一种轻质骨料的制备方法与流程

本发明涉及固废制备轻质骨料或轻质集料技术领域，尤其涉及免烧轻质骨料。

背景技术：

当前我国大宗工业固废年产量约35亿吨，历史累计堆存量超过600亿吨，不仅大量占用土地，同时对环境造成恶劣影响。粉煤灰是燃煤电厂生产过程中产生的一种固体废弃物，产量约占燃煤总量的5～20％。我国粉煤灰年排放量约5亿吨，目前我国粉煤灰堆放量20亿吨以上，储灰场占用土地约4×10⁴km²，这不仅严重污染环境，也占用了大量的土地资源。粉煤灰中含有大量的硅铝氧化物，如果将粉煤灰中的主要成分加以利用，就可以“变废为宝”，达到保护环境的目的。

传统砂石材料，大量开采，浪费土地资源、破坏生态，同时密度大，难以降低建筑物自重。目前陶粒主要由粘土、页岩、粉煤灰等原料制造，且绝大部分采用煅烧工艺制备，煅烧法生产陶粒存在建厂投资大，工艺技术复杂，生产能耗高的问题，不仅产生大量的碳排放，同时严重限制企业的发展；而且大量使用粘土会导致耕地毁坏，不利于国家可持续发展；页岩陶粒受原材料地域限制影响较大，生产工艺复杂，生产成本高；粉煤灰陶粒主要以煅烧工艺制备为主，陶粒成本较高。因此有必要开发利用工业固废制备结构用免烧轻质骨料，对企业经济效益和环境保护均具有重要意义。

目前利用泥类、废渣类固废制备的骨料大部分筒压强度较低(<4mpa)，无法用于结构混凝土。而制备高强骨料的方法主要分为两类：煅烧制备类和激发增强类。专利cn103159483b、cn103922698a、cn108821621a等均采用高温煅烧工艺制备，生产能耗高，工艺复杂。cn104193248b，cn111170710a，cn105036691b，cn105130235b，cn111205061a，cn1241554a，cn102351557b，cn103496866b等采用水泥或者碱性激发剂、硫酸盐激发剂等化学激发方式提高骨料强度，该种方式存在如下问题：(1)水泥属于高污染高能耗产品，而且水泥在普通硅酸盐、铝硅酸盐类材料中密度偏大，制备的陶粒密度等级较高，不利于降低陶粒重量；(2)化学激发由于碱度高，制备的骨料表面容易出现泛碱现象，耐水性较差，直接暴露空气中耐久性欠佳，影响骨料整体性能。

陶粒由于内部多孔结构，具有一定的吸水性能，如粘土陶粒吸水率>20％，高强粉煤灰陶粒吸水率>10％，过高的吸水率不仅会降低湿润陶粒的力学性能，同时影响其在混凝土中的应用。

因此，开发以大量利用固废为基础，无水泥、免煅烧工艺制备高强结构用低吸水轻骨料，具有重要的环境效益和社会效益。

技术实现要素：

本发明以工业固废为基础，通过粉煤灰、偏高岭土基铝硅酸盐材料制备多孔内核，结合树脂-无机复合材料裹壳工艺，在免煅烧条件下制备结构用轻质高强骨料。不仅解决了工业固废的利用问题，同时无水泥等高能耗胶结材料，采用免煅烧制备工艺，能够减少大量碳排放，环境效益显著，所制备轻质骨料吸水率极低、筒压强度高、密度低，综合性能显著。

