利用黑棉土制备多孔粘土砖的方法与流程

本发明涉及利用黑棉土制备多孔粘土砖这一工艺过程。

背景技术：

近年来，建筑行业迅速发展对建筑材料的需求与日俱增。粘土砖是一类由粘土等为主要原料，通过烧制而成的耐火材料或强度材料。粘土砖生产原料广泛，能就地取材。原料不仅包括常见的粘土矿物，如：高岭石、蒙脱石等，工业固废亦可作为原料。粘土砖制品经久耐用，并具防火、吸潮、色泽可调及抗腐蚀性优良等特点，可以用于高档墙体构建。粘土砖使用后，老化成为废碎砖块，亦可作混凝土的集料。因此，粘土砖作为常用的建筑材料，其具有适用性、经济性，符合绿色循环的要求，被广泛用于各种工程项目。但粘土砖的生产及其制品存在如下缺点，如：自重大，能耗高，隔音效果差，需要损耗大量耕地，对环境破坏大等。为此，有必要对粘土砖的传统工艺进行改进，拓展原料范围，开发多用途的砖类制品。充分利用粘土矿物资源，在解决废弃物固体的同时，获取高质量粘土砖制品。目前，烧结砖正朝着轻质、高强度、多孔砖、大块的方向发展。本专利就是基于粘土砖的烧制工艺，在充分利用废弃粘土的同时，实现经济-环境的协调发展，降低能耗，缓和资源及能源危机。

林子增等人在“城市污泥为部分原料制备粘土烧结普通砖”一文中讨论了污泥含量对砖抗压强度的影响，当污泥掺量为5％时，粘土烧结砖抗压强度为15.0MPa，可以作为承重砖体使用。夏阳等人在“江河污泥生产烧结砖资源化利用研究”一文中，以污泥为原料，通过传统制砖工艺，制备环保节能型烧结砖。性能最好的抗压强度为31.6MPa，符合MU30强度等级要求，且平均收缩率低于7.5％，达到优等品烧结砖标准。叶昌、严小艳等人在“利用土建工程挖方粘土制备免烧砖的研究”中以土建工程挖方粘土为填充料，细砂为骨料，水泥为胶凝材料，制成的免烧砖力学性能可达到《非烧结垃圾尾矿砖》中MU20等级。孙天虎等人在“铁矿尾矿制备烧结多孔砖的研究”中，经试验测定，利用铁矿尾矿烧制多孔砖是可行的，强度等级可达到GB13544—2000标准中强度等级为MU15的要求。Chih-Huang Weng等人在“Utilization of sludge as brick materials”一文中，利用污泥替代部分粘土原料制备普通烧结粘土砖，其抗压强度达到约15MPa。

本专利利用建筑路基高膨胀性粘土—黑棉土作为多孔粘土砖的烧制原料，采用天然火山灰等作为辅料，通过简单成型工艺，即可获取高强度的多孔粘土砖。黑棉土是一类热带常见的水化高膨胀性粘土，在世界各地多有分布，如：印度国土的26％都是此类粘土；非洲中、南部地区大部分都是这类膨胀性土壤，我国云南、四川、安徽、河南、广西、贵州省等地也多有分布。黑棉土作为工程材料，如：路基、地基、坝梯、以及其他市政建设，则具有一定的局限性。原因是这类土壤的水化高膨胀性，即：这类土遇水体积能膨胀1.5-3倍，强度也降低至原来的10％。以路基为例，其自由膨胀率在150-300％之间，加州承载比降低至原土的10％-5％。因此，该土壤不能作为路基填料而直接使用。目前，工程上采用最有效的处理方法是挖掘出此类粘土，通过加固地基，获取高强度的路基。地基挖掘法固然能实现建筑道路的需求，但被挖出的黑棉土量大，若得不到处理，存储成本亦升高。本专利就是针对黑棉土在全球范围内大量存在的事实，提出利用高膨胀性的黑棉土作为主料，制备出性能优异的多孔砖建筑材料。并针对中非等地具备丰富天然火山灰等资源，以火山灰为辅料，采用简单的成型-烧结等工艺，获取高强度的多孔粘土砖。黑棉土表观呈黑色或黑褐色，主要矿物为皂石、蒙脱石、伊-蒙混层矿物及蛭石等粘土矿物，是烧制粘土砖的上佳原料。本文意在利用非洲地区的黑棉土为主要原料，火山灰等为辅料，烧制出符合国标中规定强度的多孔砖。考虑到非洲等许多发展中国家需要大量的市政建设，其被挖出的废弃黑棉土数量较大，因此，此技术若能在非洲等国实现投产，不仅减少了黑棉土的储存成本，而且获得高附加值的多孔砖，可用于发展中国家的多种公共建设。

