本发明涉及资源再生利用技术领域，具体涉及一种含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒及其制备方法。
背景技术：
截至2016年3月，我国已建约4千座城镇污水处理厂，污水处理能力已达到1.7亿m3/d，城市污水处理厂污泥是污水净化过程中产生的沉淀物质，我国每年产生4000万吨市政污泥，预计到2020年，我国的市政污泥产量将达到6000万吨以上。2015年住建部调查显示，我国对污泥的最终处置，堆肥农用约展44％，陆地填埋约占31％，其他处置约占25％，而很多采取了处置形式的，并未得到有效的处理处置。《十三五规划》要求到2020年，城市污泥无害化处理率达到90％，县城达到70％，建制镇达到50％。另外，我国每年产生建筑垃圾20亿吨以上，其中砖块、瓦砾、混凝土块、渣土约占80％。从存量来看，过去50年，中国至少生产了300亿立方米的黏土砖，这在未来50年大都会转化成建筑垃圾。目前，我国建筑垃圾资源化利用率不到10％，远低于西方发达国家90％以上利用率。
污泥再生利用是节约土地、节约资源的重要举措，而现阶段研究较多的是将污泥用于作烧结砖和烧结陶粒，在这方面虽有一定效果，但并未进一步推广。主要原因是烧结工艺要求高，成本较大，且高温生产时会产生大量毒气，严重影响生态环境健康，增大了这项技术运用的困难。另外，近年来我国建筑垃圾增量逐年上涨，我国建筑垃圾一个显著特点是黏土砖和瓷片占主要部分，而纯混凝土块占比小。怎样再生利用污泥和以砖渣为主的建筑垃圾，缓解污泥和建筑垃圾对城市建设和环保所造成的压力，又降低再生产品生产成本和工艺难度，是亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明综合利用污泥和建筑垃圾，采用免烧工艺生产陶粒，彻底解决烧结陶粒带来的“二次污染”问题，降低生产成本同时保证陶粒质量。有效缓解污泥和建筑垃圾对城市建设和环保所造成的压力，又有效降低再生产品生产成本和工艺难度，真正做到变废为宝，提高城市固废利用率和环境质量，具有可观的社会效益和环保效益。
为解决上述技术问题，本发明提出一种含污泥和建筑垃圾为主要成分的免烧陶粒，所述免烧陶粒由以下质量份数的组分混合而成：
污泥20～30份，
砖混微粉20～40份，
矿渣微粉10～30份，
水泥10～20份，
石膏0～4份，
珍珠岩0～4份，
氢氧化钙0～8份，
水玻璃0～4份，
氢氧化钠0～2份，
水6～12份；
所述污泥含水率大于80％；所述砖混微粉粒径为0～4.75mm，比表面积大于200m2/kg；
所述矿渣微粉的比表面积大于300m2/kg；所述珍珠岩细度为100目以下；所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥；所述氢氧化钠纯度达99％以上；所述水玻璃为液态，质量分数为30％～34％，水玻璃模数为3.0～3.3；所述氢氧化钙为粉末状，纯度99％以上。
优选地，所述砖混微粉为建筑垃圾去除木屑、塑料等杂质后，将剩余废旧砖块和混凝土块混合破碎至粒径不大于4.75mm，比表面积大于200m2/kg；所述矿渣微粉采用高炉炼铁矿渣经磨细所得，比表面积大于300m2/kg；所述珍珠岩为市售膨胀岩，磨细至细度为100目以下；所述氢氧化钠为工业级片碱，纯度达99％以上；水玻璃为液态，质量分数为30％～34％，水玻璃模数为3.0～3.3；所述石膏为工业副产石膏、天然石膏的任意一种或多种的混合物；水为普通自来水。
优选地，含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒包括以下组分，以质量份数计，
污泥25～30份，
砖混微粉20～30份，
矿渣微粉10～20份，
水泥10～20份，
珍珠岩2～4份，
水玻璃0～4份，
氢氧化钠0～2份，
水6～12份。
优选地，含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒包括以下组分，以质量份数计，
污泥20份，
砖混微粉32份，
矿渣微粉21份，
水泥10份，
珍珠岩4份，
水玻璃2份，
氢氧化钠1份，
水10份。
一种含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤如下：
