CN107601936B - 一种混凝土轻集料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混凝土轻集料及其制备方法，所述混凝土轻集料由以下质量百分比的原料制备而成：油基钻屑60~80%，市政污泥10~30%，造孔剂0.8~7%，水9~9.3%；所述制备方法步骤如下：（1）将干燥的油基钻屑和城市污泥与造孔剂混合均匀，然后球磨制成生料；（2）将制备好的生料放入自动成球机中成球，在成球过程中均匀洒入水分，成球结束后，将制得的坯体陈化后烘干；（3）将烘干后的坯体进行煅烧，煅烧结束后随炉冷却，即得到所述的混凝土轻集料。本发明制备的混凝土陶粒轻集料，使用的主要原材料都为固体废弃物，各项技术指标满足国家标准相关要求，且抗浸出性能良好，不存在二次污染，成本低廉，有较好的产业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于废弃物资源化利用领域，具体涉及一种混凝土轻集料及其制备方法。
背景技术
根据混凝土的容重分类，一般容重在1950kg/m3以下的混凝土统称为轻混凝土。与普通混凝土（容重一般为2400kg/m3）相比，由于其自重轻、弹性模量低、抗震性好、保温隔热、不易燃等优点在工业与民用建筑，尤其是高层和大跨结构中得到了广泛的应用。而在轻混凝土制备过程中，所用轻集料的体积密度、筒压强度、吸水率、孔结构等直接决定了所配制轻混凝土的各项性能。
根据轻集料的来源，一般可分为天然轻集料和人工轻集料，天然轻集料多为天然多孔岩石，如浮石、火山渣及其轻砂，人造轻集料多为粘土陶粒、烧胀粉煤灰陶粒、页岩陶粒及其轻砂等。为了保护环境和节约土地，我国多地陆续出台“禁粘”政策，故粘土陶粒和页岩陶粒将会逐渐退出市场，而以工业固体废弃物为主要原材料经加工而成的人造轻集料，如烧胀粉煤灰陶粒、煤矸石陶粒、生物污泥陶粒、河底泥陶粒等将发挥越来越重要的作用。
页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的非常规天然气资源，由于页岩气是以吸附或游离状态存在于泥岩、高碳泥岩、页岩及粉砂质岩类夹层中，故在页岩气开采过程中，需通过多层水平井压裂技术使致密或超致密产层碎裂，以提高油气采收率和产气量。在水平井压裂过程中，常需要添加含多种化学处理剂的柴油作为压裂基液，且在此过程中，因切削地下深层岩石而产生的岩屑将通过返排的油基钻井液带出而产生油基钻井岩屑。若不加妥善处理，简单的堆放和填满将对水体和土壤造成严重污染。但由于油基钻屑本身含油量大，成分复杂且可能含有重金属元素，浸出液毒性高，这增加了其处理难度和处理成本。
目前油基钻屑采取的处理方法通常有固化填埋、高温裂解、物化分离、生物降解、焚烧等多种技术手段。依据所处理油基钻屑自身的理化性质，当油含量较高时可采用高温裂解、物化分离等手段回收其中的油类、以降低处理成本，而含油较少的油基钻屑则可以选择干化后进行固化填埋。上述处理方法中，高温裂解或物化分离虽然可以实现岩屑和油的有效分离，但仍会产生大量含油量较低的油基钻屑残渣，后续常常需要进行固化和填埋处理，而固化填埋需要建设大规模填埋厂，其土地占用面积大、建设成本高昂，固化体存在二次污染风险，生物降解周期较长，降解过程受含油量、油料性质、石油菌生长繁殖条件的限制。因此开发新的油基钻屑减量化、无害化处理及资源化利用技术是一个迫切需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种混凝土轻集料及其制备方法，解决页岩气开采中产生的油基钻屑难以处理的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种混凝土轻集料，由以下质量百分比的原料制备而成：油基钻屑60~80%，市政污泥10~30%，造孔剂0.8~7%，水9~9.3%。
