例6制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖8為本發(fā)明實施例7制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖9為本發(fā)明實施例8制備的泡沫陶瓷的SEM照片。附圖10為本發(fā)明實施例9制備的泡沫陶瓷的SEM照片。由圖1、2、3可見，本發(fā)明制得的泡沫陶瓷中粉煤灰、赤泥的相對含量對產(chǎn)品氣孔率的影響很大，在赤泥20wt%，粉煤灰50wt%時，氣孔較大；在赤泥30wt%，粉煤灰40wt%時，氣孔分布較均勻，并且氣孔直徑都較小，氣孔率較高；在赤泥40wt%，粉煤灰30wt%時，得到的產(chǎn)品氣孔直徑小，氣孔率相對較低。由圖4可見，本發(fā)明制得的泡沫陶瓷主晶相主要是鈣鐵榴石(Ca3Fe2(SiO4)3)和藍(lán)方石(Kh6Ca2.4Na4.32(AlSi04)6(S04)3)，在赤泥20wt%,粉煤灰50wt%中，出現(xiàn)鈣長石(CaAl2Si2O8);當(dāng)赤泥30wt%，粉煤灰40wt%時，主要是鈣鐵榴石和藍(lán)方石兩種晶相；在赤泥40wt%,粉煤灰30wt%時，主晶相仍然是鈣鐵榴石和藍(lán)方石，但有霞石相出現(xiàn)。由圖5、6、7可見，本發(fā)明中制得的泡沫陶瓷，在赤泥30wt%，粉煤灰40wt%時，保溫時間對氣孔的大小及分布影響很大。在保溫時間0. 5h時，氣孔直徑相對較??；在保溫時間Ih時，氣孔直徑較大、分布也較均勻；在保溫時間3h時，氣孔直徑相對較大。由圖8、9、10可見，本發(fā)明中制得的泡沫陶瓷中硼砂、碳酸鈣的相對含量對樣品影響很大，在硼砂含量較低，碳酸鈣含量較高時(圖8，A7)，樣品不易軟化，由碳酸鈣分解出的氣體不易溢出，在內(nèi)部形成一些孔徑相對較小的氣孔。在硼砂含量較高，碳酸鈣含量較低時(圖10，A9)，樣品的軟化溫度明顯降低，氣體較易溢出坯體，并且在內(nèi)部形成孔徑相對較大的氣孔。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。實施例I (編號Al):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥20wt%，粉煤灰50wt%，硼砂15wt%，碳酸鈣15wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結(jié)溫度800°C，保溫2h。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率59%，抗壓強度12. 09MPa，抗彎強度3. 08MPa。實施例2 (編號A2):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥30wt%，粉煤灰40wt%，硼砂15wt%，碳酸鈣15wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結(jié)溫度800°C，保溫2h。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率64%，抗壓強度13. 21MPa，抗彎強度7. 05MPa。實施例3 (編號A3):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥40wt%，粉煤灰30wt%，硼砂15wt%，碳酸鈣15wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結(jié)溫度800°C，保溫2h。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率59%，抗壓強度16. OlMPa，抗彎強度8. 04MPa。
實施例4 (編號A4):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥30wt%，粉煤灰40wt%，硼砂15wt%，碳酸鈣15wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min，燒結(jié)溫度900°C，保溫0. 5h。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率57%，抗壓強度13. 5MPa，抗彎強度11. 09MPa。實施例5 (編號A5):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥30wt%，粉煤灰40wt%，硼砂15wt%，碳酸鈣15wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min，燒結(jié)溫度900°C，保溫lh。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率69%，抗壓強度11. 04MPa，抗彎強度8. 05MPa。實施例6 (編號A6):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥30wt%，粉煤灰40wt%，硼砂15wt%，碳酸鈣15wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結(jié)溫度900°C，保溫3h。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率59%，抗壓強度13. 