(1)将待制备使用的水泥、砖混微粉、矿渣微粉、石膏充分干燥；准确测出所述污泥的含水率，计算出所述污泥中的实际含水量，并计算出外掺水的用水量；
(2)将水泥、矿渣微粉、砖混微粉、石膏与氢氧化钙按比例掺入所述污泥中进行混合搅拌，搅拌时间为20～30秒；再将所述外掺水的70％～80％加入混合料中，继续搅拌20～30秒；
(3)将搅拌好的混合料在练泥机中练泥10～20秒，然后从所述练泥机的挤嘴中挤出，再切割成粒径4～20mm的泥丁；
(4)将步骤(3)中生成的泥丁放入圆盘造粒机中，成球盘倾角控制在40～50度之间，转速控制在10～15r/min之间，在所述圆盘造粒机运行的前1～10min，将所述外掺水20％～30％以喷雾形式加入所述成球盘中，然后继续运行圆盘造粒机5～10min，所述泥丁被滚圆成丸状坯体，即陶粒生料球；
(5)将步骤(4)制成的陶粒生料球放入60～65℃蒸汽环境中养护22～24小时后取出，再放入18～22℃、湿度大于95％的环境中养护6～8天，即制成含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒。
优选地，含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒的制备方法，包括以下步骤如下：
(1)将待制备使用的水泥、砖混微粉、矿渣微粉、珍珠岩、石膏充分干燥；准确测出所述污泥的含水率，计算出所述污泥中的实际含水量，并计算出外掺水的用水量；
(2)将水泥、矿渣微粉、砖混微粉、珍珠岩按比例掺入污泥中进行混合搅拌，搅拌时间为20～30秒，将所述既定比例的水玻璃和氢氧化钠加入70％～80％的所述外掺水中，充分溶解后，将溶液加入混合料中，继续搅拌20～30秒；
(3)将搅拌好的混合料在练泥机中练泥10～20秒，然后从所述练泥机的挤嘴中挤出，再切割成粒径4～20mm的泥丁；
(4)将步骤(3)中生成的泥丁放入圆盘造粒机中，成球盘倾角控制在40～50度之间，转速控制在10～15r/min之间，在所述圆盘造粒机运行的前1～10min，将所述外掺水20％～30％以喷雾形式加入所述成球盘中，然后继续运行圆盘造粒机5～10min，所述泥丁被滚圆成丸状坯体，即陶粒生料球；
(5)将步骤(4)制成的陶粒生料球放入60～65℃蒸汽环境中养护22～24小时后取出，再放入18～22℃、湿度大于95％的环境中养护6～8天，即制成含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒。
本发明的有益效果：
1、本发明将污泥、矿渣微粉和砖混微粉作为免烧陶粒的主要原材料，并添加适量化学剂激发上述材料的火山灰活性成分，形成类似于水泥作用的凝胶，使陶粒具有一定强度。本发明采用的化学激发剂为水玻璃，水玻璃模数和碱含量对胶凝材料的性能影响重大，本发明采用的水玻璃模数和碱含量是通过大量试验验证得出，在此模数和碱含量条件下，上述材料所激发出的凝胶性能最优。另外，由于污泥掺量大，陶粒强度难以保证，且砖混微粉火山灰活性低，早期强度低，所以在陶粒中添加少量组分水泥，既能提高陶粒早期强度，同时又能为后期材料水化反应以及强度发展提供相应碱环境。本发明是基于碱激发胶凝材料体系原理，碱激发胶凝材料被认为是替代水泥的最佳绿色材料，不仅能大量消耗工业废渣，而且所制备的混凝土制品强度高、耐久性好。所以通过后期的养护，本发明陶粒具有较好的强度。另外，珍珠岩和石膏在水化反应后具有一定膨胀性，能降低免烧陶粒的密度，且主材所用的砖混微粉为多孔材料，密度小，同样降低了陶粒密度。
2、本发明工艺与传统的烧结工艺相比具有较多优势。首先，污泥不需处理，如污泥干化处理等都会增加陶粒成本和技术困难；其次，本发明生产工艺简单，无需大型煅烧设备，不会产生因污泥陶粒煅烧过程中给环境带极大污染问题，且陶粒性能达到相关标准要求，有利于大量消纳污泥和建筑垃圾，缓解环境污染给城市发展造成的压力；最后，本发明免烧陶粒以污泥和建筑垃圾为主要成分，原材料成本低，生产一立方本发明陶粒只需200元，现在市场性能指标相当陶粒价格在400元左右一立方，因此本发明具有较好的经济效益。
3、本发明陶粒可用于制备混凝土构件，还可用作各类填充材料，以及用于室内植物种植。
