CN102431081A

CN102431081A - 一种常压固化江河淤积泥沙为建筑材料的方法

Info

Publication number: CN102431081A
Application number: CN2011102557618A
Authority: CN
Inventors: 景镇子; 周磊; 刘政科
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明涉及一种常压固化江河淤积泥沙为建筑材料的方法，利用原料预处理大幅提高江河淤积泥沙反应活性，在常压100℃下，将江河泥沙固化成一种强度高的新型建筑材料。该固化过程为：首先对泥沙进行煅烧和研磨预处理，添加碱激发剂，其次将其混合物在压机下压制成型，然后对脱模后的成型体进行固化处理即可获得高强度（抗折强度22MPa）的材料。由于使用常压100℃固化技术，其固化处理部分易于实现连续性固化，这样固化过程和固化成本都会大大降低。本发明的固化材料可用于诸如，墙地砖、路面砖、广场砖、和江河护堤材料等建筑用材方面。安全、有效利用江河泥沙制成建筑材料，即可减少环境危害，又能大大节约资源。

Description

一种常压固化江河淤积泥沙为建筑材料的方法

技术领域

本发明属于无机废弃物资源化利用领域，具体涉及一种常压固化江河淤积泥沙为建筑材料的方法。

背景技术

江河泥沙淤积是一个全世界范围的环境问题。以黄河为例，大量泥沙淤积，在下游河段内，平均河床已高出地面9~15米，最高处已达22米，并以10cm/年的速度继续使河床抬高，成为举世闻名的“地上悬河”。江河淤泥给环境以及人类社会造成了巨大的破坏，对其淤积泥沙进行资源利用，不但可以解决河床的抬高又可变废为宝。

传统的泥沙利用主要是利用烧成法，即利用高温窑炉对泥沙进行烧结以达到制品强度提高的目的。其缺点是耗能高并破坏环境。国外也提出了一种低温（150-200℃）水热技术固化废弃物的方法。该方法虽然可以大大降低能耗，节约能源，但是由于固化过程必须在高温高压下进行，故需要高压釜作为反应环境。反应釜造价高，使得设备一次性投资大大提高，另外使用高温高压反应釜也需要高额的维护和技术的支撑。另外，使用高压釜时其生产过程为一间歇过程（即进料-升温加压-降温减压-取样），使得生产工艺漫长，产品成本高昂以及能量消耗相对高等，故大大限制了该技术的推广。如果生产过程为常压时，其反应过程就会大大简化，不但不使用反应釜使得生产过程可实现连续性，而且生产成本会大大下降。

中国专利《一种利用黄河泥沙制成的免烧砖及其生产方法》（公开日2008年09月03日，公开号CN101255045）提出一种利用泥沙制备免烧砖的技术。此专利通过添加沸石粉，水泥，有机胶粉等原料，然后进行养护，泥沙利用率为50%-70%。该制备方法原料成本较高，制备周期较长（养护需数十天），工艺繁琐，产品质量不稳定。

发明内容

本发明的目的是在节约能源，提高黄河泥沙利用率和简化固化过程的前提下，提出一种更为简便的常压固化江河淤积泥沙为建筑材料的方法。

本发明提出的常压固化江河淤积泥沙为建筑材料的方法，利用原料预处理，碱激发技术以提高淤积泥沙反应活性，常压100℃的反应条件下将江河泥沙固化为具有高强度的建筑材料的方法，具体步骤如下：

选用黄河泥沙作为江河泥沙原料，在650~850℃下进行煅烧，以及进行研磨预处理并过筛，然后加入熟石灰和碱激发剂溶液，混合均匀后，压制成型；再将脱模后的试样，在温度为100℃的饱和蒸气压下（常压）处理1~72h，即得到所需产品；其中：熟石灰的加入量为黄河泥沙质量的5%~30%，减激发剂溶液的加入量为黄河泥沙质量的5~20%。

本发明中，所述过筛的筛目为60~400目，对应粒径为0.246~0.038mm。

本发明中，所述减激发剂溶液为0.5~4mol/L的NaOH、Na₂SO₄或Na₂SiO₃中任一种。

本发明的特点在于：对江河淤积泥沙进行煅烧和研磨预处理，加入碱激发剂提高反应活性，制备出高强度的建筑材料。固化温度为100℃，因为不需高温高压反应容器生产工艺大大简便，耗能低，泥沙利用率70~95%。

