一种基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料及其制备方法

1.本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料及其制备方法。


背景技术：

2.当前利用工业固体副产品或固体废弃物制备人工骨料是解决目前自然骨料资源紧缺以及固废填埋引起环境问题的一种可行方式。已有比较成熟的骨料制备技术有烧结法和冷结法，比如烧结粉煤灰陶粒和水泥冷结骨料。然而烧结法需要提供高于1000摄氏度的高温，且成本高、排放大。冷结法需要用到10％-20％的水泥，但水泥的高温煅烧过程中会排放大量二氧化碳。
3.一种碱激发地聚合物胶凝材料成为了一种合理有效的解决办法，其具体是由碱溶液对硅-铝-钙相材料进行激发，从而该材料可较快硬化形成具备一定强度的胶凝材料。由于该材料具有耗能低，力学性能优异，耐久性突出等优点，是一种非常具有潜力的建筑材料。粉煤灰和粒状高炉矿渣是两种非常常见的地聚合物胶凝材料，所制备的地聚合物性能稳定。另外，大量工业固体副产品或者废弃物对环境造成的压力亟需处理，比如城市垃圾焚烧炉渣与飞灰，城市污泥焚烧灰，赤泥，锂渣，钢渣，废弃玻璃，煤矸石，磷渣等。
4.中国专利文献cn 108424096a公开了一种使用粉煤灰和石灰作为胶凝材料，同时添加了少量水泥，使用轻质有机颗粒作为内核，采用成球工艺并在中温下燃烧制备了一种低密度高比强的地聚合物骨料。但是，本技术发明人发现，使用中温煅烧耗能仍较大，也会产生温室气体排放。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料及其制备方法，旨在解决现有地聚合物骨料的制备方法需要中温煅烧，导致耗能较大，产生温室气体排放的问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供一种基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料的制备方法，其中，包括步骤：
8.将固体材料添加至圆盘制粒机中，启动圆盘制粒机；
9.往转动的圆盘制粒机中的固体材料中喷洒碱激发剂溶液进行地质聚合反应，得到地聚合物骨料颗粒；
10.将制好的地聚合物骨料颗粒表面的碱激发剂溶液晾干，然后进行养护，得到所述地聚合物人工骨料；
11.其中，按质量百分比计，所述固体材料由主要胶凝材料20％-100％和次要胶凝材料0％-80％组成；其中所述主要胶凝材料由粉煤灰100％-80％和粒化高炉矿渣粉0％-20％组成；所述次要胶凝材料选自工业副产品或者工业固体废弃物。
12.可选地，所述将固体材料添加至圆盘制粒机中的步骤之前，还包括步骤：将主要胶凝材料和次要胶凝材料充分混合及搅拌均匀。
13.可选地，所述将固体材料添加至圆盘制粒机中的步骤之后，所述启动圆盘制粒机的步骤之前，还包括步骤：对圆盘制粒机中的固体材料均匀喷洒占总质量5％的碱激发剂溶液。
14.可选地，所述将固体材料添加至圆盘制粒机中的步骤之后，所述启动圆盘制粒机的步骤之前，还包括步骤：将圆盘制粒机的倾斜角度设置为40
°-
50
°
，将圆盘制粒机的转动速度设置为25-35r/min。。
15.可选地，碱激发剂溶液在启动圆盘制粒机后的6分钟之内分四个阶段喷洒，其中0-1.5分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的47.5％，1.5-3分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的23.75％，3-4.5分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的11.875％，4.5-6分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的11.875％。
16.可选地，所述碱激发剂溶液通过以下方法制备得到：将工业无水偏硅酸钠溶于水中，并搅拌，冷却，得到所述碱激发剂溶液；
17.或者，将氢氧化钠溶解于硅酸钠溶液中，并搅拌，冷却，得到所述激发剂溶液。
18.可选地，碱激发剂选自工业无水偏硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠中的至少一种。
19.可选地，所述将制好的地聚合物骨料颗粒表面的碱激发剂溶液晾干，然后进行养护的步骤，具体包括：将制好的地聚合物骨料颗粒放置在常温空气中晾干至碱激发剂溶液晾干后，放入温度为60℃-105℃的电热烘箱养护24-48小时，再进行常温空气中养护28天或以上。
20.可选地，所述地聚合物人工骨料的粒径为5-20mm。
