本发明涉及污泥处理技术领域，且特别涉及一种利用城市污泥制备的胶凝材料、其制备方法和应用以及由其制备的水泥。
背景技术：
随着科学技术的进步和社会生产力的提高给人类社会带来了空前的物质财富，与此同时却伴随人口的急剧增加、资源的过度开发，环境污染和生态破坏等问题也日益突出。尤其是我国城乡工业的迅速发展，城市污水处理厂排出的城市污泥的排放量急剧增加。城市污泥中含有不同成分的重金属、酸碱腐蚀物等有害物质，如不妥善处理而随意堆放或直接填埋，不仅会占用大量的土地资源，而且会对地下水和生态环境造成二次污染。
为了减少城市污泥的危害，现有技术中对城市污泥多采用填埋、堆放、固化及堆肥处理，直接填埋及堆放污染严重。将城市污泥通过厌氧发酵制备缓释肥料或利用城市污泥作基础材料制备垃圾场填埋场封场覆盖材料，其能耗高，污泥处理不完全，且处理产物稳定性不高，其有害物质能够重新溶于水中造成二次污染。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种利用城市污泥制备的胶凝材料，利用城市污泥及钢渣作原料，利用工业废渣对城市污泥进行有效处理及循环再利用；其强度高、稳定性好，能够防止二次污染。
本发明的第二目的在于提供上述胶凝材料的制备方法，其工艺简单、能耗低，原料处理完全且产品附加值高。
本发明的第三目的在于提供上述胶凝材料制备水泥中的应用，其能够充分利用城市污泥及钢渣等工业废物的潜在价值，实现废物循环利用。同时，其能够降低水泥熟料生产过程中的能耗，进一步降低水泥的成本，同时降低二氧化碳的排放量。
本发明的第四目的在于提供一种利用城市污泥制备的水泥，其生产成本低，抗压性能优良，可广泛应用于道路及民用建筑等工程建设中。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种利用城市污泥制备的胶凝材料，由原料与水混合后煅烧制得，原料包括50-80wt％的第一原料、5-30wt％的第二原料以及5-20wt％的第三原料，第一原料由城市污泥经烘干后粉碎制得，第二原料由钢渣经烘干后粉碎制得，第三原料由石灰石烘干后粉碎制得。
本发明提出一种上述胶凝材料的制备方法，包括：备取第一原料及第二原料，加水搅拌成料球，将料球于1000-1100℃煅烧0.5-1h，冷却后粉碎。
本发明提出一种上述胶凝材料制备水泥中的应用。
本发明还提出一种利用城市污泥制备的水泥，包括：4-6wt％的二水石膏、65-90wt％的水泥熟料以及5-30wt％的上述的胶凝材料。
本发明实施例的有益效果是：本发明提供的利用城市污泥制备的胶凝材料，利用城市污泥及钢渣作原料，采用工业废渣对城市污泥进行有效处理及循环再利用，符合国家可持续发展的战略。钢渣和城市污泥在煅烧过程中能够形成硅酸二钙等矿物，硅酸二钙由γ相转化为β相并与金属氧化物等形成固溶体，增加了胶凝材料的强度和稳定性。上述胶凝材料的制备方法，只需要对原料进行粉碎及煅烧等操作，且煅烧周期短，煅烧过程无固体废物等排出，其原料处理完全，工艺简单、能耗低。利用该胶凝材料部分替代水泥熟料，充分利用了城市污泥的潜在价值。其制备的水泥生产成本低，抗压性能优良，由于污泥的生产量大，而水泥在建筑业等行业的需求量也大，该水泥能够广泛应用于道路及民用建筑等工程建设中。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的利用城市污泥制备的胶凝材料、水泥以及该胶凝材料的制备方法及应用进行具体说明。
一种利用城市污泥制备的胶凝材料，由原料与水混合后煅烧制得，原料包括50-80wt％的第一原料、5-30wt％的第二原料以及5-20wt％的第三原料，第一原料由城市污泥经烘干后粉碎制得，第二原料由钢渣经烘干后粉碎制得，第三原料由石灰石烘干后粉碎制得。
本发明中，城市污泥的成分含量高，其污泥使用和处理量大。钢渣为钢铁厂排出的固体废弃物，采用城市污泥和钢渣作为原料，有效利用工业废渣对城市污泥进行处理及利用。石灰石能够协助钢渣与城市污泥一同发生反应，增强材料的强度。且石灰石作为一种矿山资源，其来源丰富，成本低。
钢渣和石灰石能够与城市污泥中的酸碱腐蚀物反应，消除酸碱腐蚀物的危害。同时，钢渣在煅烧过程中能够与城市污泥中的结构发生反应生成新的官能团，与采用单一的城市污泥进行煅烧相比，煅烧产物除了含有无水硫酸钙以外，还生成了硅酸二钙(2CaO·SiO2)，其水化热小，加速了胶凝材料的水化发应。
在本发明较佳的实施例中，第二原料的含量为10-30wt％，更优的为20-30wt％。经研究人发现，当该胶凝材料中第二原料的含量为30wt％左右、第三原料含量约20wt％的时候，钢渣和城市污泥之间的反应更充分，制得的胶凝材料的抗压性能较佳。
