一種高性能陶粒及其製備方法
2023-05-03 16:24:06
專利名稱：一種高性能陶粒及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種陶粒，尤其涉及一種高性能陶粒及其製備方法，屬於建築材料技術領域。
背景技術：
陶粒具有優異的性能，如密度低、筒壓強度高、孔隙率高等性能方面，特別由於陶粒密度小，內部多孔，形態、成份較均一，且具有一定強度和堅固性，因而具有質輕，耐腐蝕和良好的隔絕性等特點。利用陶粒的這些優異的性能，可以將它廣泛應用在建材、園藝、食品飲料、耐火保溫材料等方面。陶粒按其密度和強度的不同可以分為超輕陶粒(堆積密度< 500kg/m3、陶粒混凝土強度5 15MPa)、普通陶粒(堆積密度500 700kg/m3、陶粒混凝土強度15 35MPa)、 高性能陶粒(堆積密度700 900kg/m3、陶粒混凝土強度30 60MPa)。其中高性能陶粒是指強度較高、吸水率較低、密度較小的焙燒或免燒陶粒，國外一般稱為高性能輕集料，而在我國也可稱為高強陶粒。而在我國上述各種陶粒的應用比例情況為，陶粒混凝土小型砌塊佔75%左右，多數採用超輕陶粒和普通陶粒；陶粒混凝土板材(包括空心隔牆條板、複合保溫牆板、樓板等)佔11%左右，主要採用普通陶粒和超輕陶粒；而現澆高強陶粒混凝土(超高層框架建築、大型橋梁工程等)佔2. 4%左右，全部採用高強陶粒，高強陶粒在結構工程中的應用，可降低構件自重25%左右，節約鋼筋5%、降低綜合造價3% 4%。另外，高強陶粒在橋梁工程中的應用，尤其是在軟土地基、大跨度橋梁上的應用，更能體現出其技術經濟的優勢，可降低造價成本5% 15%。因此，高性能陶粒的優越性能，早已引起世界各國的關注。目前，現有的高性能陶粒基本上是採用粘土、頁巖等天然原料和粉煤灰燒制而成的。其中的粘土原料大部分取自耕地，不符合可持續發展的戰略；另一方面，隨著粉煤灰的綜合利用率的大幅度提高，其價格也隨之提高，相應的增加了陶粒的生產成本。而採用頁巖燒成的頁巖陶粒，雖然採用的頁巖不佔用耕地，但是由於各地區的頁巖的化學組成情況不同，很難保證頁巖陶粒的性能，也相應的增加了工藝難度，頁巖陶粒的燒脹溫度要高出粘土陶粒的燒脹溫度200°C甚至更高，增加了生產能耗；另外，如果跨地區選用頁巖，同樣增加了生產成本，也不利於實際工業生產。為此，現有技術中有利用汙泥中含有大量的有機質，可有效降低陶粒的燒脹溫度，提高陶粒的燒脹係數，通過在頁巖粉中摻入一定量的汙泥或淤泥改善混合料的組成成份，從而使其燒制的陶粒成品具有更優良的性能，但是國內現有技術中利用汙泥頁巖燒制的陶粒，主要趨向於超輕陶粒的研究，其汙泥的摻入量不超過 10 % (幹基)，而頁巖的摻入量在50 % 95 %，主要還是以頁巖為主原料製成陶粒。其工藝過程中汙泥的摻入量少，不能大量的消耗城市汙泥，從而不能達到汙泥資源化的最大化利用，且其工藝過程中的燒成溫度也較高，介於1175°C 1225°C，大大的增加了生產能耗，不符合節能生產。現有技術中也有採用淤泥、汙泥為主原料製成陶粒及其陶粒的製備方法。如中國專利申請(公開號CN:101747050A) —種利用城市汙泥燒制高性能陶粒的方法，該方法包括以城市汙泥、粉煤灰和河底淤泥為原料，將城市汙泥、粉煤灰和河底淤泥按如下質量百分比進行混合，城市汙泥30. 0 % 45. 0 %，粉煤灰20. 0 % 40. 0 %，河底淤泥20. 0 % 40. 0%，將各原料按上述比例加入到預混攪拌機中攪拌，並以每IOOg混合料摻加45 50g 水的比例加水攪拌至粘稠狀後，製成生料球，充分乾燥備用。然後將乾燥後的生料球放入電阻爐中在700°C 800°C的溫度下預熱40 45分鐘，再迅速轉移至高溫爐中，在1200°C 1250°C的溫度下燒制30 35分鐘，然後在15 20分鐘內均勻降溫至1130°C 1180°C， 出爐冷卻，即獲得高性能陶粒成品。該方法雖然部分的解決了淤泥、汙泥的綜合利用問題， 但是由於該方法採用粉煤灰原料，生產成本較高，而且其燒脹高溫也較高，相應的增加了生產能耗，同樣也增加了生產成本，不利用於工業化生產。
