CN111689742A - 一种工业固废复合材料砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及建筑材料与固体废弃物处理技术领域，公开了一种工业固废复合材料砖的制备方法及工业固废复合材料砖，该方法包括：分别获取磷渣细颗粒和钢渣细颗粒；将所述磷渣细颗粒和所述钢渣细颗粒分别烘干；将磷渣细颗粒粉磨成粒径为1～150μm的磷渣微粉；将钢渣细颗粒粉磨成粒径为1～150μm的钢渣微粉；将28～257份磷渣微粉、120～480份磷渣细颗粒、28～257份钢渣微粉、720～1080份钢渣细颗粒、15～90份磷石膏、3～15份碱激发剂和27～45份水搅拌均匀后倒入模具中压制成砖坯；将所述砖坯进行蒸压后得到成品砖。通过上述方式，本发明实施例能够制备出体积稳定性合格的碱激发工业固废复合材料砖。

Description

一种工业固废复合材料砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料与固体废弃物处理技术领域，具体涉及一种工业固废复合材料砖的制备方法及工业固废复合材料砖。

背景技术

目前，全世界一般黄磷生产能力约1500kt/a，我国的黄磷生产能力超过1200kt/a，大约为全球黄磷生产能力的80％以上，居世界第1位。磷渣资源遍及我国多省，其中贵州、湖北、云南等省每年都要排出大量磷渣，我国每生产1t黄磷就会排放8～10t磷渣，每年排放的废渣大约为500万t。然而我国对磷渣的利用率不高，磷渣的大量堆积不仅占用土地资源，且会造成水、土和大气资源污染，雨天来临时，伴随磷渣渗入地下的雨水是个潜在的污染源，同时地上的磷渣随着雨水流动又造成二次污染。

钢渣是炼钢过程中产生的一种副产物，2016年我国钢渣排放量约为1.2亿t，但是目前钢渣的综合利用率不足30％，大部分钢渣只是进行了简单的堆弃处理，不但占用了大面积的土地，造成了可用资源的浪费，也给大气、河流、土壤带来了很严重的污染。

因此，扩展钢渣和磷渣的综合利用途径对提高钢渣和磷渣综合利用率对资源的重复利用和环境保护都有非常重要的作用，而目前对钢渣和磷渣的利用率比较低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种工业固废复合材料砖的制备方法和工业固废复合材料砖，用于解决现有技术中存在的上述问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种工业固废复合材料砖的制备方法，包括：

分别获取磷渣细颗粒和钢渣细颗粒；

将所述磷渣细颗粒和所述钢渣细颗粒分别烘干；

将磷渣细颗粒粉磨成粒径为1～150μm的磷渣微粉；

将钢渣细颗粒粉磨成粒径为1～150μm的钢渣微粉；

将28～257份磷渣微粉、120～480份磷渣细颗粒、28～257份钢渣微粉、720～1080份钢渣细颗粒、15～90份磷石膏、3～15份碱激发剂和27～45份水搅拌均匀后倒入模具中压制成砖坯；

