一种免烧陶粒及制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种免烧陶粒及制备方法。
背景技术
随着城镇化的不断加速、市政污泥产量不断加速，据估计，我国2020污泥产量达7146.66万吨，目前污泥的处置方式大多带来二次污染，污泥灰渣是污泥经焚烧后的产物，目前的处理方法以卫生填埋为主，且处置费用较高，此外，这种处理方式存在的隐患在于，污泥灰渣存在重金属污染问题。
煤矸石是采煤过程、洗煤过程中排放的固体废物，据统计，2017年我国煤矸石产量达3.3亿吨，综合利用率则为53.1％，而诸如日本以及一些欧洲国家，其综合利用率可达90％以上，提高煤矸石的综合利用率还有很大空间。
混凝土主要材料之一就是砂石骨料，一般情况下，基础设施建设工程材料费占工程造价的60％～70％，这其中，砂石骨料占到近三分之一。近年来，在国家生态文明建设方针指引下，砂石骨料行业转型升级和跨越式发展，各地陆续关闭传统、小型企业，淘汰落后产能。基于此，我国砂石骨料经常出现供应不足的现状，其成本也在不断攀升。
陶粒是一种人造轻质骨料，通常是在一定的条件下，发生化学反应，生成一种稳定、质硬的固相。人造陶粒具有很多优异的性能，如密度低、抗冻性好、软化系数好等。陶粒具有性能可设计性，可设计出不同密度、不同强度和吸水率的陶粒，如利用陶粒可设计性，制备出满足混凝土用基础材料，可替代部分天然砂石骨料。
基于此，开展以污泥灰渣和其他固废为基的陶粒处理污泥灰渣资源化有效途径，而目前制备出的含有污泥灰渣陶粒以烧结类的为主，其烧结陶粒设备投资大，成本高；而免烧陶粒大多强度较低，其应用范围受限，此外，污泥灰渣免烧陶粒中含有的重金属在制备成陶粒时对重金属的吸附及固化作用也没有进行过多的考虑。
发明内容
本发明的目的在于提供一种免烧陶粒及制备方法。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种免烧陶粒，包括以下重量份的组分：污泥灰渣10～50份、煤矸石50～100份、工业副产石膏25～75份、煤气化渣10～50份、吸附剂5～25份、增塑剂30～85份。
进一步的技术方案是，所述的污泥灰渣为市政和工业污泥燃烧后副产物中的一种或两种，污泥灰渣中的氧化硅含量不小于30％，氧化铝含量不小于18％。
进一步的技术方案是，所述煤矸石中的氧化硅含量不小于15％，氧化铝含量不小于3％，氧化钙含量不小于50％。
进一步的技术方案是，所述工业副产石膏中的半水硫酸钙含量不小于75％，二水硫酸钙含量小于10％，自由水含量小于5％。
进一步的技术方案是，所述煤气化渣中的氧化钙含量不小于40％、氧化硅含量不小于30％、氧化铝含量不小于15％。
进一步的技术方案是，所述吸附剂包括以下重量份的组分：沸石粉5～20份、壳聚糖类10～30份、活性炭1～10份、硅藻土5～20份。
进一步的技术方案是，所述增塑剂包括以下重量份的组分：聚羧酸类减水剂20～40份、减缩剂10～30份、缓凝剂1～10份、去离子水120～270份。
其所述的增塑剂可以减小固体颗粒间界面张力，使陶粒内部紧密，以改变陶粒性能；所述的增塑剂具有缓解煤矸石等胶材的水化作用，以便于更好的造粒成型。
一种免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤：
a、配制吸附剂：沸石粉5～20份、壳聚糖类10～30份、活性炭1～10份、硅藻土5～20份。
b、备料：称取污泥灰渣10～50份、煤矸石50～100份，工业副产石膏25～75份，煤气化渣10～50份，吸附剂5～20份；
c、煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为500～900℃的条件下煅烧1～5小时；
d、制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂20～40份、减缩剂10～30份、缓凝剂1～10份、去离子水120～270份配制成溶液，溶液表面张力小于35mN/m、减水率大于20％；
e、调节pH：将步骤a中称取好的污泥灰渣、煤矸石、工业副产石膏、煤气化渣、吸附剂分别粉磨并混合均匀后加入40～90份的增塑剂溶液和pH调节剂，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测定滤液pH值；
若滤液pH值小于11，则将滤液和混合块重新混合均匀后再继续加入pH调节剂，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，再次测定滤液pH值，直到滤液pH值不小于11，则再进行下一步；