技术实现要素：
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本发明提供了一种利用黑棉土为主料，天然火山灰为辅料，制备烧结多孔砖的制备工艺。

利用黑棉土制备多孔粘土砖的方法，包括以下步骤：

第一步，准备阶段：

用破碎机和粉磨机将大颗粒的黑棉土和火山灰生料进行粉碎，粉碎后的原料过400目筛，即平均粒度小于34μm；

第二步，混料：

分别将黑棉土与火山灰按1:1～4:1的质量比例，放置于研钵中研磨，充分混合午，混合过程中加入固体质量1～3％的水，压制成型，获得生坯；

第三步，压制成型：

将均匀混合的原料放入磨具中用于成型，其中压制成型的成型压力为3～5MPa，保压时间10-30s；压制好的试样放入鼓风干燥箱中烘干12小时至恒重；

第四步，多孔砖的烧制：

烧制采用梯度升温制度，即：起始温度为室温20℃，升温速率4℃/min；升温过程中，样品在300℃、600℃分别保温30min；最高温度控制在800～1100℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后，样品随炉体自然冷却至室温，得到多孔砖。

有益效果：

本专利特征及优点在于：首先，所用黑棉土广泛分布，且易于采集，成本低，使产品有很好的经济效益；其次，该制备工艺简单，所用原料种类少，可显著提高生产效率；最后，利用该工艺生产出的多孔砖，力学性能抗压强度能够达到GB13544-2000中MU20的国家标准，其线收缩率和吸水率也被测试。

附图说明

图1为多孔粘土砖立体图；

图2为多孔粘土砖俯视图。

发明内容

实验中，对黑棉土及火山灰的化学成分、示性矿物、结构等均作了分析。主要目的是利用黑棉土做主要原料制备出符合国家标准的多孔砖。

本发明的合成方法包括下列步骤：

1.准备阶段：实验所用黑棉土土样取自肯尼亚内罗毕路基土，取样深度为2.0m。将黑棉土和火山灰等生料用盘式破碎机进行粉碎处理，粉碎后的原料过400目筛，即平均粒度小于34μm；将处理后的黑棉土和火山灰以1:1～4:1的质量比例混合均匀；

2.压制成型：将均匀混合的原料放入磨具中用于成型，其中压制成型的成型压力为3-5MPa，保压时间为10-30s；压制好的试样放入鼓风干燥箱中烘干12小时至恒重；

3.粘土砖的烧制：采用梯度升温，即：起始温度为室温20℃，升温速率4℃/min；升温过程中，样品在300℃、600℃分别保温30min；最高温度控制在800～1100℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后，样品随炉体自然冷却至室温，得到多孔砖。

本发明存在优点：由于黑棉土广泛分布，可就地取材，这样不仅可以减少原料运输带来的困难，也降低了产品的生产成本，提高经济效益。此外，生产多孔砖工艺简单，易于操作，且生产出的多孔砖能够符合国家标准，可广泛应用于工程建筑领域。

具体案例：

实例1.