21.第二方面，本发明提供一种地聚合物人工骨料，其中，采用本发明所述的基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料的制备方法制备得到。
22.有益效果：本发明采用工业固体副产品(粉煤灰和粒化高炉矿渣粉)为主要胶凝材料，或辅以少量其他工业固体副产品或废弃物为次要胶凝材料，在圆盘制粒机转动的同时喷洒碱激发剂溶液，从而使其聚集形成地聚合物骨料颗粒，地聚合物骨料颗粒表面碱激发剂溶液晾干后，经过养护后即可得到具有良好力学性能以及优异的耐久性能的地聚合物人工骨料。本发明人工骨料为天然骨料的替代提供了新的可能，在一定程度上解决了骨料紧缺以及工业固体副产品及废弃物堆积方面的环境问题。另外，本发明转盘操作耗能低，且无需添加水泥，从而避免了水泥煅烧排放大量温室气体的问题。此外，本发明方法，操作便利，无需复杂特殊生产装置，工艺简单，生产成本低。
具体实施方式
23.本发明提供一种基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
24.本发明实施例提供一种基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料的制备方法，其中，包括步骤：
25.s10、将固体材料添加至圆盘制粒机中，启动圆盘制粒机；
26.s20、往转动的圆盘制粒机中的固体材料中喷洒碱激发剂溶液进行地质聚合反应，得到地聚合物骨料颗粒；
27.s30、将制好的地聚合物骨料颗粒表面的碱激发剂溶液晾干，然后进行养护，得到所述地聚合物人工骨料；
28.其中，按质量百分比计，所述固体材料由主要胶凝材料20％-100％和次要胶凝材料0％-80％组成；其中所述主要胶凝材料由粉煤灰100％-80％和粒化高炉矿渣粉0％-20％组成；所述次要胶凝材料选自工业副产品或者工业固体废弃物。
29.本实施例中，可以只添加主要胶凝材料，也可以用次要胶凝材料替代部分主要胶凝材料，其中主要胶凝材料可以全部采用粉煤灰，也可以采用粒化高炉矿渣粉替代部分粉煤灰，粒化高炉矿渣粉的加入可以有效提高所制备的人工骨料的力学性能。
30.本实施例中，次要胶凝材料选自可被碱激发的或者被碱激发性能弱的或者不可被碱激发的工业副产品或者工业固体废弃物。在一种实施方式中，所述次要胶凝材料选自城市垃圾焚烧炉渣与飞灰、城市污泥焚烧灰、赤泥、锂渣、钢渣、废弃玻璃、煤矸石和磷渣等中的至少一种，但不限于此。
31.本实施例采用工业固体副产品和废弃物为主要原料，在圆盘制粒机转动的同时喷洒碱激发剂溶液，从而使其聚集形成地聚合物骨料颗粒，地聚合物骨料颗粒表面碱激发剂溶液晾干后，经过养护后即可得到具有良好力学性能(包括高强度、强度可持续增长)以及优异的耐久性能的地聚合物人工骨料。
32.本实施例具有以下优势：
33.1、本实施例以工业固体副产品及废弃物作为制备原料，以碱溶液作为激发剂，生产成本低，反应过程不产生有毒气体，具有绿色环保的优点，且化废为宝，大大解决了工业固体副产品及废弃物堆积方面的环境问题。
34.2、本实施例人工骨料为天然骨料的替代提供了新的可能，在一定程度上解决了骨料紧缺的问题。
35.3、与大多数采用水泥粘结的制备工艺大大不同，本实施例采用碱激发方式制备人工骨料，无需添加水泥，从而避免了水泥煅烧排放大量温室气体的问题。
36.4、本实施例转盘操作耗能低，操作便利，无需复杂特殊生产装置，工艺简单。
37.5、本实施例人工骨料强度随放置时间的增加而增长，这是由于粉煤灰的火山灰性能随时间发展可以持续被激发。该骨料强度要求可根据产品性能要求而进行调整，调整方法可包括：改变原材料的种类和比例，改变圆盘制粒机的倾斜角度或转动速度，改变用水量，改变喷洒碱激发剂溶液速率，改变激发剂含量或种类，改变养护方式等。另外，骨料的碱度、吸水率等性能也可根据产品性能要求而进行调整，且同样可以采用上述方法进行调整。
38.步骤s10中，在一种实施方式中，所述将固体材料添加至圆盘制粒机中的步骤之前，还包括步骤：将主要胶凝材料和次要胶凝材料充分混合及搅拌均匀。
39.步骤s10中，在一种实施方式中，所述将固体材料添加至圆盘制粒机中的步骤之后，所述启动圆盘制粒机的步骤之前，还包括步骤：对圆盘制粒机中的固体材料均匀喷洒占总质量5％的碱激发剂溶液。也就是说，按质量百分比计，本步骤中喷洒的量为碱激发剂溶液总用量的5％。本实施例在启动之前对固体材料均匀喷洒碱激发剂溶液，可以防止圆盘制粒机启动后因固体材料粒径过小而弥漫粉尘。
40.在一种实施方式中，所述将固体材料添加至圆盘制粒机中的步骤之后，所述启动圆盘制粒机的步骤之前，还包括步骤：将圆盘制粒机的倾斜角度设置为40
°-
50
°
