CN109665805A - 一种芯-壳结构固化淤泥免烧陶粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种芯‑壳结构固化淤泥免烧陶粒及其制备方法，所述陶粒由芯材和壳体材料组成，芯材由磷酸盐、过烧氧化镁、粉煤灰、硅灰、干化淤泥、轻质颗粒、硼砂、萘系减水剂、水组成，各组分质量比例为13.00%～13.49%、11.46%～12.27%、3.07%～5.52%、3.05%～3.68%、33.12%～32.51%、0.012%～0.025%、3.052%～3.078%、1.22%～1.23%、29.44%～30.67%；壳体材料由普通硅酸盐水泥、硅灰、碳酸钠、硫酸钠、HPMC、丙烯酸乳液、萘系减水剂、水组成，各组分质量比例为44.90%～48.79%、5.10%～9.04%、0.51%～0.60%、0.51%～0.60%、0.005%～0.006%、1.015%～3.624%、1.02%～1.20%、36.14%～45.92%。该免烧陶粒通过芯材成球、壳体材料包覆、加热固化得到；该免烧陶粒绿色节能、吸水率低、球形度好，工艺简单，避免了烧结陶粒耗能大、排放高、回转窑炉造价与维护成本高等缺点。

Description

一种芯-壳结构固化淤泥免烧陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种芯-壳结构固化淤泥免烧陶粒及其制备方法。
背景技术
淤泥会破坏湖泊生态系统、影响航运，疏浚淤泥如不能资源化利用，会导致二次环境污染，目前淤泥资源化利用重要途径是作为陶粒生产的原料。
中国专利2018105188782公开了使用粉煤灰，水厂污泥，造纸厂污泥，污水厂污泥按一定比例加水混合成球，并多段升温加热制成粉煤灰污泥陶粒的方法，该专利有利于解决污泥废弃料处理。中国发明2018106632639公开了使用铝污泥，玻璃粉，鸡蛋壳和粉煤灰等原料，通过干燥，预热，烧结和冷却制成铝污泥陶粒的方法，该发明运用铝污泥和玻璃粉代替黏土，有效得降低了陶粒制作和铝污泥处置成本。申请号2018106762806的中国发明专利申请文件，将废渣胶结材料，工业废石膏，外加剂等按一定比例制得混合原料，通过碾压，养护制得废渣免烧陶粒，在废物利用，节约资源方面做了有益尝试。申请号2018104828315的中国发明专利申请文件公开了使用钢渣，矿渣粉，水泥，铝粉膏为主要组成材料，经配料进行烘干、球磨粉碎，放入成球机，喷雾加水，养护成型制得含钢渣和矿渣的免烧陶粒，有效的资源化利用钢渣和矿渣，节能环保。
现有技术虽然取得了一定的进步，但尚存在以下问题：
(1)烧结陶粒方面，虽然大量采用固体废弃物作为原料、降低了陶粒成本，但陶粒仍然需要高温烧结制备，未能从根本上解决耗能、污染问题。
(2)免烧陶粒避免了耗能、污染问题，但基本上采用将制备好的陶粒进行表面涂抹所需原料，但存在耐水性差，可靠度低问题；
(3)由于普通陶粒具有吸水性，这导致陶粒混凝土体积稳定性差，严重的会导致结构物的开裂，对结构物的使用性、安全性造成潜在危害。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的是提供一种芯-壳结构固化淤泥免烧陶粒及其制备方法，解决淤泥陶粒的环境污染问题、吸水问题与耗能问题。
