一种轻质骨料、制备工艺及其应用的制作方法

1.本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种轻质骨料、制备工艺及其应用。


背景技术：

2.骨料是在混泥土中起骨架或填充作用的粒状松散材料，主要应用于水泥混泥土、沥青混泥土、道路基础、砂浆等领域，是一种在建筑中非常重要的原料。而轻质骨料作为一种新型骨料越来越受到青睐，同时由于其密度小、保温性好、抗震性好，可用于高层及大跨度建筑，使用范围原料越广。
3.轻质骨料的种类较多，包括天然轻骨料(浮石、火山渣等)、工业废料(粉煤灰陶粒，膨胀矿渣珠等)和人造轻骨料(页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等)。随着天然轻质骨料的消耗，使用废料制备的人造轻骨料逐渐增多，而同时由于人们日益生活水平的提高，对居住环境要求也越来越高，使用单一种类的轻质骨料或直接使用废弃物制备骨料的安全性要求已经无法满足当今社会需求。
4.cn108585568b公开了一种污泥制备高质量轻质骨料及方法，将污泥、植物纤维、生石灰和水玻璃混合均匀，微波加热制球，然后在污泥球上喷涂防水剂后用包覆材料对污泥球进行包覆，干燥即得。该现有技术虽然充分利用了污泥及秸秆废弃物，但是由于污泥成分复杂，不仅含有大量重金属，同时还含有大量有机质，同样秸秆中也含有大量有机质，若吸水未及时干燥容易腐烂变质等散发异味，且容易使得该轻质骨料后续稳定性变差。cn111943542b公开了一种利用生物材料制备铝钛渣轻质骨料的方法，将铝钛渣、高活性氧化钙、高铝矾土熟料、生物有机造孔剂，分别破碎至100目以下，得到铝钛渣粉、高活性氧化钙粉、高铝矾土熟料粉、生物有机造孔剂粉，按比例混合并细磨，然后放入造球机，加入水得到铝钛渣球料，置室温下养护12-24h，再鼓干燥，得到钛铝渣球料置于回转窑内高温烧结，得到铝钛渣轻质骨料。该现有技术虽然利用了部分生物有机质，但是其含量少，仍然以工业材料为主，且密度仍有1.45g/cm3，达不到轻质骨料要求。
5.有鉴于此，如何通过利用废弃物得到质轻、强度高且安全的新型轻质骨料是当前需要解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种轻质骨料、制备工艺及其应用，该轻质骨料以农业废弃物及工业废弃物为主要原料，通过优化组分配比，设计制备工艺，得到的轻质骨料堆积密度小、强度高，防水性、稳定性、安全性好，可作为轻质骨料混泥土的原料，用于高层建筑非承重墙、外墙、大跨度墙体等领域。
7.为实现上述目的，本发明提供一种轻质骨料，所述轻质骨料包括以下原料组分：秸秆炭纤维，工业污泥，无机材料，有机凝胶材料，有机硅；
8.所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的5-8％；
9.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1-2％；
10.所述秸秆纤维、工业污泥、无机材料的质量比为20-25:60-70:5-10。
11.本技术方案中通过以秸秆炭纤维和工业污泥为主要原料，利用秸秆炭纤维具不规则骨架结构、质轻的特性，与工业污泥配合、同时进一步通过有机凝胶材料制造孔洞，无机材料增加强度，最后在所得到轻质骨粒内部及外表面吸附一层有机硅，得到的轻质骨粒具有堆积密度效、强度高、稳定性防水性好等特性。
12.进一步地，上述技术方案中，所述秸秆炭纤维为秸秆烘干后，粉碎，在制炭设备中经干燥、干馏、冷却后获得，所述秸秆炭纤维的粒径为100-120目。具体地，秸秆炭化工艺选用常规工艺即可。本发明以秸秆炭化纤维为轻质骨料的轻质材料，通过炭化后的秸秆中得蛋白等物质被破坏，孔隙被进一步释放，硬度加强，质轻，后续吸水也不会变质，且实现了秸秆的资源化利用。
13.进一步地，上述技术方案中，所述工业污泥为大型工业污水站经过除重处理后的污泥，其水分含量为70-75％。工业污泥是目前面临的一大固废处理难题，经过去除重金属的污泥，安全性好，主要含有二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钛、氧化钾、氧化钠、二氧化锰等成分，将其用于建筑材料，能大大缓解污泥固废处理问题，实现资源化利用。
14.进一步地，上述技术方案中，所述无机胶凝材料为硅酸盐水泥与氧化铝任意比例的混合物。
15.进一步地，上述技术方案中，所述有机胶凝材料为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚氨酯中的一种或几种。
16.本发明还提供一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
17.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒，快速烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
18.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护1-3h，采用圆盘造粒，最后将无机材料裹覆在最外层，养护1-3h，得到骨料粒；
19.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，冷却后，与有机硅混合，并置于密闭负压状态下处理0.5-1h，得到轻质骨料。
20.本技发明中先将秸秆炭纤维与一定的工业污泥混合、造粒，得到以纤维为骨架的污泥纤维粒，其中部分炭纤维孔隙被污泥填充，同时由于污泥中含有大量水分，经过高温快速烘干，内部水蒸汽快速冲出形成孔隙，进一步增多污泥纤维粒的孔隙，同时污泥的部分填充可加大秸秆炭纤维的强度，增加骨料的稳定性；将剩余工业污泥与有机凝胶混合后加入污泥纤维粒，可在污泥纤维粒表面包裹一层污泥有机凝胶混合物，在圆盘造粒的过程中，将无机材料裹覆在最外层，在放入回转窑干燥、煅烧的过程中，由于有机凝胶材料的沸点低经过高温后挥发，在污泥层留下大量孔洞，而由于具有外层无机材料的存在，其强度并不受影响。
