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CN113735475B - 一种轻质陶粒及其制备方法 - Google Patents

一种轻质陶粒及其制备方法 Download PDF

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CN113735475B CN202111031516.9A CN202111031516A CN113735475B CN 113735475 B CN113735475 B CN 113735475B CN 202111031516 A CN202111031516 A CN 202111031516A CN 113735475 B CN113735475 B CN 113735475B
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Abstract

本发明属于人造轻集料技术领域，特别涉及一种轻质陶粒及其制备方法。该轻质陶粒包括城市污泥10‑30wt％，煤矸石58‑85wt％、铁尾矿5‑12wt％，外掺谷壳灰1‑5wt％；该方法包括以下步骤，利用球磨机将煤矸石和铁尾矿粉磨；然后将城市污泥、煤矸石和铁尾矿混合配料后，搅拌均匀；用挤出造粒机制成生料颗粒并烘干；把烘干的陶粒生料球送入已经升温的回转窑中，然后放入谷壳灰对陶粒表面进行充分包裹，经回转窑煅烧的陶粒从窑头取出，自然冷却到常温；从而得到轻质陶粒成品。不仅无害化利用了城市污泥、铁尾矿、煤矸石等固废，同时也减少了其对环境的危害，具有较好的社会效益和环境效益。

Description

一种轻质陶粒及其制备方法
技术领域
本发明属于人造轻集料技术领域，特别涉及一种轻质陶粒及其制备方法。
背景技术
陶粒是人造轻骨料的俗称；由于具有质轻，耐腐蚀，抗冻，抗震和良好的隔绝性等多功能特点，陶粒广泛应用于建材、园艺、污水处理、耐火保温材料、化工、石油等领域；
目前陶粒的制备原料主要为粘土或页岩，由于粘土是一种宝贵的天然资源，大力发展粘土陶粒必将导致大量优质耕地的破坏和流失；而用页岩生产陶粒会破坏自然植被和环境，并在一定程度上打破生态系统的平衡。
此外还包括其他制备方法：
例如中国专利(申请号200810157490.0)公开了一种主要以30-40份的城市污水厂脱水污泥、5-10份的粉煤灰、50-70份的粘土为原料，按比例混合，高温烧结制得轻质陶粒，其陶粒容重500-600kg/m3，吸水率3.6-12％。
例如中国专利(申请号200810157489.8)公开了一种主要以1-4份的城市污水厂脱水污泥份、6-9的份粘土为原料，按比例混合，高温烧结制得轻质陶粒，其陶粒容重300-500Kg/m3，吸水率1.0-10.4％。
例如中国专利(申请号201610320055.X)公开了一种轻质多孔的污泥陶粒制备方法，所述的污泥陶粒包括以下重量计的原料：锯末10-25份、铁尾矿20-30份、硅灰5-10份、污泥30-40份、生石灰10-15份、红泥岩20-30份、石膏1-5份、菱镁矿5-10份。其陶粒吸水率为9.6％-10.8％，筒压强度5.8-6.1MPa，堆积密度502-516kg/m3的成品。
由于GB/T17431.1-2010标准中对轻质陶粒的要求是：15％≦吸水率≦25％，200kg/m3≦堆积密度≦500kg/m3；0.5MPa≦筒压强度≦1.5MPa；因此上述专利公开的轻质陶粒制备方法中要么堆积密度大于500kg/m3偏重，要么没有提供筒压强度，要么使用了粘土等天然资源，限制了对其的大量使用；此外还要添加多种辅助添加剂，增加了原料成本并且使得原料的均匀性变差，从而对陶粒的烧成产生不利影响。因此必须对现有的陶粒制备方法加以改进。
发明内容
本发明要解决上述现有技术中存在的问题，提供一种全固废为主要原料的轻质陶粒及其制备方法，该方法以城市污泥、煤矸石、铁尾矿等固废主要原料制备轻质陶粒；充分利用了污泥和煤矸石中的有机碳提高陶粒内部的孔隙结构，以及铁尾矿来提高改善陶粒表面玻化层的硬度和降低煅烧温度，所制备轻质陶粒可以应用在轻骨料混凝土、预制构件和装配式建筑上。使用城市污泥、煤矸石、铁尾矿等全固废原料制备轻质陶粒，不仅无害化利用了城市污泥、铁尾矿、煤矸石等固废，同时也减少了其对环境的危害，具有较好的社会效益和环境效益。
实现本发明上述目的的技术方案可以概括如下：
