利用珍珠岩工业尾矿低温快烧制备轻质陶瓷砖的研究
李卫东等
摘 要：本文以珍珠岩工业尾矿为主要原料，加入适量炼铝赤泥、发泡剂和减水剂，采用低温快烧工艺可制备既有装饰效果，又有隔热保温功能的轻质陶瓷砖产品。实验结果表明：珍珠岩尾矿适合用于低温快速烧成的主体材料；赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量较高，可以显著降低烧成温度。
关键词：珍珠岩；工业尾矿；低温快烧；轻质陶瓷；赤泥
1 前言
轻质陶瓷砖是指以陶瓷原料或工业废料为主要原料，经成形、高温烧成等生产工艺制成的低容重陶瓷砖（容重不大于1.50g/cm3）[1]。2001年，李小雷、韩复兴、叶伟才 [2]首次利用建筑陶瓷工业废弃物，如：耐磨砖磨边料、原料污泥、釉料车间污泥、还原性造孔剂石墨粉及氧化性造孔剂硝酸钾、二氧化锰等研制出多孔发泡轻质陶瓷材料。2004年，佛山欧神诺陶瓷有限公司首次利用抛光废渣等研制出不加造孔剂的轻质陶瓷砖[3]。2010年，陈贤伟、路明忠、周子松等[4]首次利用抛光废渣为主体原料研制出墙漆纹理的轻质保温陶瓷砖。2011年，林伟、李小雷、韩复兴[5]首次公开发表利用赤泥改性以抛光废渣为主要原料的轻质保温陶瓷砖技术。
珍珠岩的主要成分是SiO2、Al2O3，SiO2以玻璃质相存在，大量的玻璃相可加速石英颗粒的溶解，加快莫来石的发育生成，从而降低烧成温度，可用作轻质陶瓷原料。黄英、李博文、何明生等[6]以珍珠岩尾矿为主要原料，添加适量平衡原料碳酸钙及少量的成孔剂、粘结剂，制备出以硅灰石为主要物相的多孔陶瓷，充分利用了珍珠岩尾矿，降低了多孔陶瓷的生产成本。
河南信阳上天梯非金属矿产资源储量丰富，被称为“亚洲第一矿”，其珍珠岩探明储量为1.27亿t，占我国珍珠岩工业储量的70%以上。但目前，其珍珠岩的利用仅限于80目以上的矿砂，其余部分则作为尾矿丢弃，使矿砂资源没有得到有效利用，这不仅浪费了有限的矿产资源，还对矿区周边环境造成了严重污染[7]。因此，必须对珍珠岩尾矿矿产资源进行综合的开发利用，尤其是高附加值产品的研究开发，以提高珍珠岩的综合利用价值。本项目利用信阳丰富的珍珠岩尾矿资源，研究利用低温快烧工艺制备轻质陶瓷砖，产品不仅具有瓷砖的装饰效果，而且具有良好的保温隔热功能。
2 实验原料及设备
2.1 原料选取
本实验以信阳上天梯珍珠岩矿开采尾矿以及珍珠岩破碎、膨化等深加工产生工业固体废弃物为主要原料，并部分消纳周边地区炼铝赤泥。原料的取样及制备依据如下：
（1） 1000 t以上尾矿堆。如果低于1000 t的尾矿需混合成1000 t以上再使用；
（2） 采样点离顶部和底部不小于0.3 m，离表面不小于0.2 m；
（3） 采样量不小于十万分之一，行距与点距不小于0.2m，均匀分布于矿堆表面，在行距与点距的交叉点上取样。
（4） 样品自然晾晒后，采用四分法分样；
（5） 去分样品干燥箱烘干后，使用破碎机破碎；
（6） 采用四分法逐级缩减备份。
将代表性尾矿和工业固体废弃物用代码W01、W21、W35、A4（代表赤泥）、F11（代表珍珠岩制砂车间收尘器回收的粉尘）表示。
除了以工业尾矿、工业废渣为原料外，还引入信阳方浩实业公司生产的发泡剂W801。为了改善泥浆的流动性，实验还引入中国科学院广州化学研究所的新型液体陶瓷减水剂N710。
2.2 原料化学成分
代表性尾矿渣和工业固体废弃物W01、W21、W35、A4、F11化学质量百分组成见表1。
2.3 原料物性分析
珍珠尾矿产生在珍珠岩开采过程中，外观和性能不同于主体矿床的伴生矿，这些伴生矿基本呈风化或半风化状，伴生尾矿的堆放依据颜色、外观及塑性特征堆放。由于珍珠岩尾矿均为土质，验收时，采用粘土质陶瓷原料验收方法。方法如下：量取100 mL水与200 g烘干过的样品倒入高速搅拌机搅拌15 min，在搅拌前后，根据搅拌情况，适量加水，调整泥浆流出时间为20～40 s间，检测泥浆的密度、含水率、筛余量，静止24 h观测泥浆稳定性。
