锰渣陶土外墙保温轻质瓷砖的制备及力学性能分析

梁　峙，庄　旭，肖　扬，马　捷，顾　烨，倪振威

(1.徐州工程学院，江苏 徐州　221018；2.中国矿业大学，江苏 徐州　221008)



锰渣陶土外墙保温轻质瓷砖的制备及力学性能分析

梁峙1，庄旭1，肖扬1，马捷2，顾烨1，倪振威1

(1.徐州工程学院，江苏 徐州221018；2.中国矿业大学，江苏 徐州221008)

摘要：以锰渣、陶土、碳化硅、耐火纤维为主要原料，经混合、成型、干燥和烧成等工艺制得锰渣陶土外墙保温轻质瓷砖.实验通过测定不同的锰渣含量和烧结温度，对样品的抗折强度、吸水率进行分析.实验结果表明：当锰矿渣粉质量分数20%、氮气环境下烧结、烧结温度850℃时，产品吸水率、抗折强度达到最佳效果.通过XRD分析得知产品含有大量的锰元素，表明试验在高温下保留了锰的原有形态.试验样品具有耐高温、高强度、抗腐蚀性等一系列优良性能.

关键词：锰渣；陶土；无机胶合粉剂；吸水率；抗折强度

湖南湘潭地区矿产资源丰富，其中锰铁矿占湖南省主要矿产的70%，相关矿产加工企业鳞次栉比，但有的企业加工提炼金属锰等产品后往往将大量锰矿渣作为固体废弃物堆弃在山沟、河道附近，保守估计仅湘潭地区锰矿渣等固体废弃物每年多达几十万吨.这些固体废弃物的堆放不仅对环境造成重大污染，且影响周边的生态平衡，危害人类健康，因此对锰矿渣进行综合利用是解决矿产加工企业对生态环境破坏问题的重要办法.本研究选用湖南湘潭地区某电解锰加工企业排放的锰矿渣作为研究对象，探索电解锰加工企业固体废弃物的回收利用，以及利用锰矿渣制备外墙保温轻质瓷砖的工艺条件，以求实现锰矿渣资源化综合利用[1-3].

1实验部分

1.1实验设备

实验中所用到的主要仪器和设备见表1[4-5].

表1　实验主要仪器和设备

1.2实验材料

实验中所用的原料由湖南湘潭地区某电解锰公司提供，具体见表2.锰矿渣的化学成分见表3.

表2　实验材料

表3湖南湘潭地区某电解锰公司锰矿渣化学成分

成分MnOSiO2Al2O3Fe2O3TiO2CaOMgOK2O质量分数/%9.4549.0712.3416.321.117.213.790.71

从表3中可知，锰矿渣中Mn和Fe的含量较高，严重影响到周边的生态环境.

1.3锰矿渣的矿物组成

湖南湘潭地区某电解锰公司提供的锰渣进行XRD衍射图谱分析，如图1所示.

对锰矿渣XRD衍射图谱进行分析得出：其主要矿物成分为高岭土、白云石、石膏、伊利石、石英、方解石和蒙脱石，其中石英和石膏的质量分数超过96%.而石英和石膏又是生产和制备陶瓷的主要原料.

图1　锰矿渣XRD衍射图谱

1.4样品制备

试验中取无机胶合粉剂1500 g，加入适量的去离子水，放入行星式球磨机罐体中，进行研磨，将配球、无机胶合粉剂、辅料装填至球磨罐容积的70%，剩余30%容积作为工作运转空间；将已装好球、料的球磨罐正确安装在球磨机上，用V型把手顺时针压紧，锁紧螺母，以防止螺杆松动而导致意外发生；罩上安全罩，根据实验要求设定搅拌与混合转速为180 r/min左右，启动电机.

球磨机研磨12 h后，倒出无机胶合浆液，放入电热恒温鼓风干燥箱中，设定干燥温度95 ℃，24 h干燥后至恒重，得到块状无机胶合快，在粉碎机下进行粉碎，并通过胶体磨进行研磨，过筛得到400目的无机胶合细粉.分别对耐火纤维、锰矿渣、无机胶合粉剂 、碳化硅进行研磨，过200目筛，按照一定比例混合.锰渣陶土基础配方见表4.

表4　锰渣陶土基础配方

将混合料在真空练泥机中练泥，这样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气，使得制成品更加致密.为了使泥料物理性质更加稳定、含水量更加均匀，对泥料进行12 h后熟处理，然后将泥料装入模具，制成140 mm×140 mm×20 mm的样品，在80 ℃电热恒温鼓风干燥箱中干燥，并在智能高温箱式马弗电炉中850 ℃煅烧1 h，冷却至室温，最后进行相关测试.

1.5实验流程

实验流程如图2[6-7]所示.

1.6烧结流程

图2　实验流程图

烧结流程如图3[8]所示.

2结果与分析

图3　烧结流程图

2.1锰矿渣添加量、黏合剂含量对产品抗折强度的影响

考察不同锰矿渣、黏合剂含量下成品的抗折强度.在实验原料中，分别添加10%、15%、20%、25%、30%的锰渣粉，并以添加黏合剂与不加黏合剂两种方式分析锰矿渣含量和黏合剂添加量对成品抗折强度的影响.煅烧成型后将煅烧成型的样品放入微机控制电子万能材料试验台，并根据实验中记录的数据绘制分析实验曲线，如图4 所示.