将所述砖坯进行蒸压后得到成品砖。

进一步的，所述分别获取磷渣细颗粒和钢渣细颗粒，包括：

分别获取粒径为1.18mm～0.3mm的磷渣细颗粒和粒径为4.75mm～0.15mm的钢渣细颗粒。

进一步的，所述碱激发剂包括氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠和硅酸钠中的至少一种。

进一步的，所述方法进一步包括：

用磷石膏替代所述磷渣微粉和所述钢渣微粉，所述磷石膏占所述磷渣微粉和所述钢渣微粉总质量的5％～42％。

进一步的，所述碱激发剂的质量为所述磷渣微粉、钢渣微粉和磷石膏总质量的1％～5％。

进一步的，所述磷渣微粉的质量为所述磷渣微粉和钢渣微粉总质量的10％～90％；

所述磷渣细颗粒的质量为所述磷渣细颗粒和钢渣细颗粒总质量的10％～40％。

进一步的，所述磷石膏为二水石膏。

进一步的，所述磷渣微粉和钢渣微粉的勃氏比表面积在200～450m²/kg，且钢渣微粉中铁含量不超过1％。

进一步的，所述砖坯进行蒸压后得到成品砖，包括：

将所述砖坯在常温下养护2小时，然后在饱和蒸气压1.0～2.0MPa，温度不低于25±2℃的环境中，蒸压1～14天，得到成品砖。

本发明实施例还提供了一种工业固废复合材料砖，采用上述工业固废复合材料砖的制备方法制成。

本发明实施例通过蒸压养护的方式可充分激发磷渣和钢渣的水化活性，同时制备出体积稳定性合格的碱激发工业固废复合材料砖。该方法可大量利用工业固体废弃磷渣和钢渣，提升磷渣和钢渣资源化利用率，缓解我国每年大量的磷渣、钢渣排放造成的污染问题，且可实现节能减排，是一种具有良好使用性能的生态材料，社会经济效益显著，工程应用价值大，应用前景广阔。

上述说明仅是本发明实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

附图仅用于示出实施方式，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的工业固废复合材料砖的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。

磷渣和钢渣的主要化学成分均含有氧化钙、二氧化硅和氧化铝。由于磷渣和钢渣中均含有硅酸三钙、硅酸二钙等物质，其矿物成分与水泥熟料类似，均具有一定的潜在水化活性。其主要成分及含量(wt％)如下表所示：

表1

原材料	SiO<sub>2</sub>	Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>	CaO	MgO	P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>	F	K<sub>2</sub>O	Na<sub>2</sub>O	SO<sub>3</sub>	损失
												瓮福磷渣	38.52	4.10	0.94	45.31	2.96	2.37	2.18	-	-	-	-3.62
水城钢渣	25.63	12.27	18.61	28.22	9.84	-	-	0.41	0.15	0.72	-4.15

目前我国对磷渣和钢渣的主要应用途径有：水泥混合材、混凝土掺合料以及路面基层材料等，其综合利用率均不足30％。磷渣由于具有较高的潜在水化活性，可将磷渣用作混凝土掺合料。然而，当前的磷渣混凝土主要存在早期强度不高，缓凝及掺加的磷渣量较少等不足。目前工程中使用的磷渣混凝土的掺量主要为15％～30％。由于磷渣掺入混凝土中对混凝土的凝结时间有明显的影响，从而为满足磷渣可大量的利用于混凝土工程中，必须解决磷渣混凝土早期强度不高，初凝及终凝时间长的缺点。同时钢渣也具有一定的水化活性，然而由于钢渣中含有一定数量的f-CaO和f-MgO，容易导致钢渣制品体积膨胀开裂，从而钢渣在作为水泥混合材或集料时常表现出较差的活性。

本发明实施例针对工业固废之间具有协同作用进行设计，将磷渣微粉、钢渣微粉与磷渣微颗粒、钢渣微颗粒进行合理搭配，并且使用了污染物磷石膏，将磷渣和钢渣制备成为可利用的碱激发工业固废复合材料砖。本发明实施例充分利用磷渣和钢渣的潜在水化活性的特征，将磷渣微粉和钢渣微粉作为胶凝材料，掺入碱激发剂，以原状磷渣微颗粒和钢渣微颗粒为集料，采用压制成型和蒸压养护工艺制备碱激发工业固废复合材料砖制品。

本发明实施例提出一种工业固废复合材料砖的制备方法，如图1所示，包括：

步骤100：分别获取磷渣细颗粒和钢渣细颗粒；

首先从钢厂或其他地方获取磷渣细颗粒和钢渣细颗粒。通常磷渣经过高压水骤冷淬后形成粒径在0～5mm左右的粒状炉渣，通过筛选设备从磷渣中选出其中粒径为1.18mm～0.3mm的磷渣细颗粒备用；将粒径为0～5mm的钢渣选铁处理后筛分粒径为4.75mm～0.15mm的钢渣细颗粒备用。

通过红外粒径分析检测，磷渣细颗粒中粒径在1.18mm～0.3mm的颗粒含量大于90％，超过1.18mm的颗粒不多于3％，钢渣细颗粒中粒径在4.75mm～0.15mm的颗粒含量大于90％。