2.4 主要仪器设备
（1） 电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9076A，上海精宏实验设备有限公司；
（2） 电子万能试验机，WSM-20KB，济南思达测试技术有限公司；
（3） 四柱液压机，Ys-200t，佛山市南海区桂岗液压机械厂；
（4） 电子天平，HZX-500，福州华志科学仪器有限公司；
（5） 导热系数测定仪，DRH，湘潭湘仪仪器有限公司；
（6） 体视显微镜，XTL-340，上海光密仪器有限公司；
（7） 快速升温箱式电炉，SSJ-I，洛阳市新奇实验电炉厂；
（8） 涂4粘度计，LND-1，上海精晖；
（9） KM快速研磨机，KM-I，湘潭湘仪仪器有限公司。
3 实验过程
实验过程分为工艺技术路线的设计、坯体配方的研制、釉料配方及装饰技术的研究和烧成制度的设计四个重点。实验时，先对每种矿物原料进行泥浆性能测试、坯体性能测试、烧结性能测试及烧结矿样微观分析实验。然后再研究组合配方的泥浆性能、坯体性能、烧结膨胀性能、装饰性能。
3.1 配比设计
经过预实验，依据低温快速烧成、优选出一组配方，其配方组成质量百分组成见表3。
3.2 工艺技术路线
轻质陶瓷砖的制备工艺技术路线见图1。
3.3 温度烧成制度
轻质陶瓷砖的温度烧成曲线见图2。
4 实验结果与讨论
样品的物理性能如表4所示。
4.1 解胶问题
W01和W21尾矿胶体率高，A4赤泥尾矿电解质离子含量高，这些给泥浆解胶造成了困难。除了利用高效解胶剂N710外，调节配方组成结构解决解胶问题也是一条不错的途径。坯体配方P1109中，W35原料胶体率较低，F11为珍珠岩加工过程的微粉，这两种原料的引入有利于提高坯体配方泥浆的容重、降低泥浆的流出时间，从而提高节能节时效率。
4.2 低温快速烧成
F11固体废弃物为珍珠岩破碎、筛分过程产生灰尘，颗粒细，K2O、Na2O、Fe2O3含量高，烧成温度低；W35尾矿有一定塑性，胶体率适中，材料K2O、Al2O3含量高，而且烧失低，适合用于低温快速烧成的主体材料；A4赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量较高，可以大幅度降低烧成温度；W01尾矿Al2O3含量低，原矿胶体含量高，颗粒细腻，CaO、K2O、Fe2O3含量也较高，同样可以显著降低烧成温度。实验以F11、W35、A4、W01四种原料为基础，按照四角配位法，利用最低共熔点找到配方的适宜烧成制度。
4.3 产品性能及装饰效果
轻质多孔陶瓷产品一直存在容重与抗弯强度、容重与装饰效果之间的矛盾，为了解决产品的物理性能与装饰效果，从轻质发泡陶瓷体组成、发泡剂、釉料和烧制窑具等四方面调整。烧制前先给窑具喷上一层球形α氧化铝干粉，随着坯体液相的增加和发泡剂的氧化，坯体开始膨胀，软化。最后落在耐火具里成为具备一定形状和容重的轻质陶瓷。釉料为哑光釉，通过不同色料和阴阳色喷施装备，使得装饰更加多样化。
5 结论
通过对珍珠岩制砂车间收尘微粉以及具有一定塑性的珍珠岩尾矿、炼铝赤泥的研究，研制出表面为哑光、凹凸形状和阴阳色纹理的轻质陶瓷砖，不仅具有瓷砖的装饰效果，而且具有良好的保温隔热功能。
（1） 研究表明，利用珍珠岩工业尾矿和珍珠岩制砂车间收尘微粉生产轻质陶瓷砖是可行的；
（2） 赤泥能显著降低烧成温度，以F11、W35、A4、W01四种原料为基础的坯体配方具有显著的低温快烧发泡膨胀性能；
（3） W801发泡剂能适应低温发泡工艺要求，赤泥和尾矿中氧化铁成分有助于发泡剂充分反应；
（4） 通过一定的烧成制度，可以解决高温烧结过程的一些反应和运动，蠕变和膨胀的性能解决了装饰效果中的凹凸形状的问题；哑光和阴阳色施釉技术解决色泽和纹饰的问题。
参考文献
[1] 全国建筑卫生陶瓷标准化委员会，JC/T1095-2009，轻质陶瓷砖
[s].中国建材工业出版社，2010，5.
