CN106747620B - 一种低能耗烧结渗水砖及其制造方法 - Google Patents

一种低能耗烧结渗水砖及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种渗水砖，特别是涉及以工业废渣为主要原料的低能耗烧结渗水砖及其制造方法。所述的低能耗烧结渗水砖，包括以下重量份计的原料：高炉水淬渣50～70份、煤矸石20～50份、助溶剂2～5份、增塑剂2～5份、粘结剂2～10份。本发明将高炉水淬渣与煤矸石复配制备烧结渗水砖，有效提高了高炉水淬渣的利用率，实现了固体废弃物资源化清洁高值利用，实现资源的废物利用和可持续化发展。本发明将颗粒堆积法与造孔剂法联合使用，利用高炉水淬渣的疏松多孔结构及高含碳量煤矸石可作为造孔剂的作用，在保证强度的同时尽可能地提高开口连通孔率，增大渗透能力，制备出高渗透性能的渗水砖。

Description

一种低能耗烧结渗水砖及其制造方法
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种渗水砖，特别是涉及以工业废渣为主要原料的低能耗烧结渗水砖及其制造方法。
背景技术
高炉水淬渣是高炉冶炼时，熔融的炉渣经过水淬急冷处理，形成的质地酥松多孔的颗粒。每吨生铁会产生0.25～1.2吨高炉水淬渣，目前我国渣场堆积的高炉水淬渣已超1亿吨。制备水泥、生产混凝土、制备泡沫玻璃等是高炉水淬渣利用的主要方法，但总体来说，高炉水淬渣的综合利用率不足、产品附加值低。
利用煤矸石做内燃砖早在20世纪80年代就开始研究。由于煤矸石塑性及热值低而且成分波动大，煤矸石砖质次价高的问题未能解决，所以一直没有广泛地推广应用。随着科学技术的发展，粉磨设备推陈出新，均化手段日趋完善，煤矸石砖的质量有了大幅度提高，已赶上或超过黏土砖、粉煤灰砖等烧结砖和蒸压灰砂砖、炉渣砖等非烧结砖，同时节省了大量能源，改善了环境。
渗水砖是不同于传统阻水路面砖或广场砖等的一种内部含微小连通渗水孔的新型建筑材料，具有保水、渗水的特性。渗水砖主要分为养护型与烧结型，其连通孔结构多为天然石材或石英砂等堆积而成。高炉水淬渣通过粒度筛分、级配及造孔剂的添加可以使高炉水淬渣在制砖过程中极易形成连通孔结构，因此，高炉水淬渣是制备渗水砖潜在利用物。中国专利CN103073329A，公开了一种以煤矸石为主要原料制造彩色广场渗水砖的方法，该方法采用先煅烧煤矸石，再加入辅助原料的二步烧结法制备渗水砖，这种方法能耗大、扩大化生产难度大。因此，简化工艺制度、降低能耗是非常必要的。
目前，还未发现有利用高炉水淬渣与煤矸石复配制备渗水砖的相关专利。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种以高炉水淬渣、煤矸石为主要原料的低能耗烧结渗水砖及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低能耗烧结渗水砖，包括以下重量份计的原料：高炉水淬渣50～70份、煤矸石20～50份、助溶剂2～5份、增塑剂2～5份、粘结剂2～10份。
所述的高炉水淬渣的主要化学成分为：SiO2 30～35wt％、Al2O3 10～15wt％、K2O+Na2O0～1wt％、Fe2O3 3～6wt％、CaO 30～40wt％、MgO 7～10wt％，烧失量2～5wt％。
所述的煤矸石的主要化学成分为：SiO2 30～45wt％、Al2O3 15～25wt％、K2O+Na2O0.5～1.0wt％、Fe2O3 2～5wt％、CaO+MgO 1～3wt％，烧失量25～35wt％，每千克煤矸石的发热量为1500～2000kJ/kg。
所述的助熔剂包括重量比1～5:0～2:0～2的钠长石、钾长石和钙长石。
所述的增塑剂包括重量比2～5:0～2:0～2高岭土、膨润土和粘土。
所述的粘结剂包括重量比1～3:0～2:0～2的CMC、淀粉和木质素。
一种低能耗烧结渗水砖的制造方法，包括以下步骤：
(1)将高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂、粘结剂以及高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂和粘结剂总重量10％的水，湿混均匀，放入模具中压制成型，得到生砖坯；
(2)将步骤(1)的生砖坯取出，干燥，脱除生砖坯中的水分；
(3)将步骤(2)脱水的生砖坯送入隧道窑烧制，即得。
所述的高炉水淬渣过30目筛。
