CN111302746B - 一种赤泥基陶粒混凝土及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陶粒混凝土的制备技术领域，尤其涉及一种赤泥基陶粒混凝土及其制备方法与应用。按重量份计，其原料组成包括以下组分：胶凝材料250～350份、废水150～210份、赤泥基陶粒350～500份、细骨料350～500份、粗骨料100～150份、减水剂5～20份；其中，按质量百分数计，所述胶凝材料包括赤泥汤45～70％、矿粉20～45％、粉煤灰10～20％。本发明利用固废协同作用制备成具有高强度性能的陶粒混凝土，实现多固废的综合利用，解决固废在资源化利用率低问题，更加经济、环保，而且制备工艺更加简洁高效、成本低、具有普适性，易于规模化生产。

Description

一种赤泥基陶粒混凝土及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及陶粒混凝土的制备技术领域，尤其涉及一种赤泥基陶粒混凝土及其制备方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
随着经济建设的蓬勃发展，我国重大基础设施建设进入前所未有的高速发展时期，在消耗了大量资源的同时，也产生了大量的废弃物，大量固废的堆存已严重影响区域生态环境、社会经济发展和居民生活安全。全世界每年产生的赤泥约7000万吨，我国每年产生的赤泥为3000万吨以上。大量的赤泥的产生已经对人类的生产、生活造成多方面的直接和间接的影响，所以最大限度的减少赤泥的产量和危害，实现多渠道、大数量的资源化已迫在眉睫。解决这一问题，顺应市场而研究开发的赤泥基陶粒混凝土的应用是行之有效的途径之一。使用赤泥制备陶粒混凝土，极大的提升了赤泥利用率，具有广阔的应用前景。
国内外相关学者在陶粒混凝土方面开展了部分研究工作，例如，公开号为CN109650819 A、CN109761549 A、CN110229018 A的专利文献公开了一种陶粒混凝土及其制配方法。CN110080250 A公开了一种淤泥陶粒混凝土生态护坡施工方法。CN209308259 U公开了一种轻型陶粒混凝土多孔保温砖。CN209509303 U公开了一种陶粒混凝土复合砖。以上专利文献对陶粒混凝土技术领域的应用取得了一定进展。然而，本发明人发现：这些技术多以水泥、水、陶粒、细骨料、添加剂、以及粗骨料为原料，都未利用固废作为原料，导致陶粒混凝土的资源与能源消耗高，成本高，不利于循环经济的发展。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种赤泥基陶粒混凝土及其制备方法与应用。本发明的技术方案能够实现对固体废弃物的大比例利用，实现对固体废弃物的充分利用，而且具有成本低廉，易于制备的特点。
本发明第一目的：提供一种赤泥基陶粒混凝土。
本发明第二目的：提供一种赤泥基陶粒混凝土的制备方法。
本发明第三目的：提供所述赤泥基陶粒混凝土及其制备方法的应用。
为实现上述发明目的，具体地，本发明公开了以下技术方案：
首先，本发明公开一种赤泥基陶粒混凝土，按重量份计，其原料组成包括以下组分：胶凝材料250～350份、废水150～210份、赤泥基陶粒350～500份、细骨料350～500份、粗骨料100～150份、减水剂5～20份；其中，按质量百分数计，所述胶凝材料包括赤泥汤45～70％、矿粉20～45％、粉煤灰10～20％。
进一步地，所述赤泥基陶粒是以赤泥为主要原料，加入胶结料和水，经加工成球，自然养护而成，粒径在5㎜以上的轻粗集料。
优选地，所述赤泥、胶结料、水的添加比例为2.7～3:5:1.6-2。可选地，所述胶结料包括水泥等。
本发明通过协同利用赤泥、矿粉、粉煤灰、煤矸石、钢渣、铁尾矿砂及废水等多种固废及废液，而且陶粒混凝土的制作无需对其进行煅烧加热，使得陶粒混凝土的生产更加节能环保。
进一步地，所述赤泥为拜耳法、烧结法或联合法产生的赤泥中的任意一种，以保证赤泥品质稳定，使制备的赤泥基陶粒混凝土具有较好的力学性能。
进一步地，所述矿粉为高炉矿渣粉磨、烘干、过150目方孔筛而得。通过使用粒化高炉矿渣粉，可有效提高抗压强度，降低成本。同时，对抑制碱骨料反应，降低水化热，减少护坡砖早期温度裂缝，提高密实度，提高抗渗和抗侵蚀能力有明显效果。
