煅烧粘土及其制备方法和石灰石煅烧粘土水泥
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，特别是涉及一种煅烧粘土及其制备方法和石灰石煅烧粘土水泥。
背景技术
石灰石煅烧粘土水泥(即LC3水泥)为近年来提出的一种新型复合水泥材料，该材料是指将石灰石、煅烧粘土以一定比例替代水泥熟料，并掺加石膏，使其具有与普通硅酸盐水泥相媲美的力学性能及良好的耐久性能。LC3水泥还具有水化迅速、早期强度高、孔隙致密、有效阻抗有害介质侵入等优点。同时，由于采用石灰石和煅烧粘土以高比例置换水泥熟料，能够有效降低碳排放，实现可持续发展要求，是一种理想的复合胶凝材料。目前LC3水泥中使用的煅烧粘土的原材料为批量生产的高岭土。高岭土价格昂贵，在工程实际生产中并不适用。
余泥渣土主要包括工程弃土和拆建物料两大类，传统对余泥渣土处理的方式包括当地倾倒、当地回填和进行人工湿地改造。但每年产生的余泥渣土量较大，大大超过了当地倾倒场的总容量。且从长远来看，以上三种方法都不是可持续的。
发明内容
基于此，有必要提供一种以余泥渣土为原料制备煅烧粘土的方法，以实现余泥渣土的有效利用，同时降低煅烧粘土成本且煅烧粘土用于LC3水泥时，能够满足LC3水泥对强度的要求。
此外，还提供一种煅烧粘土及石灰石煅烧粘土水泥。
一种煅烧粘土的制备方法，包括如下步骤：
将余泥渣土进行过筛，除去所述余泥渣土中粒径大于75μm的粗颗粒，得到粘土粉末；及
将所述粘土粉末在700℃～850℃下进行煅烧，得到煅烧粘土。
在其中一个实施例中，所述将余泥渣土进行过筛，除去所述余泥渣土中粒径大于75μm的粗颗粒，得到粘土粉末的步骤包括：
将所述余泥渣土与水混合搅拌，使所述余泥渣土充分分散，得到渣土悬浮液；
将所述渣土悬浮液过筛，得到过筛液和未过筛的所述粗颗粒；
将所述过筛液进行滤液分离，得到所述粘土粉末。
在其中一个实施例中，所述将所述渣土悬浮液过筛的步骤中，过筛的目数为200目。
在其中一个实施例中，所述将所述渣土悬浮液过筛的步骤包括：
将所述渣土悬浮液过筛，得到过筛的液体和未过筛的颗粒；
将所述未过筛的颗粒与水混合搅拌然后过筛，并重复所述将所述未过筛的颗粒与水混合搅拌然后过筛的步骤。
在其中一个实施例中，所述过筛的目数为200目；及/或，所述将所述余泥渣土与水混合搅拌的步骤之前，还包括取部分所述余泥渣土进行筛分实验以获得所述余泥渣土中所述粗颗粒的含量，所述将所述余泥渣土与水混合搅拌的步骤中，水的加入量根据所述余泥渣土中所述粗颗粒的含量进行调整。
在其中一个实施例中，所述煅烧的时间为2h～4h。
在其中一个实施例中，所述将所述粘土粉末进行煅烧的步骤之前，还包括将所述粘土粉末进行干燥的步骤。
在其中一个实施例中，所述干燥的温度为100℃～110℃，所述干燥的时间为12h～24h。
一种煅烧粘土，由上述的煅烧粘土的制备方法制备得到。
一种石灰石煅烧粘土水泥，所述石灰石煅烧粘土水泥的原料包括水泥熟料、石灰石、石膏和煅烧粘土，所述煅烧粘土为上述的煅烧粘土。
在其中一个实施例中，按质量百分比计，所述石灰石煅烧粘土水泥的原料包括：水泥熟料40％～60％、石灰石10％～20％、石膏4％～6％及煅烧粘土20％～40％。
发明人发现，余泥渣土中含有粒径较大的粗颗粒和粒径较小的粘土粉末，而粗颗粒中石英的含量较高，高岭石的含量很低，粘土粉末中的高岭石含量很高，因此，发明人将废弃的余泥渣土为原料通过过筛除去余泥渣土中粒径大于75μm的粗颗粒，得到粒径小的粘土粉末，从而使得余泥渣土中的高岭石的含量提高，经过在700℃～850℃煅烧处理后，高岭石变成偏高岭石，具有火山灰活性，能够作为煅烧粘土应用在LC3水泥的制备过程中，提高LC3水泥的强度。另外，以余泥渣土为原料，成本较低，且取材容易，同时解决了余泥渣土处理的问题。因此，上述煅烧粘土的制备方法能够实现余泥渣土的合理且有效利用，且煅烧粘土的成本低，用于LC3水泥时满足LC3水泥对强度的要求。