[2] 李小雷，韩复兴，叶伟才. 建筑陶瓷废料生产多孔陶瓷试验[J].
河南建材，2002，（1）.
[3] 佛山欧神诺陶瓷有限公司，一种轻质陶瓷砖[P].专利号：
CN200420091245.1，2005，9.
[4] 陈贤伟，路明忠，周子松，韩复兴等. 轻质陶瓷墙漆砖生产工艺研
究[J]. 陶瓷，2010，（10）.
[5] 林伟，李小雷，韩复兴.拜耳法赤泥改性轻质陶瓷砖工艺研究
[J]. 陶瓷，2011，（8）
[6] 黄英， 李博文， 何明生等. 利用珍珠岩尾矿合成多孔硅灰石陶
瓷的实验研究[J]. 硅酸盐通报， 2003， （3）： 85～87.
[7] 李培启. 关注“亚洲第一矿”的生态安全—信阳上天梯非金属
矿生态环境问题调查[J].环境保护， 2006， （13）： 66～70.
4.1 解胶问题
W01和W21尾矿胶体率高，A4赤泥尾矿电解质离子含量高，这些给泥浆解胶造成了困难。除了利用高效解胶剂N710外，调节配方组成结构解决解胶问题也是一条不错的途径。坯体配方P1109中，W35原料胶体率较低，F11为珍珠岩加工过程的微粉，这两种原料的引入有利于提高坯体配方泥浆的容重、降低泥浆的流出时间，从而提高节能节时效率。
4.2 低温快速烧成
F11固体废弃物为珍珠岩破碎、筛分过程产生灰尘，颗粒细，K2O、Na2O、Fe2O3含量高，烧成温度低；W35尾矿有一定塑性，胶体率适中，材料K2O、Al2O3含量高，而且烧失低，适合用于低温快速烧成的主体材料；A4赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量较高，可以大幅度降低烧成温度；W01尾矿Al2O3含量低，原矿胶体含量高，颗粒细腻，CaO、K2O、Fe2O3含量也较高，同样可以显著降低烧成温度。实验以F11、W35、A4、W01四种原料为基础，按照四角配位法，利用最低共熔点找到配方的适宜烧成制度。
4.3 产品性能及装饰效果
轻质多孔陶瓷产品一直存在容重与抗弯强度、容重与装饰效果之间的矛盾，为了解决产品的物理性能与装饰效果，从轻质发泡陶瓷体组成、发泡剂、釉料和烧制窑具等四方面调整。烧制前先给窑具喷上一层球形α氧化铝干粉，随着坯体液相的增加和发泡剂的氧化，坯体开始膨胀，软化。最后落在耐火具里成为具备一定形状和容重的轻质陶瓷。釉料为哑光釉，通过不同色料和阴阳色喷施装备，使得装饰更加多样化。
5 结论
通过对珍珠岩制砂车间收尘微粉以及具有一定塑性的珍珠岩尾矿、炼铝赤泥的研究，研制出表面为哑光、凹凸形状和阴阳色纹理的轻质陶瓷砖，不仅具有瓷砖的装饰效果，而且具有良好的保温隔热功能。
（1） 研究表明，利用珍珠岩工业尾矿和珍珠岩制砂车间收尘微粉生产轻质陶瓷砖是可行的；
（2） 赤泥能显著降低烧成温度，以F11、W35、A4、W01四种原料为基础的坯体配方具有显著的低温快烧发泡膨胀性能；
（3） W801发泡剂能适应低温发泡工艺要求，赤泥和尾矿中氧化铁成分有助于发泡剂充分反应；
（4） 通过一定的烧成制度，可以解决高温烧结过程的一些反应和运动，蠕变和膨胀的性能解决了装饰效果中的凹凸形状的问题；哑光和阴阳色施釉技术解决色泽和纹饰的问题。
参考文献
[1] 全国建筑卫生陶瓷标准化委员会，JC/T1095-2009，轻质陶瓷砖
[s].中国建材工业出版社，2010，5.
[2] 李小雷，韩复兴，叶伟才. 建筑陶瓷废料生产多孔陶瓷试验[J].
河南建材，2002，（1）.
[3] 佛山欧神诺陶瓷有限公司，一种轻质陶瓷砖[P].专利号：
CN200420091245.1，2005，9.
[4] 陈贤伟，路明忠，周子松，韩复兴等. 轻质陶瓷墙漆砖生产工艺研
究[J]. 陶瓷，2010，（10）.