一种轻质骨料的制备方法，包括以下步骤：

(1)多孔内核制备：将固废材料、粉煤灰、偏高岭土、发泡剂和重金属吸附剂混合并碾磨均匀；

(2)造粒成球：加入水玻璃溶液直至形成球型颗粒；

(3)温度激发：将步骤(2)得到的球型颗粒经过蒸汽养护，烘干，所述养护温度为40-180℃；

(4)包覆裹壳：将树脂、粉煤灰、固化剂、稀释剂混合制备而成的复合浆体采用喷射工艺在步骤(3)得到的球形颗粒表面形成外壳；

(5)自然养护成型。

优选的，步骤(1)中的组分按质量百分数计，固废材料0～80％，粉煤灰10～60％，偏高岭土10～40％，发泡剂0.1～0.5％，重金属吸附剂0～5％。

优选的，所述步骤(1)中的固废材料包括铅锌尾矿、生物质燃烧物、垃圾焚烧灰、稻壳灰、钢渣、脱硫灰、石矿尾泥、淤泥中的一种或几种。

优选的，所述步骤(1)中的粉煤灰为ii级灰。

优选的，所述步骤(1)中的偏高岭土细度为1～10μm。

优选的，所述步骤(1)中的发泡剂为铝粉、金属硅粉中的一种或多种。

优选的，所述步骤(1)中的重金属吸附剂为海泡石粉、硅藻土、沸石粉中的一种或多种。

优选的，所述步骤(2)中水玻璃为硅酸钠水玻璃，水玻璃中二氧化硅和氧化钠的摩尔比为1.1～1.5，含固量为10％。

优选的，所述步骤(2)中采用圆盘造粒机制备，圆盘倾斜角度为30～60°，转速为20-30r/min，造粒成型阶段液体与粉体质量比为0.2～0.4。

优选的，所述步骤(4)中复合浆体质量为步骤(3)中烘干后球型内核质量的20～40％，按质量百分比计，树脂、粉煤灰、固化剂、稀释剂的复配比为：树脂40～65％、粉煤灰10～20％、固化剂10～20％、稀释剂10～20％。

有益效果

本发明轻骨料性能优异：1、骨料吸水率低：较低的吸水率可提高轻质骨料的软化系数，并且有效减少轻骨料使用前的预饱水时间，显著改善骨料由于高吸水对混凝土水胶比的影响和混凝土泵送性能的影响，提高轻骨料混凝土整体性能；2、整体性能优异：多孔内核结合高致密度的复合外壳，使得骨料在同密度等级下具有更好的筒压强度，而且骨料表面无泛碱现象，整体性能优异。

同时，大量利用工业固体废弃物，原料分布广泛、成本低廉且保护环境；无需传统1000℃以上的煅烧工艺，通过水热合成工艺制备，在40～180℃范围内，生产能耗低，节约资源；无需水泥作为增强材料，粉煤灰、偏高岭土等硅铝质材料来源广泛，制备工艺简单、过程绿色，力学性能优异。通过内部多孔内核材料的水化产物和重金属吸附剂对有害离子的吸附和外部致密性树脂-无机复合材料对有害离子的外渗阻截，可有效杜绝工业固废中有害离子的浸出。

附图说明

图1为一种轻质骨料结构示意图；

图2为轻质骨料横剖照片。

具体实施方式

一种利用工业固废制备结构用免烧轻质骨料的制备方法，包括多孔内核材料制备、造粒成球、温度激发、包覆裹壳、自然成型几个阶段。(1)多孔内核材料制备：首先将干燥的固废、粉煤灰、偏高岭土、发泡剂、重金属吸附剂充分碾磨混匀；(2)造粒成球：在具有一定倾斜角度的圆盘造粒机加入内核粉体材料，随着圆盘转动过程中针对粉体材料喷洒雾化的水玻璃溶液直至形成一定粒径的球体；(3)温度激发：将制备完成的球型颗粒在一定温度养护条件下蒸汽养护，然后烘干水分；(4)包覆裹壳：将烘干后骨料倒入圆盘造粒机中，将一定量的树脂、粉煤灰、固化剂、稀释剂混合制备而成的复合浆体采用喷射工艺在骨料表面形成外壳；(5)自然养护2～3d成型。

