冷粘法制备核壳结构轻骨料及其制备方法与流程

2021-01-31 00:01:15|

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本发明涉及用于建筑用骨料制备技术领域，尤其涉及一种节能低耗、简化加工流程且能时实现固废资源化的、吸水率低且颗粒承载力高的核壳结构轻骨料及其制备方法。

背景技术：

按照陶粒的制备及生产工艺进行分类，可分为烧结型陶粒、烧胀型陶粒、免烧陶粒。传统的生产工艺是采用黏土、粉煤灰、石灰石粉等原材料，通过回转窑的高温烧结技术来生产人造轻骨料。这些生产工艺技术都属于烧制方式，制备过程不仅耗费大量能源，同时还会向空气中排放大量的二氧化硫等有毒有害气体，且产量较低，单颗骨料的承载力一般较低，吸水率较大。

近年来无论是中国还是其他国家，都大力推广节约能源的低碳和环保政策，为了响应环保政策，减少了黏土、页岩等自然资源的使用，大力推广以建筑垃圾、固体废弃物、河道底泥等为资源化，实现“无废城市”的目标。在生产工艺上，逐渐推广使用冷粘成粒技术、轻烧陶粒技术来代替高温烧结技术来生产骨料。免烧陶粒即不用经过烧制成型的陶粒，是采用各种活性固体废弃物、胶结材料、固化剂以及其他辅助材料，经过造粒，然后经自然养护(蒸汽养护、蒸压养护)而成的人造轻集料。但是现有的免烧轻质骨料堆积密度偏高，筒压强度较低，保温效果差，所需原材料多，经济效果较差。

现有技术存在以下缺点：

1.经高温烧结技术生产的轻质骨料，能耗大，生产环境差，生产工艺落后。

2.现有免烧陶粒强度不高，颗粒承载力低，同时容易碳化，主要运用于小型砌块、隔板等非承重结构。

3.传统陶粒骨料吸水率偏高，通常为5％-25％，吸水率过高对抗火性能不佳，高温下容易造成混凝土爆裂。

4.现有的免烧陶粒大部分基于粉煤灰或矿渣等粉体，原料供应的可持续性不强。

5.现有陶粒制备原料过度依赖和消耗天然粘土和页岩资源，而采用尾矿、固体废弃物作为原料为辅料制备陶粒的比例较少，原料尚未实现多样化，结构不合理，与绿色循环经济仍有很大差距。

6.目前为降低陶粒吸水率，常用化学方法，采用硅烷型的疏水剂，但此类型疏水剂价格昂贵，需用机械或人力涂覆，耗时耗财。

7.经高温烧结陶粒的强度由于其没有活性材料或活性材料已被激发完成，则强度已固定，不再发展，并会随着时间的推移其力学性能劣化而强度降低。

因此亟需一种节能低耗、简化加工流程且能时实现固废资源化的、吸水率低且颗粒承载力高的核壳结构轻骨料及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种节能低耗、简化加工流程且能时实现固废资源化的、吸水率低且单颗承载力高的核壳结构轻骨料及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：提供一种冷粘法制备核壳结构轻骨料的制作方法，包括：如下步骤：

提供一种冷粘法制备核壳结构轻骨料的制作方法，其特征在于，包括：如下步骤：

(1)将普通硅酸盐水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石膏按比例配置成煅烧粘土基绿色环保胶凝材料；

(2)将内核材料颗粒放进轻骨料造粒装置内，然后投放步骤(1)配置成的煅烧粘土基绿色环保胶凝材料，并均匀喷洒混合剂进行造粒，形成初生冷粘骨料；

(3)将步骤(2)形成的所述初生冷粘骨料进行第一次养护；

(4)把经过步骤(3)第一次养护的骨料放进盛有有机酸或苯酚类化合物的溶液中进行浸泡，以使骨料表面湿润状态后放入碳化箱进行碳化进行表面超疏水处理，形成表面超疏水的骨料；

(5)把表面超疏水的骨料继续放进水中进行第二次养护，生产出超疏水高强轻质骨料。

所述内核材料颗粒为具有轻质和明显粒型特征的固体废弃物颗粒，包括：膨胀珍珠岩颗粒、聚苯乙烯泡沫颗粒、采矿废石、冶炼废渣、各种煤矸石、炉渣。

所述轻骨料造粒装置为圆盘轻骨料造粒装置，所述圆盘轻骨料造粒装置的倾角为40～75°，转速为30～50转/分钟。

步骤(2)中，所述混合剂为水和固化剂混合而成。

步骤(3)中，所述第一次养护是将所述初生冷粘骨料放在温度为20±3℃、相对湿度为70～95％的环境中养护一段时间。

步骤(3)中，步骤(5)中，将所述初生冷粘骨料装进密封的恒温循环养护箱中养护12小时，将所述恒温循环养护箱设置的工作温度为：温度为90℃、相对湿度为98％。

为了实现上述目的，本发明还提供的技术方案为：提供一种冷粘法制备核壳结构轻骨料，包括：内核材料颗粒和外壳材料，所述外壳材料包覆在所述内核材料颗粒之外，其特征在于，所述外壳材料包括：普通硅酸盐水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石膏。