本发明的技术方案是：一种芯-壳结构固化淤泥免烧陶粒，呈芯-壳结构，由芯材与壳体材料组成，按重量百分比计，其中，芯材包括如下组分：13.00％～13.49％磷酸盐、11.46％～12.27％过烧氧化镁、3.07％～5.52％粉煤灰、3.05％～3.68％硅灰、33.12％～32.51％干化淤泥、0.012％～0.025％轻质颗粒、3.052％～3.078％硼砂、1.22％～1.23％萘系减水剂、29.44％～30.67％水；壳体材料包括如下组分：44.90％～48.79％普通硅酸盐水泥、5.10％～9.04％硅灰、0.51％～0.60％碳酸钠、0.51％～0.60％硫酸钠、0.005％～0.006％HPMC、1.015％～3.624％丙烯酸乳液、1.02％～1.20％萘系减水剂、36.14％～45.92％水。
优选的，所述磷酸盐为磷酸二氢氨或磷酸二氢钾中的任一种。
优选的，所述过烧氧化镁为菱镁矿经1350℃煅烧得到，石家庄金宇镁业有限公司生产。
优选的，所述粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级，符合标准GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。
优选的，所述硅灰为SiO2含量大于95％、活性指数大于105％，符合标准GB/T27690-2011《砂浆和混凝土用硅灰》。
优选的，所述干化淤泥为太湖底泥经自然晾干粉磨后得到，平均粒径小于0.075mm。
优选的，所述轻质颗粒为玻化微珠或聚苯颗粒中的任一种。
优选的，所述硼砂、碳酸钠、硫酸钠为工业级。
优选的，所述萘系减水剂的减水率在25％以上。
优选的，所述普通硅酸盐水泥为P·O42.5级以上
优选的，所述HPMC采用上海锴源化工科技有限公司生产，粘度20万mpas的羟丙基甲基纤维素。
优选的，所述丙烯酸乳液为济南海森特化工有限公司生产，含固量40％。
上述芯-壳结构陶粒的制备方法，包括如下步骤：
(1)将13.00％～13.49％磷酸盐、11.46％～12.27％过烧氧化镁、3.07％～5.52％粉煤灰、3.05％～3.68％硅灰、33.12％～32.51％干化淤泥、0.012％～0.025％轻质颗粒放入搅拌机，干混1分钟以上；
(2)将3.052％～3.078％硼砂、1.22％～1.23％萘系减水剂、29.44％～30.67％水混合成混合液，在搅拌机搅拌状态下注入搅拌机，至芯材成为塑性芯材泥团；
(3)将塑性芯材泥团放入制丸机中，经压饼、制条、制球后，将泥团制成陶粒芯球；
(4)将44.90％～48.79％普通硅酸盐水泥、5.10％～9.04％硅灰、0.51％～0.60％碳酸钠、0.51％～0.60％硫酸钠放入搅拌机，干混1分钟以上；
(5)将0.005％～0.006％HPMC、1.015％～3.624％丙烯酸乳液、1.02％～1.20％萘系减水剂、36.14％～45.92％水混合成混合液，在搅拌机搅拌状态下注入搅拌机，搅拌至其成为陶粒壳体材料稀浆；
(6)将陶粒壳体材料稀浆、陶粒芯球放入制丸机的滚筒中，运转滚筒至陶粒芯球表面完全包覆时，加热滚筒，至陶粒表面干化。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)采用具有快硬早强性能的磷酸盐材料用于制备固化淤泥烧陶粒，解决了烧结陶粒的耗能、污染问题，且生产周期短。
(2)采用有机－无机复合作为陶粒壳材料，即保障了陶粒的力学性能，又解决了普通陶粒的吸水问题，而且由于主要壳体材料与普通混凝土所用材料相同，用本发明的陶粒制备混凝土是，陶粒与水泥石界面结合更好。
(3)采用经过塑性泥团制备、压饼、制条、制球、壳体包覆、加热固化的工艺，比普通陶粒采用成球机中喷雾成球的方法制备的陶粒力学性能、球形度更好，且陶粒粒径单一、可调节，陶粒制完后不需筛分。
具体实施方式