所述固废包括铅锌尾矿、生物质燃烧物、垃圾焚烧灰、稻壳灰、钢渣、脱硫灰、石矿尾泥、淤泥中的一种或几种。

所述粉煤灰为ii级c类高钙灰；

所述偏高岭土细度为1～10μm。

所述发泡材料为铝粉、金属硅粉中的一种或两种；

所述重金属吸附剂为海泡石粉、硅藻土、沸石粉中的一种或两种

干燥固废、粉煤灰、偏高岭土、发泡剂、重金属固结剂的复配质量比例为：固废材料0～80％，粉煤灰10～60％，偏高岭土10～40％，发泡剂0.1～0.5％，重金属吸附剂0～5％。

造粒过程中使用水玻璃液体为硅酸钠水玻璃，模数为1.1～1.5，含固量为10％；

圆盘倾斜角度在30～60°，转速为21r/min，造粒成型阶段液体与粉体质量比为0.2～0.4；

温度激发工艺为：40℃蒸汽养护4～8h；之后60℃蒸汽养护2～10h；之后90℃蒸汽养护6h；之后180℃蒸汽养护6h；之后烘干；

包覆裹壳材料的质量为烘干骨料的20～40％；

树脂、粉煤灰、固化剂、稀释剂的复配质量比例为：树脂40～65％、粉煤灰10～20％、固化剂10～20％、稀释剂10～20％；

所述树脂为环氧树脂或者酚醛树脂；

所述固化剂为改性胺类型固化剂；

所述稀释剂为三羟甲基丙烷三缩水甘油醚、邻苯二甲酸二乙酯中的一种或两种；

本发明制备的轻质骨料，粒径为5～20mm，吸水率＜4％，根据固废材料的活性差异，所得骨料的筒压强度为5～16mpa，堆积密度为500～1000kg/m³。

所述模数是指水玻璃中二氧化硅和氧化钠的摩尔比。

所述含固量是指乳液或涂料烘干后剩余部分占总量的质量百分数。

实施例1

轻质骨料制备材料通过钢渣粉30.8kg，粉煤灰4kg，偏高岭土4kg，海泡石粉1.15kg，铝粉0.05kg混合，其中，钢渣粉购买自石家庄宜多矿产品有限公司的300～400目型产品；粉煤灰购买自江华电句容发电有限公司的ii级灰；偏高岭土购买自内蒙古伊东高岭土有限责任公司的800目产品；海泡石粉购买自广州拓亿新材料有限公司的600目产品，铝粉购买自济南银鹏建筑材料有限公司的gls-67型产品；圆盘造粒机购买自河南通达重工科技有限公司制备的tdyz-800型产品。

将上述材料混合后，在球磨机中粉磨20min。圆盘造粒机倾斜角度为45°，转速为21r/min，在造粒机中加入粉磨后的粉体材料，使用模数1.4、含固量10％的水玻璃溶液进行喷雾造粒成型，待颗粒长大至5～15mm左右，将颗粒取出放入蒸汽养护箱中，养护工艺为40℃蒸汽养护6h，之后60℃蒸汽养护4h，之后90℃蒸汽养护6h，之后180℃蒸汽养护6h，最后进行90℃烘干。将烘干后颗粒继续放入圆盘造粒机中滚动，将制备的树脂-无机复合材料浆体，其中环氧树脂5.25，粉煤灰0.9，三羟甲基丙烷三缩水甘油醚1.63，t-33型固化剂1.38，通过喷射工艺在颗粒表面形成外壳，然后常温养护2d得到轻质骨料成品。

其中水玻璃购买自天津中和盛泰化工有限公司生产的3.1模数产品，然后将模数调整至1.4；环氧树脂为凤凰牌环氧树脂wsr6101型产品；粉煤灰购买自江华电句容发电有限公司的ii级灰；三羟甲基丙烷三缩水甘油醚购自苏州市森菲达化工有限公司的tmpegv36型产品；固化剂是中国石化集团生产的t-33型产品。

实施例2

轻质骨料制备材料通过稻壳灰16kg，粉煤灰12kg，偏高岭土10kg，海泡石粉1.92kg，铝粉0.08kg混合，其中，稻壳灰为江苏建华陶粒有限公司煅烧陶粒产生的生物质废料；粉煤灰购买自江华电句容发电有限公司的ii级灰；偏高岭土购买自内蒙古伊东高岭土有限责任公司的800目产品；海泡石粉购买自广州拓亿新材料有限公司的600目产品，铝粉购买自济南银鹏建筑材料有限公司的gls-67型产品；圆盘造粒机购买自河南通达重工科技有限公司制备的tdyz-800型产品。