本发明利用原料预处理和碱激发技术将江河泥沙资源化再利用，成功解决常温固化的难题，制备高强建筑材料，可用于墙地砖、广场砖、路面砖以及江河护堤材料等方面。该技术既可以利用废弃物，又可以大大减少使用资源，极大地减少对环境的负荷。

附图说明

图1：江河泥沙常温固化制备建筑材料的工艺流程。

图2：煅烧温度对材料的抗折强度的影响。

图3：研磨预处理对材料的抗折强度的影响。

图4：NaOH碱激发剂的含量(%)对材料的抗折强度变化的影响。

图5：NaOH碱激发剂的浓度对材料的抗折强度变化的影响。

图6：不同碱激发剂对材料的抗折强度的影响。

图7：不同熟石灰添加量对材料的抗折强度的影响。

图8：在添加NaOH条件下固化处理前后材料的物相变化。

图9：在添加NaOH条件下固化处理前后材料的物相变化的定量分析。

图10：固化处理前后材料的FESEM形貌变化。其中：(a)为处理前，(b)为处理后。

图11：连续式制备工艺概念示意图。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1：

首先，选取黄河淤积泥沙为原料，在650℃下煅烧1h，研磨并过200目筛，添加总重量10%的熟石灰；然后加入料总重量10%的1mol/L的Na₂SO₄溶液，搅拌均匀后，在压片机下压制成型；最后，将压制好的试样放入反应容器内，在100℃、0.1MPa饱和蒸气压下固化处理24h，得到最终的样品。

实施例2：

首先，选取黄河淤积泥沙为原料，在750℃下煅烧1h，研磨并过400目筛，添加总重量20%的熟石灰；然后加入料总重量5%的1mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀后，在压片机下压制成型；最后，将压制好的试样放入反应容器，在100℃、0.1MPa饱和蒸气压下处理48h，得到最终的样品。

实施例3：

首先，选取黄河淤积泥沙为原料，在850℃下煅烧1h，研磨并过400目筛，添加总重量20%的熟石灰；然后加入料总重量10%的4mol/L的NaOH溶液，搅拌均匀后，在压片机下压制成型；最后，将压制好的试样放入反应容器，在100℃、0.1MPa饱和蒸气压下固化处理48h，得到最终的样品。

固化材料的强度提高机理是：固化过程中，固化体内生成了类水泥水化产物：水化硅酸钙（CaO-SiO₂-H₂O，C-S-H）和托勃莫来石（tobermorite,Ca₅(Si₆O₁₈H₂)·4H₂O）晶体，这些相互交织在一起的网状水化硅酸钙和片状/针状托勃莫来石生成在材料内颗粒的表面和颗粒之间，将颗粒胶连在一起，提高了材料的强度。

在常温条件下，原料的反应活性较低，这就需要对原料反应性能进行激发，促进CSH水化产物的生成，从而提高制品的强度。激发手段主要为添加碱激发剂，同时结合煅烧以及研磨预处理。

下面以已黄河淤积泥沙为实验原料，通过改变煅烧及研磨程度、碱激发剂类型和浓度、添加熟石灰量、以及处理时间等，进行100℃固化进一步说明本发明。

图1给出了100℃固化黄河淤积泥沙制备成建筑材料的整个工艺流程。

图2为煅烧温度对固化材料抗折强度的影响。煅烧温度分别为650、700、750、800和850℃，煅烧时间1h。其余实验条件：添加10%的水和20%的熟石灰，压制成型，在100℃温度下固化处理24h。由图可以看出，随着煅烧温度的增加，制品强度升高，在750℃强度最大，温度继续上升，强度下降。此图表明煅烧预处理能够增强原料的反应活性，但处理温度过高可能到时莫来石的生成，以及一些活性物质的分解，从而到时反应活性降低。因此750℃为较为适宜的煅烧预处理温度。

图3为研磨处理对于材料的抗折强度的影响，选取分别过60、100、200、400目筛（对应粒径如图示）的泥沙作为原料。其余实验条件为：原料在750℃煅烧1h，添加10%的1mol/L的NaOH和20%的熟石灰，压制成型，在100℃温度下固化处理24h。由图中可以看出，随着研磨时间制品抗折强度增加，以200目为原料制的固化抗折体强度可达14MPa，400目的泥沙固化体强度略微上升2MPa。