4、本发明免烧陶粒可达到如下技术指标：
(1)粒径范围：4～20mm；
(2)堆积密度：650～800kg/m3；
(3)筒压强度：2～4mpa；
(4)1h吸水率：15％～25％；
(5)煮沸质量损失量：＜1％；
(6)硫化物和硫酸盐含量：＜0.5％；
(7)有机物含量：合格。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。实施例旨在说明本发明所述方法中的适用范围和实验结果进行验证，并不对本发明所述的相关技术应用做出任何形式的限制，凡是基于本发明所述方法的技术原理进行的任何衍生技术均应当受到本发明的保护。
实施例1
一种含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒及制备方法，所述免烧陶粒由以下质量份数的组分混合而成：
污泥28份，
砖混微粉27份，
矿渣微粉12份，
水泥15份，
珍珠岩4份，
水玻璃4份，
氢氧化钠2份，
水8份。
制备方法：
(1)将上述材料中的水泥、砖混微粉、矿渣微粉、珍珠岩充分干燥；准确测出所述污泥的含水率，计算出所述污泥中的实际含水量，并计算出外掺水的用水量；
(2)将水泥、矿渣微粉、珍珠岩与砖混微粉按上述比例掺入污泥中混合搅拌，搅拌时间为25秒，将上述确定比例量的水玻璃和氢氧化钠加入70％的所需外掺水中，充分溶解后，将溶液加入混合料中，继续搅拌25秒；
(3)将搅拌好的混合料在练泥机中练泥15秒，然后从练泥机的挤嘴中挤出，再切割成粒径4～20mm的小泥丁。
(4)将上述中生成的小泥丁放入圆盘造粒机中，成球盘倾角控制在45度，转速控制在12r/min之间，在圆盘造粒机运行的前1～10min，将剩余外掺水30％以喷雾形式加入成球盘中，然后继续运行圆盘造粒机8min,泥丁被滚圆成一定大小的丸状坯体，即陶粒生料球。
(5)将成球好的陶粒放入60℃蒸汽环境中养护24小时后取出，再放入18～22℃、湿度大于95％的环境中养护7天，即可得以污泥和建筑垃圾为主要成分的免烧陶粒。
将所得陶粒进行性能测试：陶粒的堆积密度为731kg/m3，筒压强度为3.4mpa，1h吸水率为18％，煮沸质量损失量0.4％，硫化物和硫酸盐含量0.1％，有机物含量合格。由性能测试结果可得，本发明陶粒完全满足相关技术要求。
实施例2：
一种含污泥和建筑垃圾为主要成分的免烧陶粒及制备方法，所述免烧陶粒由以下质量份数的组分混合而成：
污泥20份，
砖混微粉32份，
矿渣微粉21份，
水泥10份，
珍珠岩4份，
水玻璃2份，
氢氧化钠1份，
水10份。
制备方法与实施例1相同。
所得陶粒的堆积密度为689kg/m3，筒压强度为2.8mpa，1h吸水率为21％，煮沸质量损失量0.8％，硫化物和硫酸盐含量0.1％，有机物含量合格。
实施例3：一种含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒及制备方法，所述免烧陶粒由以下质量份数的组分混合而成：
污泥30份，
砖混微粉20份，
矿渣微粉12份，
水泥20份，
石膏4份，
氢氧化钙6份，
水8份。
制备方法：
(1)将待制备使用的水泥、砖混微粉、矿渣微粉、石膏充分干燥；准确测出所述污泥的含水率，计算出所述污泥中的实际含水量，并计算出外掺水的用水量；
(2)将水泥、矿渣微粉、砖混微粉、石膏与氢氧化钙按比例掺入所述污泥中进行混合搅拌，搅拌时间为20～30秒；再将所述外掺水的70％～80％加入混合料中，继续搅拌20～30秒；
后面步骤与实施例1相同。
所得陶粒的堆积密度为725kg/m3，筒压强度为2.3mpa，1h吸水率为17％，煮沸质量损失量0.7％，硫化物和硫酸盐含量0.1％，有机物含量合格。
实施例4：
一种含污泥和建筑垃圾的免烧陶粒及制备方法，所述免烧陶粒由以下质量份数的组分混合而成：
污泥20份，
砖混微粉30份，
矿渣微粉10份，
水泥18份，
石膏4份，
氢氧化钙8份，
水10份。
制备方法与实施例3相同。
所得陶粒的堆积密度为764kg/m3，筒压强度为3.6mpa，1h吸水率为15％，煮沸质量损失量0.3％，硫化物和硫酸盐含量0.1％，有机物含量合格。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。