梁　峙，莊　旭，肖　揚(yáng)，馬　捷，顧　燁，倪振威

(1.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州　221018；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州　221008)

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錳渣陶土外墻保溫輕質(zhì)瓷磚的制備及力學(xué)性能分析

梁峙1，莊旭1，肖揚(yáng)1，馬捷2，顧燁1，倪振威1

(1.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221018；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221008)

摘要：以錳渣、陶土、碳化硅、耐火纖維為主要原料，經(jīng)混合、成型、干燥和燒成等工藝制得錳渣陶土外墻保溫輕質(zhì)瓷磚.實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)定不同的錳渣含量和燒結(jié)溫度，對(duì)樣品的抗折強(qiáng)度、吸水率進(jìn)行分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)錳礦渣粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、氮?dú)猸h(huán)境下燒結(jié)、燒結(jié)溫度850℃時(shí)，產(chǎn)品吸水率、抗折強(qiáng)度達(dá)到最佳效果.通過(guò)XRD分析得知產(chǎn)品含有大量的錳元素，表明試驗(yàn)在高溫下保留了錳的原有形態(tài).試驗(yàn)樣品具有耐高溫、高強(qiáng)度、抗腐蝕性等一系列優(yōu)良性能.

關(guān)鍵詞：錳渣；陶土；無(wú)機(jī)膠合粉劑；吸水率；抗折強(qiáng)度

湖南湘潭地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，其中錳鐵礦占湖南省主要礦產(chǎn)的70%，相關(guān)礦產(chǎn)加工企業(yè)鱗次櫛比，但有的企業(yè)加工提煉金屬錳等產(chǎn)品后往往將大量錳礦渣作為固體廢棄物堆棄在山溝、河道附近，保守估計(jì)僅湘潭地區(qū)錳礦渣等固體廢棄物每年多達(dá)幾十萬(wàn)噸.這些固體廢棄物的堆放不僅對(duì)環(huán)境造成重大污染，且影響周邊的生態(tài)平衡，危害人類健康，因此對(duì)錳礦渣進(jìn)行綜合利用是解決礦產(chǎn)加工企業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題的重要辦法.本研究選用湖南湘潭地區(qū)某電解錳加工企業(yè)排放的錳礦渣作為研究對(duì)象，探索電解錳加工企業(yè)固體廢棄物的回收利用，以及利用錳礦渣制備外墻保溫輕質(zhì)瓷磚的工藝條件，以求實(shí)現(xiàn)錳礦渣資源化綜合利用[1-3].

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中所用到的主要儀器和設(shè)備見表1[4-5].

表1　實(shí)驗(yàn)主要儀器和設(shè)備

1.2實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所用的原料由湖南湘潭地區(qū)某電解錳公司提供，具體見表2.錳礦渣的化學(xué)成分見表3.

表2　實(shí)驗(yàn)材料

表3湖南湘潭地區(qū)某電解錳公司錳礦渣化學(xué)成分

成分MnOSiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%9.4549.0712.3416.321.117.213.790.71

從表3中可知，錳礦渣中Mn和Fe的含量較高，嚴(yán)重影響到周邊的生態(tài)環(huán)境.

1.3錳礦渣的礦物組成

湖南湘潭地區(qū)某電解錳公司提供的錳渣進(jìn)行XRD衍射圖譜分析，如圖1所示.

對(duì)錳礦渣XRD衍射圖譜進(jìn)行分析得出：其主要礦物成分為高嶺土、白云石、石膏、伊利石、石英、方解石和蒙脫石，其中石英和石膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)96%.而石英和石膏又是生產(chǎn)和制備陶瓷的主要原料.

圖1　錳礦渣XRD衍射圖譜

1.4樣品制備

試驗(yàn)中取無(wú)機(jī)膠合粉劑1500 g，加入適量的去離子水，放入行星式球磨機(jī)罐體中，進(jìn)行研磨，將配球、無(wú)機(jī)膠合粉劑、輔料裝填至球磨罐容積的70%，剩余30%容積作為工作運(yùn)轉(zhuǎn)空間；將已裝好球、料的球磨罐正確安裝在球磨機(jī)上，用V型把手順時(shí)針壓緊，鎖緊螺母，以防止螺桿松動(dòng)而導(dǎo)致意外發(fā)生；罩上安全罩，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定攪拌與混合轉(zhuǎn)速為180 r/min左右，啟動(dòng)電機(jī).

球磨機(jī)研磨12 h后，倒出無(wú)機(jī)膠合漿液，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)定干燥溫度95 ℃，24 h干燥后至恒重，得到塊狀無(wú)機(jī)膠合快，在粉碎機(jī)下進(jìn)行粉碎，并通過(guò)膠體磨進(jìn)行研磨，過(guò)篩得到400目的無(wú)機(jī)膠合細(xì)粉.分別對(duì)耐火纖維、錳礦渣、無(wú)機(jī)膠合粉劑 、碳化硅進(jìn)行研磨，過(guò)200目篩，按照一定比例混合.錳渣陶土基礎(chǔ)配方見表4.