21.进一步地，上述技术方案中，s1中，造粒粒径为0.5-2mm，烘干温度为100-120℃；s2中，造粒粒径为2-6mm。
22.进一步地，上述技术方案中，s3中，回转窑分两阶段升温，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温20-30min，转速为1-2r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为30-40min，转速控制在3-4r/min。本技术方案中通过分阶段升温，第一阶段低温干燥可将骨
料粒中的污泥和无机材料预固化，第二阶段高温煅烧，可将有机凝胶材料烧除，在骨料粒污泥层形成大量孔洞，同时经过高温煅烧提高骨料粒整体强度，得到的轻质骨料密度低，强度高。
23.进一步地，上述技术方案中，s3中，密闭负压状态的压力为负的200-500kpa。本技术方案中在密闭负压状态下加入少量有机硅，通过负压的作用将有机硅渗入到轻质骨料内部及表面，增加了疏水性能。
24.本发明还提供一种由上述轻质骨料在高层建筑、外墙、大跨度墙体中的应用。
25.本发明具有的有益效果是：
26.本发明通过以秸秆炭纤维和工业污泥为主要原料，利用秸秆炭纤维具不规则骨架结构、质轻的特性，与工业污泥配合，通过优化组分配比及制备工艺设计，得到的轻质骨粒具有堆积密度小、强度高、稳定性防水性好、安全性高等特性；在实现废弃物的资源化利用的同时，可减少天然骨料的消耗，具有广泛的市场应用前景。
27.本发明制备工艺通过先将秸秆炭纤维与部分污泥混合、造粒，并高温快速干燥，得到具有高孔隙度、高强度的污泥纤维粒，然后加入到混有有机凝胶材料的污泥中进行包覆，再其表面包覆一层强度高的无机材料，通过高温煅烧后有机凝胶材料、水分挥发出形成孔洞，在污泥层形成孔隙结构，且可进一步提高材料的强度，最后在所得到轻质骨粒内部及外表面吸附一层有机硅，提高材料的防水、耐温、耐候性能，得到的材料可作为轻质骨料混泥土的原料，可用于高层建筑非承重墙、外墙、大跨度墙体等领域。
具体实施方式
28.下述实施例中的实验方法，如无特别说明，均为常规方法。下述实施例涉及的原料若无特别说明，均为普通市售品，皆可通过市场购买获得。下面结合实施例对本发明作进一步详细描述：
29.实施例1
30.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
31.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒粒径为0.5mm，在100℃下烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
32.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护1h，采用圆盘造粒，粒径为4mm，最后将无机材料裹覆在最外层，养护1h，得到骨料粒；
33.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温20min，转速为1r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为30min，转速控制在4r/min，出料、冷却后，与有机硅混合，并置于密闭压力为负的200kpa负压状态下处理1h，得到轻质骨料。
34.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的5％；
35.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1％；
36.所述秸秆纤维、工业污泥(水分70％)、无机材料的质量比为20:60:5。
37.实施例2
38.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
39.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒粒径为1mm，在110℃下烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
40.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护2h，采用圆盘造粒，粒径为4mm，最后将无机材料裹覆在最外层，养护2h，得到骨料粒；
41.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温25min，转速为2r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为35min，转速控制在3r/min，出料、冷却后，与有机硅混合，并置于密闭压力为负的400kpa负压状态下处理0.8h，得到轻质骨料。
42.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的8％；
43.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1.5％；
44.所述秸秆纤维、工业污泥(水分70％)、无机材料的质量比为22:65:8。
45.实施例3
46.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
47.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒粒径为2mm，在120℃下烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
48.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护3h，采用圆盘造粒，粒径为6mm，最后将无机材料裹覆在最外层，养护3h，得到骨料粒；