本发明的目的之一在于提供一种轻质陶粒，按质量百分比计算该轻质陶粒包括城市污泥10-30％，煤矸石58-85％、铁尾矿5-12％，外掺谷壳灰1-5％；其中城市污泥的含水率为80％。
进一步的，所述谷壳灰的制备方法如下：将谷壳粉磨至80μm筛余≤10％；粉磨后的谷壳放入已经升温至700-750℃的高温炉内，然后通入氧气作为助燃气体焚烧1-2h后冷却至常温；再经超细粉磨后获得比表面积85-95m2/g的谷壳灰。
进一步的，所述谷壳灰中SiO2含量≥90wt％，无定形SiO2含量≥75wt％。
进一步的，所述谷壳灰的化学性能如下：按质量百分比计，烧失量L.O.I为1.0-4.0％，SiO2为90.0-93.5％，Al2O3为0.40-0.60％，Fe2O3为0.20-0.50％，CaO为0.50-0.70％，MgO为0.45-0.60％，K2O为2.3-2.60％，Na2O为0.08。
进一步的，所述铁尾矿的化学性能如下：按质量百分比计，烧失量L.O.I为4.5-5.2％，SiO2为36.1-37.5％，Al2O3为8.2-9.2％，Fe2O3为12.7-13.1％，CaO为7.6-8.5％，MgO为13.2-13.8％，K2O为0.7-0.9％，Na2O为0.8-1.0。
本发明的另一目的在于提供了上述轻质陶粒的制备方法，该方法包括以下步骤，
S1、利用球磨机将煤矸石和铁尾矿分别粉磨至一定细度；然后将城市污泥、煤矸石和铁尾矿按所述质量百分比混合配料后，搅拌均匀；
S2、首先用挤出造粒机制成直径大小为8-15mm的圆柱状生料颗粒并在烘箱中烘干；
S3、其次把烘干的陶粒生料球送入已经升温至500℃的回转窑中，从500℃升温至1080-1100℃，升温时间25-35min，回转窑转速控制在1-2r/min，然后放入1-5％的谷壳灰对陶粒表面进行充分包裹，回转窑转速控制在2-3r/min；最后快速升温至1140-1180℃进行煅烧5-10min，回转窑转速控制在1-2r/min；烧成的陶粒从窑头取出，自然冷却到常温；从而得到轻质陶粒成品。
进一步的，所述轻质陶粒成品的特性为吸水率≦6.0％，筒压强度2.5-4.8MPa，堆积密度260-450kg/m3。
本发明具有的优点和积极效果是：
1、本发明选用的城市污泥含水率80％，直接与粉磨成粉状的煤矸石和铁尾矿进行组合配料，利用污泥本身的水分进行混料，不仅可以节约大量水资源，而且还能增加了生料的塑性，有利于挤出造粒。此外，本发明还充分利用了城市污泥和煤矸石中的有机碳成分，有效地改善了陶粒容重和调控陶粒内部孔隙分布。
2、本发明利用煤矸石、铁尾矿等全固废组合配料制备轻质陶粒，解决了煤矸石、铁尾矿等对城市环境和水土流失，同时也减少了固废堆存对环境的影响。
3、本发明充分利用铁尾矿中的铁镁元素通过煅烧形成了一种硅酸铁镁掺杂的矿物相(Mg0.93Fe1.07Si2O6)(如附图1所示)来提高陶粒表面玻化层的致密度，从而降低了陶粒表面的吸水率。
4、本发明仅使用了谷壳灰一种添加剂，从而避免了使用较多的添加剂而导致的生料均匀性较差的难题，同时谷壳灰的包裹能增加陶粒外壳的比表面积，以及改善陶粒表面的化学反应活性，有利于该陶粒在轻骨料混凝土中与胶凝材料的化学反应，增加轻骨料混凝土的整体强度性能。此外，谷壳灰是一种低成本高硅含量的火山灰材料。
附图说明
图1是通过本发明方法制备的一种硅酸铁镁掺杂的矿物相衍射分析图。
具体实施方式
针对现有技术中骨料存在的问题，本发明公开了一种轻质陶粒，该轻质陶粒包括由城市污泥，煤矸石和铁尾矿等原料制成；各原料的质量百分比如下：城市污泥10-30％，煤矸石为58-85％、铁尾矿5-12％，谷壳灰1-5％(外掺)；其中城市污泥的含水率为80％，以上配料为使用固废原料制陶粒开辟了一种新的途径。
煤矸石是在成煤过程中与煤共同沉积的有机化合物和无机化合物混合在一起的岩石，通常呈薄层和在煤层中或煤层顶、煤层底。煤矸石按主要矿物含量分为黏土岩类、砂石岩类、碳酸盐类、铝质岩类。按来源及最终状态，煤矸石可分为掘进矸石、选煤矸石和自然矸石三大类。到目前为止，我煤矸石堆存量巨大，资源化利用力度还不够大，技术不完善，对环境的影响依然很严重，因此如何对煤矸石综合利用是丞待解决的难题。
铁尾矿是选矿后的废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分，其开发是造成环境污染的重要来源。将铁尾矿丢弃不仅需要占用大量土地，给周围的生态环境造成很大的伤害，而且要投入各自处理和维护费用。因此如何对铁尾矿资源进行有效的综合回收与利用也是治理污染、保护生态的重要手段。