烧结陶粒为将粘土、辅助材料等放在成球机中，在成球机运转过程中喷水雾，使原材料滚动成球，然后经加热预干化、回转窑中高温烧结、筛分得到。烧结陶粒的耗能大、排放尾气、异味、生产设备复杂等问题成为制约烧结陶粒发展的瓶颈。免烧陶粒经固化材料固化制得，不需消耗燃料、无排放尾气和异味，工艺简单，是陶粒生产的发展方向。但与烧结陶粒相比免烧陶粒存在耐水性差、养护周期长问题，而且吸水问题也有待解决。
[实施例-1]
磷酸二氢钾为四川中鑫蜀龙化工有限公司生产，工业级；过烧氧化镁为石家庄金宇镁业有限公司生产，煅烧温度1350℃制得。粉煤灰为南京共创防腐保温有限公司生产，Ⅰ级粉煤灰；硅灰为上海胜阔建筑材料有限公司生产，SiO2含量95％以上、活性指数大于105％；干化淤泥为太湖底泥经自然晾干粉磨后得到，平均粒径小于0.075mm；聚苯颗粒为河北廊坊汇丰保温材料有限公司生产，粒径3mm；硼砂、碳酸钠、硫酸钠为天津市科密欧化学试剂有限公司生产，工业级；萘系减水剂为江苏苏博特新材料股份有限公司生产，减水率25％以上；水泥为扬州绿杨水泥发展有限公司生产，P·O42.5级普通硅酸盐水泥；HPMC为上海锴源化工科技有限公司生产，粘度20万mpas；丙烯酸乳液为济南海森特化工有限公司生产，含固量40％；
制备方法：
(1)将称量好的磷酸盐、过烧氧化镁、粉煤灰、硅灰、干化淤泥、轻质颗粒放入搅拌机，干混1分钟；
(2)将硼砂、萘系减水剂、水混合成混合液，在搅拌机搅拌状态下注入搅拌机，至芯材成为塑性芯材泥团；
(3)将塑性芯材泥团放入制丸机中，经压饼、制条、制球后，将泥团制成陶粒芯球；
(4)将称量好的普通硅酸盐水泥、硅灰、碳酸钠、硫酸钠放入搅拌机，干混1分钟；
(5)将称量好的HPMC、丙烯酸乳液、萘系减水剂、水混合成混合液，在搅拌机搅拌状态下注入搅拌机，搅拌至其成为陶粒壳体材料稀浆；
(6)将陶粒壳体材料稀浆、陶粒芯球放入制丸机的滚筒中，运转滚筒至陶粒芯球表面完全包覆时，加热滚筒，至陶粒表面干化。
[实施例-1]-[实施例-3]配方见表1，制备工艺相同。
[比较例-1]-[比较例-3]配方见表1，制备工艺相同。
各实施例和比较例结果见表2
表1实施例与比较例配方
表2测试结果
实施例-1 实施例-2 实施例-3 比较例-1 比较例-2 比较例-3
密度等级 500 500 500 500 500 500
堆积密度(kg/m<sup>3</sup>) 500 454 410 541 370 511
筒压强度(MPa) 3.1 2.3 1.5 3.8 1.3 1.1
1h吸水率(％) 7 3.5 4.3 16.1 2.1 16.7
标准GBT17431.1-1998《轻集料及其试验方法第1部分轻集料》规定，500级陶粒的主要性能为堆积密度＞400kg/m3、≤500kg/m3，筒压强度≥1.5MPa，1h吸水率≤15％。
对比实施例1、2、3，对于芯材，磷酸二氢钾、过烧氧化镁、粉煤灰、硅灰、干化淤泥、聚苯颗粒、硼砂、萘系减水剂、水各组分质量比例为13.00％～13.49％、11.46％～12.27％、3.07％～5.52％、3.05％～3.68％、33.12％～32.51％、0.012％～0.025％、3.052％～3.078％、1.22％～1.23％、29.44％～30.67％；对于壳体材料，普通硅酸盐水泥、硅灰、碳酸钠、硫酸钠、HPMC、丙烯酸乳液、萘系减水剂、水各组分质量比例为44.90％～48.79％、5.10％～9.04％、0.51％～0.60％、0.51％～0.60％、0.005％～0.006％、1.015％～3.624％、1.02％～1.20％、36.14％～45.92％时，满足要求。