所述外壳材料所包括的：普通硅酸盐水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石膏是按照以下配比进行配置的：

普通硅酸盐水泥：40～50份；

煅烧粘土：20～30份；

石灰石粉：10～15份；

石膏：1～5份。

所述外壳材料外部涂敷有有机酸层或苯酚层，且在所述有机酸层或苯酚层外部通过氢氧化钙水溶液反复喷洒，接着放入碳化箱进行碳化，以形成纳米级的微凸。

与现有技术相比，本发明生产出来的一种冷粘法制备核壳结构轻骨料具有良好的抗压强度、较低的吸水率、良好的保温隔热性能和良好的疏水性能。用该骨料生产出来的轻骨料混凝土具有良好的力学性能，运用于结构功能一体化建筑构件。采用冷粘成粒技术，工艺简单、经济，易于工业化制备轻骨料。同时，所制备的骨料单颗承载力高，粒型好，保温隔热性能好，吸水率低，具有良好的疏水性能。核壳材料与液体的物理作用过程提供了胶凝材料内养护的条件，促进内部水化反应形成水化凝胶产物(c-s-h)填充骨料内部孔隙，有助于减少甚至消除毛细应力，从而降低骨料的开裂和收缩风险。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1所示为本发明冷粘法制备核壳结构轻骨料的制作方法的流程框图。

图2所示为本发明冷粘法制备核壳结构轻骨料的结构示意图。

图3所示为骨料疏水原理示意图。

图4所示为本发明冷粘法制备核壳结构轻骨料的成品示意图。

图5为本发明冷粘法制备核壳结构轻骨料在扫描电镜下的微观结构图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，如图1所示，本发明实施例提供的冷粘法制备核壳结构轻骨料的制作方法，包括：如下步骤：

将普通硅酸盐水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石膏这些物料按比例配置，并将这些物料干拌混合成煅烧粘土基绿色环保胶凝材料；该煅烧粘土基绿色环保胶凝材料为本发明冷粘法制备核壳结构轻骨料的外壳材料。本实施例中，将物料干拌混合成煅烧粘土基绿色环保胶凝材料是通过搅拌器实现的。需要说明的是，之所以称之为“煅烧粘土基绿色环保胶凝材料”，是由于该胶凝材料极大地降低了水泥用量，具有绿色低碳环保、微观结构更加密实、抗渗性能更好等优点。煅烧粘土基绿色环保胶凝材料加入了煅烧粘土、石灰石粉及石膏这些物料，因此相比传统的胶凝材料，极大地降低了水泥用量，而且又因为增加的这些物料，配合本发明提供的针对这些物料进行制作的方法，能够制作出吸水率极低且颗粒承载力高的核壳结构轻骨料，此外本发明还用固体废弃物颗粒作为核壳颗粒，实现了固体废弃物资源化，此外，本发明的制作过程工艺简单、耗能低。

首先，将内核材料颗粒放进轻骨料造粒装置内，然后在轻骨料造粒装置内投放煅烧粘土基绿色环保胶凝材料，并均匀喷洒混合剂进行造粒，形成初生冷粘骨料；需要说明的是，在轻骨料造粒装置内投放的煅烧粘土基绿色环保胶凝材料均为干燥状态的物料，在一个较佳的实施例中，内核材料颗粒是膨胀珍珠岩颗粒，轻骨料造粒装置在工作之前，需要调节装置的工作参数，经过反复试验，得到轻骨料造粒装置工作的较佳参数范围：倾角为40～75°，转速为30～50转/分钟，且其中最佳倾角为50°，最佳转速为40转/分钟。调节好工作好参数后，首先将膨胀珍珠岩或者其他内核材料颗粒放进轻骨料造粒装置内，开启轻骨料造粒装置，然后投放煅烧粘土基绿色环保胶凝材料的同时均匀喷洒混合剂，其中混合剂为水和固化剂掺和而成，整个造粒过程为十五分钟左右。在本实施例中，为了更好地进行说明，从轻骨料造粒装置出来，即是刚刚完成造粒的骨料，本发明中命名为初生冷粘骨料。

在外壳材料投放过程中喷洒混合剂，此时外壳材料处于成型过程中的状态，由于喷洒混合剂而使得外壳材料极大地提高了吸附能力，而同时使得内核材料颗粒具有较强的吸水功能，从而使外壳材料产生内养护功能，核壳材料与液体的物理作用过程提供了胶凝材料内养护的条件，促进内部水化反应形成水化凝胶产物(c-s-h)填充骨料内部孔隙，有助于减少甚至消除毛细应力，使得骨料整体强度得到充分发展，从而降低骨料的开裂和收缩风险。