發明內容
本發明針對以上現有技術中存在的缺陷，提供一種高性能陶粒及其製備方法，具有陶粒原料組成合理、得到的陶粒性能好，而且該方法具有工藝過程簡單、能耗低的目的。本發明的目的之一是通過下列技術方案來實現的一種高性能陶粒，該陶粒包括以下成份的重量百分數組成的原料製成淤泥40% 60% ；汙泥10% 20% ；頁巖30% 40% ；所述的生物汙泥為脫水汙泥。本發明的上述一種高性能陶粒，採用淤泥和汙泥作為其中的原料，提高了淤泥和汙泥資源的綜合利用率，能夠實現較大化的利用汙泥，減少淤泥和汙泥對環境汙染的壓力。 上述的汙泥為汙水處理廠中產生的汙泥，汙水處理廠產生的汙泥有機物含量高，汙染性大， 所以，本發明能夠有效的降低汙泥對環境的汙染，有利於環境保護；另一方面，由於汙水處理廠產生的汙泥中含有大量的有機質，可有效的降低陶粒的燒脹溫度，提高陶粒的燒脹係數。但是由於汙水處理廠產生的汙泥其自身的含水率較高，不利於直接用於製備陶粒料球。 所以，燒制陶粒用汙泥要經過深度脫水處理後使其含水率降至燒制陶粒所需的範圍內的脫水汙泥。而淤泥、汙泥在乾燥過程中較複雜、能耗也較高；另外，如果單單採用淤泥、汙泥，不摻入頁巖材料，燒制的陶粒容重輕，強度較低，達不到高性能陶粒的要求。而本發明中作為原料之一的頁巖其含水率極低，通過摻入頁巖，一方面，可以有效的改善混合料中的組成成份，使成份得到改性，大大的提高了陶粒成品的強度性能；另一方面，能夠進一步減少混合料的含水率，可以減少對原料的均化、陳化時間。即提高了生產效率，降低了生產成本，而且得到的陶粒成品完全能夠達到高性能陶粒的要求。本發明的上述的一種高性能陶粒中，所述的頁巖的化學成份及其重量百分比如下SiO2 :65% 70% ；Al2O3 21% ；Fii2O3 :5· 0% 6. 0% ； CaO :0. 1 % 0. 5% ；MgO :1· 5% 2. 2% ；燒失量3· 0% 5. 0% ；其餘為雜質。由於不同地區的頁巖，其化學成份的組成有一定的差別。因此，其燒制的陶粒成品的性能也會有一定的差別。本發明主要選用浙江台州地區的頁巖作為燒制上述陶粒的原料。且本發明的上述化學成份組成的頁巖，是結合了本發明燒制陶粒的原料中淤泥和脫水汙泥的組成情況，同時還考慮到燒脹溫度等工藝條件方面的因素。使本發明的高性能陶粒的各組成情況更合理，性能更優越。作為進一步的優選，所述的頁巖的化學成份及其重量百分比如下SiO2 :66% 68% ；Al2O3 19% 20% ；Fii2O3 :5· 3% 5. 8% ； CaO :0· 2% 0. 4% ；MgO :1· 8% 2. 0% ；燒失量3· 5% 4. 5% ；其餘為雜質。本發明上述的一種高性能陶粒中所述的脫水汙泥的化學成份及其重量百分比如下SiO2 :30% 45% ；Al2O3 :8· 0% 18% ；Fii2O3 :4· 0% 6. 0% ； CaO :2· 0% 3. 0% ；MgO :1· 5% 4. 0% ；燒失量25% 50% ；其餘為雜質。由於汙水處理廠的汙泥具有有機質含量高和對環境汙染大的特點，其汙水處理廠產生的汙泥燒失量遠高於一般的城市汙泥，在實際燒制陶粒過程中很難控制。一方面，有機質能夠有效降低燒脹溫度，降低了生產能耗；另一方面，在改善陶粒燒脹過程中陶粒的膨脹性能的同時，也影響了陶粒成品的強度性能。為了綜合考慮陶粒的性能及工藝過程，本發明通過對汙泥的成份進行一定的改性，使汙泥中化學成份的組成及燒失量方面都能夠達到改善，組成更合理，使達到更佳效果。