将城市污泥和钢渣分别进行烘干后粉碎至粒径小于80μm，便于钢渣和城市污泥充分混匀，使原料在煅烧过程中能够充分反应。
上述胶凝材料的制备方法，包括：备取第一原料及第二原料，加水搅拌成料球，将料球于1000-1100℃煅烧0.5-1h，冷却后粉碎。
本发明提供的胶凝材料的制备方法，只需要将原料进行烘干、粉碎后混匀再进行煅烧，其工艺简单、能耗低。其煅烧时间仅为0.5-1h,生产周期短、效率高。在制备过程中无固体废渣等排出，其对城市污泥及钢渣等废弃物的处理完全。
在煅烧过程中，料球在高温条件下充分进行化学反应，对污泥产生腐蚀作用，破坏污泥中有害物质的原有结构；此外，污泥中残余的重金属等有害物质固溶于晶格之中，防止其产生二次污染。
具体地，在温度为达到约800℃时，城市污泥与钢渣中的CaO和SiO2反应生成硅酸二钙(2CaO·SiO2)等矿物，同时钢渣中γ-2CaO·SiO2晶型转变为β相。由于物料中含有Cu、Zn等微量元素起到助熔剂的作用，使焚烧过程的液相温度降低，随着温度进一步升高，物料约900℃时出现液相。温度继续升高到1000℃，煅烧物料的液相量逐渐增多，液相粘度降低，利于反应的进行，β相的2CaO·SiO2与原料中的金属氧化物等物质形成复杂的固溶体，在冷却过程中对2CaO·SiO2的晶形转变产生抑制作用，使所得的产物中2CaO·SiO2以β相的形式稳定存在，防止重金属等有害物质溶于水造成二次污染。
在本发明较佳的实施例中，料球的粒径为8-20mm，其能够使原料在煅烧过程中充分反应。为了进一步提高煅烧效率，料球的粒径为10-12mm。
较佳的，在对原料进行煅烧之后，采用快速降温的方法对产物进行冷却。快速冷却过程中，液相转变为玻璃相，污泥中的重金属等有害物质于液相中被凝固于玻璃相中，从而抑制了其水溶性，进一步消除二次污染的隐患。
上述的胶凝材料可以用于代替水泥熟料，并用于制备水泥。
以城市污泥制备的胶凝材料替代水泥熟料用于进行水泥的制备，其能够充分利用城市污泥及钢渣等工业废物的潜在价值，实现废弃物处理的同时，对城市污泥及钢渣等工业废物循环再利用，节约资源，符合国家可持续发展战略的要求。
以胶凝材料代替水泥熟料，能够降低水泥熟料生产过程中的能耗及二氧化碳排放量，进一步减小污染，降低水泥的成本。
据此，本发明实施例中还提供了一种利用城市污泥制备的水泥，包括：4-6wt％的二水石膏、65-90wt％的水泥熟料以及5-30wt％的上述的胶凝材料。
该胶凝材料具有较好的稳定性和强度，其制备的水泥也具有较强的抗压强度，便于推广和使用，可广泛应用于道路及民用建筑等工程建设中。
较佳的，该胶凝材料在混合前先粉碎至粒径小于80μm，使其能够和二水石膏和水泥熟料混合均匀，进一步增强水泥的抗压强度等性能。
此外，经研究人发现，该水泥以胶凝材料部分代替水泥熟料，和采用单一的水泥熟料作为原料相比，其抗压强度更高，其中当该胶凝材料在水泥中的含量为15wt％左右时，其制得的水泥抗压强度更高。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种利用城市污泥制备的水泥的制备方法，包括：
制备胶凝材料：将城市污泥烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第一原料；将钢渣烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第二原料；将石灰石烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第三原料。称取80kg第一原料、5kg第二原料和15kg第三原料，加水混合搅拌成粒径为8mm的料球。将料球在100℃条件下烘干后于1000℃保温煅烧0.5h，鼓风冷却后粉碎至粒径小于80μm，即得。
称取5kg上述胶凝材料、5kg二水石膏以及90kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制备的水泥。
实施例2
一种利用城市污泥制备的水泥的制备方法，包括：
制备胶凝材料：将城市污泥烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第一原料；将钢渣烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第二原料；将石灰石烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第三原料。称取80kg第一原料、10kg第二原料和10kg第三原料，加水混合搅拌成粒径为10mm的料球。将料球在100℃条件下烘干后于1000℃保温煅烧0.5h，鼓风冷却后粉碎至粒径小于80μm，即得。