1.将粉磨后的黑棉土和火山灰以1:1的质量比称取总量400.0g，样品放置于研钵中研磨，充分混合，混合过程中加入10ml的水，便于压制成型；

2.将称取的400.0g式样压制成型，成型的压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中烘干12小时至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在900℃，最高烧成温度下保温60min；后随炉冷却，得到多孔砖。

实例2

1.将黑棉土和火山灰以3:2的质量比称取总量为400.0g，样品放置于研钵中研磨，充分混合，混合过程中加入10ml的水，便于压制成型；

2.将称取的400.0g式样放于模具中压制成型，成型压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中干燥至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的生坯试样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在900℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后自然冷却至室温。

实例3

1.将粉磨后的黑棉土和火山灰以7:3的比例称取总量为400.0g，称量好的样品放置于研钵中研磨，充分混合；混合过程中加入10ml的水，便于压制成型；

2.将混合好的试样放于模具中压制成型，成型的压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中干燥至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在900℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后随炉自然冷却至室温。

实例4

1.将粉磨后的黑棉土和火山灰以3:1的比例称取总量为400.0g，样品置于研钵中研磨，充分混合；混合过程中加入10ml的水，便于压制成型；

2.将混合好的式样压制成型，成型的压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中干燥至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在900℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后自然冷却至室温。

实例5

1.将粉磨后的黑棉土和火山灰以4:1的比例称取总量为400.0g，样品放置于研钵中研磨，充分混合；混合过程中加入8ml的水，便于压制成型；

2.将混合好的式样压制成型，成型的压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中干燥至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在900℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后自然冷却至室温。

实例6

1.将粉磨后的黑棉土和火山灰以9:1的质量比称取总量400.0g，样品放置于研钵中研磨，充分混合；混合过程中加入10ml的水，便于压制成型；

2.将混合好的式样放入模具中压制成型，成型的压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中干燥至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在900℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后自然冷却至室温，得多孔砖。

实例7

1.将粉磨后的黑棉土和火山灰以4:1的比例称取总量为400.0g，样品放置于研钵中研磨，充分混合；混合过程中加入10ml的水，便于压制成型；

2.将混合好的式样压制成型，成型的压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中干燥至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在800℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后自然冷却至室温。

实例8

1.将粉磨后的黑棉土和火山灰以4:1的比例称取总量为400.0g，样品放置于研钵中研磨，充分混合；混合过程中加入10ml的水，便于压制成型；

2.将混合好的式样压制成型，成型的压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中干燥至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在1000℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后自然冷却至室温。

实例9

1.将粉磨后的黑棉土和火山灰以4:1的比例称取总量为400.0g，样品放置于研钵中研磨，充分混合；混合过程中加入10ml的水，便于压制成型；

2.将混合好的式样压制成型，成型的压力为5.0MPa，保压时间为30s，压制成型的试样放入烘箱中干燥至恒重，后测量尺寸；

3.对压好的样进行烧制，烧成制度：采用梯度升温，设起始温度为20℃，升温速率为4℃/min；升温过程中，分别在300℃、600℃保温30min；最高烧成温度控制在1100℃，最高烧成温度下保温60min；煅烧后自然冷却至室温。

本发明对上述实例所制备的多孔粘土砖进行了吸水率、线收缩率和抗压强度等测试，经测试发现：当黑棉土与火山灰的质量比为4:1，烧成温度为1000℃时，多孔砖的各项性能达到最优，抗压强度可达24.68MPa，达到国标GB 13544-2000中MU20等级。测试结果与GB 13544-2000的标准进行了比较，结果如表1、表2所示。

表1实例所制备不同温度的多孔砖与GB13544-2000的对比表

注：表1为在黑棉土与火山灰质量比为4:1时，实例所制备的多孔砖在不同温度下与GB13544-2000的对比表。

表2实例所制备不同原料配比的多孔砖与GB13544-2000的对比表

注：表2为在烧成温度为 900℃时，实例所制备黑棉土和火山灰不同质量比的多孔砖与GB13544-2000的对比表。

测试发现：当黑棉土含量在80％左右，辅料为20％左右时，抗压强度可达20MPa，吸水率为10％，产品性能达到MU20强度等级要求；当黑棉土含量大于80％时，坯体可以成型，但出现开裂现象，强度降低。烧结温度对力学性能影响巨大：经测试发现，温度在900-1100℃区间内，能够获得强度优于MU20的多孔砖；当温度低于900℃时，成品强度虽然较高，但耐水性较差；当温度高于1100℃时，成品出现过烧，尺寸收缩严重，甚至发生变形，吸水率也降低，开裂程度严重。