进一步地，所述粉煤灰为酸化处理后的粉体原料，能够起到微集料密实填充及颗粒形态效应的作用，既提高了自身的体积安定性，又可以提升混凝土的强度。
进一步地，所述酸化处理的条件为：压力为0.5～3MPa，温度为80～370℃，湿度为60～90％，时间为4～30h。
进一步地，所述细骨料为铁尾矿砂或钢渣，所述铁尾矿砂或钢渣的粒径为0.25～0.5mm。
进一步地，所述粗骨料为建筑垃圾或煤矸石，所述建筑垃圾或煤矸石的粒径为6～12mm。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂、脂肪酸族系减水剂中的任意一种。
进一步地，所述废水为生活污水、工业废水和初雨径流入排水管渠等中的任意一种，以充分利用各种废水资源。
其次，本发明公开所述赤泥基陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)将赤泥、胶凝材料和水混合均匀，经加工成球，养护成粒径在5㎜以上的轻粗集料，制得赤泥基陶粒。
(2)将步骤(1)中陶粒进行预湿处理，得到湿润赤泥基陶粒。
(3)先将胶凝材料、陶粒、细骨料、粗骨料混合物后搅拌均匀，再倒入废水和减水剂的混合溶液继续搅拌，即得赤泥基陶粒混凝土。
进一步地，步骤(1)中，所述赤泥、胶凝材料、水的添加比例为3:5:2。
进一步地，步骤(1)中，所述养护的方法为自然条件20～24h。
进一步地，步骤(2)中，所述预湿处理具体为：将陶粒浸水饱和后经过方孔筛滤水，并晾置饱和面干状态，即得。陶粒预湿处理能有效改善陶粒混凝土拌合物坍落度经时损失、表观密度和抗压强度。
最后，本发明公开所述赤泥基陶粒混凝土在建筑工程领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明技术方案的原料适用范围广，各种固废均有可能大比例使用，有效利用现有资源，降低生产成本，可以大量消耗固废，减少其占地，减少环境污染，资源利用率高。
(2)本发明利用固废作为制备陶粒混凝土，无需水泥及天然矿物，成本低，材料的强度性能高，具有显著的经济效益和环境效益。本发明所使用的主要原料赤泥、矿粉、粉煤灰、煤矸石、钢渣、铁尾矿砂及废水均为数量巨大的废弃资源，因此原料成本低廉。
(3)本发明利用固废协同作用制备成具有高强度性能的陶粒混凝土，实现多固废的综合利用，解决固废在资源化利用率低问题，更加经济、环保，而且制备工艺更加简洁高效、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
(4)本发明利用硅铝铁基固废和高钙基固废作为原材料，通过组分的这种组合以及组分之间的协同反应，并利用化学键合、矿相固溶、物理吸附、物理封裹方式对固废和废水中重金属及放射性元素进行固化，有效降低了固废和废水的利用易出现二次污染的风险，得到的产品对环境更加友好。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
涉及术语说明
术语“胶凝材料”：本发明制备的赤泥基陶粒混凝土为无机胶凝材料，主要用做建筑材料，在建筑工程中能将散粒材料(如砂、石)胶结成一个整体的材料，成为有一定机械强度的复合固体。
术语“赤泥汤”，是提炼氧化铝后产生的流动态含有赤泥的废料，赤泥汤的含水率为55～65％(质量)。
术语“减水剂”：是一种在维持混凝土坍落度基本不变的条件下，能减少拌合用水量的混凝土外加剂，如木质素磺酸盐减水剂、聚羧酸减水剂等，减水剂能够减少单位材料用量，节约材料。
术语“赤泥”：是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，其含有SiO2、Al2O3、CaO等成分。
术语“高炉矿渣”：是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣，其主要成分为主要的化学成分包括SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、FeO等。本发明通过酸化处理实现了对其中的钙、镁等元素的功能化利用，有助于提高污水处理剂对污染物的吸附性能。
术语“粉煤灰”：是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。主要含有SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等金属氧化物。