称取10kg上述胶凝材料、5kg二水石膏以及85kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制备的水泥。
实施例3
一种利用城市污泥制备的水泥的制备方法，包括：
制备胶凝材料：将城市污泥烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第一原料；将钢渣烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第二原料；将石灰石烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第三原料。称取50kg第一原料、30kg第二原料和20kg第三原料，加水混合搅拌成粒径为12mm的料球。将料球在100℃条件下烘干后于1000℃保温煅烧1h，鼓风冷却后粉碎至粒径小于80μm，即得。
称取15kg上述胶凝材料、5kg二水石膏以及80kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制备的水泥。
实施例4
一种利用城市污泥制备的水泥的制备方法，包括：
制备胶凝材料：将城市污泥烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第一原料；将钢渣烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第二原料；将石灰石烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第三原料。称取75kg第一原料、20kg第二原料和5kg第三原料，加水混合搅拌成粒径为16mm的料球。将料球在100℃条件下烘干后于1100℃保温煅烧1h，鼓风冷却后粉碎至粒径小于80μm，即得。
称取20kg上述胶凝材料、5kg二水石膏以及75kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制备的水泥。
实施例5
一种利用城市污泥制备的水泥的制备方法，包括：
制备胶凝材料：将城市污泥烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第一原料；将钢渣烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第二原料；将石灰石烘干后粉碎至粒径小于80μm，制得第三原料。称取70kg第一原料、15kg第二原料和15kg第三原料，加水混合搅拌成粒径为20mm的料球。将料球在100℃条件下烘干后于1100℃保温煅烧1h，鼓风冷却后粉碎至粒径小于80μm，即得。
称取30kg上述胶凝材料、5kg二水石膏以及65kg水泥熟料混合，制得利用城市污泥制备的水泥。
对比例
称取5kg的二水石膏和95kg的水泥熟料混合，制得常规的硅酸盐水泥。
根据《GB/T 17671-1999水泥胶砂强度检验方法》对实施例1-5及对比例制得的水泥的在3d、7d以及28d时，分别进行抗压强度测试，其结果如表1所示。
表1.抗压强度测试表
根据表1可知，将该胶凝材料按照上述比例代替水泥熟料制得的水泥，如实施例4及实施例5所示，其抗压强度与纯硅酸盐水泥的抗压强度相当；在其他实施例中，其抗压强度增加。当胶凝材料中由钢渣烘干后粉碎制得的第二原料的含量为30wt％时，使用其制得的水泥的抗压强度更高。同时，当胶凝材料在水泥中的含量小于15wt％时,其制得的水泥抗压强度优良。
综上所述，本发明提供的利用城市污泥制备的胶凝材料，利用城市污泥及钢渣作原料，利用工业废渣对城市污泥进行有效处理及循环再利用，符合国家可持续发展的战略。钢渣和城市污泥在煅烧过程中能够形成硅酸二钙等矿物，硅酸二钙由γ相转化为β相并与金属氧化物等形成固溶体，增加了胶凝材料的强度和稳定性。该胶凝材料的制备方法只需要对原料进行粉碎及煅烧等，煅烧周期短，煅烧过程无固体废物等排出，其原料处理完全，能够有效消除城市污泥中重金属及酸碱腐蚀物等有害物质的危害，工艺简单、能耗低。利用该胶凝材料部分替代水泥熟料，充分利用了城市污泥的潜在价值。其制备的水泥生产成本低，抗压性能优良，由于污泥的生产量大，而水泥在建筑业等行业的需求量也大，该水泥能够广泛应用于道路及民用建筑等工程建设中。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。