[5] 林伟，李小雷，韩复兴.拜耳法赤泥改性轻质陶瓷砖工艺研究
[J]. 陶瓷，2011，（8）
[6] 黄英， 李博文， 何明生等. 利用珍珠岩尾矿合成多孔硅灰石陶
瓷的实验研究[J]. 硅酸盐通报， 2003， （3）： 85～87.
[7] 李培启. 关注“亚洲第一矿”的生态安全—信阳上天梯非金属
矿生态环境问题调查[J].环境保护， 2006， （13）： 66～70.
4.1 解胶问题
W01和W21尾矿胶体率高，A4赤泥尾矿电解质离子含量高，这些给泥浆解胶造成了困难。除了利用高效解胶剂N710外，调节配方组成结构解决解胶问题也是一条不错的途径。坯体配方P1109中，W35原料胶体率较低，F11为珍珠岩加工过程的微粉，这两种原料的引入有利于提高坯体配方泥浆的容重、降低泥浆的流出时间，从而提高节能节时效率。
4.2 低温快速烧成
F11固体废弃物为珍珠岩破碎、筛分过程产生灰尘，颗粒细，K2O、Na2O、Fe2O3含量高，烧成温度低；W35尾矿有一定塑性，胶体率适中，材料K2O、Al2O3含量高，而且烧失低，适合用于低温快速烧成的主体材料；A4赤泥中CaO、Na2O、Fe2O3含量较高，可以大幅度降低烧成温度；W01尾矿Al2O3含量低，原矿胶体含量高，颗粒细腻，CaO、K2O、Fe2O3含量也较高，同样可以显著降低烧成温度。实验以F11、W35、A4、W01四种原料为基础，按照四角配位法，利用最低共熔点找到配方的适宜烧成制度。
4.3 产品性能及装饰效果
轻质多孔陶瓷产品一直存在容重与抗弯强度、容重与装饰效果之间的矛盾，为了解决产品的物理性能与装饰效果，从轻质发泡陶瓷体组成、发泡剂、釉料和烧制窑具等四方面调整。烧制前先给窑具喷上一层球形α氧化铝干粉，随着坯体液相的增加和发泡剂的氧化，坯体开始膨胀，软化。最后落在耐火具里成为具备一定形状和容重的轻质陶瓷。釉料为哑光釉，通过不同色料和阴阳色喷施装备，使得装饰更加多样化。
5 结论
通过对珍珠岩制砂车间收尘微粉以及具有一定塑性的珍珠岩尾矿、炼铝赤泥的研究，研制出表面为哑光、凹凸形状和阴阳色纹理的轻质陶瓷砖，不仅具有瓷砖的装饰效果，而且具有良好的保温隔热功能。
（1） 研究表明，利用珍珠岩工业尾矿和珍珠岩制砂车间收尘微粉生产轻质陶瓷砖是可行的；
（2） 赤泥能显著降低烧成温度，以F11、W35、A4、W01四种原料为基础的坯体配方具有显著的低温快烧发泡膨胀性能；
（3） W801发泡剂能适应低温发泡工艺要求，赤泥和尾矿中氧化铁成分有助于发泡剂充分反应；
（4） 通过一定的烧成制度，可以解决高温烧结过程的一些反应和运动，蠕变和膨胀的性能解决了装饰效果中的凹凸形状的问题；哑光和阴阳色施釉技术解决色泽和纹饰的问题。
参考文献
[1] 全国建筑卫生陶瓷标准化委员会，JC/T1095-2009，轻质陶瓷砖
[s].中国建材工业出版社，2010，5.
[2] 李小雷，韩复兴，叶伟才. 建筑陶瓷废料生产多孔陶瓷试验[J].
河南建材，2002，（1）.
[3] 佛山欧神诺陶瓷有限公司，一种轻质陶瓷砖[P].专利号：
CN200420091245.1，2005，9.
[4] 陈贤伟，路明忠，周子松，韩复兴等. 轻质陶瓷墙漆砖生产工艺研
究[J]. 陶瓷，2010，（10）.
[5] 林伟，李小雷，韩复兴.拜耳法赤泥改性轻质陶瓷砖工艺研究
[J]. 陶瓷，2011，（8）
[6] 黄英， 李博文， 何明生等. 利用珍珠岩尾矿合成多孔硅灰石陶
瓷的实验研究[J]. 硅酸盐通报， 2003， （3）： 85～87.
[7] 李培启. 关注“亚洲第一矿”的生态安全—信阳上天梯非金属
矿生态环境问题调查[J].环境保护， 2006， （13）： 66～70.