将上述材料混合后，在球磨机中粉磨20min。圆盘造粒机倾斜角度为45°，转速为21r/min，在造粒机中加入粉磨后的粉体材料，使用模数1.4、含固量10％的水玻璃溶液进行喷雾造粒成型，待颗粒长大至5～15mm左右，将颗粒取出放入蒸汽养护箱中，养护工艺为40℃蒸汽养护6h，之后60℃蒸汽养护4h，之后90℃蒸汽养护6h，之后180℃蒸汽养护6h，最后进行90℃烘干。将烘干后颗粒继续放入圆盘造粒机中滚动，将制备的树脂-无机复合材料浆体，其中环氧树脂6kg，粉煤灰2kg，三羟甲基丙烷三缩水甘油醚2kg，t-33型固化剂2kg，通过喷射工艺在颗粒表面形成外壳，然后常温养护2d得到轻质骨料成品。

其中水玻璃购买自天津中和盛泰化工有限公司生产的3.1模数产品，然后将模数调整至1.4；环氧树脂为凤凰牌环氧树脂wsr6101型产品；粉煤灰购买自江华电句容发电有限公司的ii级灰；三羟甲基丙烷三缩水甘油醚购自苏州市森菲达化工有限公司的tmpegv36型产品；固化剂是中国石化集团生产的t-33型产品。

实施例3

轻质骨料制备材料通过石矿尾泥14kg，粉煤灰12kg，偏高岭土12kg，硅藻土1.88kg，金属硅粉0.12kg混合，其中，石矿尾泥为新开元碎石有限公司骨料加工过程中产生的工业尾泥；粉煤灰购买自江华电句容发电有限公司的ii级灰；偏高岭土购买自内蒙古伊东高岭土有限责任公司的800目产品；硅藻土购自吉林远通矿业有限公司生产325目产品；金属硅粉购自清河县创盈金属材料有限公司的325目产品；圆盘造粒机购买自河南通达重工科技有限公司制备的tdyz-800型产品。

上述材料混合后，在球磨机中粉磨20min。圆盘造粒机倾斜角度为35°，转速为21r/min，在造粒机中加入粉体材料，使用模数1.4、含固量10％的水玻璃溶液进行喷雾造粒成型，待颗粒长大至5～15mm左右，将颗粒取出放入蒸汽养护箱中，养护工艺为40℃蒸汽养护6h，之后60℃蒸汽养护6h，之后90℃蒸汽养护6h，之后180℃蒸汽养护8h，最后90℃烘干。将烘干后颗粒继续放入圆盘造粒机中滚动，将制备的树脂-无机复合材料浆体，其中环氧树脂8kg，粉煤灰1.92kg，邻苯二甲酸二乙酯1.8kg，t-32型固化剂1.52kg通过喷射工艺在颗粒表面形成外壳，然后常温养护2d得到轻质骨料成品。

其中水玻璃购买自天津中和盛泰化工有限公司生产的3.1模数产品，然后将模数调整至1.4；环氧树脂为凤凰牌环氧树脂wsr6101型产品；粉煤灰购买自江华电句容发电有限公司的ii级灰；邻苯二甲酸二乙酯为无锡市亚泰联合化工有限公司的产品；固化剂为中国石化集团生产的t-32型产品。

实施例4

轻质骨料制备材料通过粉煤灰23.96kg，偏高岭土16kg，金属硅粉0.04kg混合，其中，粉煤灰购买自江华电句容发电有限公司的ii级灰；偏高岭土购买自内蒙古伊东高岭土有限责任公司的800目产品；金属硅粉购自清河县创盈金属材料有限公司的325目产品；圆盘造粒机购买自河南通达重工科技有限公司制备的tdyz-800型产品。