步骤200：将所述磷渣细颗粒和所述钢渣细颗粒分别烘干；

将获取到的磷渣细颗粒和钢渣细颗粒分别进行烘干，所述烘干的过程可以采用常用的烘干设备，如风干或烤干设备等，在这里不做限定。

步骤300：将磷渣细颗粒粉磨成粒径为1～150μm的磷渣微粉；将钢渣细颗粒粉磨成粒径为1～150μm的钢渣微粉；

通过球磨机将上述磷渣细颗粒和钢渣细颗粒进行粉磨，得到粒径在1～150μm、勃氏比表面积为200～450m²/kg的磷渣微粉和钢渣微粉。其中勃氏比表面积按照国标《水泥比表面积测定方法》(GB/T8074-2008)中的方法进行测定。磷渣微粉和钢渣微粉中在目标粒径范围内的颗粒含量不小于95％，且钢渣微粉铁含量不超过1％。

需要指出的是步骤2中的烘干和步骤3中的粉磨，可以在一个机器中进行操作；但首先应该风干或者烘干以后，才能进行粉磨。

步骤400：将28～257份磷渣微粉、120～480份磷渣细颗粒、28～257份钢渣微粉、720～1080份钢渣细颗粒、15～90份磷石膏、3～15份碱激发剂和27～45份水搅拌均匀后倒入模具中压制成砖；

按比例分别获取磷渣微粉、磷渣细颗粒、钢渣微粉、钢渣细颗粒、磷石膏和碱激发剂，然后加入进行搅拌，具体的上述磷渣微粉、磷渣细颗粒、钢渣微粉、钢渣细颗粒、磷石膏和碱激发剂的比例可以采用多种比例，然后进行压制，具体如下：

方式一：

1)混合：

取上述粉磨出的磷渣微粉28份，钢渣微粉257份，磷石膏15份，粒径为1.18mm～0.3mm的磷渣细颗粒480份，粒径为4.75mm～0.15mm的钢渣细颗粒720份，置于砂浆搅拌机中混合搅拌30～60s，使得各组分拌合均匀后得到混合料。其中，所述磷渣微粉的质量为所述磷渣微粉和钢渣微粉总质量的10％；所述磷渣细颗粒的质量为所述磷渣细颗粒和钢渣细颗粒总质量的40％。在本实施例中，通过采用磷石膏代替磷渣微粉和钢渣细颗粒进行掺杂，所述磷石膏占所述磷渣微粉和所述钢渣微粉总质量的5％。

2)制坯：

将3份的碱激发剂加入27份水中，搅拌混合均匀，然后向上述所得混合料中加入20份碱激发剂和水的混合液，搅拌1～2min，接着再加入7份碱激发剂和水的混合液搅拌2～3min，最后将混合料倒入制砖钢模具中，在压力机下压制成型，得到复合材料砖坯。

其中，上述碱激发剂可以为氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠和硅酸钠中的至少一种；所述磷石膏为二水石膏；所述碱激发剂的质量为所述磷渣微粉质量、钢渣微粉质量和磷石膏质量总和的1％。

方式二：

1)混合：

取上述粉磨出的磷渣微粉54份，钢渣微粉216份，磷石膏30份，磷渣细颗粒360份，钢渣细颗粒840份，置于砂浆搅拌机中混合搅拌30～60s，使得各组分拌合均匀后得到混合料。其中，所述磷渣微粉的质量为所述磷渣微粉和钢渣微粉总质量的20％；所述磷渣细颗粒的质量为所述磷渣细颗粒和钢渣细颗粒总质量的30％。在本实施例中，通过采用磷石膏代替磷渣微粉和钢渣细颗粒进行掺杂，所述磷石膏占所述磷渣微粉和所述钢渣微粉总质量的11％。

2)制坯：

将6份的硫酸钠加入30份水中，搅拌混合均匀，然后上述所得混合料中加入20份硫酸钠和水的混合液，搅拌1～2min，接着再加入10份硫酸钠和水的混合液搅拌2～3min，最后将混合物倒入制砖钢模具中，在压力机下压制成型，得到复合材料砖坯。

其中，上述碱激发剂可以为氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠和硅酸钠中的至少一种；所述磷石膏为二水石膏；所述碱激发剂的质量为所述磷渣微粉质量、钢渣微粉质量和磷石膏质量总和的2％。