将所述初生冷粘骨料进行第一次养护；所述第一次养护是将所述初生冷粘骨料放在温度为20±3℃、相对湿度为70～95％的环境中养护一段时间。在本实施例中，将初生冷粘骨料进行第一次养护，经过多次的试验得出，较佳者，在温度为20±3℃、相对湿度为90％的环境中养护24小时，再在设置温度为：90℃高温、相对湿度为98％的数显恒温循环水箱中养护48小时。经过第一次养护的骨料，可按照骨料的粒径大小进行筛分选取，接下来把经过第一次养护的骨料放进盛有有机酸或苯酚类化合物的溶液中进行浸泡，浸泡12小时后，取出晾干，然后进行表面超疏水处理，形成表面超疏水的骨料；表面超疏水处理具体是通过氢氧化钙水溶液反复喷洒骨料表面，通过氢氧化钙水溶液反复喷洒骨料表面能够使得骨料的外壳材料3表面，然后将表面喷洒过氢氧化钙水溶液的外壳材料3进一步碳化，一方面能够在外壳材料3的表面形成有机酸钙纳米颗粒，另一方面增强碳酸钙结晶的定向生长。参考图2、3、4、5，有机酸钙纳米颗粒属于纳米级别的微凸1，纳米级别的微凸1与水2的稳定接触角大于150°(见图3)，而接触滚动角小于10°，因此形成表面超疏水的骨料；

需要说明的是，上述实施例中，碳化是在碳化箱中进行的，碳化箱中加入的二氧化碳浓度：20±2％，控制温度：20±1℃，控制湿度：70±5％。

图5为本发明冷粘法制备核壳结构轻骨料在扫描电镜下的微观结构图。需要说明的是，图5的下方给出了比例尺，比例尺10个小格的总长度是1μm，每个小格的长度是0.1μm，即是100n米。因此，参考比例尺，图5可以清楚地看出，本发明制备方法所制备出来的轻骨料，在扫描电镜的扫描下，表面清楚地被观察到布满了纳米级别的微凸，因此，每个微凸的大小是100纳米左右，使得骨料表面与水的稳定接触角大于150°，而接触滚动角小于10°。因此，由于这些布满在骨料表面的微凸的存在，使得本发明制备方法所制备出来的轻骨料表面形成超疏水的物理结构。

上述实施例中，有机酸可以为：gallicacid五倍子酸、l-dopa左旋多巴等，苯酚类化合物为苯临二酚等等。

把表面超疏水的骨料继续放进水中或高湿度环境(rh大于98％)进行第二次养护，生产出超疏水高强轻质骨料。本实施例中，第二次养护是通过水中养护。

一个实施例中，所述内核材料颗粒除了可以是膨胀珍珠岩颗粒之外，还包括：聚苯乙烯泡沫颗粒、采矿废石、冶炼废渣、各种煤矸石、炉渣。以聚苯乙烯泡沫颗粒、固体废弃物颗粒作为内核材料。因此，所述内核材料颗粒为具有轻质和明显粒型特征的固体废弃物颗粒。无论是通过何种内核材料颗粒，制备过程和膨胀珍珠岩颗粒的制备过程是相同的，在此不再赘述。

参考图2和图3，本发明还提供的技术方案为：提供一种冷粘法制备核壳结构轻骨料，包括：内核材料颗粒4和外壳材料3，所述外壳材料3包覆在所述内核材料颗粒4之外，所述外壳材料3包括：普通硅酸盐水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石膏。

一个实施例中，所述外壳材料3包括的：普通硅酸盐水泥、煅烧粘土、石灰石粉、石膏是按照以下配比进行配置的：

普通硅酸盐水泥：40～50份；

煅烧粘土：20～30份；

石灰石粉：10～15份；

石膏：1～5份。

一个实施例中，所述外壳材料3外部涂敷有有机酸层或苯酚层，且在所述有机酸层或苯酚层外部通过氢氧化钙水溶液反复喷洒，然后将表面喷洒过氢氧化钙水溶液的外壳材料3进一步碳化，一方面能够在外壳材料3的表面形成有机酸钙纳米颗粒，另一方面增强碳酸钙结晶的定向生长。图5为本发明冷粘法制备核壳结构轻骨料在扫描电镜下的微观结构图。因此，图5可以清楚地看出，本发明制备方法所制备出来的轻骨料，在扫描电镜的扫描下，表面清楚地被观察到布满了纳米级别的微凸，每个微凸的大小是100纳米左右，使得骨料表面与水的稳定接触角大于150°，而接触滚动角小于10°。因此，由于这些布满在骨料表面的微凸的存在，使得本发明制备方法所制备出来的轻骨料表面形成超疏水的结构。一个实施例中，所述内核材料颗粒包括：膨胀珍珠岩颗粒、聚苯乙烯泡沫颗粒、采矿废石、冶炼废渣、各种煤矸石、炉渣。

图4所示为本发明冷粘法制备核壳结构轻骨料的成品示意图，经试验测试统计，该方法制备的轻骨料的堆积密度为800～900kg/m³，筒压强度为7～9mpa，吸水率仅为2～5％，骨料表面与水的稳定接触角大于150°，而接触滚动角小于10°。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

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