CN108794052B - 一种污泥页岩保温微孔砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种污泥页岩保温微孔砖及其制备方法，通过以下质量百分比的原料制备而成：页岩70‑75％、污泥15‑20％、煤矸石5‑15％，并加入混合料总质量0.5％的羧甲基纤维素钠，制备方法包括原料破碎、配比混合、原料粉磨、二次过筛、基于粒度配比混合、测试成型含水率、加水搅拌、陈化养护、多段干燥、原料热性质测试、设置焙烧阶段、坯体焙烧。本发明利用了页岩、污泥、煤矸石和外加剂，实现污泥和煤矸石在烧结砖中资源化利用，不仅消纳处理了污泥和煤矸石，减轻环境负荷，而且将污泥和煤矸石共用作烧结砖造孔剂，使烧结砖具备轻质、保温隔热、吸声降噪等特点。

Description

一种污泥页岩保温微孔砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，尤其是涉及一种污泥页岩保温微孔砖及其制备方法。
背景技术
随着我国城市化历程的加快，城市规模不断扩大和城市人口激增，由工业和日常生活产生的污泥的排放量迅猛增加，污泥的处理压力越来越大。污泥的环保处理以及资源化利用已经成为关注热点。污泥的烧失量可达50％，具有可以作为烧结砖造孔剂的应用潜力。高温下污泥中有机质挥发，在原位置留下孔隙，形成多孔结构，有利于提升烧结砖的保温隔热性能。此外，烧结砖主要原料之一粘粘土，主要化学组分为二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁等，这与污泥的组分相似。因此可以考虑在化学组成允许的范围内，将污泥掺入烧结砖原料中替代部分粘土。此外，由于生活污泥中有机物所占比例较大，有一定的燃烧热值，用于制砖，可降低能源消耗。因此，将污泥适当代替部分粘土用作烧结墙材的原料不仅仅可以资源化处理固废，也可满足烧结砖对于轻质、保温隔热性能提升的需求，符合节能、利废、环保的理念。
粘土是烧结砖的主要原料。传统的烧结方法会消耗大量的粘土，造成耕地的破坏。以我国烧结砖厂分布及产量为例，当前年产量约为1万亿块前提，对粘粘土资源造成极大消耗，已对我国现有农田的数量与质量产生了不可逆转的影响。为改变这一趋势，必须寻找适宜粘粘土的替代品。页岩是一种泥质岩石，含有较多的粘粘土矿物，主要化学组成与粘土基本相同，可以达到烧结砖原材料的要求。我国页岩岩石的储备占有量可以达到总国土面积的77％左右，是具有明显应用优势的沉积岩矿物资源，已经逐渐成为我国实际含有量最为丰富的资源储备对象之一。故采用页岩作为烧结砖的原材料，既能满足烧结砖对于原料的要求，又避免对于耕地的破坏。在一些丘陵地带，页岩的开采甚至可以开山造田。
煤矸石是煤形成过程中产生的含碳量伴生黑色岩石，在煤炭开采和洗煤过程中作为固体废物排出，其产量约占煤炭开采量的5％-25％。累积在中国的煤矸石已达到10亿吨，且以每年1亿吨的速度增加。如果将煤矸石弃置堆放，会占用大量土地。煤矸石中含有大量硫化物，其逸出或者浸出会造成空气和水体污染，对环境和人体健康存在严重的威胁。同时，煤矸石存在自燃风险，有极大的安全隐患。煤矸石的主要成分，如氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化铁等，也可作为烧结墙体材料的原料。同时煤矸石中存在一定量的碳，其在焙烧过程中，不仅释放热量节约焙烧能耗，而且碳燃烧后在原位置留下孔隙，也有一定造孔效果。
发明内容
基于上述背景技术，本发明提供一种利用污泥、煤矸石、页岩和合适的外加剂在一定工艺条件下制备的保温微孔砖，科学高效利用了污泥和煤矸石等大宗废弃物，减少环境负荷，提高其资源化利用水平和商业附加值，研发出一种高性能绿色建筑材料。
本发明通过以下技术方案实现：
一种污泥页岩保温微孔砖，通过以下质量百分比的原料制备而成：按绝干质量换算，页岩70-75％、污泥15-20％、煤矸石5-15％，并加入混合料总质量0.5％的羧甲基纤维素钠。
进一步地，所述页岩、污泥与煤矸石采用粉体颗粒物，分别经2mm筛和0.2mm筛进行一次过筛和二次过筛，且一次过筛和二次过筛后粉体的质量比为4：6，通过控制混合料颗粒粒度分布，颗粒级配使混合料具备足够的塑性，有利于成型，并且不会因为颗粒粒度过小给坯体干燥带来困难；其次，保证颗粒级配较为合理，混合料均匀混合，小颗粒填充在大颗粒之间，有利于烧结砖力学性能。