本申请所用谷壳灰是将粉磨后的谷壳(80μm筛余≤10％)放入已经升温至700-750℃的高温炉内，然后通入氧气作为助燃气体进行焚烧1-2h后冷却至常温，再经超细粉磨后获得比表面积85-95m2/g的谷壳灰。谷壳灰中SiO2含量≥90wt％，无定形SiO2含量≥75wt％，且火山灰活性高。
表1铁尾矿和谷壳灰化学成分范围(wt％)
名称 L.O.I SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO MgO K<sub>2</sub>O Na<sub>2</sub>O
铁尾矿 4.5-5.2 36.1-37.5 8.2-9.2 12.7-13.1 7.6-8.5 13.2-13.8 0.7-0.9 0.8-1.0
谷壳灰 1.0-4.0 90.0-93.5 0.40-0.60 0.20-0.50 0.50-0.70 0.45-0.60 2.3-2.60 0.08
本申请使用的铁尾矿成分中含有12-14wt％这一较高的铁镁元素含量，这有利于铁镁元素在100-1200℃的高温下发生铁镁元素互相固溶掺杂的反应，从而形成一种图1所示的降低陶粒表面吸水率的硅酸铁镁掺杂的矿物相(Mg0.93Fe1.07Si2O6)。
利用上述原料，本发明公开了一种轻质陶粒的制备方法，该方法包括以下步骤：S1、利用球磨机将煤矸石和铁尾矿分别粉磨至一定细度；然后将城市污泥、煤矸石和铁尾矿等原料按所述质量百分比混合配料后，经高速搅拌机搅拌均匀；
S2、首先用挤出造粒机制成直径大小为8-15mm的圆柱状生料颗粒并在烘箱中烘干；
S3、其次把烘干的陶粒生料球送入已经升温至500℃的回转窑(Φ0.4m*0.6m)中，从500℃升温至1080-1100℃，升温时间25-35min，回转窑转速控制在1-2r/min，然后放入1-5％的谷壳灰对陶粒表面进行充分包裹，回转窑转速控制在2-3r/min；最后快速升温至1140-1180℃进行煅烧5-10min，回转窑转速控制在1-2r/min；烧成的陶粒从窑头取出，自然冷却到常温；从而得到吸水率≦6.0％，筒压强度2.5-4.8MPa，堆积密度260-450kg/m3的轻质陶粒成品。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例详细说明如下：实施例1
一种轻质陶粒的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、将煤矸石和铁尾矿分别利用球磨机粉磨至一定细度，按照城市污泥10％(质量百分比)、煤矸石粉85％(质量百分比)、铁尾矿5％(质量百分比)的比例混合配料，然后放入搅拌机内高速搅拌均匀；
S2、用挤出造粒机制成直径大小为8-15mm的圆柱状生料颗粒并在烘箱中烘干；
S3、把烘干的陶粒生料球送入已经升温至500℃的回转窑(Φ0.4m*0.6m)中，从500℃升温至1080℃，升温时间35min，回转窑转速控制在1r/min，然后放入1％的谷壳灰对陶粒表面进行充分包裹，回转窑转速控制在3r/min；最后快速升温至1180℃进行煅烧5min，回转窑转速控制在2r/min；烧成的陶粒从窑头取出，自然冷却到常温，从而得到轻质陶粒成品。上述方案中获得到陶粒制品的特征在于：堆积密度为450kg/m3，筒压强度3.5MPa，1h吸水率为5.1％。
实施例2
一种轻质陶粒的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、将煤矸石和铁尾矿分别利用球磨机粉磨至一定细度，按照城市污泥20％(质量百分比)、煤矸石粉70％(质量百分比)、铁尾矿10％(质量百分比)的比例混合配料，然后放入搅拌机内高速搅拌均；
S2、用挤出造粒机制成直径大小为8-15mm的圆柱状生料颗粒并在烘箱中烘干；
S3、把烘干的陶粒生料球送入已经升温至500℃的回转窑(Φ0.4m*0.6m)中，从500℃升温至1100℃，升温时间25min，回转窑转速控制在2r/min，然后放入3％的谷壳灰对陶粒表面进行充分包裹，回转窑转速控制在2r/min；最后快速升温至1165℃进行煅烧10min，回转窑转速控制在1.5r/min；烧成的陶粒从窑头取出，自然冷却到常温，从而得到轻质陶粒成品。上述方案中获得到陶粒制品的特征在于：堆积密度为421kg/m3，筒压强度4.8MPa，1h吸水率为3.5％。
实施例3