作为优选，所述造孔剂为碳粒、木屑、石灰石粉中的一种或多种。
如上所述的混凝土轻集料的制备方法，步骤如下：
（1）将烘干的油基钻屑和城市污泥与造孔剂混合均匀，然后球磨制成生料；
（2）将制备好的生料放入自动成球机中成球，在成球过程中均匀洒入水分，成球结束后，将制得的坯体陈化后烘干；
（3）将烘干后的坯体进行煅烧，煅烧结束后随炉冷却，即得到所述的混凝土轻集料。
本发明以油基钻屑为主要原料，并辅以一定量的城市污泥经球磨、可塑成球、高温焙烧、冷却而制备得到混凝土轻集料。在高温焙烧过程中，油基钻屑中残留的有害柴油和化学添加助剂被充分燃烧和碳化，所含重金属元素则被固结在所形成的陶粒玻璃相和晶相中，提高了重金属抗水溶出能力，降低了重金属元素向环境扩散和迁移的风险。
其中，在上述步骤（1）中，油基钻屑和市政污泥在使用前可采用105℃烘干。
在上述步骤（2）中，在成球机锅体转动过程中均匀洒入水分，可使生料润湿并在物料表面形成一层水膜，并在滚动过程中不断吸附生料，由于水的表面张力及生料间的粘结作用，形成一个个直径0.2毫米左右母球。在不断滚动中，母球所含水分在离心力和重力作用下不断向外迁移而继续形成薄层水膜，继续吸附锅体中的生料，母球的粒径不断长大。由于母球在锅体中滚动时受到机械力作用，使得母球在长大的过程中不断密实，最终成为具有一定粒径和一定机械强度的坚实球状坯体。
在上述步骤（3）中，煅烧结束后随炉冷却，可使形成的高温液相温度快速降低，粘度快速增大，并形成坚硬致密的外壳和内部封闭的孔结构。
作为优选，步骤（1）中球磨时间为10~30min。
作为优选，步骤（2）中成球机锅体转速为10~30r/min。
作为优选，步骤（2）中陈化时间为1~2h。陈化的目的主要是进一步提高坯体中水分的均匀性，陈化结束后，可将坯体在80℃烘干2h，以降低坯体中的含水率，并使烘干后的坯体具有一定的初始强度，降低后期高温煅烧过程中坯体的开裂率。
作为优选，步骤（2）中陈化在20~30℃、相对湿度为70~90%条件下进行。其中优选在恒温恒湿条件下进行。
作为优选，步骤（3）中煅烧过程包括预烧和高温煅烧，预烧结束后，进行高温煅烧。
其中，所述预烧过程优选为：以5~10℃/min的速率升温至300~400℃，并保温8~11min。坯体预烧主要是避免在进入高温煅烧过程中，由于较大的温差引起坯体炸裂，同时在此过程中，生料中的部分有机物会开始分解、挥发。
预烧结束后，进行高温煅烧，高温煅烧过程优选为：以5~10℃/min的速率升温至1050~1200℃，并保温8~15min。在此过程中，油基钻屑和市政污泥中所含的有机物大量分解、挥发，并燃烧产生大量气体，所含的无机硅铝质材料开始熔融，并有适宜粘度的液相产生，所产生的液相与气体相互作用，抑制气体的快速挥发。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明以油基钻屑为主要原料、辅以一定量的市政污泥制备得到混凝土轻集料，其中，在高温（1050℃以上）焙烧过程中，油基钻屑中残留的有害柴油和化学添加助剂会被充分燃烧和碳化，并产生大量气体，这不仅为轻集料的焙烧过程提供了能量，而且产生的气体还有利于轻集料孔结构的形成，使制备的轻集料具有良好的孔结构，从而消除了油基钻屑带来的环境风险，也为轻集料的制备提供了物质基础，较大幅度的降低了轻集料的制备成本；同时，油基钻屑中所含的重金属元素会被固结在高温焙烧过程形成的陶粒玻璃相和结晶相中，提高了其抗水溶出能力，降低了重金属元素向环境扩散和迁移的风险。本发明为油基钻屑的安全处理提供了新的技术路径，同时也提供了一种强度高、吸水率低，成本低廉、具有较好应用前景的混凝土轻集料的制备方法，具有显著的环境和社会经济效益。