附图说明
图1为一实施方式的煅烧粘土的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，一实施方式的煅烧粘土的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110：将余泥渣土进行过筛，除去余泥渣土中粒径大于75μm的粗颗粒，得到粘土粉末。
余泥渣土是指各类建筑工程废弃的土、渣、料等建筑垃圾。传统对余泥渣土处理的方式包括当地倾倒、当地回填和进行人工湿地改造。但每年产生的余泥渣土量较大，大大超过了当地倾倒场的总容量。仅就深圳市余泥渣土情况统计，每年产生数量达到上亿立方米，由于本地余泥渣土受纳场有限，大部分余泥渣土依赖于异地填埋，但因其具有高度不可控因素，容易引起一系列纠纷问题，因此余泥渣土的处理问题亟待解决。从长远来看，以上三种方法都不是可持续的。因此，地方政府，工业界和学术界都在大力开发更可持续地处理余泥渣土的方法。
在本实施方式中，以余泥渣土为原料制备得到煅烧粘土，从而用于石灰石煅烧粘土水泥的制备中，一方面实现了余泥渣土的有效合理利用，另一方面，解决了煅烧粘土来源的问题。
余泥渣土中包含粒径较大的粗颗粒和粒径较小的粘土粉末。经XRD分析后发现，粗颗粒中的石英含量较高，而基本不含或含少量高岭石。粘土粉末中的石英含量低，而高岭石含量较高。高岭石含量较高的粘土粉末经煅烧处理后可以作为煅烧粘土用于LC3水泥的制备中。因此，在本实施方式中，先通过过筛的方式除去余泥渣土中粒径大于75μm的粗颗粒，留下粒径小于75μm的粘土粉末。
在其中一个实施例中，步骤S110可以为干筛的方式，经过多次过筛除去粗颗粒。在另一个实施例中，步骤S110还可以采用湿法过筛的方式，具体湿法过筛的方式包括如下步骤S112～步骤S116：
步骤S112：将余泥渣土与水混合，使余泥渣土充分分散，得到渣土悬浮液。
步骤S112的目的是使余泥渣土中的粘土粉末充分分散。在其中一个实施例中，步骤S112为：将余泥渣土在水中浸泡24h，并不断搅拌，使余泥渣土充分分散在水中。可以理解，在其他实施例中，余泥渣土浸泡的时间不限于为24h，还可以根据实际情况进行调整。
具体地，步骤S112中，水的用量可以根据余泥渣土中粗颗粒的含量进行调整。若粗颗粒的含量较多，适当加入较多水；若粗颗粒的含量较少，水的用量可以适当减少。其中，粗颗粒的含量可以通过筛分法获得。因此，步骤S112之前，还可以包括：对部分余泥渣土进行筛分实验，以获得余泥渣土中粗颗粒的含量，将余泥渣土与水混合搅拌的步骤中，水的加入量根据余泥渣土中粗颗粒的含量进行调整。
步骤S114：将渣土悬浮液过筛，得到过筛液和未过筛的粗颗粒。
具体地，步骤S114中，过筛的目数为200目。步骤S120中过筛的目的是将分散在水中的颗粒较小的粘土粉末和粒径较大的粗颗粒进行分离，以除去余泥渣土中的粗颗粒。余泥渣土中的粗颗粒中石英的含量高，高岭石的含量相对较低，在用于制备LC3水泥时，不能满足强度的要求。因此，由余泥渣土制备煅烧粘土的过程中，需要除去粗颗粒。
具体地，将渣土悬浮液过筛的步骤中，在持续搅拌的条件下进行，以使渣土悬浮液中小于筛子目数的粘土粉末全部过筛。
在其中一个实施例中，步骤S112包括：