所述的煤矸石为四个不同粒径区间，分别为大于10目、10目～30目、30目～100目、100目～325目，四个不同粒径区间的重量比为1～2:1～2:1～2:1。
所述的烧制的具体工艺为：
(a)预热：以1～2℃/min升温速度从室温升至600～700℃，保温2h；
(b)预烧结：以1～2℃/min升温速度温升至850～950℃，保温2～3h；
(c)烧结：以2～5℃/min升温速度升至1150～1250℃，保温2～5h；
(d)退火：以5～15℃/min降温速度降至600～700℃，保温2h；
(e)冷却：以2℃/min降温速度降至室温，制得渗水砖。
本发明的有益效果：
(1)本发明利用以高炉水淬渣为主要原料，有效提高了高炉水淬渣的利用率，降低了高炉水淬渣对环境的破坏；同时本发明将高炉水淬渣与煤矸石复配制备烧结渗水砖，进一步实现了固体废弃物资源化清洁高值利用，放慢了一次矿产资源的开采速度，减缓了矿产资源利用后剩余废弃物对生态环境造成的压力，实现资源的废物利用和可持续化发展，绿色环保。
(2)本发明将颗粒堆积法与造孔剂法联合使用，利用高炉水淬渣的疏松多孔结构及高含碳量煤矸石可作为造孔剂的作用，在保证强度的同时尽可能地提高开口连通孔率，增大渗透能力，制备出高渗透性能的渗水砖。
(3)本发明利用煤矸石在焙烧过程中产生的热值，只需外加少量燃料，即可烧制渗水砖，使制备渗水砖的能耗大大降低，具有很好的节能减排效果。
(4)本发明根据高炉水淬渣与煤矸石复配烧制渗水砖的特性，优化添加剂，即助溶剂、增塑剂和粘结剂的配方，能使以高炉水淬渣和煤矸石为主要原料的砖坯塑性提高、易于成型并可在相对较低温度烧结，有效提高了渗水砖的抗压强度和耐久性。
(5)本发明对生砖坯的烧制采用分步升温再进行退火、冷却方式，并限定升降温速度，其目的是通过分步升温让砖体烧结传热均匀的同时，给煤矸石充足时间分解碳进行造孔，同时为防止降温过程中石英相相变引起渗水砖开裂，故对降温速度进行限定。
(6)本发明制造的烧结渗水砖与养护型渗水砖相比，具有高抗压强度，高耐久性、无重金属离子溶出与高渗水、保水功能的特性。
附图说明
图1为本发明渗水砖的宏观形貌图。由图1可以看到，样品表面粗糙并分布有无规则排布的细小孔洞，使其具备较好的透水性能和防滑性能。
图2为本发明渗水砖在激光共聚焦显微镜下的微观形貌图。图中，a为渗水砖样品断面二维显微结构；b为渗水砖样品断面三维显微结构；c为渗水砖样品表面二维显微结构；d为渗水砖样品表面三维显微结构。由图2中(a)和(c)可以看到样品的表面和断面具有大小不一、杂乱分布的多孔形貌，并且表面呈玻化状态，玻化可以使固废中的重金属离子固化封闭在样品内部，防止其溶出。由(b)和(d)可以看到，表面凹陷部分代表了孔洞，其中有较大面积的凹陷部分是由于各个空孔隙相连接，形成了连通孔造成的现象，正因为具有较多的连通孔结构，才使其具备较好的透水性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明所用的高炉水淬渣和煤矸石的化学成分如下：
高炉水淬渣的主要化学成分为：SiO2 30～35wt％、Al2O3 10～15wt％、K2O+Na2O 0～1wt％、Fe2O3 3～6wt％、CaO 30～40wt％、MgO 7～10wt％，烧失量2～5wt％。
煤矸石的主要化学成分为：SiO2 30～45wt％、Al2O3 15～25wt％、K2O+Na2O 0.5～1.0wt％、Fe2O3 2～5wt％、CaO+MgO 1～3wt％，烧失量25～35wt％，每千克煤矸石的发热量为1500～2000kJ/kg。
实施例1
本实施例的低能耗烧结渗水砖，包括以下重量份计的原料：高炉水淬渣50份、煤矸石40份、助溶剂2份、增塑剂2份、粘结剂6份。
所述的助熔剂为重量比2:1:1的钠长石、钾长石和钙长石的混合物。
所述的增塑剂为重量比2:1:1高岭土、膨润土和粘土的混合物。
所述的粘结剂为重量比1:1:1的羧甲基纤维素钠(CMC)、淀粉和木质素的混合物。
所述的高炉水淬渣过30目筛。
所述的煤矸石为四个不同粒径区间，分别为大于10目、10目～30目、30目～100目、100目～325目，四个不同粒径区间的重量比为1:1:1:1。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法，包括以下步骤：
(1)将高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂、粘结剂以及高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂和粘结剂总重量10％的水，湿混均匀，放入模具中以60MPa的压力压制成型，得到生砖坯；