2、本发明所用辅助原料为市政污泥，其含有大量的致病微生物及虫卵等，而本发明在制备混凝土陶粒轻集料过程中，由于经历一个高温焙烧过程，其中所含微生物及虫卵等被焚烧，消除了其对环境的风险，同时，市政污泥所含的有机物会大量分解、挥发，并燃烧产生大量气体，有利于轻集料孔结构的形成，而且市政污泥中所含的泥沙等无机物，在高温下会熔融成为陶粒轻集料的组成成分。
3、本发明所制备的轻集料密度等级为1120kg/m3，筒压强度达到4.2MPa，1h吸水率为8.6%，孔结构良好，多为2mm以下均匀分布的小孔，相关性能满足GB/T17431.1-2010《轻集料及其试验方法》中有关人造轻集料的指标要求。本发明制备的混凝土陶粒轻集料，使用的主要原材料都为固体废弃物，各项技术指标满足国家标准相关要求，且抗浸出性能良好，不存在二次污染，成本低廉，有较好的产业化应用前景。
4、本发明制备的混凝土轻集料微结构呈片状，结晶有序排列，结构致密，同时具有良好的孔结构，孔径多为2mm以下，这些特点使所制备混凝土轻集料具有吸水率低、机械强度高、堆积密度小、保温隔热性能好等优点。
附图说明
图1为实施例1制备的混凝土轻集料；
图2为实施例1制备的混凝土轻集料孔壁的扫描电镜图；
图3为实施例1制备的混凝土轻集料XRD谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中使用的市政污泥为市政污水处理厂在废水处理过程中所产生的沉淀物质，其主要包括生活污水中的泥沙、生物残留物、纤维等固体颗粒以及各种胶体、微生物及虫卵等。油基钻屑在化学组成和矿物组成上与天然粘土相似，都为硅铝质材料，且含有较多的有机组分。本发明实施例中使用的油基钻屑和市政污泥所包含的主要化学组成如表1所示。
表1 油基钻屑和市政污泥中主要化学组成及烧失量（wt%）
| 项目 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | CaO | MgO | Na<sub>2</sub>O | K<sub>2</sub>O | Loss |
| 油基钻屑 | 58.52 | 12.37 | 2.52 | 9.09 | 2.54 | 1.52 | 2.35 | 10.85 |
| 市政污泥 | 23.11 | 11.32 | 8.04 | 8.76 | 2.42 | 1.76 | 3.42 | 41.72 |
实施例1
本实施例中，混凝土轻集料由以下质量的原料制备而成：油基钻屑80kg，市政污泥10kg，造孔剂0.8kg，水9.2kg，其中造孔剂为炭粒。
制备方法如下：
（1）将油基钻屑和市政污泥于105℃的烘箱中烘干，然后将80kg油基钻屑、10kg市政污泥和0.8kg炭粒混合均匀，再球磨制成生料，球磨时间为20min。
（2）将制备好的生料放入自动成球机中，控制成球机锅体转速为20r/min，在转动过程中均匀的洒入水分，使生料润湿并在物料表面形成一层水膜，在滚动的过程中不断吸附生料。成球结束后，将球状坯体在23℃、相对湿度为78%条件下陈化1h，以进一步提高坯体中水分的均匀性。
（3）将陈化结束后的球状坯体在80℃恒温下进行烘干，烘干时间为2h，以降低坯体的含水率，并使得烘干后的球状坯体具有一定的初始强度，降低后期高温焙烧过程中坯体的开裂率。
（4）将烘干后的球状坯体放入坩埚中，并置于高温箱式炉中进行煅烧，具体过程为：以7℃/min的速率升温到400℃，并在此温度下恒温10min，进行坯体预烧，预烧结束后，继续以7℃/min的速率升温到1100℃，并保温12min，进行陶粒轻集料的烧成。煅烧结束后随炉冷却，即得到所述的混凝土轻集料。
图1为实施例1制备的混凝土轻集料的实物图，由图中可知，本发明所制备的轻集料表面为坚硬的釉质外壳，敲碎后内部为多孔结构，孔径一般在2mm以下；该结构使得所制备混凝土轻集料具有吸水率低、机械强度高、堆积密度小、保温隔热性能好等优点。
