煤矸石陶瓷墻地磚的制備工藝研究

于時(shí)堯　趙鵬君　許紅亮　馮　鋒　張　芹　王　萌

摘要本試驗(yàn)以煤矸石為主要原料制備出陶瓷墻地磚。采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡和阿基米德原理研究了樣品的物相組成、顯微結(jié)構(gòu)、體積密度和吸水率。結(jié)果表明,煤矸石陶瓷墻地磚主要由玻璃相組成,并含有石英和莫來石晶相,其吸水率、體積密度、氣孔數(shù)量和尺寸均隨燒成溫度的改變而改變。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,1200～1240℃是較為適宜的燒成溫度范圍。

關(guān)鍵詞煤矸石,墻地磚,制備

1引言

近年來,隨著我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,國內(nèi)市場對(duì)陶瓷墻地磚的需求量不斷增加。然而,作為傳統(tǒng)陶瓷原料的高嶺土,由于不斷被開采,導(dǎo)致其儲(chǔ)量不斷減少,資源面臨枯竭,從而引起市場價(jià)格不斷攀升。

煤矸石是指在煤礦建設(shè)、煤炭開采及加工過程中排放出的固體廢棄物,也是我國目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物。堆積成山的煤矸石,不僅占用大量的土地,而且還因自燃、風(fēng)化淋濾和揚(yáng)塵等作用造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此,我國政府近年來大力倡導(dǎo)對(duì)煤矸石進(jìn)行綜合利用研究。目前,對(duì)煤矸石的規(guī)?；厥绽?已應(yīng)用于燒結(jié)磚、造紙、石化和輕工等行業(yè),但由于能耗、成本、技術(shù)以及其它原因,許多企業(yè)虧本甚至倒閉,更談不上生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品[1]。事實(shí)上,煤矸石除含有少量的鈉、鉀、鈣、鐵的氧化物和有機(jī)碳外,主要成分為SiO₂和Al₂O₃,與常用的陶瓷原料高嶺土的成分比較接近,具有替代高嶺土作為陶瓷原料的可能。因此,本文開展了利用煤矸石制備陶瓷墻地磚的研究,以期能夠替代傳統(tǒng)的高嶺土原料,降低產(chǎn)品的成本,并為煤矸石的綜合利用及環(huán)境污染治理開辟了一條新的途徑。

2實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用煤矸石采自河南鄭州礦區(qū),原礦經(jīng)機(jī)械粉碎后平均粒度為6μm,其化學(xué)組成見表1。

由表1可見,實(shí)驗(yàn)用煤矸石的化學(xué)成分主要為Al₂O₃和SiO₂,含量分別為30.72%、50.12%,與高嶺石的理論化學(xué)組成(Al₂O₃39.50%、SiO₂46.54%、H₂O 13.96%)比較接近。XRD分析結(jié)果也顯示,煤矸石中所含的礦物主要為高嶺石,以及少量的石英。

實(shí)驗(yàn)用原料還有長石、石英和膨潤土等,均為市售產(chǎn)品(粒度小于74μm)。其中,添加膨潤土是為了彌補(bǔ)煤矸石粉料可塑性較差、粘結(jié)性較低這一工藝性質(zhì)的不足,提高成形坯體的結(jié)合性和強(qiáng)度。

2.2 樣品制備

將各種原料按擬定配方稱量后,加入行星球磨機(jī)中濕法球磨3h,坯料干燥、造粒后,利用四柱油壓機(jī)于40～60MPa下壓制成形,將所得的生坯干燥后置入高溫箱式電阻爐中,分別于1180℃、1200℃、1220℃、1240℃、1260℃下燒成,保溫2h后冷卻至室溫,得到陶瓷墻地磚樣品。

2.3 性能測試與表征

按照GB/T 4100-2006[2]規(guī)定的方法測定樣品的性能。其中,根據(jù)阿基米德原理測定樣品的體積密度和吸水率;利用D/MAX-2200PC型X射線衍射儀(XRD)表征樣品的物相組成;CSM-950型掃描電子顯微鏡(SEM)觀測樣品斷口的顯微結(jié)構(gòu)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 配方的確定

根據(jù)原料的化學(xué)成分和有關(guān)相圖[3],設(shè)計(jì)出如表2所示的配方。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),配方A的成形性能不好,無論怎樣調(diào)整成形壓力和保壓時(shí)間,成形坯體總是出現(xiàn)缺角、掉棱、層裂、開裂、剝落等缺陷,有的生坯放置一段時(shí)間后,還會(huì)出現(xiàn)坯體裂紋擴(kuò)展、脫落等現(xiàn)象。其原因可能是坯料中煤矸石粉料的可塑性和結(jié)合性較差,以及石英、長石等瘠性物料較多的緣故。盡管在配方B、C中逐漸減少石英的用量、增加煤矸石粉的用量,但坯體的成形性能仍然較差。可見,煤矸石粉的可塑性和結(jié)合性較差是影響坯料成形性能的主要因素。當(dāng)在配方D中引入5wt%的強(qiáng)結(jié)合性粘土——膨潤土后,坯料的成形性能得到大幅度的改善,成形坯體的表面光滑、平整,無棱、無脫落及層裂現(xiàn)象。所以,在隨后的實(shí)驗(yàn)過程中,均采用配方D制備煤矸石陶瓷墻地磚。