通過在汙泥脫水過程中加入頁巖對汙泥進行改性後得到脫水汙泥。因此，作為進一步的優選，上述所述的脫水汙泥的化學成份及其重量百分比如下SiO2 :40% 42% ；Al2O3 17% ；Fii2O3 :4· 4. 8% ；CaO :2· 2% 2. 5% ；MgO :2· 5% 3. 8% ；燒失量26% 30% ；其餘為雜質。採用上述的脫水汙泥，能夠進一步保證得到的陶粒達到高性能陶粒的要求，還能夠使工藝過程中能耗降低，更有利於工業生產；同時，本發明對汙泥的用量相對較大，能夠很好的解決汙水處理廠的汙泥對環境的汙染問題。本發明上述的一種高性能陶粒中所述的淤泥選用河道淤泥或打樁淤泥中的一種或兩種。由於上述的淤泥含水率相對較低，經過一般處理之後，其含水率都在20%左右，可以直接用於燒制本發明的高性能陶粒，上述的淤泥的化學成份與粘土的化學成份相近，因而採用上述的淤泥作為本發明的高性能陶粒的主原料之一能夠保證陶粒的性能。作為進一步的優選，上述所述淤泥的化學成份及其重量百分比如下SiO2 :60% 70% ；Al2O3 15% 20% ；Fii2O3 :3· 0% 5. 0% ； CaO :0. 1 % 0. 5% ；MgO :1· 5% 2. 5% ；燒失量5· 0% 8. 0% ；其餘為雜質。本發明的上述一種高性能陶粒中所述的淤泥的含水率為10% 15% ；所述的脫水汙泥的含水率為50% 66%。由於汙泥的含水率高，且汙泥非常細膩，在脫水過程很難處理，尤其是將含水率處理到30%以下後更難處理，從而大大的增加了實際生產成本。而本發明通過改性，使燒制上述陶粒的各原料組成更合理，選用上述的脫水汙泥的含水率為 50% 66%，能夠使燒制的陶粒達到高性能陶粒的要求，而且還有利於後續的陶粒燒制工藝的處理。與現有技術中選用脫水汙泥的含水率要求達到30%左右，甚至更高的要求相比， 遠遠的改進了對汙泥的脫水處理過程，降低了汙泥脫水處理的生產成本，且性能也較好。本發明的另一個目的是通過下列技術方案來實現的一種高性能陶粒的製備方法，該方法包括以下步驟a、混料將汙泥脫水後，按照重量百分比為；淤泥為40% 60% ；脫水汙泥為 10% 20% ；頁巖為30% 40%的原料比例進行配料後，進行均化、陳化處理，得到混合物料；b、造粒將上述得到的混合物料經過擠壓機擠出，再進行造粒，形成料粒；C、預熱、燒脹將上述料粒進行預熱，預熱的溫度為300°C 500°C，預熱的時間為 10 30分鐘；預熱後進行燒脹，燒脹溫度為1075°C 1200°C，燒脹時間為5 30分鐘，燒脹後冷卻，得高性能陶粒成品。上述步驟a中所述的脫水汙泥是採用以下方法得到的向汙水處理廠產生的汙泥中加入絮凝劑和頁巖，攪拌混合均勻後，再放入壓濾機中進行脫水處理，得到陶粒製備用脫水汙泥，所述的脫水汙泥的含水率為50% 66%。所述的含水率為重量含水率。上述的壓濾機為本領域的常規設備，作為優選，所述的壓濾機為高效隔膜壓濾機，高效隔膜壓濾機也是本領域的常規設備。由於汙水處理廠產生的汙泥的含水率在80% 85%左右，含水率高，其較高的有機質不利於較大量摻入原料製備陶粒，因此影響汙泥的資源化利用。為改善其組成成分及最終含水率，使其達到陶粒原料製備的最佳範圍。本發明通過加入絮凝劑和頁巖，一方面有利於汙泥脫水的處理，另一方面通過加入頁巖對汙泥進行改性，使汙泥的化學成份組成更合理，能夠提高燒脹過程中陶粒的性能。上述所述的絮凝劑為PAC、PAM中的一種或兩種。所述的PAC為聚合氯化鋁，所述的PAM為聚丙烯醯胺。通過加入上述的絮凝劑能夠有效的控制汙泥中的含水率，使最後得到的脫水汙泥的含水率達到要求，同時也簡化了汙泥脫水的處理過程，操作更容易。