49.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温30min，转速为2r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为40min，转速控制在3r/min，出料、冷却后，与有机硅混合，并置于密闭压力为负的500kpa负压状态下处理0.5h，得到轻质骨料。
50.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的6％；
51.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的2％；
52.所述秸秆纤维、工业污泥(水分75％)、无机材料的质量比为25:70:10。
53.对比例1
54.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
55.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒粒径为0.5mm，在100℃下烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
56.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护1h，采用圆盘造粒，粒径为4mm，最后将无机材料裹覆在最外层，养护1h，得到骨料粒；
57.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温20min，转速为1r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为30min，转速控制在4r/min，出料、冷却后，与有机硅混合，并置于密闭压力为负的200kpa负压状态下处理1h，得到轻质骨料。
58.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的10％；
59.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1％；
60.所述秸秆纤维、工业污泥(水分70％)、无机材料的质量比为20:60:5。
61.对比例2
62.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
63.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒粒径为0.5mm，在100℃下烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
64.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护1h，采用圆盘造粒，粒径为4mm，最后将无机材料裹覆在最外层，养护1h，得到骨料粒；
65.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温20min，转速为1r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为30min，转速控制在4r/min，出料、冷却后，与有机硅混合，并置于密闭压力为负的200kpa负压状态下处理1h，得到轻质骨料。
66.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的2％；
67.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1％；
68.所述秸秆纤维、工业污泥(水分70％)、无机材料的质量比为20:60:5。
69.对比例3
70.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
71.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒粒径为0.5mm，在100℃下烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
72.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护1h，采用圆盘造粒，粒径为4mm，最后将无机材料裹覆在最外层，养护1h，得到骨料粒；
73.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温20min，转速为1r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为30min，转速控制在4r/min，出料、冷却后，得到轻质骨料。
74.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的5％；
75.所述秸秆纤维、工业污泥(水分70％)、无机材料的质量比为20:60:5。
76.对比例4
77.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
78.s1.将工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，养护1h，采用圆盘造粒，粒径为4mm，最后将无机材料裹覆在最外层，养护1h，得到骨料粒；
79.s2.将s1得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温20min，转速为1r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为30min，转速控制在4r/min，出料、冷却后，与有机硅混合，并置于密闭压力为负的200kpa负压状态下处理1h，得到轻质骨料。