从图4中可以看出：不同锰矿渣含量、不同黏合剂参数条件下，所制作的样品抗折强度有着较大差异；随着锰渣粉添加量的不断增加，样品的抗折强度不断下降，说明锰渣是影响外墙保温轻质瓷砖抗折强度的重要因素；作为制备外墙保温轻质瓷砖黏合剂的无机胶合粉剂，对样品的抗折强度有着重要的作用，不添加无机黏合剂的外墙保温轻质瓷砖，其抗折 能力要大于添加无机黏合剂的样品材料，这说明黏合剂在高温煅烧中气化，使得外墙保温轻质瓷砖内部出现气室，从而降低了成品的抗折强度.

图4　不同黏结剂下的产品抗折强度

2.2锰矿渣添加量、黏合剂含量对产品吸水率的影响

考察不同锰矿渣含量、不同黏合剂参数条件下，对成品吸水率的影响.实验原料中，分别添加10%、15%、20%、25%、30%、35%的锰渣粉，并以添加黏合剂与不加黏合剂的方式，分析锰矿渣含量和黏合剂添加量对成品吸水率的影响.煅烧成型后将煅烧成型的样品放入微机控制电子万能材料试验台，根据实验记录数据绘制分析实验曲线，如图5所示.

从图5可以看出，不同锰矿渣含量及添加黏合剂参数条件下，所制作成品吸水率有着较大差异，随着锰渣粉含量的增加，吸水率上升，吸水性能加大；添加黏合剂降低了产品的吸水率，说明用无机胶合粉剂作为黏结剂制备的外墙保温轻质瓷砖，在样品烧结过程中其黏合程度要高于对照样品.

2.3烧结气体对抗折强度的影响

不同的烧结气体直接影响着烧结产品的质量，实验通过选择氮气、空气作为加热介质，分析不同烧结气体在高温下对制备外墙保温轻质瓷砖的影响，如图6所示.

图5　不同黏结剂的吸水率

图6　不同烧结气体对抗折强度的影响

从图6可以看出：普通的马弗炉腔体内充满着空气，将制成品在炉内高温下烧结，锰渣被氧化，表现为抗折强度下降，同时随着锰渣添加量的增加抗折强度逐渐下降；以氮气作为加热介质，从室温开始直至高温烧结的整个加热过程中，马弗炉腔体内始终充入氮气，在相同样品成分、烧成工艺条件下，其样品在烧结过程中表现着优异的性能，其抗折强度最大值为45.23 MPa.

2.4煅烧温度对制成品吸水率的影响

实验得知无机胶合粉剂的熔融温度在600～750 ℃之间，锰渣煅烧中当温度达到900 ℃以上时会产生锰炭晶体，因此实验分别设置温度750、800、850 ℃，并分析不同含量锰渣在各温度区间制成样品的吸水率.如图7所示.

从图7可以看出：750 ℃条件下的吸水率曲线变化较大，当锰渣粉质量分数大于20%时，吸水率上升剧烈，说明样品在750 ℃温度下未完全烧结成型，产品没有达到合格标准；在850 ℃烧结温度下，吸水率随锰渣粉添加量增加变化较为平缓且吸水率小于5%，当锰渣粉超过30%吸水率则出现较大增加，说明样品的烧结850 ℃条件下要比750 ℃和800 ℃都要好.

2.5煅烧温度对制成品抗折强度的影响

实验分别设置马弗炉温度750、800、850 ℃，分析不同锰渣含量在各温度区间制成样品的抗折强度.如图8所示.

图7　不同温度下吸水率变化曲线图

图8　不同温度下抗折强度变化曲线图

从图8可以看出：同一温度下随锰渣粉添加量的增加样品的抗折强度均呈现不同程度地减小，800 ℃的抗折强度曲线变化比较大，特别是锰渣含量超过25%时，其抗折强度变化很大；850 ℃抗折强度曲线变化较为平缓，其抗折强度均大于20 MPa.上述数据说明样品在850 ℃烧结程度比750 ℃和800 ℃都要好.

2.6烧结成品XRD分析

采取最佳烧结方式，对制成品做XRD物性测试，来确定锰渣陶土的成分.如图9所示.

以锰矿渣粉20%、耐火纤维10%、无机胶合粉剂30%、碳化硅10%陶土含量10%，烧结成型；对样品图谱结果进行分析得出：烧成试样中碳、碳化硅、二氧化硅等物相成分含量较大，说明样品性能稳定，锰渣的增加并没有影响到外墙保温轻质瓷砖的产品性能.

图9　制成品XRD曲线图

3结语

外墙保温轻质瓷砖具有耐高温、高强度、抗腐蚀性等一系列优良性能.通过实验测定不同的锰渣含量和烧结温度对样品的抗折强度、吸水率的影响.结果表明，锰矿渣粉质量分数20%、烧结氮气环境(温度850 ℃)下，产品吸水率、抗折强度达到最佳效果.通过XRD分析，产品含有大量的锰元素，从而表明此次试验在高温下保留了锰的原有形态.

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(编辑徐永铭)

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

中图分类号：TU523

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2015)01-0067-06

作者简介：梁峙(1961-),男,广东中山人，副教授,博士，主要从事环境工程研究.

基金项目：国家星火计划(2014GA690133);中国建筑材料联合会项目(2014-M3-3);住房和城乡建设部科技计划项目(2013-K7-11);

江苏省高校大学生创新创业训练计划(XCX2014021)