将渣土悬浮液过筛，得到过筛的液体和未过筛的颗粒；
将未过筛的颗粒与水混合搅拌然后过筛，并重复将未过筛的颗粒与水混合搅拌然后过筛的步骤。
由于余泥渣土与水混合后，渣土悬浮液的流动性很小，粘性较大，一次过筛不能将粘土粉末和粗颗粒分离，粗颗粒中容易粘附大量粘土粉末，因此，需要将未过筛的颗粒多次加水洗然后过筛，以使粗颗粒与粘土粉末充分分离。
在本实施方式中，步骤S112及步骤S114中所添加的水的用量可以根据实际情况进行调整。实验发现，当余泥渣土中的粗颗粒含量较多，则需加入较多量的水以使余泥渣土中的粘土粉末充分溶解，且筛洗的步骤重复次数较多。当余泥渣土中的粗颗粒含量较少，则加入的水量较少，且筛洗的步骤无需重复多次。
实验过程中，若需要获得余泥渣土的含砂率，需保证过程中带有余泥渣土的悬浮液并无流出或外泄，且需要将清洗筛子所用的水与过筛液混合，进行再次过筛，根据最终的筛余颗粒占余泥渣土的质量含量，计算得到余泥渣土中的含砂率。
步骤S114中，未过筛的粗颗粒即为砂石骨料。砂石骨料经干燥处理后可用作工业化生产中进一步加工使用。
步骤S116：将过筛液进行过滤，得到粘土粉末。
在其中一个实施例中，步骤S116采用真空过滤的方式。通过步骤S116将分散在过筛液中的粘土粉末和水分离。
采用上述步骤S112～步骤S116对余泥渣土进行过筛处理，较直接采用干法筛分的方式，效率更高，且得到的粘土粉末含量更多。
步骤S120：将粘土粉末进行煅烧，得到煅烧粘土。
具体地，煅烧的温度为700℃～850℃，煅烧的时间为2h～4h。在其中一个实施例中，煅烧的温度为700℃、750℃、800℃或850℃。进一步地，煅烧的温度为700℃，煅烧的时间为4h。或者，煅烧的温度为800℃，煅烧的时间为2h～3h。在上述温度和时间条件下能够使煅烧后的粘土的强度达到最佳。通过煅烧使粘土粉末中的高岭石转化为偏高岭土，从而具有火山灰活性，从而使煅烧粘土在用于LC3水泥中时，提高LC3水泥的强度，且火山灰反应使LC3水泥的孔隙率小、结构致密且有良好的耐久性。
具体地，在步骤S110之后，在步骤S120之前，还包括将粘土粉末进行干燥处理的步骤。在其中一个实施例中，干燥的温度为100℃～110℃，干燥的时间为12h～24h。可以理解，在其他实施例中，干燥的温度和时间还可以根据情况进行调整。通过干燥处理，得到干燥后的粘土粉末，避免直接将粘土粉末进行煅烧而由于粘土粉末中含有水分造成得到的煅烧粘土的性能下降。
上述实施方式的煅烧粘土的制备方法至少具有以下优点：
(1)上述煅烧粘土的制备方法以废弃的余泥渣土为原料，经过多次水洗、过筛的步骤，使得余泥渣土中不含有或含少量高岭石的粗颗粒除去，从而经过过滤，得到的粘土粉末中，高岭石的含量较高。而高岭石为火山灰反应的活性组分，因此，高岭石含量越高的粘土，氧化铝含量越多，氧化铝能够与水泥水化产物发生火山灰反应生成钙钒石，促进强度增长；同时，氧化铝又能够与石灰石反应生成AFm相抑制钙钒石的分解，保持强度稳定。因此，本实施方式中将余泥渣土中粒径大于0.075mm的不含高岭石组分的颗粒剔除，大大增加了粘土中高岭石的百分比，使其制备的LC3水泥强度高且发展快；火山灰反应使LC3水泥的孔隙率小、结构致密且具有良好的耐久性。
(2)上述煅烧粘土的制备方法以余泥渣土为原料，成本较低，且取材容易，同时解决了余泥渣土处理的问题，实现了余泥渣土的有效利用。
(3)上述煅烧粘土的制备方法工艺简单，可广泛应用于工程实践中。
一实施方式的煅烧粘土，由上述实施方式的煅烧粘土的制备方法制备得到。该煅烧粘土中偏高岭石的含量较高，能够作为LC3水泥的原料应用在LC3水泥的制备中，满足LC3水泥对强度的要求。且该煅烧粘土以废弃的余泥渣土为原料，成本较低，原料来源广泛。