，将圆盘制粒机的转动速度设置为25-35r/min。倾斜角度和转动速度均是给制粒提供能量，需要根据所用材料设置在一个合理的范围，过大则造成颗粒之间的粘聚，过小则粘聚力不够，均不利于颗粒的造粒效果。
41.在一种实施方式中，步骤s10具体包括：将固体材料添加至圆盘制粒机的圆盘内，对圆盘制粒机中的固体材料均匀喷洒碱激发剂溶液，将圆盘制粒机调整至合适的倾斜角度和转动速度，启动圆盘制粒机。
42.步骤s20中，在一种实施方式中，所述碱激发剂溶液通过以下方法制备得到：将工业无水偏硅酸钠(作为激发剂)溶于水中，并适度搅拌以加快溶解，冷却至常温，得到所述碱激发剂溶液。或者，将氢氧化钠溶解于硅酸钠溶液(水玻璃)中，并适度搅拌以加快溶解，冷却至常温，得到所述激发剂溶液。需说明的是，本实施例中的常温指的是温度为20-30℃。
43.在一种实施方式中，所述碱激发剂溶液中碱激发剂可以选自硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠等中的至少一种。在一种实施方式中，所述碱激发剂中的氧化钠含量占固体材料质量的5％-8％，碱激发剂中的二氧化硅和氧化钠的摩尔比在0.9-2之间，水占固体材料质量的21％-27％。最终制备的骨料随着碱激发剂中氧化钠的质量增加而增加，但氧化钠质量过低会造成骨料质量不高，而过高会造成泛碱现象，一定范围内才能保证胶凝材料被充分激发。碱激发剂中的二氧化硅和氧化钠的摩尔比的变化也会使得最终骨料的性能有所变化，水的质量如果过小，一方面会造成碱溶液浓度过高堵塞喷嘴，另一方面胶凝材料的湿度不够。水的质量过大易造成颗粒之间的粘聚，一定范围内可保证颗粒的有效形成。
44.在一种实施方式中，步骤s20具体包括：将备好的碱激发剂溶液装入喷壶中，在启动圆盘制粒机后的6分钟之内分四个阶段喷洒，其中0-1.5分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的47.5％，1.5-3分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的23.75％，3-4.5分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的11.875％，4.5-6分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的11.875％。6分钟以后，不再喷洒碱激发剂溶液，圆盘制粒机继续转动，总时间为10-15分钟后关闭圆盘制粒机。
45.步骤s30中，将制好的地聚合物骨料颗粒表面多余的碱激发剂溶液晾干，可以避免颗粒与颗粒之间由于表面碱激发剂溶液造成的粘接。
46.在一种实施方式中，所述将制好的地聚合物骨料颗粒表面的碱激发剂溶液晾干，然后进行养护的步骤，具体包括：将制好的地聚合物骨料颗粒放置在常温空气中晾干至碱激发剂溶液晾干后，放入电热烘箱养护24-48小时，再进行常温(20-30℃)空气中养护28天或以上。骨料强度随电热养护时间的延长而增加，但超出一定范围增加有限。骨料强度随养护时间的延长强度也会继续增加。在一种实施方式中，所述电热烘箱的温度为60℃-105℃。该温度养护有利于促进地聚合物反应。
47.在一种实施方式中，所述地聚合物人工骨料的粒径为5-20mm。
48.本实施例以工业固体副产品及废弃物作为制备原料，廉价工业碱溶液为激发剂，生产成本低，反应过程不产生有毒气体，具有绿色环保的优点。同时，本实施例人工骨料为天然骨料的替代提供了新的可能，且该人工骨料强度等要求也可根据产品性能要求而进行调整，调整方法可包括：改变原材料的种类和比例，改变圆盘制粒机的倾斜角度或转动速
度，改变用水量，改变喷洒碱激发剂溶液速率，改变激发剂含量或种类，改变养护方式等。
49.本发明实施例提供一种地聚合物人工骨料，其中，采用如上所述的基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料的制备方法制备得到。
50.本实施例方法制备得到的地聚合物人工骨料为一定粒径范围内的类球形粗骨料，该骨料粒径为5-20mm，适用于自密实混泥土中提供骨架作用。骨料的吸水率约为13％，可提供良好的内养护性能；颗粒密度约1900kg/m3，比自然骨料约轻25％；单个颗粒强度平均值可达6.9mpa，达到甚至优于水泥冷结骨料的强度水平。
51.下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
52.实施例1
53.基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料，其组成如下：
54.(1)主要胶凝材料全采用粉煤灰；不添加次要胶凝材料；
