探讨人造石材掺杂石材固废的工艺方法和配套设备

彭健锟

（佛山慧谷科技股份有限公司，佛山 528000）

1 前言

国家十四五发展规划纲要中明确要求深入推进废物循环利用，加强大宗固体废弃物综合利用，全面提升固废与危废等环境污染物的处置水平，构建多层次资源高效循环利用体系。开发固废的绿色循环利用技术，实现固体废弃物的安全性、高效性和经济性使用，“变废为宝”解决生态污染问题，是经济社会可持续发展的重要保障。而在石材行业，采收石材时产生的大量矿山尾矿料，石材加工产生较多的切割废料和废屑，这些物料均属于典型的固体废物，在自然环境中难以降解。但因其磨削或者破碎后粉末粒度很小，具有良好的微粒填充作用和微集料效益，目前多用于制备混凝土，调控或者改变混凝土的理化特性，进而服务于工程建设，实现废物利用。

目前，人们正在进一步提高石材固废的使用价值，将其用于制作人造石板材，通过配套设备二次布料的方式，在原料中混合石材固废，使板材结构增强的同时又不影响花色纹理的呈现。

2 工艺方法

2.1 石材类固废的使用价值

由于石材类固废（含有大量的钙—硅—铝相）取代水泥或者优质石英砂不仅可以减少原料用量，还能起到水化温升调控与体积稳定性增强的效果[1](如表1 所示))。另有学者利用固体废物作为水泥替换材料，制备强度在7.5 MPa 到36.1 MPa 之间的水泥基材料，证明了其建材化应用的可行性[2]。日本月岛机械株式会社开发成功的利用固体废物制人造石材，其产品一是实现了废物资源化；二是石材中的铅、镉、汞、铬等重金属以及砷的溶解析解出值均未检出,彻底根除了被利用固体废物堆存时产生的二次污染问题；三是石材抗弯强度、抗压强度、热膨胀系数、耐酸性等指标均优于大理石和花岗岩,特别是吸水率远远低于普通瓷贴面砖。

表1 各类石粉成分和物理特性

2.2 适合往人造石英石中掺入石材固废的人造石工艺

人造石英石是以天然石英石砂、硅粉等无机材料（其主要成分为二氧化硅）为主要原材料，添加一定量的粘合材料制成的人造石材，通常其粘合材料为有机型不饱和聚酯树脂或者水泥[3]。

矿山开采以及人造石材切割需要用到大量的水，因而尾矿或者废屑本身含水量较高，且其结构烘干后会有一定吸水性（随着时间会吸收更多），而水分对树脂强度影响显著。因此，以树脂为粘合材料的有机型人造石材工艺中，在原料中掺入石材固废需要更多的水分控制措施，且需要妥善保存，该工艺实现难度较大。而采用水泥作为粘合材料的无机型人造石材工艺，水泥本身水化和固化均需加入一定的水分并保持湿润，只要控制加入水分的分量即可，相对工艺更容易实现。通过多次布料的方式，以水泥作为粘结剂，通过分层布置不同的原料，实现外表面和普通人造石材一致的花色纹理，但内部是使用多种固废作为填充料的夹心饼式的人造石材，获得经济效益的同时，充分利用矿产资源和石材工业废物，使固废得到二次利用。除了解决了建筑石材废弃物对耕地占用、污染环境、资源浪费等问题，还可提高人造石英石的工作性能、力学性能，进行适当处理即可满足国标规范的要求，实现变废为宝。

3 搅拌混合、多次布料以及压制设备

3.1 称量设备及搅拌、布料布置

尾矿以及石材切割废屑等固废含水量较高，应用前需进行烘干以免造成对水泥水灰比的影响。其研磨粉料粒径应符合二级粉煤灰细度规范，粒径较小的部分会对成品的外观和强度造成细微变化；粉料掺入后会影响水泥流动度，吸水性能较强，配制混合材料时需注意用水和对水灰比造成的影响。可以通过带称重传感器的暂存料仓和暂存液罐，通过减法称量控制各种原料的配比。即预先往暂存料仓或者液罐中，而放料到差不多到达需要的重量的时候，控制比例阀门、控制放料速度，最终实现千分之三左右的配料精度。然后通过矩阵式串联式布局不同工位的布料机和搅拌机，可以实现同一块石材上分层布料，视布料层次数目，串联相同数目的布料机和搅拌机。

3.2 装饰层布料

首次布料在模具底部，这一层次一般作为装饰层，选用优质的高白度的石英石骨料，采用一般无机人造石的配比制作石材的装饰面，即混合若干种不同粒度的石英砂作为骨料，配合优质白水泥（方便调色）作为粘结剂，少量硅粉、高岭土等作为增强剂、减水剂和缓凝剂等。通过不同的色料调色并且以一定纹理规律混合搅拌，可以设定混色搅拌器搅拌的圈数和速度，使最终物料呈现出设计的颜色纹路。