一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将干燥的污泥、页岩和煤矸石分别在粉碎装置中进行粉碎，得到颗粒状物，按配比将它们混合，之后粉磨、过筛，得到混合物粉体；
(2)在混合物粉体中加入羧甲基纤维素钠(CMC)作为絮凝剂，加水搅拌制备泥料，将泥料置入养护室进行陈化；
(3)将陈化后的泥料置于模具中成型制成坯体，将成型好的坯体干燥，使干燥后的坯体含水率低于5％；
(4)将干燥后的坯体置入烧结炉焙烧，即制得产品。
进一步地，步骤(1)粉碎装置为颚式破碎机、锤式破碎机或细碎破碎机，粉碎后颗粒粒径在5mm以下。
进一步地，步骤(2)控制泥料的塑性指数为10-17。
进一步地，加水量具体由以下方法确定：加水与混合物粉体搅拌，直至混合物粉体由粉体表现出塑性，然后将泥料填满土样杯，抹平杯口，通过土壤液塑限测试仪锥体坠入土样杯深度衡量泥料塑性变形能力，当深度低于6mm，继续加水搅拌，直至深度为6mm位置。随后取出部分此时的泥料置入烘箱干燥，得到其成型含水率，所得到坯体成型含水率在20-25％之间；
进一步地，步骤(2)将泥料置入相对湿度大于85％的养护室陈化22-26h。
进一步地，步骤(3)成型好的坯体在35-45℃下干燥1.5-2.5h后，将干燥温度提升至100-110℃下，干燥3.5-4.5h。
进一步地，步骤(4)以5℃/min升温速率升温至预热温度，保温30min后再以5℃/min升温至900-950℃，在最高温度下保温1h后，随炉子冷却至室温。
进一步地，所述预热温度为400-500℃，预热温度由污泥和煤矸石的热重曲线失重峰峰值所在温度区间决定，一般在400℃-500摄氏度，将此温度设定预热阶段，有利于坯体中有机质在坯体中完全热解或者燃烧，在原位置留下孔隙，从而调节坯体孔结构，从而提升砖保温性能，并且避免因为有机质和碳被封闭在坯体中而未完全燃烧，使坯体内部出现“黑心”的状况。
本发明综合考虑污水污泥和煤矸石再利用的紧迫性和保温微孔烧结砖所需的多孔轻质等结构特点，寻找到了适合的原料配比及制备流程，通过利用煤矸石、污水污泥、页岩和外加剂作为原材料，结合适宜的烧成制度和工艺方法制备出保温微孔砖，不仅减轻了污泥和煤矸石对环境造成的严重负担，减少其额外处置费用；而且利用污水污泥和煤矸石改善了烧结砖的孔结构，得到体积密度低、保温性能极好且力学性能优良的保温微孔烧结砖。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明所采用原料为页岩、污泥、煤矸石和外加剂，实现污泥和煤矸石在烧结砖中资源化利用，不仅消纳处理了污泥和煤矸石，减轻了环境负荷，而且将污泥和煤矸石共用作烧结砖造孔剂，使烧结砖具备轻质、保温隔热、吸声降噪等特点；
2、本发明采用二次过筛方法，控制混合原料级配分布，并且通过土壤液塑限测试仪锥体在泥料坠落深度衡量泥料形变能力确定最佳成型含水率，辅以CMC絮凝剂，使泥料塑性性质好，易于成型，解决了掺入污泥和煤矸石造成混合成型困难的问题，且得到的生坯强度较高、干燥收缩率率低；
3、通过原料热重曲线设置预热温度，不仅使污泥和煤矸石完全燃烧或热解，充分发挥其作为造孔剂的作用，使得坯体改善坯体孔结构，并且避免污泥中有机质或者煤矸石中碳被封闭在坯体内部未完全燃烧、使坯体内部形成还原环境造成“黑心”问题；
4、本发明所得到保温微孔砖，所得烧结砖外观质量良好，无裂纹、无缺角，内部无“黑心”，并且具备良好的力学性能和保温性能，体积密度为1300-1500kg/m3，抗压强度为17MPa-25MPa，导热系数为0.35-0.45W/(m·K)，24h常温浸泡吸水率为18％-24％。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，包括以下步骤：
S1：将污水处理厂运来的含水率为90％以上的污泥置于晒厂，翻晒3天，而后将污泥干燥，使其含水率低于10％，得到污泥块体；
S2：将页岩、污泥、煤矸石分别在颚式破碎机、锤式破碎机、细碎破碎机三级破碎机，得到页岩颗粒、污泥颗粒和煤矸石颗粒，其颗粒粒径5mm以下；
S3：将按照绝干质量换算后页岩颗粒、污泥颗粒、煤矸石颗粒质量比75％、15％、10％、混合，而后在行星式球磨机粉磨15-20min后过筛得到混合物粉体；粉磨后粉体分别在2mm筛、0.2mm筛进行一次过筛和二次过筛，一次过筛和二次过筛后粉体，用电子秤称取4：6质量比的一次过筛和二次过筛粉体置入搅拌机中；