80.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的5％；
81.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1％；
82.所述工业污泥(水分70％)、无机材料的质量比为60:5。
83.对比例5
84.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
85.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒粒径为0.5mm，在100℃下烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
86.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护1h，采用圆盘造粒，粒径为4mm，养护1h，得到骨料粒；
87.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，第一阶段从室温开始升温至100℃，升温20min，转速为1r/min；第二阶段从100℃升温至1050℃，升温时间为30min，转速控制在4r/min，出料、冷却后，与有机硅混合，并置于密闭压力为负的200kpa负压状态下处理1h，得到轻质骨料。
88.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的5％；
89.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1％；
90.所述秸秆纤维、工业污泥(水分70％)的质量比为20:60。
91.对比例6
92.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
93.s1.按配比将秸秆炭纤维、工业污泥、有机凝胶材料、无机材料、有机硅混合均匀，造粒粒径为4mm，得到骨料粒；
94.s2.将s1得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，温度从100℃升温至1050℃，升温时间为30min，转速控制在4r/min，出料、冷却后，得到轻质骨料。
95.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的5％；
96.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1％；
97.所述秸秆纤维、工业污泥(水分70％)、无机材料的质量比为20:60:5。
98.对比例7
99.一种轻质骨料的制备工艺，包括以下具体步骤：
100.s1.按配比将秸秆炭纤维与1/3的工业污泥混合均匀，造粒粒径为0.5mm，在100℃下烘干，得到具有孔隙的污泥纤维粒；
101.s2.将剩余工业污泥先与有机凝胶材料混合均匀，然后加入s1所得污泥纤维粒混合均匀，养护1h，采用圆盘造粒，粒径为4mm，最后将无机材料裹覆在最外层，养护1h，得到骨料粒；
102.s3.将s2得到的骨料粒放入回转窑内干燥、煅烧，温度直接从400℃升温至1050℃，升温时间为30min，转速控制在4r/min，出料、冷却后，与有机硅混合，并置于密闭压力为负的200kpa负压状态下处理1h，得到轻质骨料。
103.其中，所述有机凝胶材料的重量为所述工业污泥重量的5％；
104.所述有机硅的重量为所述工业污泥重量的1％；
105.所述秸秆纤维、工业污泥(水分70％)、无机材料的质量比为20:60:5。
106.对各实施例和对比例所制备的轻质骨料性能进行检测，采用gb/t17431-2010《轻集料及其试验方法》中方法进行检测，结果如表1所示。
107.表1轻质骨料性能测试结果
[0108][0109]
从表1的结果可以看出，采用本发明制备工艺得到的轻质骨料其堆积密在0.58-0.63g/cm3之间，强度到达8.5mpa以上，吸水率较低，气孔率高达68.4％，说明得到轻质骨料结构疏松，质轻，强度高、稳定性好。
[0110]
对比例1中有机凝胶材料使用量达到工业污泥的10％，相对于实施例1其气孔率增加，堆积密度虽然有所下降，但是其强度也大大降低，同时其吸水率提高，不利于后续使用性能的稳定。对比例2中有机凝胶材料使用量只有工业污泥的2％，虽然强度有所提升，但是其气孔率显著下降，堆积密度也大大增加，说明其孔隙度不够。
[0111]
对比例3中未添加有机硅，其它性能影响不大，但是其吸水率大大提高，不利于后续使用性能的稳定。
[0112]
对比例4中未添加秸秆炭纤维，其堆积密度、强度大大提高，但是气孔率低，也就是结构不够疏松，达不到轻质骨料的要求。
[0113]
对比例5中未添加无机材料，虽然其气孔率、堆积密度及吸水率性能较优，但是其强度显著降低，不利于后续使用。
[0114]
对比例6中将所有原料一次性混合，气孔率下降，堆积密度变大，很可能是一次性混合无法形成层状结构，秸秆炭纤维孔隙被完全填充。对比例7中在后续回转窑煅烧过程中，直接高温煅烧，由于温度都超过有机凝胶的沸点，表面无机材料都未固化有机凝胶就直接大量挥发冲出，大大破坏了表面结构，直接影响骨料的强度。
[0115]
将实施例1-3所得轻质骨料按照gb5085.3《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》标准做有害离子浸出试验，检测结果如表2所示。检测方法为：取10g所得轻质骨料样品放入100ml蒸馏水中震荡搅拌24h后，过滤，采用原子吸收光谱法对该过滤液进行有害离子检测。
[0116]
表2有害离子浸出试验结果
[0117][0118][0119]
从表2的结果可以看出，本发明以废弃物为原料所制得的轻质骨料中有害离子浸出数据完全符合gb5085.3要求，安全，可以替换天然优质骨料，具有市场应用价值。
[0120]
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。