一实施方式的石灰石煅烧粘土水泥，制备石灰石煅烧粘土水泥的原料包括：水泥熟料、石灰石、石膏和煅烧粘土。该煅烧粘土为上述实施方式的煅烧粘土，在此不再赘述。
具体地，按质量百分比计，石灰石煅烧粘土水泥的原料包括：水泥熟料40％～60％、石灰石10％～20％、石膏4％～6％及煅烧粘土20％～40％。在其中一个实施例中，按质量百分比计，石灰石煅烧粘土水泥的原料包括：水泥熟料50％、石灰石15％、石膏5％及煅烧粘土30％。可以理解，在其他实施例中，石灰石煅烧粘土水泥中的原料配比还可以根据煅烧粘土的性能进行调整。
LC3水泥，即石灰石煅烧粘土水泥是一种绿色低碳硅酸盐水泥。煅烧粘土类矿物相比于粉煤灰与磨细矿渣具有更高的火山灰活性，在部分取代硅酸盐水泥时并不会影响水泥基材料的早期力学性能。同时煅烧黏土矿物的原材料高岭土储量丰富，生产烧制工艺与硅酸盐水泥相似，并且煅烧温度低，煅烧过程中不会释放二氧化碳，具有诸多优势。在该体系中，煅烧粘土与石灰石在碱性环境下反应生成了水化产物水化碳铝酸钙，水泥基材料的力学性能与抗渗性能依然优于普通硅酸盐水泥体系。同时，煅烧粘土与石灰石的复合掺加能节约更多的硅酸盐水泥熟料，进一步降低水泥生产过程中的碳排放量，因而被视为一种极具应用前景的新型低碳水泥体系。
在本实施方式中，以废弃的余泥渣土为原料经多次水洗、过筛、过滤、干燥和煅烧处理后，可以作为煅烧粘土用于制备LC3水泥，一方面解决了余泥渣土的处理问题，实现了余泥渣土的变废为宝。另一方面，煅烧粘土的成本较传统常用的高岭土的成本低，且较未处理的粘土的高岭石含量高，活性组分氧化铝高，因而用于制备LC3水泥时，制备得到的LC3水泥的强度高，满足常用的LC3水泥对强度的要求。因此，本实施方式的LC3水泥兼具成本低且强度高的优点。
一实施方式的石灰石煅烧粘土水泥的制备方法，包括如下步骤：将水泥熟料、石灰石、石膏和煅烧粘土混合搅拌，得到石灰石煅烧粘土水泥。其中，煅烧粘土为上述实施方式的煅烧粘土，在此不再赘述。
具体地，按质量百分比计，石灰石煅烧粘土水泥的原料包括：水泥熟料40％～60％、石灰石10％～20％、石膏4％～6％及煅烧粘土20％～40％。在其中一个实施例中，按质量百分比计，石灰石煅烧粘土水泥的原料包括：水泥熟料50％、石灰石15％、石膏5％及煅烧粘土30％。可以理解，在其他实施例中，石灰石煅烧粘土水泥中的原料配比还可以根据煅烧粘土的性能进行调整。上述石灰石煅烧粘土水泥的制备方法可以为本领域常用的制备方法，在此不再赘述。
以下为具体实施例部分：
以下实施例中所用到的两种余泥渣土分别取自深圳市南山区与福田区两处填埋工地，以下简称为余泥渣土A及余泥渣土B。
实施例1
本实施例的煅烧粘土的制备过程具体如下：
(1)取余泥渣土A 1500g于干净烧杯中，然后加入4000mL纯净水浸泡24h后充分搅拌，得到渣土悬浮液。
(2)将步骤(1)得到的渣土悬浮液搅拌完全后通过目数为0.075mm的筛子分批倒出土样溶液，确保原烧杯中无残余的余泥渣土，将筛上未通过的剩余颗粒取出，并装入适当容器内，得到过筛液和未过筛颗粒。
(3)向未过筛颗粒中继续注入1000mL纯净水进行搅拌，然后通过目数为0.075mm的筛子过筛，得到二次过筛液和未过筛颗粒。重复步骤(3)三次。
(4)将多次筛洗后得到的所有过筛液倒入真空抽滤装置中进行抽滤，得到粘土粉末。将粘土粉末放入干燥箱中，在110℃中烘干24h取出。
(5)将干燥后的粘土粉末在800℃下进行煅烧3h，得到煅烧粘土A。