S4：称取上述混合料质量的0.5％CMC粉体作为絮凝剂置入搅拌机，搅拌3min后，取出部分干混合料粉体，将混合料填满土样杯，抹平杯口，通过土壤液塑限测试仪锥体坠入土样杯深度衡量泥料塑性变形能力，当深度低于6mm，继续加水，直至深度为6mm位置，然后取出部分此时的泥料置入烘箱干燥，得到其成型含水率为24％。根据所得含水率，称取此时混合料质量的24％水加入搅拌机中，搅拌混合5min得到泥料，然后泥料运送至相对湿度大于85％的养护室，进行陈化24h，以增加泥料的成型性能，得到混合料塑性指数为13；
S5：将陈化后泥料置于模具中成型制坯体，压力制坯；
S6：将成型好的坯体在40℃下干燥2h后，将干燥温度提升至105℃下，干燥4h，干燥后的坯体含水率低于5％；
S7：根据污泥和煤矸石的热重曲线，将预热温度设置为400℃。将干燥后的坯体置入烧结炉中以5℃/min升温速率升温至预热温度400℃，保温30min后再以5℃/min升温至900℃，在最高温度下保温1h后，随炉冷却。
所得的保温微孔砖性能参数见表1。
表1实施例1保温微孔砖性能参数
Figure BDA0001688465730000051
实施例2
一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，包括以下步骤：
S1：将污水处理厂运来的含水率为90％以上的污泥置于晒厂，翻晒3天，而后将污泥干燥，使其含水率低于10％，得到污泥块体；
S2：将页岩、污泥、煤矸石分别在颚式破碎机、锤式破碎机、细碎破碎机三级破碎机，得到页岩颗粒、污泥颗粒和煤矸石颗粒，其颗粒粒径5mm以下；
S3：将按照绝干质量换算后页岩颗粒、污泥颗粒、煤矸石颗粒质量比70％、15％、15％、混合，而后在行星式球磨机粉磨15-20min后过筛得到混合物粉体；粉磨后粉体分别在2mm筛、0.2mm筛进行一次过筛和二次过筛，一次过筛和二次过筛后粉体，用电子秤称取4：6质量比的一次过筛和二次过筛粉体置入搅拌机中；
S4：称取上述混合料质量的0.5％CMC粉体作为絮凝剂置入搅拌机，搅拌3min后，取出部分干混合料粉体，将混合料填满土样杯，抹平杯口，通过土壤液塑限测试仪锥体坠入土样杯深度衡量泥料塑性变形能力，当深度低于6mm，继续加水，直至深度为6mm位置，然后取出部分此时的泥料置入烘箱干燥，得到其成型含水率。根据所得含水率22％，称取此时混合料质量22％的水加入搅拌机中，搅拌混合5min得到泥料，然后泥料运送至相对湿度大于85％的养护室，进行陈化24h，以增加泥料的成型性能，得到混合料塑性指数为11；
S5：将陈化后泥料置于模具中成型制坯体，压力制坯；
S6：将成型好的坯体在40℃下干燥2h后，将干燥温度提升至105℃下，干燥4h，干燥后的坯体含水率低于5％；
S7：根据污泥和煤矸石的热重曲线，将预热温度设置为400℃。将干燥后的坯体置入烧结炉中以5℃/min升温速率升温至预热温度400℃，保温30min后再以5℃/min升温至950℃，在最高温度下保温1h后，随炉冷却。
所得的保温微孔砖性能参数见表2。
表2实施例2保温微孔砖性能参数
Figure BDA0001688465730000061
实施例3
一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，包括以下步骤：
S1：将污水处理厂运来的含水率为90％以上的污泥置于晒厂，翻晒3天，而后将污泥干燥，使其含水率低于10％，得到污泥块体；
S2：将页岩、污泥、煤矸石分别在颚式破碎机、锤式破碎机、细碎破碎机三级破碎机，得到页岩颗粒、污泥颗粒和煤矸石颗粒，其颗粒粒径5mm以下；
S3：将按照绝干质量换算后页岩颗粒、污泥颗粒、煤矸石颗粒质量比70％、20％、10％、混合，而后在行星式球磨机粉磨15-20min后过筛得到混合物粉体；粉磨后粉体分别在2mm筛、0.2mm筛进行一次过筛和二次过筛，一次过筛和二次过筛后粉体，用电子秤称取4：6质量比的一次过筛和二次过筛粉体置入搅拌机中；