表4　錳渣陶土基礎(chǔ)配方

將混合料在真空練泥機(jī)中練泥，這樣既可以增加陶瓷胚料的可塑性，使泥料更容易成型，另一方面也可以排除泥料中的空氣，使得制成品更加致密.為了使泥料物理性質(zhì)更加穩(wěn)定、含水量更加均勻，對(duì)泥料進(jìn)行12 h后熟處理，然后將泥料裝入模具，制成140 mm×140 mm×20 mm的樣品，在80 ℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中干燥，并在智能高溫箱式馬弗電爐中850 ℃煅燒1 h，冷卻至室溫，最后進(jìn)行相關(guān)測(cè)試.

1.5實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖2[6-7]所示.

1.6燒結(jié)流程

圖2　實(shí)驗(yàn)流程圖

燒結(jié)流程如圖3[8]所示.

2結(jié)果與分析

圖3　燒結(jié)流程圖

2.1錳礦渣添加量、黏合劑含量對(duì)產(chǎn)品抗折強(qiáng)度的影響

考察不同錳礦渣、黏合劑含量下成品的抗折強(qiáng)度.在實(shí)驗(yàn)原料中，分別添加10%、15%、20%、25%、30%的錳渣粉，并以添加黏合劑與不加黏合劑兩種方式分析錳礦渣含量和黏合劑添加量對(duì)成品抗折強(qiáng)度的影響.煅燒成型后將煅燒成型的樣品放入微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)臺(tái)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)繪制分析實(shí)驗(yàn)曲線，如圖4 所示.

從圖4中可以看出：不同錳礦渣含量、不同黏合劑參數(shù)條件下，所制作的樣品抗折強(qiáng)度有著較大差異；隨著錳渣粉添加量的不斷增加，樣品的抗折強(qiáng)度不斷下降，說(shuō)明錳渣是影響外墻保溫輕質(zhì)瓷磚抗折強(qiáng)度的重要因素；作為制備外墻保溫輕質(zhì)瓷磚黏合劑的無(wú)機(jī)膠合粉劑，對(duì)樣品的抗折強(qiáng)度有著重要的作用，不添加無(wú)機(jī)黏合劑的外墻保溫輕質(zhì)瓷磚，其抗折 能力要大于添加無(wú)機(jī)黏合劑的樣品材料，這說(shuō)明黏合劑在高溫煅燒中氣化，使得外墻保溫輕質(zhì)瓷磚內(nèi)部出現(xiàn)氣室，從而降低了成品的抗折強(qiáng)度.

圖4　不同黏結(jié)劑下的產(chǎn)品抗折強(qiáng)度

2.2錳礦渣添加量、黏合劑含量對(duì)產(chǎn)品吸水率的影響

考察不同錳礦渣含量、不同黏合劑參數(shù)條件下，對(duì)成品吸水率的影響.實(shí)驗(yàn)原料中，分別添加10%、15%、20%、25%、30%、35%的錳渣粉，并以添加黏合劑與不加黏合劑的方式，分析錳礦渣含量和黏合劑添加量對(duì)成品吸水率的影響.煅燒成型后將煅燒成型的樣品放入微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)繪制分析實(shí)驗(yàn)曲線，如圖5所示.

從圖5可以看出，不同錳礦渣含量及添加黏合劑參數(shù)條件下，所制作成品吸水率有著較大差異，隨著錳渣粉含量的增加，吸水率上升，吸水性能加大；添加黏合劑降低了產(chǎn)品的吸水率，說(shuō)明用無(wú)機(jī)膠合粉劑作為黏結(jié)劑制備的外墻保溫輕質(zhì)瓷磚，在樣品燒結(jié)過(guò)程中其黏合程度要高于對(duì)照樣品.

2.3燒結(jié)氣體對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

不同的燒結(jié)氣體直接影響著燒結(jié)產(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)通過(guò)選擇氮?dú)狻⒖諝庾鳛榧訜峤橘|(zhì)，分析不同燒結(jié)氣體在高溫下對(duì)制備外墻保溫輕質(zhì)瓷磚的影響，如圖6所示.

圖5　不同黏結(jié)劑的吸水率

圖6　不同燒結(jié)氣體對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

從圖6可以看出：普通的馬弗爐腔體內(nèi)充滿著空氣，將制成品在爐內(nèi)高溫下燒結(jié)，錳渣被氧化，表現(xiàn)為抗折強(qiáng)度下降，同時(shí)隨著錳渣添加量的增加抗折強(qiáng)度逐漸下降；以氮?dú)庾鳛榧訜峤橘|(zhì)，從室溫開始直至高溫?zé)Y(jié)的整個(gè)加熱過(guò)程中，馬弗爐腔體內(nèi)始終充入氮?dú)?，在相同樣品成分、燒成工藝條件下，其樣品在燒結(jié)過(guò)程中表現(xiàn)著優(yōu)異的性能，其抗折強(qiáng)度最大值為45.23 MPa.