实施例2
本实施例的煅烧粘土的制备过程与实施例1的煅烧粘土的制备过程相似，区别在于：实施例2中所用到的余泥渣土为余泥渣土B，所制备得到的煅烧粘土命名为煅烧粘土B。
实施例3
本实施例的LC3水泥的制备过程具体如下：
(1)按质量百分比计，称取如下原料：水泥熟料50％、石灰石15％、石膏5％及实施例1制备得到的煅烧粘土A30％。
(2)将上述原料混合搅拌，得到本实施例的LC3水泥。
实施例4
本实施例的LC3水泥的制备过程具体如下：
(1)按质量百分比计，称取如下原料：水泥熟料50％、石灰石15％、石膏5％及实施例2制备得到的煅烧粘土B 30％。
(2)将上述原料混合搅拌，得到本实施例的LC3水泥。
对比例1
对比例1的LC3水泥的制备过程具体如下：
(1)按质量百分比计，称取如下原料：水泥熟料50％、石灰石15％、石膏5％及未处理的余泥渣土A 30％。
(2)将上述原料混合搅拌，得到对比例1的LC3水泥。
对比例2
对比例2的LC3水泥的制备过程具体如下：
(1)按质量百分比计，称取如下原料：水泥熟料50％、石灰石15％、石膏5％及市售的高岭土30％。
(2)将上述原料混合搅拌，得到对比例2的LC3水泥。
以下为测试部分：
1、余泥渣土处理前后的XRD分析
将实施例1和实施例2中用到的余泥渣土A和余泥渣土B各取少许于玛瑙钵体内进行研磨，研磨至全部样品通过200目筛，该过程应确保所取土样的一般性。采用XRD定量相分析方法，将研磨后的样品称重，取0.9g于烧杯中，加入0.1g的固体氧化锌，利用酒精溶液充分搅拌，混合均匀，放入干燥箱中烘干。使用X射线衍射仪(德国布鲁克AXS公司，D8Advance)将烘干后的样品进行测试，并使用TOPAS软件进行XRD定量分析，分析结果如下表1所示。
将实施例1和实施例2的步骤(4)得到的干燥后的粘土粉末A和粘土粉末B按照上述方法依次进行XRD定量分析，分析结果如下表1所示。
将对比例2中所用到的高岭土按照上述方法进行XRD定量分析，分析结果如下表1所示。
表1余泥渣土A和余泥渣土B水洗筛分前后的XRD定量分析结果
从上述表1中可以看出，采用实施例的方法对余泥渣土进行处理，明显提高了余泥渣土中的高岭石含量，且大大降低了惰性材料石英的含量。在上述实施例1和实施例2中，两种余泥渣土A和余泥渣土B处理前后的高岭石的含量的增幅均在40％以上，高岭石包含了活性氧化铝成分，高岭石含量的增加相当于氧化铝的大幅增长，煅烧后掺入水泥中能够继而增加LC3水泥的火山灰反应，增强其力学性能及耐久性能。另外，上述方法操作简单，易于理解，并且能够在保证性能的前提下，利用建筑废料余泥渣土作为LC3水泥原材料，降低了煅烧粘土和LC3水泥的成本，可在工程废弃物回收再利用方面进行广泛推广及应用。
2、采用水泥胶砂强度检验方法(ISO法)(GBT 17671-1999)对实施例3～实施例4和对比例1～对比例2制备得到的LC3水泥的强度进行测试，得到如下表2所示的实验数据。
表2实施例和对比例的LC3水泥的强度数据
从上述表2中可以看出，实施例3和实施例4中以余泥渣土为原料制备的煅烧粘土用于LC3水泥的制备中，所得到的水泥强度与采用价格昂贵的高岭土为煅烧粘土所制备的LC3水泥的强度相当，且远高于未处理的余泥渣土直接作为煅烧粘土所制备的LC3水泥的强度，此外余泥渣土的成本低、取材容易，采用上述方法对余泥渣土进行处理，不仅解决了余泥渣土的处理问题，还在保证LC3水泥强度的同时，降低了LC3水泥的生产成本。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