上述材料混合后，在球磨机中粉磨20min。圆盘造粒机倾斜角度为35°，转速为21r/min，在造粒机中加入粉体材料，使用模数1.2、含固量10％的水玻璃溶液进行喷雾造粒成型，待颗粒长大至5～15mm左右，将颗粒取出放入蒸汽养护箱中，养护工艺为40℃蒸汽养护6h，之后60℃蒸汽养护6h，之后90℃蒸汽养护6h，之后180℃蒸汽养护8h，最后90℃烘干。将烘干后颗粒继续放入圆盘造粒机中滚动，将制备的树脂-无机复合材料浆体，其中环氧树脂9.6kg，粉煤灰1.6，邻苯二甲酸二乙酯2.8，t-32型固化剂2，通过喷射工艺在颗粒表面形成外壳，然后常温养护2d得到轻质骨料成品。

其中水玻璃购买自天津中和盛泰化工有限公司生产的3.1模数产品，然后将模数调整至1.2；环氧树脂为凤凰牌环氧树脂wsr6101型产品；粉煤灰购买自江华电句容发电有限公司的ii级灰；邻苯二甲酸二乙酯为无锡市亚泰联合化工有限公司的产品；固化剂为中国石化集团生产的t-32型产品。

骨料性能检测方法采用gb/t17431-2010《轻集料及其试验方法》；有害离子浸出通过将10g骨料样品在100ml蒸馏水中振荡搅拌24h后过滤，然后采用原子吸收光谱法检测过滤水中有害离子含量。检测结果如表1：

表1轻质骨料性能检测结果

表观密度是指材料的质量与表观体积之比；堆积密度把粉尘或者粉料自由填充于某一容器中，在刚填充完成后所测得的单位体积质量。以上密度测试均按照gb/t17431-2010《轻集料及其试验方法》进行。

强度增长机理：相较于传统高温煅烧理论制备轻质骨料，本发明通过化学助剂，即液体硅酸钠激发粉煤灰、偏高岭土以及固废材料中的铝硅酸盐矿物，通过解聚和再聚合固化反应形成具有良好胶凝活性的聚合物；结合发泡剂，即铝粉、金属硅粉等在碱性环境下(上述制备方法中，水玻璃激发粉煤灰等铝硅酸盐呈碱性，无须单独调配ph)化学发泡理论，形成聚合多孔结构从而降低内核表观密度；通过水热合成工艺，即蒸汽养护进一步提高聚合物反应程度，从而形成具有良好强度的多孔内核。结合壳层增强理论，通过在内核表面包覆结构形成致密、高强度的树脂-粉煤灰复合浆体(图1中的外壳)，从而显著改善轻骨料的筒压强度和吸水率。因此，通过表1和和表2的对比，可以发现，当密度等级相同时，采用本发明制备的轻质骨料筒压强度更高。

轻质机理：(1)粉煤灰、偏高岭土等材料密度显著低于水泥、矿粉等胶凝材料；(2)通过金属粉末的化学发泡形成多孔内核，显著降低表观密度；(3)树脂-粉煤灰复合浆体(图1中的树脂-无机复合致密外壳)的表观密度显著低于水泥基无机胶凝材料的密度，本发明采用的化学激发原理，而非煅烧工艺，因此，当产物与现有技术中骨料的筒压强度相同时，其表观密度更低。

有害金属固结机理：(1)粉煤灰、偏高岭土等铝硅酸盐材料通过化学激发形成的三维网络状聚合物结构可结合绝大部分有害离子；(2)重金属吸附剂可有效吸附重金属离子；(3)致密的树脂-粉煤灰复合浆体(图1中的外壳)可有效阻截内核中有害离子的渗出。

市售通过高温煅烧工艺制备的同密度等级骨料产品性能如表2所示：

表2市售骨料性能检测结果

经对比可发现，本发明制备的骨料，相比市售同密度等级煅烧骨料，骨料筒压强度可提升50％以上，而且吸水率极低；同时可以大量利用工业固废并且有效固结其中有害离子，大大拓宽了工业固废的应用途径。