(2)将步骤(1)压制成型的生砖坯取出，在110℃下保温48h，脱除生砖坯中的水分；
(3)将步骤(2)脱水的生砖坯送入隧道窑烧制，即得。
所述的烧制的具体工艺为：
(a)预热：以2℃/min升温速度从室温升至600℃，保温2h；
(b)预烧结：以2℃/min升温速度温升至900℃，保温2h；
(c)烧结：以5℃/min升温速度升至1150℃，保温3h；
(d)退火：以10℃/min降温速度降至650℃，保温2h；
(e)冷却：以2℃/min降温速度降至室温，制得渗水砖。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为21.5％，容重为1.85g/cm3，透水系数为0.013cm/s，抗压强度为41.3MPa，25次冻融循环后的质量损失率为1.5％，抗压强度损失率为12.8％。
实施例2
本实施例的低能耗烧结渗水砖，包括以下重量份计的原料：高炉水淬渣60份、煤矸石30份、助溶剂2份、增塑剂3份、粘结剂5份。
所述的助熔剂为重量比2:1的钠长石、钾长石的混合物。
所述的增塑剂为重量比1:1高岭土、膨润土的混合物。
所述的粘结剂为重量比1:1的CMC、木质素的混合物。
所述的高炉水淬渣过30目筛。
所述的煤矸石为四个不同粒径区间，分别为大于10目、10目～30目、30目～100目、100目～325目，四个不同粒径区间的重量比为2:1:1:1。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法，包括以下步骤：
(1)将高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂、粘结剂以及高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂和粘结剂总重量10％的水，湿混均匀，放入模具中以60MPa的压力压制成型，得到生砖坯；
(2)将步骤(1)压制成型的生砖坯取出，在110℃下保温48h，脱除生砖坯中的水分；
(3)将步骤(2)脱水的生砖坯送入隧道窑烧制，即得。
所述的烧制的具体工艺为：
(a)预热：以2℃/min升温速度从室温升至600℃，保温2h；
(b)预烧结：以2℃/min升温速度温升至900℃，保温2h；
(c)烧结：以3℃/min升温速度升至1200℃，保温4h；
(d)退火：以5℃/min降温速度降至650℃，保温2h；
(e)冷却：以2℃/min降温速度降至室温，制得渗水砖。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为23.1％，容重为1.81g/cm3，透水系数为0.017cm/s，抗压强度为38.6MPa，25次冻融循环后的质量损失率为1.8％，抗压强度损失率为14.2％。
实施例3
本实施例的低能耗烧结渗水砖，包括以下重量份计的原料：高炉水淬渣70份、煤矸石20份、助溶剂3份、增塑剂3份、粘结剂4份。
所述的助熔剂为重量比2:1:1的钠长石、钾长石和钙长石的混合物。
所述的增塑剂为重量比为2:1:2高岭土、膨润土和粘土的混合物。
所述的粘结剂为重量比为2:1:1的CMC、淀粉和木质素的混合物。
所述的高炉水淬渣过30目筛。
所述的煤矸石为四个不同粒径区间，分别为大于10目、10目～30目、30目～100目、100目～325目，四个不同粒径区间的重量比为2:2:1:1。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法同实施例1，不同之处在于，步骤(c)中烧结温度为1250℃，时间为2h。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为23.6％，容重为1.77g/cm3，透水系数为0.022cm/s，抗压强度为36.4MPa，25次冻融循环后的质量损失率为2.2％，抗压强度损失率为15.1％。
实施例4
本实施例的低能耗烧结渗水砖，包括以下重量份计的原料：高炉水淬渣50份、煤矸石30份、助溶剂5份、增塑剂5份、粘结剂10份。
所述的助熔剂为重量比1:1:1的钠长石、钾长石和钙长石的混合物。
所述的增塑剂为重量比为5:2:1高岭土、膨润土和粘土的混合物。
所述的粘结剂为重量比为2:1:1的CMC、淀粉和木质素的混合物。
所述的高炉水淬渣过30目筛。