术语“酸化处理”：是指通过工业尾气中的二氧化碳对粉煤灰进行处理，有助于提高粉煤灰的体积安定性，又可以提升得到的混凝土的强度。
术语“工业尾气”：包括火力发电厂、钢铁厂、金属冶炼厂、化工厂、水泥广及工业或民用锅炉排放的含有二氧化碳、二氧化硫等酸性气体中的工业废气。
正如背景技术所介绍的，本发明人发现目前本发明人发现：目前的技术多以水泥、水、陶粒、细骨料、添加剂、以及粗骨料为原料，都未利用固废作为原料，导致陶粒混凝土的资源与能源消耗高，成本高，不利于循环经济的发展。因此，本发明提出了一种赤泥基陶粒混凝土及其制备方法，下面结合具体实施方式对本发明进一步说明。
下列实施例中，所述赤泥购自山东省信发铝业，经本发明粉磨、烘干、过150目方孔筛后成为矿渣粉，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述高炉矿渣购自山东鲁新新材，经本发明粉磨、烘干、过150目方孔筛后成为矿渣粉，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述煤矸石购自山东省邱集煤矿，经本发明粉磨、烘干、过150目方孔筛后成为煤矸石粉，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述的粉煤灰购自宏泰粉煤灰开发有限公司，经本发明粉磨、烘干、过150目方孔筛成为更小尺度的粉煤灰，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述的铁尾矿购自浙江漓铁集团有限公司，经本发明粉磨、烘干、过150目方孔筛后成为铁尾矿粉，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述的钢渣购自山东鲁新新材，经本发明粉磨、烘干、过150目方孔筛后成为钢渣粉，并用于本发明实施例中。
下列实施例中，所述生活污水来自山东大学污水处理处，其主要成分为大量有机物，以及一些无机盐类的氯化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐和钠、钾、钙、镁等。
下列实施例中，所述污水成分含有一些砷及其无机化合物、镉及其无机化合物、铅及其无机化合物、硫化物等。
第一实施例
一种赤泥基陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)粉煤灰的酸化处理：利用工业尾气(二氧化碳质量浓度在9～15％之间)在温度200℃、湿度80％、压力2.5MPa的条件下对步骤(2)的固废复配体进行酸化处置4h，完成后将固废复配体烘干、粉磨，过150目筛，得改性粉煤灰。
(2)胶凝材料的制备：按照重量份计，将赤泥汤600份、矿粉300份和改性粉煤灰100份混合均匀，得胶凝材料。
(3)赤泥基陶粒的制备：按照重量份计，将赤泥300份、硅酸盐水泥500份、水200份经混合均匀后造粒成球，自然养护24h，得到粒径在5㎜以上的赤泥基陶粒。
(4)将步骤(3)的赤泥基陶粒浸水饱和后经过方孔筛滤水，并晾置饱和面干状态，得湿润赤泥基陶粒。
(5)拌合物配制：将本实施例前述步骤制备的胶凝材料250份、湿润赤泥基陶粒400份以及细骨料400份(粒径为0.25～0.5mm的钢渣)、粗骨料100份(粒径为6～12mm的建筑垃圾)投入强制式搅拌机中搅拌40min，再倒入工业污水150份、萘系减水剂5份形成的混合溶液，搅拌均匀混合，即得赤泥基陶粒混凝土。
第二实施例
一种赤泥基陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)粉煤灰的酸化处理：利用工业尾气(二氧化碳质量浓度在9～15％之间)在温度370℃、湿度90％、压力0.5MPa的条件下对步骤(2)的固废复配体进行酸化处置12h，完成后将固废复配体烘干、粉磨，过150目筛，得改性粉煤灰。
(2)胶凝材料的制备：按照重量份计，将赤泥汤500份、矿粉400份和改性粉煤灰100份混合均匀，得胶凝材料。
(3)赤泥基陶粒的制备：按照重量份计，将赤泥270份、硅酸盐水泥500份、水200份经混合均匀后造粒成球，自然养护20h，得到粒径在5㎜以上的赤泥基陶粒。