采用碾压式布料的办法，将搅拌混合好的物料，通过移动模台随着布料的进行而来回移动，使物料均匀分散到模具的各个部位。并且用移动的皮带在完成布料的物料表面进行一次推平和碾压，使得混合物料能够预压紧，并且获得一致高度而较光滑的上表面。如图1 所示。

图1 装饰层精细纹理布料

模台完成一个来回为一个布料全程，布料结束后，模框抬起，物料传输到后续结构面布料。将装饰面混合物布置在橡胶模具的底部，因为模具底部较为平整，用于制作装饰面可以减少石材表面的磨抛量，并且可以用CNC 预制作出各种划线和填料花纹。

3.3 中间结构层布料，混合石材固废的比例

中间结构层的原料是采用固废料和二至三种不同粒度的石英砂，搭配较低成本的灰色铝酸盐水泥，以及与装饰面同样的增强剂、减水剂和缓凝剂，按照一定比例参合固废料来制作结构面，以获得较高强度的结构支撑。层与层之间可夹玻璃纤维网，或者结构层中混合玻璃纤维或者芳纶，可进一步增强所制作石材的强度。

使用高速的环形立式搅拌罐对结构层的原料进行搅拌，两个搅拌内桨与旋转的罐体协同运作，高速搅拌使得物料充分分散，可大幅减少搅拌时间。这是因为灰色铝酸盐水泥混合水之后，水化和固化速度较快，需要较短时间实现原料的混合。在搅拌机输送至布料机的途中，由上往下多次经过狼牙棒一样的打散装置，使物料分散的更加均匀，同时加湿器每次打散时对气氛进行湿度控制，使物料表面保持湿润，如同水泥搅拌车一样减缓水泥的凝固。当物料传输至一楼平面时，经过最后一道狼牙棒使其均匀分散到已布入底层装饰面的模框中。再同样使用碾压布料的办法使得混合物料能够预压紧，并且获得一致高度而较光滑的上表面。然后单次或多次结构层布料之后，即可送至真空振动压制系统进行板材压制。如图2 所示。

图2 结构层分散布料

结构面掺杂固废料，无论龄期三天还是二十八天，当废料掺量不到15%时，随着废料掺量的增加，人造石的抗折强度逐渐升高；当废料掺量为15%时，强度均达到最大值，较未掺固废料的无机型人造石的强度分别提高了30%、50%。但当废料掺量大于15%时，抗折强度明显降低；掺量为18%时，人造石的抗折强度仅为30.7Mpa，与未掺废料的人造石强度相当。

3.4 多层布料

多层布料视客户需要，可以重复布置不同的含石材固废的结构层；如果双边都需要纹理时，或者混合有其他危险固废需要进行封装时，则可以在最顶层布置一层致密的装饰层。

3.5 养护纪律及养护设备

多层分别布料时，由于每层成分结构会有差异，造成导热系数、固化时收缩率不一致。在应用传统水热或者蒸汽以较高温度进行24 小时养护至可脱模堆叠强度，以实现短期提升强度提高产量时发现，产品会出现不同程度的变形甚至破裂。而在常温下自然养护到可脱模堆叠强度，则所需时间为7 天，产品没有发生明显变形和破裂，但明显效率较低，且需要较大的存放空间来实现板材的堆放。因此，如表3 所示，测试通过采用自然养护结合蒸汽中温养护的办法。自然养护使产品快速定型，蒸汽中温养护快速提升产品强度。

表3 养护组合时间对板材强度的影响

养护制度设置如下：先通过4 小时30℃60RH%的模拟自然养护，再通过2 小时升温至60℃90RH%，然后再用16 小时恒温在60℃90RH%，最后2 小时降至室温的办法，实现24 小时可脱模堆叠。然后将产品码垛堆叠，转移至25℃60RH%恒温恒湿的二次养护区静养7 天实现产品固化至最终强度。

4 结语

采用多层布料办法，使用较高外观质量要求的精细石英石原料，参合白水泥和色料制作精致美观的表面装饰层，再用掺杂有矿山尾矿、石材碎屑以及石材加工废屑等固废粉末（约14%），混合质量要求较差的石英石原料参合灰水泥制作强度较高的结构层，可以实现美观和高强度人造石英石板的生产，同时可以减少固废材料污染环境的同时降低生产成本。通过养护制度的优化，保证产品质量的同时，提高人造石板的生产效率。