45MPa，抗彎強度9. 20MPa。實施例7 (編號A7):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥25wt%’粉煤灰45wt%，硼砂8wt%’碳酸鈣22wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min,燒結(jié)溫度950°C，保溫lh。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率52%，抗壓強度13. 5MPa，抗彎強度10. 42MPa。實施例8 (編號A8):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥25wt%’粉煤灰45wt%，硼砂13wt%，碳酸鈣17wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min，燒結(jié)溫度950°C，保溫lh。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率57%，抗壓強度12. 86MPa，抗彎強度8. 24MPa。實施例9 (編號A9):原料配比(質(zhì)量比)為赤泥25wt%，粉煤灰45wt%，硼砂18wt%，碳酸鈣12wt%，升溫速率3°C /min-5°C /min，燒結(jié)溫度950°C，保溫lh。經(jīng)試驗檢測結(jié)果其氣孔率60%，抗壓強度12. 41MPa，抗彎強度6. 4MPa。由以上可知，本發(fā)明制備的高強度高氣孔率泡沫陶瓷，其氣孔率60%左右，抗壓強度達(dá)到IOMPa以上，抗彎強度也基本上都達(dá)到8MPa以上，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。
權(quán)利要求
1.一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷，包括下述組分，按質(zhì)量百分比組成 粉煤灰20-40wt%， 赤泥 30-50wt%， 碳酸鈣 10-25wt%， 硼砂 5-20wt%。
2.一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，包括下列步驟 第一歩配料、制坯 按設(shè)計的泡沫陶瓷組份配比，取過300目篩的赤泥、粉煤灰原料及化學(xué)分析純級碳酸I丐、硼砂原料，混合均勻，制成混合料；向混合料中加入占混合料質(zhì)量l_10wt%的粘接劑,攪拌均勻后壓制成塊狀坯料； 第二步燒制 將第一步制得的塊狀坯料以3°c /min-5°c /min的升溫速率加熱至800°C _950°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫O. 5-3h后；隨爐冷卻到室溫，即制得粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，其特征在干所述粘接劑為聚こ烯醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于壓制壓カ為20MPa 25MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的ー種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于所述燒結(jié)采用箱式電阻爐或陶瓷燒結(jié)爐。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5任意一項所述的一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷的制備方法，其特征在于制備的泡沫陶瓷氣孔率高達(dá)69%，抗彎強度達(dá)高達(dá)8. 05MPa，抗壓強度高達(dá) 11.04MPa。
全文摘要
一種粉煤灰基高強度高氣孔率泡沫陶瓷及制備方法，是將赤泥、粉煤灰過300目篩后與碳酸鈣、硼砂和聚乙烯醇粘接劑混合、研磨，制成配合料，然后壓制成塊狀坯體；將成型后的塊狀坯體置于燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，在燒結(jié)過程中形成分布均勻的氣孔，冷卻到室溫后得到高強度高氣孔率的工業(yè)廢渣基泡沫陶瓷。泡沫陶瓷中大量氣孔的存在賦予其優(yōu)良的隔熱(夏天)、保溫(冬天)和隔音功能，高溫?zé)Y(jié)過程中的化學(xué)結(jié)合又使得這種泡沫陶瓷有高的強度和耐高溫性能。這種泡沫陶瓷的制備工藝簡單，燒結(jié)溫度低，生產(chǎn)成本低，粉煤灰和赤泥總引入量達(dá)到70wt%或70wt%以上，可大量消耗粉煤灰、赤泥類工業(yè)廢渣，可廣泛應(yīng)用于建筑物頂層(隔熱、保溫)、室內(nèi)非承重墻(隔熱、保溫、隔音)及室內(nèi)外墻(隔熱、保溫)，使用過程中不再產(chǎn)生新的工業(yè)廢渣，屬環(huán)保型多功能建筑材料。
文檔編號C04B33/138GK102731138SQ20121024647
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者劉宏偉, 劉清, 盧安賢, 羅志偉, 肖重德, 胡曉林, 陳興軍, 陳波 申請人:中南大學(xué), 湖南億泰環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?br>