f、造粒：将步骤d中确定的混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，混合均匀，将步骤d中所得的滤液喷入造粒设备中，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
g、养护：将制得的陶粒生料放置养护室养护后，再放入蒸汽养护设备中养护后取出，即为所得陶粒。
进一步的技术方案是，所述养护室内的温度为20±2℃，相对湿度不小于95％，养护时间为2～10小时；所述蒸汽养护设备内的温度为50～90℃，养护时间为4～10小时。
进一步的技术方案是，所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙中的一种。
本发明以调制的增塑剂为陶粒粘结剂，可有效果减小干料的界面张力，使得陶粒内部结构更加紧密，在造粒过程中，增塑剂还能起到润滑作用，减小陶粒用数量，增加陶粒强度。
与现有技术相比，具有以下优点：
1、以污泥灰渣、煤矸石等全固废为基制备出免烧陶粒，避免烧结工艺制备陶粒的高成本，高能耗，降低了陶粒制备的能耗和成本，本发明原料配比以全固废为原材料制备陶粒，且，提高了固体废弃物的综合利用率；
2、污泥中含有重金属元素，陶粒配比中加入重金属吸附剂，能有效固化陶粒中重金属浸出。
3、由于污泥灰渣pH值会影响胶材的水化反应，进而影响陶粒各项性能，本发明利用pH调节剂精确调节陶粒配比pH值，以避免陶粒配制碱度不够而影响原料的水化产物和对陶粒性能带来的不利影响；
4、本发明中免烧陶粒养护时间短，强度可观，且养护时间短，降低了制备陶粒的时间成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更进一步的说明。
实施例1
一种免烧陶粒，由以下步骤制备而成：
(1)配制吸附剂：将沸石粉10份、壳聚糖10份、活性炭2份，硅藻土5份按照配比混合均匀；
(2)备料：称取污泥灰渣10份、煤矸石100份、工业副产石膏45份、煤气化渣30份，吸附剂5份；
(3)煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为800℃的条件下煅烧1小时；
(4)制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂25份、减缩剂20份、缓凝剂5份、去离子水250份配制成溶液；
(5)调节pH：将步骤(1)中的组分分别粉磨并混合均匀后加入50份增塑剂溶液和18份氢氧化钠，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测得滤液pH值为11.3；
(6)造粒：将混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，在35转/分钟转速下混合均匀，然后将滤液喷入造粒设备中，调节转速为50转/分钟，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
(7)养护：将制得的陶粒生料放置温度为20±5℃，相对湿度不小于95％的养护室养护2h后，再放入80℃的蒸汽养护设备中养护7h后取出，即为所得陶粒。
实施例2
一种免烧陶粒，由以下步骤制备而成：
(1)石粉10份、壳聚糖10份、活性炭5份，硅藻土10份按照配比混合均匀；
(2)备料：称取污泥灰渣20份、煤矸石90份、工业副产石膏55份、煤气化渣20份，吸附剂10份；
(3)煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为700℃的条件下煅烧2小时；
(4)制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂30份、减缩剂18份、缓凝剂6份、去离子水216份配制成溶液；
(5)调节pH：将各个组分粉磨均过400目筛，混合均匀后加入57份增塑剂溶液和28份氢氧化钾，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测得滤液pH值为12；
(6)造粒：将混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，在30转/分钟转速下混合均匀，然后将滤液喷入造粒设备中，调节转速为60转/分钟，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
(7)养护：将制得的陶粒生料放置温度为20±5℃，相对湿度不小于95％的养护室养护5h后，再放入70℃的蒸汽养护设备中养护6.5h后取出，即为所得陶粒。
实施例3
一种免烧陶粒，由以下步骤制备而成：
(1)配制吸附剂：将沸石粉15份、壳聚糖10份、活性炭5份，硅藻土8份按照配比混合均匀；