对于固化淤泥免烧陶粒，堆积密度和筒压强度的控制因素为芯材的聚苯颗粒和淤泥的质量比例，对于吸水率，壳体材料的丙烯酸乳液和水的质量比例为控制因素。对比实施例1与比较列1，当聚苯颗粒低于0.012％、丙烯酸乳液低于1.02％时，堆积密度和吸水率超过规定。对比实施例3与比较例2，当聚苯颗粒高于0.025％、丙烯酸乳液高于3.61％时，堆积密度和吸水率过高、筒压强度低于规定。对比实施例1与比较例3，当干化淤泥超过33.12％、水超过45.92％时陶粒堆积密度和吸水率高于规定、筒压强度低于规定。
本发明所述的芯-壳结构固化淤泥免烧陶粒通过使用具有快硬早强功能的磷酸盐材料固化淤泥，可大大缩短养护时间，使用丙烯酸乳液与水泥、硅灰等复合，使壁材具备足够强度与防水性。

Claims (10)

1.一种芯-壳结构固化淤泥免烧陶粒，其特征在于，由芯材与壳体材料组成，按质量百分比计，其中，芯材包括如下组分：13.00%～13.49%磷酸盐、11.46%～12.27%过烧氧化镁、3.07%～5.52%粉煤灰、3.05%～3.68%硅灰、33.12%～32.51%干化淤泥、0.012%～0.025%轻质颗粒、3.052%～3.078%硼砂、1.22%～1.23%萘系减水剂、29.44%～30.67%水；壳体材料包括如下组分：44.90%～48.79%普通硅酸盐水泥、5.10%～9.04%硅灰、0.51%～0.60%碳酸钠、0.51%～0.60%硫酸钠、0.005%～0.006%HPMC、1.015%～3.624%丙烯酸乳液、1.02%～1.20%萘系减水剂、36.14%～45.92%水。
2.如权利要求1所述的陶粒，其特征在于，磷酸盐为磷酸二氢氨和磷酸二氢钾中任意一种。
3.如权利要求1所述的陶粒，其特征在于，过烧氧化镁为菱镁矿经1350℃煅烧得到。
4.如权利要求1所述的陶粒，其特征在于，粉煤灰为Ⅰ级或Ⅱ级。
5.如权利要求1所述的陶粒，其特征在于，硅灰中的SiO2含量大于95wt%，硅灰活性指数大于105%。
6.如权利要求1所述的陶粒，其特征在于，干化淤泥为河湖底泥经自然晾干粉磨后得到，平均粒径小于0.075mm。
7.如权利要求1所述的陶粒，其特征在于，轻质颗粒为玻化微珠和聚苯颗粒中任意一种。
8.如权利要求1所述的陶粒，其特征在于，HPMC为粘度20万mpas的羟丙基甲基纤维素。
9.如权利要求1所述的陶粒，其特征在于，普通硅酸盐水泥为P·O42.5级以上的水泥。
10.如权利要求1-9任一所述的陶粒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将13.00%～13.49%磷酸盐、11.46%～12.27%过烧氧化镁、3.07%～5.52%粉煤灰、3.05%～3.68%硅灰、33.12%～32.51%干化淤泥、0.012%～0.025%轻质颗粒放入搅拌机，干混1分钟以上；
（2）将3.052%～3.078%硼砂、1.22%～1.23%萘系减水剂、29.44%～30.67%水混合成混合液，在搅拌机搅拌状态下注入搅拌机，至芯材成为塑性芯材泥团；
（3）将塑性芯材泥团放入制丸机中，经压饼、制条、制球后，将泥团制成陶粒芯球；
（4）将44.90%～48.79%普通硅酸盐水泥、5.10%～9.04%硅灰、0.51%～0.60%碳酸钠、0.51%～0.60%硫酸钠放入搅拌机，干混1分钟以上；
（5）将0.005%～0.006%HPMC、1.015%～3.624%丙烯酸乳液、1.02%～1.20%萘系减水剂、36.14%～45.92%水混合成混合液，在搅拌机搅拌状态下注入搅拌机，搅拌至其成为陶粒壳体材料稀浆；
（6）将陶粒壳体材料稀浆、陶粒芯球放入制丸机的滚筒中，运转滚筒至陶粒芯球表面完全包覆时，加热滚筒，至陶粒表面干化。
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