2.4煅燒溫度對(duì)制成品吸水率的影響

實(shí)驗(yàn)得知無(wú)機(jī)膠合粉劑的熔融溫度在600～750 ℃之間，錳渣煅燒中當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃以上時(shí)會(huì)產(chǎn)生錳炭晶體，因此實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置溫度750、800、850 ℃，并分析不同含量錳渣在各溫度區(qū)間制成樣品的吸水率.如圖7所示.

從圖7可以看出：750 ℃條件下的吸水率曲線變化較大，當(dāng)錳渣粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)，吸水率上升劇烈，說(shuō)明樣品在750 ℃溫度下未完全燒結(jié)成型，產(chǎn)品沒有達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)；在850 ℃燒結(jié)溫度下，吸水率隨錳渣粉添加量增加變化較為平緩且吸水率小于5%，當(dāng)錳渣粉超過(guò)30%吸水率則出現(xiàn)較大增加，說(shuō)明樣品的燒結(jié)850 ℃條件下要比750 ℃和800 ℃都要好.

2.5煅燒溫度對(duì)制成品抗折強(qiáng)度的影響

實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置馬弗爐溫度750、800、850 ℃，分析不同錳渣含量在各溫度區(qū)間制成樣品的抗折強(qiáng)度.如圖8所示.

圖7　不同溫度下吸水率變化曲線圖

圖8　不同溫度下抗折強(qiáng)度變化曲線圖

從圖8可以看出：同一溫度下隨錳渣粉添加量的增加樣品的抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)不同程度地減小，800 ℃的抗折強(qiáng)度曲線變化比較大，特別是錳渣含量超過(guò)25%時(shí)，其抗折強(qiáng)度變化很大；850 ℃抗折強(qiáng)度曲線變化較為平緩，其抗折強(qiáng)度均大于20 MPa.上述數(shù)據(jù)說(shuō)明樣品在850 ℃燒結(jié)程度比750 ℃和800 ℃都要好.

2.6燒結(jié)成品XRD分析

采取最佳燒結(jié)方式，對(duì)制成品做XRD物性測(cè)試，來(lái)確定錳渣陶土的成分.如圖9所示.

以錳礦渣粉20%、耐火纖維10%、無(wú)機(jī)膠合粉劑30%、碳化硅10%陶土含量10%，燒結(jié)成型；對(duì)樣品圖譜結(jié)果進(jìn)行分析得出：燒成試樣中碳、碳化硅、二氧化硅等物相成分含量較大，說(shuō)明樣品性能穩(wěn)定，錳渣的增加并沒有影響到外墻保溫輕質(zhì)瓷磚的產(chǎn)品性能.

圖9　制成品XRD曲線圖

3結(jié)語(yǔ)

外墻保溫輕質(zhì)瓷磚具有耐高溫、高強(qiáng)度、抗腐蝕性等一系列優(yōu)良性能.通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同的錳渣含量和燒結(jié)溫度對(duì)樣品的抗折強(qiáng)度、吸水率的影響.結(jié)果表明，錳礦渣粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、燒結(jié)氮?dú)猸h(huán)境(溫度850 ℃)下，產(chǎn)品吸水率、抗折強(qiáng)度達(dá)到最佳效果.通過(guò)XRD分析，產(chǎn)品含有大量的錳元素，從而表明此次試驗(yàn)在高溫下保留了錳的原有形態(tài).

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(編輯徐永銘)

Analysis on Mechanical Properties and Preparation of Manganese Slag

Clay Composite Exterior Wall Thermal Insulation of Lightweight Tiles

LIANG Zhi1，ZHUANG Xu1， XIAO Yang1，MA Jie2，GU Ye1，NI Zhen-wei1

(1.College of Environment Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221018，China；

2.China University of Mining And Technology，Xuzhou 221008 China)

Abstract:Taking manganese slag,clay,silicon carbide and refractory fiber as the main raw material,the lightweight tiles for exterior wall thermal insulation wall insulation with manganese slag clay were prepared through mixing,molding,drying and firing processes.The flexural strength and bibulous rate of the sample were analyzed by measuring different manganese slag content and sintering temperature.The experimental data showed that: under the environment of nitrogen sintering,the flexural strength and bibulous rate got to the best effects with 20% manganese slag content and the 850 ℃ sintering temperature.Through XRD analysis,the samples still contained large amounts of manganese elements which showed that they retained the original forms of manganese with a series of excellent performance such as high temperature resistance, strong flexural strength and corrosion resistance.

Key words:manganese slag; clay; inorganic glue powder; bibulous rate; flexural strength

中圖分類號(hào)：TU523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-358X(2015)01-0067-06

作者簡(jiǎn)介：梁峙(1961-),男,廣東中山人，副教授,博士，主要從事環(huán)境工程研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家星火計(jì)劃(2014GA690133);中國(guó)建筑材料聯(lián)合會(huì)項(xiàng)目(2014-M3-3);住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013-K7-11);

江蘇省高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(XCX2014021)