一种轻质陶粒的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、将煤矸石和铁尾矿分别利用球磨机粉磨至一定细度，按照城市污泥30％(质量百分比)、煤矸石粉58％(质量百分比)、铁尾矿12％(质量百分比)的比例混合配料，然后放入搅拌机内高速搅拌均；
S2、用挤出造粒机制成直径大小为8-15mm的圆柱状生料颗粒并在烘箱中烘干；
S3、把烘干的陶粒生料球送入已经升温至500℃的回转窑(Φ0.4m*0.6m)中，从500℃升温至1085℃，升温时间30min，回转窑转速控制在1.5r/min，然后放入5％的谷壳灰对陶粒表面进行充分包裹，回转窑转速控制在2r/min；最后快速升温至1140℃进行煅烧5-10min，回转窑转速控制在1.5r/min；烧成的陶粒从窑头取出，自然冷却到常温，从而得到轻质陶粒成品。上述方案中获得到陶粒制品的特征在于：堆积密度为342kg/m3，筒压强度2.5MPa，1h吸水率为6.0％。
实施例4
一种轻质陶粒的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、将煤矸石和铁尾矿分别利用球磨机粉磨至一定细度，按照城市污泥18％(质量百分比)、煤矸石粉74％(质量百分比)、铁尾矿8％(质量百分比)的比例混合配料，然后放入搅拌机内高速搅拌均；
S2、用挤出造粒机制成直径大小为8-15mm的圆柱状生料颗粒并在烘箱中烘干；
S3、把烘干的陶粒生料球送入已经升温至500℃的回转窑(Φ0.4m*0.6m)中，从500℃升温至1090℃，升温时间28min，回转窑转速控制在1.5r/min，然后放入2.5％的谷壳灰对陶粒表面进行充分包裹，回转窑转速控制在2.5r/min；最后快速升温至1150℃进行煅烧5-10min，回转窑转速控制在1.5r/min；烧成的陶粒从窑头取出，自然冷却到常温，从而得到轻质陶粒成品。上述方案中获得到陶粒制品的特征在于：堆积密度为260kg/m3，筒压强度3.6MPa，1h吸水率为5.2％。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种轻质陶粒的制备方法，其特征在于：按质量百分比计算，该轻质陶粒包括城市污泥10-30%，煤矸石58-85%、铁尾矿5-12%，外掺谷壳灰1-5%；其中城市污泥的含水率为80%；所述铁尾矿的化学性能如下：按质量百分比计，烧失量L.O.I为4.5-5.2%，SiO2为36.1-37.5%，Al2O3为8.2-9.2%，Fe2O3为12.7-13.1%，CaO为7.6-8.5%，MgO为13.2-13.8%，K2O为0.7-0.9%，Na2O为0.8-1.0%；
所述谷壳灰的制备方法如下，将谷壳粉磨至80μm筛余≤10%；粉磨后的谷壳放入已经升温至700-750℃的高温炉内，然后通入氧气作为助燃气体焚烧1-2h后冷却至常温；再经超细粉磨后获得比表面积85-95m2/g的谷壳灰；
轻质陶粒的制备方法包括以下步骤，
S1、利用球磨机将煤矸石和铁尾矿分别粉磨至一定细度；然后将城市污泥、煤矸石和铁尾矿按所述质量百分比混合配料后，搅拌均匀；
S2、首先用挤出造粒机制成直径大小为8-15mm的圆柱状生料颗粒并在烘箱中烘干；S3、其次把烘干的陶粒生料球送入已经升温至500℃的回转窑中，从500℃升温至1080-1100℃，升温时间25-35min，回转窑转速控制在1-2r/min，然后放入1-5%的谷壳灰对陶粒表面进行充分包裹，回转窑转速控制在2-3r/min；最后快速升温至1140-1180℃进行煅烧5-10min，回转窑转速控制在1-2r/min；烧成的陶粒从窑头取出，自然冷却到常温；从而得到轻质陶粒成品。
2.如权利要求1所述的轻质陶粒的制备方法，其特征在于：所述谷壳灰中SiO2含量≥90wt%，无定形SiO2含量≥75wt%。
3.如权利要求1所述的轻质陶粒的制备方法，其特征在于，所述谷壳灰的化学性能如下：按质量百分比计，烧失量L.O.I为1.0-4.0%，SiO2为90.0-93.5%，Al2O3为0.40-0.60%，Fe2O3为0.20-0.50%，CaO为0.50-0.70%，MgO为0.45-0.60%，K2O为2.3-2.60%，Na2O为0.08%。
4.如权利要求1所述的轻质陶粒的制备方法，其特征在于：所述轻质陶粒成品的特性为吸水率≦6.0％，筒压强度 2.5-4.8MPa，堆积密度260-450kg/m3。
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