3.2 樣品的物相組成

XRD分析顯示,在1180～1260℃燒成溫度范圍內(nèi),煤矸石陶瓷墻地磚的物相組成變化不大。圖1給出的是在1220℃下燒成時(shí)樣品的XRD圖譜。由圖1可以看出,煤矸石陶瓷墻地磚主要由玻璃相組成,并含有石英和莫來石相。其中,石英是配料中未完全熔融的殘余石英,莫來石是煤矸石中的高嶺石分解產(chǎn)生的一次莫來石,以及從玻璃熔體中析出的二次莫來石。顯然,煤矸石陶瓷墻地磚與普通陶瓷墻地磚的物相組成相似。

3.3 燒成溫度對(duì)樣品吸水率及體積密度的影響

陶瓷墻地磚的吸水率不僅能在一定程度上反映制品的燒結(jié)程度,而且還是評(píng)價(jià)墻地磚質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。根據(jù)GB/T4100-2006規(guī)定,陶瓷墻地磚的吸水率不超過0.5%時(shí)符合“干壓陶瓷磚:瓷質(zhì)磚技術(shù)”的要求。本實(shí)驗(yàn)中,燒成溫度不同的陶瓷墻地磚樣品的吸水率如圖2所示。

圖2顯示,1180℃燒成時(shí),墻地磚的吸水率為0.34%。隨著燒成溫度的提高,吸水率逐漸降低,在1220℃燒成時(shí)降至最低,僅有0.19%。這是由于坯體中的熔融玻璃相含量隨燒成溫度升高而升高,從而填充坯體孔隙并使顆粒相互靠近、密度增大的緣故。1240℃燒成時(shí),制品的吸水率略有升高。當(dāng)燒成溫度繼續(xù)升高至1260℃時(shí),陶瓷墻地磚的吸水率急劇增加,制品表面出現(xiàn)許多尺寸較大的氣孔,呈現(xiàn)“過燒”的現(xiàn)象。

圖3是樣品在不同燒成溫度下的體積密度?？梢钥闯?體積密度的變化趨勢與吸水率呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性。與吸水率曲線不同的是,1200℃燒成時(shí)制品的密度最高,達(dá)到了2.56g/cm³;1220、1240℃燒成時(shí),體積密度卻略有下降,這可能與石英的熔解、玻璃相以及莫來石相的形成有關(guān)。當(dāng)燒成溫度升高至1260℃時(shí),體積密度急劇降低至2.07g/cm³,這顯然是制品“過燒”后產(chǎn)生大量氣孔的結(jié)果。

圖4的SEM分析結(jié)果顯示,1200℃燒成時(shí),制品內(nèi)部氣孔少且尺寸較小;當(dāng)燒成溫度為1260℃時(shí),樣品由于出現(xiàn)“過燒”而使氣孔數(shù)量急劇增加、氣孔尺寸顯著增大。這一結(jié)果與吸水率和體積密度的測試結(jié)果相一致。

綜上所述,當(dāng)在1200～1240℃燒成時(shí),可獲得體積密度高、吸水率低的煤矸石陶瓷墻地磚制品。測試結(jié)果表明,1220℃燒成的煤矸石陶瓷墻地磚,其抗彎強(qiáng)度達(dá)到92.0MPa,超過了GB/T 4100-2006規(guī)定的“干壓陶瓷磚:瓷質(zhì)磚技術(shù)”的要求(吸水率E≤0.5%、斷裂模數(shù)平均值≥35MPa、單值≥32MPa)。

4結(jié) 論

以煤矸石為主要原料,添加石英、長石和膨潤土,可以制備出性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷墻地磚。煤矸石陶瓷墻地磚主要由玻璃相組成,并含有石英和莫來石晶相,其吸水率、氣孔數(shù)量和尺寸、體積密度均隨燒成溫度的改變而改變。其中,1200～1240℃是較為適宜的燒成溫度范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙志曼,何天淳,周亦唐,杜慶檐等.以市場為導(dǎo)向走煤矸石深加工之路[J].中國資源綜合利用,2003,2:6-10.

[2] GB/T 4100-2006. 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)-陶瓷磚[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[3] 劉康時(shí).陶瓷工藝原理[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,1990.

Preparation of Wall and Floor Tile with Coal Gangue

Yu ShiyaoZhao PengjunXu HongliangFeng FengZhang QinWang Meng

(School of Material Science and Engineering, Zhengzhou UniversityZhengzhouHenan450001)

Abstract: Wall and floor tiles were prepared by using coal gangue as main raw materials. X-ray diffraction,scanning electron microscopy and the Archimedes law were used to investigate the phase composition, microstructure, bulk density and water absorption of samples. It is revealed that samples are mainly composed of glass phase,as well as some quartz and mullite. The water absorption, bulk density, amount and size of the pores of the samples change with the sintering temperature. The feasible sintering temperature can be obtained between 1200 and 1240℃.

Keywords: coal gangue, wall and floor tile, preparation