S4：称取上述混合料质量的0.5％CMC粉体作为絮凝剂置入搅拌机，搅拌3min后，取出部分干混合料粉体，将混合料填满土样杯，抹平杯口，通过土壤液塑限测试仪锥体坠入土样杯深度衡量泥料塑性变形能力，当深度低于6mm，继续加水，直至深度为6mm位置，然后取出部分此时的泥料置入烘箱干燥，得到其成型含水率为26％。根据所得含水率，称取此时混合料质量的26％水加入搅拌机中，搅拌混合5min得到泥料，然后泥料运送至相对湿度大于85％的养护室，进行陈化24h，以增加泥料的成型性能，得到混合料塑性指数为15；
S5：将陈化后泥料置于模具中成型制坯体，压力制坯；
S6：将成型好的坯体在40℃下干燥2h后，将干燥温度提升至105℃下，干燥4h，干燥后的坯体含水率低于5％；
S7：根据污泥和煤矸石的热重曲线，将预热温度设置为450℃。将干燥后的坯体置入烧结炉中以5℃/min升温速率升温至预热温度400℃，保温30min后再以5℃/min升温至950℃，在最高温度下保温1h后，随炉冷却。
所得的保温微孔砖性能参数见表3。
表3实施例3保温微孔砖性能参数
Figure BDA0001688465730000071

Claims (6)

1.一种污泥页岩保温微孔砖，其特征在于，通过以下质量百分比的原料制备而成：按绝干质量换算，页岩70-75％、污泥15-20％、煤矸石5-15％，并加入混合料总质量0.5％的羧甲基纤维素钠；
制备方法包括以下步骤：
(1)将干燥的污泥、页岩和煤矸石分别在粉碎装置中进行粉碎，得到颗粒状物，按页岩颗粒70-75％、污泥颗粒15-20％、煤矸石颗粒5-15％将它们混合，之后粉磨、过筛，得到混合物粉体，所述过筛为分别经2mm筛和0.2mm筛进行一次过筛和二次过筛，且一次过筛和二次过筛后粉体的质量比为4：6；
(2)在混合物粉体中加入混合料总质量0.5％的羧甲基纤维素钠作为絮凝剂，加水搅拌制备泥料，将泥料置入养护室进行陈化；
(3)将陈化后的泥料置于模具中成型制成坯体，将成型好的坯体干燥，使干燥后的坯体含水率低于5％；
(4)将干燥后的坯体置入烧结炉焙烧，即制得产品；
步骤(2)控制泥料的塑性指数为10-17；
步骤(4)以5℃/min升温速率升温至预热温度400-500℃，保温30min后再以5℃/min升温至900-950℃，在最高温度下保温1h后，随炉冷却至室温。
2.一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)将干燥的污泥、页岩和煤矸石分别在粉碎装置中进行粉碎，得到颗粒状物，按页岩颗粒70-75％、污泥颗粒15-20％、煤矸石颗粒5-15％将它们混合，之后粉磨、过筛，得到混合物粉体，所述过筛为分别经2mm筛和0.2mm筛进行一次过筛和二次过筛，且一次过筛和二次过筛后粉体的质量比为4：6；
(2)在混合物粉体中加入混合料总质量0.5％的羧甲基纤维素钠作为絮凝剂，加水搅拌制备泥料，将泥料置入养护室进行陈化；
(3)将陈化后的泥料置于模具中成型制成坯体，将成型好的坯体干燥，使干燥后的坯体含水率低于5％；
(4)将干燥后的坯体置入烧结炉焙烧，即制得产品；
步骤(2)控制泥料的塑性指数为10-17；
步骤(4)以5℃/min升温速率升温至预热温度400-500℃，保温30min后再以5℃/min升温至900-950℃，在最高温度下保温1h后，随炉冷却至室温。
3.根据权利要求2所述的一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，其特征在于，步骤(1)粉碎装置为颚式破碎机、锤式破碎机或细碎破碎机，粉碎后颗粒粒径在5mm以下。
4.根据权利要求2所述的一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，其特征在于，加水量具体由以下方法确定：加水与混合物粉体搅拌，直至混合物粉体由粉体表现出塑性，然后将泥料填满土样杯，抹平杯口，通过土壤液塑限测试仪锥体坠入土样杯深度衡量泥料塑性变形能力，当深度低于6mm，继续加水搅拌，直至深度为6mm位置。
5.根据权利要求2所述的一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，其特征在于，步骤(2)将泥料置入相对湿度大于85％的养护室陈化22-26h。
6.根据权利要求2所述的一种污泥页岩保温微孔砖的制备方法，其特征在于，步骤(3)成型好的坯体在35-45℃下干燥1.5-2.5h后，将干燥温度提升至100-110℃下，干燥3.5-4.5h。
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