方式三：

1)混合：

取上述粉磨出的磷渣微粉72份，钢渣微粉168份，磷石膏60份，磷渣细颗粒240份，钢渣细颗粒960份，置于砂浆搅拌机中混合搅拌30～60s，使得各组分拌合均匀后，得到混合料。其中，所述磷渣微粉的质量为所述磷渣微粉和钢渣微粉总质量的30％；所述磷渣细颗粒的质量为所述磷渣细颗粒和钢渣细颗粒总质量的20％。在本实施例中，通过采用磷石膏代替磷渣微粉和钢渣微粉进行掺杂，所述磷石膏占所述磷渣微粉和所述钢渣微粉总质量的25％。

2)制坯：

将9份的碳酸钠加入36份水中，搅拌混合均匀，然后向上述所得混合料中加入20份碳酸钠和水的混合液，搅拌1～2min，接着再加入16份碳酸钠和水的混合液搅拌2～3min，最后将混合物倒入制砖钢模具中，在压力机下压制成型，得到复合材料砖坯。

其中，上述碱激发剂可以为氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠和硅酸钠中的至少一种；所述磷石膏为二水石膏；所述碱激发剂的质量为所述磷渣微粉质量、钢渣微粉质量和磷石膏质量总和的3％。

方式四：

1)混合：

取上述粉磨出的磷渣微粉168份，钢渣微粉42份，磷石膏90份，磷渣细颗粒120份，钢渣细颗粒1080份，置于砂浆搅拌机中混合搅拌30～60s，使得各组分拌合均匀后得到混合料。其中，所述磷渣微粉的质量为所述磷渣微粉和钢渣微粉总质量的80％；所述磷渣细颗粒的质量为所述磷渣细颗粒和钢渣细颗粒总质量的10％。在本实施例中，通过采用磷石膏代替磷渣微粉和钢渣微粉进行掺杂，所述磷石膏占所述磷渣微粉和所述钢渣微粉总质量的42％。

2)制坯：

将12份的硅酸钠加入36份水中，搅拌混合均匀，然后向上述所得混合料中加入20份硅酸钠和水的混合液，搅拌1～2min，接着再加入16份硅酸钠和水的混合液搅拌2～3min，最后将混合物倒入制砖钢模具中，在压力机下压制成型，得到复合材料砖坯。

其中，上述碱激发剂可以为氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠和硅酸钠中的至少一种；所述磷石膏为二水石膏；所述碱激发剂的质量为所述磷渣微粉质量、钢渣微粉质量和磷石膏质量总和的4％。

方式五：

1)混合：

取上述粉磨出的磷渣微粉257份，钢渣微粉28份，磷石膏15份，磷渣细颗粒480份，钢渣细颗粒720份，置于砂浆搅拌机中混合搅拌30～60s，使得各组分拌合均匀后得到混合料。其中，所述磷渣微粉的质量为所述磷渣微粉和钢渣微粉总质量的90％；所述磷渣细颗粒的质量为所述磷渣细颗粒和钢渣细颗粒总质量的40％。在本实施例中，通过采用磷石膏代替磷渣微粉和钢渣微粉进行掺杂，所述磷石膏占所述磷渣微粉和所述钢渣微粉总质量的5％。

2)制坯：

将15份的氢氧化钠钠加入45份水中，搅拌混合均匀，然后向上述所得混合料中加入30份硅酸钠和水的混合液，搅拌1～2min，接着再加入15份硅酸钠和水的混合液搅拌2～3min，最后将混合物倒入制砖钢模具中，在压力机下压制成型，得到复合材料砖坯；

其中，上述碱激发剂可以为氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠和硅酸钠中的至少一种；所述磷石膏为二水石膏或天然石膏；所述碱激发剂的质量为所述磷渣微粉质量、钢渣微粉质量和磷石膏质量总和的5％。

综上，上述五种方式中，用磷石膏替代所述磷渣微粉和所述钢渣微粉，占所述所述磷渣微粉和所述钢渣微粉总质量的5％～42％。

步骤500：将所述成型后的砖进行蒸压后得到成品砖。

将步骤4中获得的复核材料砖坯进行蒸压后得到成品砖，由于混合材料的不同，具体的蒸压方式和养护方式也不一样。

对于方式一生成的砖坯，将复合材料砖坯在常温下养护2小时，接着放入反应釜中进行湿热蒸压养护，控制反应釜内饱和蒸气压为1.0MPa，温度为25±2℃，养生时间为14天。