55.(2)碱激发剂溶液为工业无水偏硅酸钠与水溶解配制，其中工业无水硅酸钠模数(激发剂中二氧化硅与氧化钠的质量比)为0.94，工业无水偏硅酸钠占主要胶凝材料总质量的12％，水占主要胶凝材料总质量的22％；
56.制粒步骤如下：
57.(1)将圆盘制粒机参数调整到倾斜角度为45度，转动速度为30r/min；
58.(2)将胶凝材料添加至圆盘制粒机中，均匀喷洒占总质量5％的碱激发剂溶液；
59.(3)启动圆盘制粒机，6分钟之内分四个阶段喷洒，其中0-1.5分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的47.5％，1.5-3分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的23.75％，3-4.5分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的11.875％，4.5-6分钟内匀速喷洒碱激发剂溶液总质量的11.875％。6分钟以后，不再喷洒碱激发剂溶液，制粒机继续转动，总时间为10分钟后关闭制粒机。
60.(4)将制好的地聚合物骨料颗粒放置在常温空气中至碱激发剂溶液晾干后，放入电热烘箱(105℃)养护24小时，再进行常温(25℃)空气中养护28天。
61.按本实施例得到的地聚合物人工骨料指标性能如下：
62.24h吸水率：13.1％；
63.颗粒密度：1900kg/m3；
64.平均单个颗粒压碎值：6.9mpa。
65.实施例2
66.基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料，其组成如下：
67.(1)主要胶凝材料采用粉煤灰和粒化高炉矿渣粉，分别占主要胶凝材料总质量的80％和20％；次要胶凝材料采用城市生活垃圾焚烧炉渣。主要胶凝材料和次要胶凝材料分别占所有固体材料总质量的80％和20％。
68.(2)碱激发剂溶液为工业无水偏硅酸钠与水溶解配制，其中工业无水硅酸钠模数(激发剂中二氧化硅与氧化钠的质量比)为0.94，工业无水偏硅酸钠占固体材料质量的12％，水占固体材料质量的22％；
69.制粒步骤如下：
70.(1)将城市生活垃圾焚烧炉渣烘干后并用球磨机磨成粉末，此步骤是为了增大细度并达到提高炉渣的碱激发活性的效果。
71.(2)将圆盘制粒机参数调整到倾斜角度为45度，转动速度为30r/min；
72.(3)将固体材料充分搅拌均匀后添加至圆盘制粒机中，均匀喷洒5％碱激发剂溶液；
73.(4)启动圆盘制粒机，6分钟之内分四个阶段喷洒，其中0-1.5分钟内匀速喷洒总碱激发剂溶液质量的47.5％，1.5-3分钟内匀速喷洒总碱激发剂溶液质量的23.75％，3-4.5分钟内匀速喷洒总碱激发剂溶液质量的11.875％，4.5-6分钟内匀速喷洒总碱激发剂溶液质量的11.875％。6分钟以后，不再喷洒碱激发剂溶液，制粒机继续转动，总时间为10分钟后关闭制粒机。
74.(5)将制好的地聚合物骨料颗粒放置在常温空气中晾干至碱激发剂溶液去除后，放入电热烘箱(105℃)养护24小时，再进行常温(25℃)空气中养护28天。
75.按本实施方式得到的地聚合物人工骨料指标性能如下：
76.24h吸水率：15.1％；
77.颗粒密度：1470kg/m3；
78.单个颗粒平均压碎值：3.1mpa。
79.上述实施例制得的地聚合物人工骨料粒径范围在5-20mm之间；吸水率较普通砂石骨料大，可提供良好的内养护性能；颗粒密度约1470-1900kg/m3，比自然骨料约轻25％-43％，可用于制备轻骨料混凝土；单个颗粒强度平均值可达3.1-6.9mpa，达到甚至优于水泥冷结骨料的强度水平。添加生活垃圾焚烧炉渣虽然强度下降但制成的骨料更轻质。
80.综上所述，本发明提供的一种基于圆盘制粒机的地聚合物人工骨料及其制备方法，本发明采用工业固体副产品或者工业固体废弃物为原料，以被激发性能优越的粉煤灰和粒化高炉矿渣粉作为主要胶凝材料，以被激发性能弱或者无被激发性能的其他工业废料作为次要胶凝材料。在圆盘制粒机转动的同时喷洒碱激发剂溶液，从而使其聚集形成地聚合物骨料颗粒，地聚合物骨料颗粒表面碱激发剂溶液晾干后，经过养护后即可得到具有良好力学性能以及优异的耐久性能的地聚合物人工骨料。本发明人工骨料为天然骨料的替代提供了新的可能，在一定程度上解决了骨料紧缺以及工业固体副产品和废弃物堆积方面的环境问题。另外，本发明烧制过程中也无需添加水泥，从而避免了水泥煅烧排放大量温室气体的问题。此外，本发明根据工艺过程中各工艺参数的不同，可以制备不同强度、碱度、吸水率等人工骨料，相对传统天然砂石具有更多功能。最后，本发明方法，操作便利，无需复杂特殊生产装置，工艺简单，生产成本低。
81.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。