(4)将步骤(3)的赤泥基陶粒浸水饱和后经过方孔筛滤水，并晾置饱和面干状态，得湿润赤泥基陶粒。
(5)拌合物配制：将本实施例前述步骤制备的胶凝材料300份、湿润赤泥基陶粒375份以及细骨料375份(粒径为0.25～0.5mm的铁尾矿砂)、粗骨料100份(粒径为6～12mm的煤矸石)投入强制式搅拌机中搅拌20min，再倒入生活污水180份、聚羧酸减水剂剂5份形成的混合溶液，搅拌均匀混合，即得赤泥基陶粒混凝土。
第三实施例
一种赤泥基陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)粉煤灰的酸化处理：利用工业尾气(二氧化碳质量浓度在9～15％之间)在温度80℃、湿度60％、压力2MPa的条件下对步骤(2)的固废复配体进行酸化处置30h，完成后将固废复配体烘干、粉磨，过150目筛，得改性粉煤灰。
(2)胶凝材料的制备：按照重量份计，将赤泥汤400份、矿粉400份和改性粉煤灰200份混合均匀，得胶凝材料。
(3)赤泥基陶粒的制备：按照重量份计，将赤泥280份、硅酸盐水泥500份、水160份经混合均匀后造粒成球，自然养护20h，得到粒径在5㎜以上的赤泥基陶粒。
(4)将步骤(3)的赤泥基陶粒浸水饱和后经过方孔筛滤水，并晾置饱和面干状态，得湿润赤泥基陶粒。
(5)拌合物配制：将本实施例前述步骤制备的胶凝材料350份、湿润赤泥基陶粒350份以及细骨料350份(粒径为0.25～0.5mm的铁尾矿砂)、粗骨料150份(粒径为6～12mm的煤矸石)投入强制式搅拌机中搅拌30min，再倒入生活污水210份、聚羧酸减水剂剂10份形成的混合溶液，搅拌均匀混合，即得赤泥基陶粒混凝土。
第四实施例
一种赤泥基陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)粉煤灰的酸化处理：利用工业尾气(二氧化碳质量浓度在9～15％之间)在温度300℃、湿度80％、压力3MPa的条件下对步骤(2)的固废复配体进行酸化处置20h，完成后将固废复配体烘干、粉磨，过150目筛，得改性粉煤灰。
(2)胶凝材料的制备：按照重量份计，将赤泥汤700份、矿粉200份和改性粉煤灰100份混合均匀，得胶凝材料。
(3)赤泥基陶粒的制备：按照重量份计，将赤泥300份、硅酸盐水泥500份、水180份经混合均匀后造粒成球，自然养护24h，得到粒径在5㎜以上的赤泥基陶粒。
(4)将步骤(3)的赤泥基陶粒浸水饱和后经过方孔筛滤水，并晾置饱和面干状态，得湿润赤泥基陶粒。
(5)拌合物配制：将本实施例前述步骤制备的胶凝材料320份、湿润赤泥基陶粒500份以及细骨料500份(粒径为0.25～0.5mm的钢渣)、粗骨料120份(粒径为6～12mm的煤矸石)投入强制式搅拌机中搅拌30min，再倒入生活污水200份、聚羧酸减水剂剂20份形成的混合溶液，搅拌均匀混合，即得赤泥基陶粒混凝土。
第一对比例
一种陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)按照重量份计，原料包括：胶凝材料250份、陶粒400份、细骨料400份(粒径为0.25～0.5mm的钢渣)、粗骨料100份(粒径为6～12mm的建筑垃圾)、工业污水150份、萘系减水剂5份。所述胶凝材料为普通硅酸盐水泥。所述陶粒为市面所售，其密度等级为500级，粒径为5～10mm，1h吸水率为10％，表观密度为700Kg/m3
(2)拌合物配制：将本实施例步骤(1)的胶凝材料、陶粒、细骨料、粗骨料投入强制式搅拌机中搅拌40min，再倒入工业污水、萘系减水剂形成的混合溶液，搅拌均匀混合，即得陶粒混凝土。
第二对比例
一种赤泥基陶粒混凝土的制备方法，包括如下步骤：
(1)胶凝材料的制备：按照重量份计，将赤泥汤500份、矿粉400份和普通粉煤灰100份混合均匀，得胶凝材料。
(2)赤泥基陶粒的制备：按照重量份计，将赤泥300份、硅酸盐水泥500份、水200份经混合均匀后造粒成球，自然养护20h，得到粒径在5㎜以上的赤泥基陶粒。
(3)将步骤(2)的赤泥基陶粒浸水饱和后经过方孔筛滤水，并晾置饱和面干状态，得湿润赤泥基陶粒。
(5)拌合物配制：将本实施例前述步骤制备的胶凝材料300份、湿润赤泥基陶粒375份以及细骨料375份(粒径为0.25～0.5mm的铁尾矿砂)、粗骨料100份(粒径为6～12mm的煤矸石)投入强制式搅拌机中搅拌20min，再倒入生活污水180份、聚羧酸减水剂剂5份形成的混合溶液，搅拌均匀混合，即得赤泥基陶粒混凝土。