所述的煤矸石为四个不同粒径区间，分别为大于10目、10目～30目、30目～100目、100目～325目，四个不同粒径区间的重量比为2:2:2:1。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法同实施例1，不同之处在于，步骤(d)的降温速度为15℃/min。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为24.6％，容重为1.72g/cm3，透水系数为0.025cm/s，抗压强度为35.5MPa，25次冻融循环后的质量损失率为2.3％，抗压强度损失率为15.6％。
实施例5
本实施例的低能耗烧结渗水砖同实施例1，不同之处在于，本实施例的低能耗烧结渗水砖、包括以下重量份计的原料：高炉水淬渣55份、煤矸石35份、助溶剂4份、增塑剂4份、粘结剂2份。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法同实施例1，不同之处在于，步骤(c)中烧结温度为1150℃，时间为5h。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为20.7％，容重为1.89g/cm3，透水系数为0.011cm/s，抗压强度为42.6MPa，25次冻融循环后的质量损失率为1.2％，抗压强度损失率为10.4％。
实施例6
本实施例的低能耗烧结渗水砖同实施例1。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法同实施例1，不同之处在于，步骤(c)中烧结温度为1200℃，时间为5h。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为22.7％，容重为1.85g/cm3，透水系数为0.011cm/s，抗压强度为40.1MPa，25次冻融循环后的质量损失率为1.0％，抗压强度损失率为11.1％。
实施例7
本实施例的低能耗烧结渗水砖同实施例一。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法，包括以下步骤：
(1)将高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂、粘结剂以及高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂和粘结剂总重量10％的水，湿混均匀，放入模具中以60MPa的压力压制成型，得到生砖坯；
(2)将步骤(1)压制成型的生砖坯取出，在110℃下保温48h，脱除生砖坯中的水分；
(3)将步骤(2)脱水的生砖坯送入隧道窑烧制，即得。
所述的烧制的具体工艺为：
(a)预热：以2℃/min升温速度从室温升至700℃，保温2h；
(b)预烧结：以1℃/min升温速度温升至950℃，保温2h；
(c)烧结：以3℃/min升温速度升至1200℃，保温5h；
(d)退火：以10℃/min降温速度降至600℃，保温2h；
(e)冷却：以2℃/min降温速度降至室温，制得渗水砖。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为22.7％，容重为1.93g/cm3，透水系数为0.010cm/s，抗压强度为42.9MPa，25次冻融循环后的质量损失率为1.3％，抗压强度损失率为10.8％。
实施例8
本实施例的低能耗烧结渗水砖基本同实施例一，不同之处在于，所述的煤矸石为四个不同粒径区间，分别为大于10目、10目～30目、30目～100目、100目～325目，四个不同粒径区间的重量比为2:2:2:1。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法，同实施例1。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为23.7％，容重为1.75g/cm3，透水系数为0.020cm/s，抗压强度为36.9MPa，25次冻融循环后的质量损失率为2.0％，抗压强度损失率为14.5％。
对照例1