对于方式二生成的砖坯，将复合材料砖坯在常温下养护2小时，接着放入反应釜中进行湿热蒸压养护，控制反应釜内饱和蒸气压为1.5MPa，温度为25±2℃，养生时间为7天。

对于方式三生成的砖坯，将复合材料砖坯在常温下养护2小时，接着放入反应釜中进行湿热蒸压养护，控制反应釜内饱和蒸气压为1.6MPa，温度为25±2℃，养生时间为5天。

对于方式四生成的砖坯，将复合材料砖坯在常温下养护2小时，接着放入反应釜中进行湿热蒸压养护，控制反应釜内饱和蒸气压为2MPa，温度为25±2℃，养生时间为1天。

对于方式五生成的砖坯，将复合材料砖坯在常温下养护2小时，接着放入反应釜中进行湿热蒸压养护，控制反应釜内饱和蒸气压为1.5MPa，温度为25±2℃，养生时间为7天。

为充分说明本发明各实施例制备的碱激发工业固废复合材料砖的性能，根据国标《装饰混凝土砖》(GB/T 24493-2009)对碱激发工业固废复合材料砖进行了强度测试，结果如下表2所示。

表2

性能指标	磷石膏掺量/％	7天强度/MPa	14天强度/MPa
				方式一	5	18.7	26.3
方式二	11	16.1	22.5
				方式三	25	11.2	17.4
方式四	42	8.6	15.3
				方式五	5	13.7	18.1

从表中实验结果可知，随着磷石膏的掺量增大，其抗压强度呈下降的趋势。然而当磷石膏掺量为42％时，碱激发工业固废复合材料砖的14天强度达到了15.3MPa，可以满足一般的护坡、停车场坪、人行道、自行车绿道和景观防护工程应用需求。

本发明实施例还提出了一种工业固废复合材料砖，采用上述实施例中所述的方法制成。

综上所述，本发明实施例通过蒸压养护的方式可充分激发磷渣和钢渣的水化活性，同时制备出体积稳定性合格的碱激发工业固废复合材料砖。该方法可大量利用工业固体废弃磷渣和钢渣，提升磷渣和钢渣资源化利用率，缓解我国每年大量的磷渣、钢渣排放造成的污染问题，且可实现节能减排，是一种具有良好使用性能的生态材料，社会经济效益显著，工程应用价值大，应用前景广阔。

Claims (10)

1.一种工业固废复合材料砖的制备方法，其特征在于，包括：

分别获取磷渣细颗粒和钢渣细颗粒；

将所述磷渣细颗粒和所述钢渣细颗粒分别烘干；

将磷渣细颗粒粉磨成粒径为1～150μm的磷渣微粉；

将钢渣细颗粒粉磨成粒径为1～150μm的钢渣微粉；

将28～257份磷渣微粉、120～480份磷渣细颗粒、28～257份钢渣微粉、720～1080份钢渣细颗粒、15～90份磷石膏、3～15份碱激发剂和27～45份水搅拌均匀后倒入模具中压制成砖坯；

将所述砖坯进行蒸压后得到成品砖。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别获取磷渣细颗粒和钢渣细颗粒，包括：

分别获取粒径为1.18mm～0.3mm的磷渣细颗粒和粒径为4.75mm～0.15mm的钢渣细颗粒。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱激发剂包括氢氧化钠、硫酸钠、碳酸钠和硅酸钠中的至少一种。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

用磷石膏替代所述磷渣微粉和所述钢渣微粉，所述磷石膏占所述磷渣微粉和所述钢渣微粉总质量的5％～42％。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱激发剂的质量为所述磷渣微粉、钢渣微粉和磷石膏总质量的1％～5％。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷渣微粉的质量为所述磷渣微粉和钢渣微粉总质量的10％～90％；

所述磷渣细颗粒的质量为所述磷渣细颗粒和钢渣细颗粒总质量的10％～40％。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷石膏为二水石膏。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷渣微粉和钢渣微粉的勃氏比表面积在200～450m²/kg，且钢渣微粉中铁含量不超过1％。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述砖坯进行蒸压后得到成品砖，包括：

将所述砖坯在常温下养护2小时，然后在饱和蒸气压1.0～2.0MPa，温度不低于25±2℃的环境中，蒸压1～14天，得到成品砖。

10.一种工业固废复合材料砖，其特征在于，采用如权利要求1-9任意一项所述的方法制成。

Images