作為優選，上述絮凝劑由PAC和PAM兩種組成，以汙水處理廠產生的汙泥的用量為重量基準，絮凝劑PAC的用量為3% 5%，絮凝劑PAM的用量為0. 01% 0. 05%。上述絮凝劑的用量為重量百分數，即絮凝劑PAC的用量為汙水處理廠產生的汙泥的用量的重量的3% 5%，絮凝劑PAM的用量為汙水處理廠產生的汙泥的用量的重量的0. 02% 0. 05%。加入上述優選範圍內的絮凝劑及用量，汙泥脫水處理過程更方便，效果更佳。上述步驟a中所述的均化、陳化處理是將原料按比例配料後放入輪輾機中使混合均勻，然後再堆放陳化5 7天。通過陳化使混合物料中各原料混合更均勻，能使混合物料的含水率降低，所述的混合物料的含水率為18% 22%。上述步驟b中通過將混合物料先經過擠出機擠出，是為了提高產品的密實度，從而提高陶粒的強度性能，使混合物料先經過擠出機擠出處理後，造粒後得到的料粒密實度更高，從而能夠提高陶粒的強度性能，而且密實度的提高，能夠使陶粒對汙泥中重金屬的固化能力更高。上述所述的擠出機為本領域的常規設備。上述步驟b中所述的造粒採用二次造粒，第一次採用對輥造粒2 5分鐘，第二次採用造粒滾筒造粒4 5分鐘，造粒後的料粒粒徑為5 10mm。上述的對輥造粒採用對輥機進行對輥造粒。對輥機是本領域的常規設備，對輥機中有一對對輥筒，且對輥機中的一對對輥筒的擠出孔徑Φ的大小是一致的，擠出孔徑Φ為IOmm左右，採用該對輥機生產的陶粒的粒型係數和級配較差，粒徑在IOmm以下的顆粒含量不足15%，大部分的陶粒的粒徑幾乎都為10 25mm，其中粒徑為15 25mm的顆粒含量佔50%以上。為了解決現有的對輥造粒法生產的陶粒粒型係數大和級配差的問題，本發明通過合理分布對輥機中對輥筒的孔徑，使對輥機中每個對輥筒分布不同大小的擠出孔徑，孔徑Φ為8 12mm ；更優選的，使對輥機中的一個對輥筒的擠出孔徑Φ為8mm，另一個對輥筒的擠出孔徑Φ為12mm。作為更進一步的優選，所述的料粒粒徑為6 8mm。上述步驟c中所述的預熱的溫度為350°C 450°C，預熱的時間為15 25分鐘。 預熱溫度及時間對陶粒的品質有較大的影響，預熱作用是為了使生料球脫水反應進一步加劇，同時碳酸鹽的分解及有機質的氧化，為後期得到優異的陶粒成品質量創造有利條件。作為優選，上述步驟c中所述的燒脹溫度為1150°C 1170°C，燒脹時間為10 20 分鐘。燒脹過程是陶粒成型的關鍵步驟，通過燒脹使料粒內部氣體逸出，形成壓力，使坯球膨脹成型為陶粒，而在上述優選的燒脹溫度及時間，能夠更進一步的提高陶粒的性能，同時還降低了燒脹的溫度，降低了能耗，既提高了產品的性能，又降低了生產能耗。綜上所述，本發明具有以下優點1.本發明的高性能陶粒具有堆積密度在700 900kg/m3、筒壓強度在5. 0 9. OMPa和吸水率在3. 0% 6. 0%的性能參數，完全能夠達到高性能陶粒的技術要求，且得到的陶粒的密實性優良，使陶粒對汙泥中重金屬的固化能力得到了顯著的提高。2.本發明的高性能陶粒採用淤泥、汙泥和頁巖為原料，能夠大量的利用淤泥和汙泥，使資源得到更有效的利用，減少了因淤泥和汙泥的堆放等因素對環境的汙染，使資源得到了綜合的利用。3.本發明的一種高性能陶粒的製備方法，具有工藝流程簡單，投資費用低的特點， 且利用該方法結合所用的原料，降低了生產能耗，燒制的產品性能優良。
具體實施例方式下面通過具體實施例，對本發明的技術方案作進一步具體的說明，但是本發明並不限於這些實施例。以下實施例中所選用的淤泥為浙江省台州市椒江地區的淤泥和浙江省台州地區的頁巖材料。以下表1是實施例1-9用於製備高性能陶粒的各原料的重量百分比(％ )表1
權利要求
1.一種高性能陶粒，其特徵在於該陶粒包括以下成份的重量百分數組成的原料製成淤泥40% 60% ；汙泥10% 20% ；頁巖30% 40% ；所述的汙泥為脫水汙泥。