本对照例的低能耗烧结渗水砖基本同实施例一，不同之处在于，所述的煤矸石为四个不同粒径区间，分别为大于50目、50目～100目、100目～200目、200目～400目，四个不同粒径区间的重量比为1:1:1:1。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法，同实施例1。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为16.7％，容重为2.11g/cm3，透水系数为0.005cm/s，抗压强度为44.2MPa，25次冻融循环后的质量损失率为0.8％，抗压强度损失率为9.6％(级配的细粉料多，孔隙率下降，并且透水系数低于国家标准0.010cm/s的指标)。
对照例2
本对照例的低能耗烧结渗水砖基本同实施例一，不同之处在于，助溶剂为石灰石和方解石质量比2:3的混合物，粘结剂为硅酸钠水玻璃和10％质量分数的聚乙烯醇水溶液质量比3:1的混合物，且不加入增塑剂。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法，同实施例1。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为25.2％，容重为1.91g/cm3，透水系数为0.003cm/s，抗压强度为42.8MPa，25次冻融循环后的质量损失率为1.0％，抗压强度损失率为10.6％。(石灰石、方解石既能做助溶剂，又能分解释放出CO2作为造孔剂，硅酸钠水玻璃在1000℃以上会发生起泡效果，部分气泡会被高温熔体包裹，导致因此制得的渗水砖孔隙率虽然很高，但大多为闭孔结构，造成最终渗水系数低于标准值)
对照例3
本实施例的低能耗烧结渗水砖同实施例一。
本实施例的低能耗烧结渗水砖的制造方法同实施例1，不同之处在于，渗水砖的烧制过程不采用分步烧制，直接在1150℃条件下烧制7h。
本实施例制得的渗水砖孔隙率为18.6％，容重为1.92g/cm3，透水系数为0.07cm/s，抗压强度为25.2MPa，25次冻融循环后的质量损失率为5.8％，抗压强度损失率为23.9％(烧结时间短，烧结程度低，造孔数量不足，导致透水系数及抗压强度等综合参数低于标准值)。

Claims (5)

1.一种低能耗烧结渗水砖的制造方法，其特征在于，由以下重量份计的原料组成：高炉水淬渣50~70份、煤矸石20~50份、助溶剂2~5份、增塑剂2~5份、粘结剂2~10份；
所述的助熔剂包括重量比1~5:0~2:0~2的钠长石、钾长石和钙长石；
所述的增塑剂包括重量比2~5:0~2:0~2高岭土、膨润土和粘土；
所述的粘结剂包括重量比1~3:0~2:0~2的CMC、淀粉和木质素；
所述制造方法包括以下步骤：
（1）将高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂、粘结剂以及高炉水淬渣、煤矸石、助溶剂、增塑剂和粘结剂总重量10%的水，湿混均匀，放入模具中压制成型，得到生砖坯；
（2）将步骤（1）的生砖坯取出，干燥，脱除生砖坯中的水分；
（3）将步骤（2）脱水的生砖坯送入隧道窑烧制，即得；
所述烧制的具体工艺为：
（a）预热：以1~2℃/min升温速度从室温升至600~700℃，保温2h；
（b）预烧结：以1~2℃/min升温速度温升至850~950℃，保温2~3h；
（c）烧结：以2~5℃/min升温速度升至1150~1250℃，保温2~5h；
（d）退火：以5~15℃/min降温速度降至600~700℃，保温2h；
（e）冷却：以2℃/min降温速度降至室温，制得渗水砖。
2.根据权利要求1所述的低能耗烧结渗水砖的制造方法，其特征在于，所述的高炉水淬渣的主要化学成分为：SiO2 30~35wt%、Al2O3 10~15wt%、K2O+Na2O 0~1wt%、Fe2O3 3~6wt%、CaO30~40wt%、MgO 7~10wt%，烧失量2~5wt%。
3.根据权利要求1所述的低能耗烧结渗水砖的制造方法，其特征在于，所述的煤矸石的主要化学成分为：SiO2 30~45wt%、Al2O3 15~25wt%、K2O+Na2O 0.5~1.0wt%、Fe2O3 2~5wt%、CaO+MgO 1~3wt%，烧失量25~35wt%，每千克煤矸石的发热量为1500~2000kJ/kg。
4.根据权利要求1所述的低能耗烧结渗水砖的制造方法，其特征在于，所述的高炉水淬渣过30目筛。
5.根据权利要求1所述的低能耗烧结渗水砖的制造方法，其特征在于，所述的煤矸石为四个不同粒径区间，分别为大于10目、10目~30目、30目~100目、100目~325目，四个不同粒径区间的重量比为1~2:1~2:1~2:1。
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