(2)备料：称取污泥灰渣30份、煤矸石80份、工业副产石膏65份、煤气化渣40份，吸附剂15份；
(3)煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为600℃的条件下煅烧4小时；
(4)制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂40份、减缩剂20份、缓凝剂10份、去离子水234份配制成溶液；
(5)调节pH：将各个组分分别粉磨均过400目筛，混合均匀后加入62份增塑剂溶液和32份氧化钙，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测得滤液pH值为11.2；
(6)造粒：将混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，在40转/分钟转速下混合均匀，然后将滤液喷入造粒设备中，调节转速为45转/分钟，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
(7)养护：将制得的陶粒生料放置温度为20±5℃，相对湿度不小于95％的养护室养护10h后，再放入50℃的蒸汽养护设备中养护10h后取出，即为所得陶粒。
实施例4
一种免烧陶粒，由以下步骤制备而成：
(1)配制吸附剂：将沸石粉15份、壳聚糖20份、活性炭10份，硅藻土10份按照配比混合均匀；
(2)备料：称取污泥灰渣40份、煤矸石70份、工业副产石膏75份、煤气化渣40份，吸附剂15；
(3)煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为500℃的条件下煅烧5小时；
(4)制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂35份、减缩剂20份、缓凝剂5份、去离子水200份配制成溶液；
(5)调节pH：将各个组分分别粉磨均过400目筛，混合均匀后加入85份增塑剂溶液和38份pH调节剂，pH调节剂为氢氧化钠和氢氧化钾按照摩尔比为1：1配制而成，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测定滤液pH值为11.4；
(6)造粒：将混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，在35转/分钟转速下混合均匀，然后将滤液喷入造粒设备中，调节转速为55转/分钟，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
(7)养护：将制得的陶粒生料放置温度为20±5℃，相对湿度不小于95％的养护室养护5h后，再放入80℃的蒸汽养护设备中养护6h后取出，即为所得陶粒。
实施例5
一种免烧陶粒，由以下步骤制备而成：
(1)配制吸附剂：将沸石粉15份、壳聚糖10份、活性炭10份，硅藻土15份按照配比混合均匀；
(2)备料：称取污泥灰渣50份、煤矸石60份、工业副产石膏25份、煤气化渣50份，吸附剂20份；
(3)煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为900℃的条件下煅烧1小时；
(4)制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂25份、减缩剂20份、缓凝剂8份、去离子水210份配制成溶液；
(5)调节pH：将各个组分分别粉磨均过400目筛，混合均匀后加入70份增塑剂溶液和42份pH调节剂，pH调节剂为氢氧化钠和氧化钙按照摩尔比为1：1配制而成，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测定滤液pH值为12；
(6)造粒：将混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，在30转/分钟转速下混合均匀，然后将滤液喷入造粒设备中，调节转速为50转/分钟，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
(7)养护：将制得的陶粒生料放置温度为20±5℃，相对湿度不小于95％的养护室养护6h后，再放入70℃的蒸汽养护设备中养护8.5h后取出，即为所得陶粒。
实施例6
一种免烧陶粒，由以下步骤制备而成：
(1)配制吸附剂：将沸石粉5份、壳聚糖10份、活性炭5份，硅藻土10份按照配比混合均匀；
(2)备料：称取污泥灰渣25份、煤矸石50份、工业副产石膏35份、煤气化渣25份，吸附剂15份；