性能测试
对第一至第四实施例制备的赤泥基陶粒混凝土以及第一、二对比例制备的陶粒混凝土的指标进行测试；其中，28d抗压强度按照国标GB/T 11969～2008《蒸压加气混凝土性能测试方法》进行测试，结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002393973880000111
Figure BDA0002393973880000121
从表1的测试数据可以看出，本发明实施例制备的赤泥基陶粒混凝土具有良好的抗压强度。而且，相对于第一、第二对比例制备的赤泥基陶粒混凝土的强度有了明显提升，这是因为通过工业尾气中的二氧化碳对粉煤灰进行改性，能够起到微集料密实填充及颗粒形态效应的作用，有助于提高粉煤灰的体积安定性，又可以提升得到的混凝土的强度。
另外，从拌合物性能的测试数据可以看出，本发明这种主要原料采用全固废制备的赤泥基陶粒混凝土的黏聚性，流动性以及保水性均相对于第一实施例采用的市售陶粒、水泥为胶凝材料制备的陶粒混凝土有了更好的提升，而且干表观密度也达到了现有的陶粒混凝土的水平。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种赤泥基陶粒混凝土，其特征在于，按重量份计，其原料组成包括以下组分：胶凝材料250～350份、废水150～210份、赤泥基陶粒350～500份、细骨料350～500份、粗骨料100～150份、减水剂5～20份；
其中，按质量百分数计，所述胶凝材料包括：赤泥汤45～70％、矿粉20～45％、粉煤灰10～20％；所述矿粉为高炉矿渣粉磨、烘干、过150目方孔筛而得；所述粉煤灰为酸化处理后的粉体原料；
所述赤泥基陶粒是以赤泥为主要原料，加入胶结料和水，经加工成球，自然养护而成，粒径在5㎜以上的轻粗集料，所述赤泥、胶结料、水的添加比例为2.7～3:5:1.6-2。
2.如权利要求1所述的赤泥基陶粒混凝土，其特征在于，所述胶结料为水泥。
3.如权利要求1所述的赤泥基陶粒混凝土，其特征在于，所述粉煤灰的酸化处理的条件为：压力为0.5～3MPa，温度为80～370℃，湿度为60～90％，时间为4～30h。
4.如权利要求1所述的赤泥基陶粒混凝土，其特征在于，所述细骨料为铁尾矿砂或钢渣。
5.如权利要求4所述的赤泥基陶粒混凝土，其特征在于，所述铁尾矿砂或钢渣的粒径为0.25～0.5mm；或者，所述粗骨料为建筑垃圾或煤矸石。
6.如权利要求5所述的赤泥基陶粒混凝土，其特征在于，所述建筑垃圾或煤矸石的粒径为6～12mm。
7.如权利要求1-6任一项所述的赤泥基陶粒混凝土，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂、萘系减水剂、脂肪酸族系减水剂中的任意一种。
8.如权利要求1-6任一项所述的赤泥基陶粒混凝土，其特征在于，所述废水为生活污水、工业废水、初雨径流入排水管渠中的任意一种；
或者，所述赤泥为拜耳法、烧结法或联合法产生的赤泥中的任意一种。
9.权利要求1-8任一项所述的赤泥基陶粒混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将赤泥、胶结料和水混合均匀，经加工成球，养护成粒径在5㎜以上的轻粗集料，制得赤泥基陶粒；
(2)将步骤(1)中陶粒进行预湿处理，得到湿润赤泥基陶粒；
(3)先将胶凝材料、湿润赤泥基陶粒、细骨料、粗骨料混合物后搅拌均匀，再倒入废水和减水剂的混合溶液继续搅拌，即得赤泥基陶粒混凝土。
10.权利要求9所述的赤泥基陶粒混凝土的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述养护的方法为自然条件20～24h。
11.权利要求9所述的赤泥基陶粒混凝土的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述预湿处理具体为：将陶粒浸水饱和后经过方孔筛滤水，并晾置饱和面干状态，即得。
12.权利要求1-8任一项所述的赤泥基陶粒混凝土在建筑工程领域中的应用。
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