图4NaOH碱激发剂的含量(%)对于材料的抗折强度的影响，分别选取5%，10%，15%，20%。其余实验条件为：原料在750℃煅烧1h，过筛200目，添加20%的熟石灰，压制成型，在100℃温度下固化处理24h。由图中可以看出，增加碱激发剂的含量可以提高制品的强度，但过高的含量会使得制品强度降低。主要原因可能是过多的含水量造成坯体坍落，较难成型。

图5NaOH碱激发剂的浓度对材料的抗折强度变化的影响，浓度别为0、0.5、1、2、4mol/L，用其代替原来的水，添加量仍未10%。其余实验条件：原料在750℃煅烧1h，研磨并过200目筛，添加20%的熟石灰，压制成型，在100℃温度下固化处理48h。由图中可以看出，添加NaOH溶液能够明显增加制品的强度，提高原料的反应活性。在浓度为1mol/L，制品强度为增加值22MPa，随着浓度上升至2mol/L强度略微上升。当浓度为4mol/L时，强度有所下降，这可能是由于碱过量导致样品膨胀，产生裂纹造成的。

图6为不同碱激发剂对材料的抗折强度的影响，三种激发剂分别为NaOH,Na₂SO₄,Na₂SiO₃溶液，添加量为10%，浓度为1mol/L。其余实验条件为：原料在750℃煅烧1h，研磨并过200目筛，添加20%的熟石灰，压制成型，在100℃温度下固化处理0-72h。三种激发剂都对材料的固化表现出积极的作用，其中NaOH的激发作用尤为明显。

图7为不同熟石灰添加量对材料的抗折强度的影响，添加量分别为0%，5%，10%，20%，40%。其余实验条件：煅烧温度750℃，研磨并过200目筛，添加10%的1mol/L的NaOH、固化处理48h。如图所示，氢氧化钙的添加促进了材料的水化反应，加快固化进程，添加量为20%的制品得到最高强度。但是，进一步加入熟石灰则到时强度下降。

图8和图9分别为在添加NaOH条件下固化材料的物相随时间变化（即图5中的NaOH）的定性和定量分析结果。黄河淤积泥沙的物相组成主要是石英、高岭土、方解石、堇青石、白云母、熟石灰和钠长石。除了这些主要成分外，熟石灰的作为添加剂也存在于物相图中。图8为的定量分析表明，石英、方解石、高岭土和熟石灰的含量都随着时间减少，说明这些组分参与了反应，做强度增加做出了贡献。堇青石等物相的相对含量增加，说明有新的物相生成，而这些物相却不能被X射线衍射法检测出。由此得出，新生成的物相可能是非晶态的水化硅酸钙凝胶。

图10固化处理前后材料的FESEM形貌变化。其中（a）为未处理的黄河淤积泥沙型体的FESEM图，由图中可以看出，处理前，较大的泥沙颗粒松散的堆积在一起，颗粒间间隙较大。（b）是黄河泥沙成型体固化处理后的FESEM图，可看出，泥沙的大颗粒间或大颗粒表面上产生了大量纤维状的水化硅酸钙凝胶，这些水化硅酸钙凝胶将泥沙颗粒包裹。

图11所示为本发明工艺流程图。压制的坯体由前段缓慢进入固化设备（设备可为一般保温建筑材料砌筑）进行固化处理，固化设备中通入100℃的水蒸气。处理完毕后，从设备另一端出来的材料即为成品。

以上对本发明进行了详细的介绍，文中应用了具体的实例对本发明进行阐述，这是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域的人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在本发明的思想应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种常压固化江河淤积泥沙为建筑材料的方法，其特征在于具体步骤为：选用黄河泥沙作为江河泥沙原料，在650~850℃下进行煅烧，以及进行研磨预处理并过筛，然后加入熟石灰和碱激发剂溶液，混合均匀后，压制成型；再将脱模后的试样，常压下，在温度为100℃的饱和蒸气压下处理1~72h，即得到所需产品；其中：熟石灰的加入量为黄河泥沙质量的5%~30%，减激发剂溶液的加入量为黄河泥沙质量的5~20%。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述过筛的筛目为60~400目，对应粒径为0.246~0.038mm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述减激发剂溶液为0.5~4mol/L的NaOH、Na₂SO₄或Na₂SiO₃中任一种。