2.根據權利要求1所述的一種高性能陶粒，其特徵在於所述的頁巖的化學成份及其重量百分比如下SiO2 :65% 70% ；Al2O3 21% ；Fii2O3 :5· 0% 6. 0% ；CaO :0· 0. 5% ；MgO :1· 5% 2. 2% ；燒失量3· 0% 5. 0% ；其餘為雜質。
3.根據權利要求1所述的一種高性能陶粒，其特徵在於所述的脫水汙泥的化學成份及其重量百分比如下SiO2 :30% 45% ；Al2O3 :8. 0% 18% ；Fii2O3 :4· 0% 6. 0% ；CaO :2· 0% 3. 0% ；MgO :1. 5% 4. 0% ；燒失量25% 50%;其餘為雜質。
4.根據權利要求3所述的一種高性能陶粒，其特徵在於所述的脫水汙泥的化學成份及其重量百分比如下SiO2 :40% 42% ；Al2O3 17% ；Fii2O3 :4· 4. 8% ；CaO :2· 2% 2. 5% ；MgO :2. 5% 3. 8% ；燒失量26% 30%;其餘為雜質。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的一種高性能陶粒，其特徵在於所述的淤泥的含水率為10% 15% ；所述的脫水汙泥的含水率為50% 66%。
6.一種高性能陶粒的製備方法，其特徵在於該方法包括以下步驟a、混料按照重量百分比為；淤泥為40% 60%；脫水汙泥為10% 20% ；頁巖為 30% 40%的原料比例進行配料後，進行均化、陳化處理，得到混合物料；b、造粒將上述步驟a得到的混合物料經過擠壓機擠出，再進行造粒，形成料粒；c、預熱、燒脹將上述得到的料粒進行預熱，預熱的溫度為300°C 500°C，預熱的時間為10 30分鐘；預熱後進行燒脹，燒脹溫度為1075°C 1200°C，燒脹時間為5 30分鐘， 燒脹後冷卻，得高性能陶粒成品。
7.根據權利要求6所述的一種高性能陶粒的製備方法，其特徵在於步驟a中所述的脫水汙泥是採用以下方法得到的在汙水處理廠產生的汙泥中加入絮凝劑和頁巖，攪拌混合均勻後，再放入壓濾機中進行脫水處理，得到陶粒製備用脫水汙泥，所述的脫水汙泥的含水率為50% 66%。
8.根據權利要求6或7所述的一種高性能陶粒的製備方法，其特徵在於上述步驟b中所述的造粒採用二次造粒，第一次採用對輥造粒2 5分鐘，第二次採用造粒滾筒造粒4 5分鐘，造粒後的料粒粒徑為5 10mm。
9.根據權利要求6或7所述的一種高性能陶粒的製備方法，其特徵在於上述步驟c中所述的預熱的溫度為350°C 450°C，預熱的時間為15 25分鐘。
10.根據權利要求6或7所述的一種高性能陶粒的製備方法，其特徵在於上述步驟C 中所述的燒脹溫度為1150°C 1170°C，燒脹時間為10 20分鐘。
全文摘要
本發明涉及一種高性能陶粒及其製備方法，屬於建築材料技術領域。為解決現有技術中採用淤泥、汙泥燒制的陶粒的性能達不到高性能陶粒的強度要求，且各原料的組成不合理及生產成本高的技術問題。本發明提供一種高性能陶料，該陶粒包括以下成份的重量百分數組成的原料製成淤泥40％～60％；脫水汙泥汙泥10％～20％；頁巖30％～40％。還提供了該高性能陶粒的製備方法，該方法包括以下步驟a、混料、b、造粒和c、預熱、燒脹三個步驟，得高性能陶粒成品。本發明的高性能陶粒具有堆積密度、筒壓強度和吸水率性能高。且方法具有工藝流程簡單，投資費用低，能耗低的優點。
文檔編號C04B33/132GK102515706SQ201110443380
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者劉健, 崔清泉, 朱國滿, 楊博, 楊曉華, 楊飛, 童麗美 申請人:浙江方遠建材科技有限公司