图2为实施例1制备的混凝土轻集料孔壁放大20000倍的SEM图，由图可知，本发明所制备的混凝土轻集料微结构呈片状，结晶有序排列，结构致密，这一物相组成和微观形貌特性赋予其较低的吸水率和较高的抗压强度。
图3为实施例1制备的混凝土轻集料的X射线衍射图，由图可知，XRD衍射谱中弥散状衍射峰和较尖锐衍射峰共存，说明其物相主要为无定型玻璃质硅酸盐材料及相对结晶较好的SiO2和CaAlSi2O8材料。
实施例2~3
实施例2和实施例3中制备混凝土轻集料的原料如表2所示，制备方法与实施例1相同，不同点在于，实施例2中造孔剂为碳粒和木屑，且二者的质量比为2:1，实施例3中造孔剂为石灰石粉。
表2 实施例1~3中制备混凝土轻集料的原料组成（kg）
| 实施例 | 油基钻屑 | 市政污泥 | 造孔剂 | 水 |
| 1 | 80 | 10 | 0.8 | 9.2 |
| 2 | 70 | 20 | 1 | 9 |
| 3 | 60 | 30 | 0.7 | 9.3 |
将实施例1~3制备的陶粒轻集料按照GB/T17431.2-2010《轻集料及其试验方法》、GB5085.7-2007《危险废物鉴别标准通则》、GB8978-1996《污水排放综合标准》等对其各项性能进行测试，相关结果如表3所示。结果表明：本发明所制备陶粒轻集料堆积密度、筒压强度、吸水率以及浸出液中各重金属浓度等相关污染物指标均满足上述标准中相关指标要求，不会对环境造成二次污染。
表3 实施例1~3制备的混凝土轻集料性能
| 实施例 | 堆积密度kg/m<sup>3</sup> | 筒压强度MPa | 1h吸水率% |
| 1 | 1120 | 4.2 | 8.6 |
| 2 | 1080 | 3.9 | 9.4% |
| 3 | 1045 | 3.4 | 11.7% |
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种混凝土轻集料，其特征在于，由以下质量百分比的原料制备而成：油基钻屑60~80%，市政污泥10~30%，造孔剂0.8~7%，水9~9.3%；
制备步骤如下：
（1）将烘干的油基钻屑和城市污泥与造孔剂混合均匀，然后球磨制成生料；
（2）将制备好的生料放入自动成球机中成球，在成球过程中均匀洒入水分，成球结束后，将制得的坯体陈化后烘干；
（3）将烘干后的坯体进行煅烧，煅烧结束后随炉冷却，即得到所述的混凝土轻集料。
2.根据权利要求1所述的混凝土轻集料，其特征在于，所述造孔剂为碳粒、木屑、石灰石粉中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的混凝土轻集料，其特征在于，步骤（1）中球磨时间为10~30min。
4.根据权利要求1所述的混凝土轻集料，其特征在于，步骤（2）中成球机锅体转速为10~30r/min。
5.根据权利要求1所述的混凝土轻集料，其特征在于，步骤（2）中陈化时间为1~2h。
6.根据权利要求5所述的混凝土轻集料，其特征在于，步骤（2）中陈化在20~30℃、相对湿度为70~90%条件下进行。
7.根据权利要求1所述的混凝土轻集料，其特征在于，步骤（3）中煅烧过程包括预烧和高温煅烧，预烧结束后，进行高温煅烧。
8.根据权利要求7所述的混凝土轻集料，其特征在于，预烧过程为：以5~10℃/min的速率升温至300~400℃，并保温8~11min。
9.根据权利要求7所述的混凝土轻集料，其特征在于，高温煅烧过程为：以5~10℃/min的速率升温至1050~1200℃，并保温8~15min。
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