(3)煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为700℃的条件下煅烧3小时；
(4)制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂20份、减缩剂10份、缓凝剂5份、去离子水175份配制成溶液；
(5)调节pH：将各个组分分别粉磨均过400目筛，混合均匀后加入48份增塑剂溶液和28份pH调节剂，pH调节剂为氢氧化钾和氧化钙按照摩尔比为1：1配制，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测定滤液pH值为12；
(6)造粒：将混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，在35转/分钟转速下混合均匀，然后滤液喷入造粒设备中，调节转速为60转/分钟，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
(7)养护：将制得的陶粒生料放置温度为20±5℃，相对湿度不小于95％的养护室养护2h后，再放入60℃的蒸汽养护设备中养护9h后取出，即为所得陶粒。
实施例7
一种免烧陶粒，由以下步骤制备而成：
(1)配制吸附剂：将沸石粉10份、壳聚糖15份、活性炭8份，硅藻土10份按照配比混合均匀；
(2)备料：称取污泥灰渣35份、煤矸石65份、工业副产石膏40份、煤气化渣35份，吸附剂18份；
(3)煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为600℃的条件下煅烧4小时；
(4)制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂35份、减缩剂20份、缓凝剂8份、去离子水252份配制成溶液；
(5)调节pH：将各个组分分别粉磨均过400目筛，混合均匀后加入57份增塑剂溶液和32份氧化钙，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测定滤液pH值为11.5；
(6)造粒：将混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，在35转/分钟转速下混合均匀，然后滤液喷入造粒设备中，调节转速为50转/分钟，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
(7)养护：将制得的陶粒生料放置温度为20±5℃，相对湿度不小于95％的养护室养护6h后，再放入70℃的蒸汽养护设备中养护8h后取出，即为所得陶粒。
实施例8
一种免烧陶粒，由以下步骤制备而成：
(1)配制吸附剂：将沸石粉5份、壳聚糖25份、活性炭10份，硅藻土15份按照配比混合均匀；
(2)备料：称取污泥灰渣45份、煤矸石75份、工业副产石膏60份、煤气化渣25份，吸附剂15份；
(3)煤矸石煅烧预处理：将备料好的煤矸石在温度为800℃的条件下煅烧3小时；
(4)制备增塑剂溶液：将聚羧酸类减水剂25份、减缩剂30份、缓凝剂10份、去离子水220份配制成溶液；
(5)调节pH：将各个组分分别粉磨均过400目筛，混合均匀后加入71份增塑剂溶液和41份氢氧化钾，搅拌均匀后成块压滤得到滤液和混合块，测定滤液pH值为11.8；
(6)造粒：将混合块粉磨过筛后放入造粒设备中，在40转/分钟转速下混合均匀，然后将确定用量的pH调节剂喷入造粒设备中，调节转速为35转/分钟，形成的颗粒状产物为陶粒生料；
(7)养护：将制得的陶粒生料放置温度为20±5℃，相对湿度不小于95％的养护室养护8h后，再放入90℃的蒸汽养护设备中养护5h后取出，即为所得陶粒。
利用GB/T%2017431.2-2010中堆积密度、筒压强度和吸水率的测试方法分别测试了实施例1至8所制备的陶粒，结果如下表所示：
备注：初始筒压强度为陶粒养护结束后所测养护强度。测试完之后，将陶粒放入养护室温度为20±2℃，相对湿度不小于95％条件下养护7d和28d后测试陶粒强度；1h吸水率是陶粒蒸养结束后晾干所测。
检测污泥中重金属含量及将陶粒放入蒸馏水中进行浸出毒性鉴别试验，试验结果选用等离子体原子发射光谱仪检测陶粒浸出液的重金属含量，测试结果如下表所示：
备注：GB3838-2002《地表水环境质量标准》中规定，Cu含量不大于0.01mg/L，Zn含量不大于0.05mg/L，Pb含量不大于0.01mg/L，Cd含量不大于0.001mg/L，Cr含量不大于0.01mg/L，Hg含量不大于0.00005mg/L，As含量不大于0.05mg/L。
以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
