CN107337414B - 一种利用海洋废弃淤泥制备的碳化免烧砖及其制备方法 - Google Patents

一种利用海洋废弃淤泥制备的碳化免烧砖及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用海洋废弃淤泥制备新型碳化免烧砖的方法，包括向废弃海洋淤泥中添加固化剂、碳化促进剂、激发剂、早强剂，制备砖胚；将制得的砖胚送至高压蒸汽机中蒸养，取出后置于空气中自然养护；将自然养护后的砖胚放于温度为20‑40℃的碳化箱中碳化，得到碳化免烧砖。本发明提供的新型碳化免烧砖具有制作过程自动化程度高、产品性能稳定、力学性能优良、成本低、产量高、环境友好型等显著特点，可以完全或部分替代传统实心粘土砖，具有广阔的市场前景。

Description

一种利用海洋废弃淤泥制备的碳化免烧砖及其制备方法
技术领域
本发明属于环境工程、岩土工程及建筑材料技术领域，特别涉及一种利用海洋废弃淤泥制备的新型碳化免烧砖及其制备方法。
背景技术
沿海地区港口工程的建设和维护中都会产生大量高含水率的废弃淤泥，传统的陆地吹填、海洋倾倒等处理方法存在占地多、耗时长、成本高以及污染严重等系列问题。因此，在可持续发展理念下，如何采用合理环保有效的方式处理废弃淤泥，对于建设资源节约型、环境友好型社会具有重要的现实意义。
目前我国的基础设施等建筑工程中最常用的是传统的实心粘土砖，这是一种利用优质粘土经烧砖窑高温烧制而成的建筑材料。其生产过程中具有以下特点：(1)生产过程中需要消耗大量不可再生优质粘土，严重破坏耕地资源；(2)高温烧制过程中需要消耗大量不可再生煤炭能源，排放大量CO2、SO2等有毒有害气体，严重污染环境。针对实心粘土砖生产过程中存在的高耗能、高污染、高CO2排放以及严重破坏耕地等问题，我国从2012年开始先后公布了两批共411个县城和186个城市，要求开展城市城区限制使用粘土制品、县城禁止使用实心粘土砖的工作。
随着我国工业的快速发展，排放的各种固体废弃物如何处理，也是我们需要面临的一个严峻的环境问题。我国粉煤灰年产量巨大，预计2020年将达到6.58亿吨以上，而综合利用率仅为70%左右。粉煤灰作为燃煤电厂等排放主要污染物，不仅污染环境，且其中有毒有害物质还可能威胁人类和生物的健康生存。
基于以上现状，研究利用废弃淤泥与粉煤灰等固体废弃物制作新型碳化免烧砖，替代传统的实心粘土砖，很好的解决了废弃淤泥以及固体废弃物堆积处理带来的环境问题，减少了实心粘土砖烧制过程中对不可再生资源的消耗。
中国专利CN104788063A公布了一种免烧免压淤泥砖及其制备方法，采用疏浚淤泥、水泥、石膏、矿渣、粉煤灰、石灰、早强剂作为原料，经过原料准备、混合搅拌、制砖胚、拆模、养护得到免烧免压淤泥砖。该方法得到的免烧免压淤泥砖最大可达到的强度为6.74MPa，按照国标GB11945-1999《蒸压灰砂砖》的规定，强度级别MU10的砖平均抗压强度也需达到10MPa，单块抗压强度不能小于8MPa，按照上述制备方法得到的免烧免压淤泥砖目前较难达到工业应用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用海洋废弃淤泥制备的新型碳化免烧砖及其制备方法，其所制备的新型碳化免烧砖具有强度高、生产周期短、生产过程耗能少、无污染等优点。
技术方案：为达到上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种利用海洋废弃淤泥制备新型碳化免烧砖的方法，包括以下步骤：
（1）向废弃海洋淤泥中添加固化剂、碳化促进剂、激发剂、早强剂，制备砖胚；
（2）将制得的砖胚送至高压蒸汽机中蒸养，取出后置于空气中自然养护；
（3）将自然养护后的砖胚放于温度为20-40℃的碳化箱中碳化，得到碳化免烧砖。
优选地，步骤（1）中各原料的重量份分别为：废弃海洋淤泥30-65份、固化剂30-80份、碳化促进剂5-25份、激发剂0-20份、早强剂0-5份，其中废弃海洋淤泥的份量为不包括水分的干重份量。
优选地，步骤（1）中制备砖胚进一步包括以下分步骤：
a，预处理：将废弃海洋淤泥进行过滤去除淤泥中的杂物，包括大颗粒石块、水草，然后将过滤后淤泥离心脱水至含水率为45-75%；
b，混合搅拌：将称量好的废弃海洋淤泥、固化剂、碳化促进剂、激发剂、早强剂至搅拌机中混合搅拌5min，以确保混合物均匀；
c，压制成型：将步骤b得到的混合物料放入模具中压制成型，制得砖坯。
优选地，所述步骤（2）中蒸养的条件为80-90℃、0.03-0.04MPa，蒸养时间为10-12个小时，取出后置于空气中自然养护3-5天。
优选地，所述步骤（3）中可使用工业废气CO2作为碳源。
优选地，所述固化剂包括以下重量份的组分：水泥0-10份、生石灰5-20份、活性氧化镁0-10份、矿渣5-20份、粉煤灰20-35份。
优选地，所述碳化促进剂为平均粒径0.5-0.35mm，细度模数为3.0-2.3，不具有碱活性，洁净度高，且含有SiO2、Al2O3、或Fe2O3的沙子或碎石。
优选地，所述激发剂包括水玻璃和氢氧化钠，所述水玻璃和氢氧化钠的质量比为：0.5:1~1.5:1。
优选地，所述早强剂为粉末状甲酸钙。
优选地，步骤（5）中碳化箱内的相对湿度为50-75%，CO2气体压力为0.1-0.3MPa，CO2浓度为95-100%，碳化时间为1-3天。
一种新型碳化免烧砖，由以上所述的方法制备得到。
本发明中淤泥的作用：海洋废弃淤泥固化后作为本发明中新型碳化免烧砖的主要成分。
本发明中固化剂的作用：1）水泥与淤泥中水分发生水化反应，生成水化硅酸钙C-S-H、水化铝酸钙C-A-H等胶凝物质，在淤泥质土粒间产生胶结作用；2）石灰一方面具有较强吸水性，可以在反应初期显著降低淤泥的含水率，另一方面石灰中的主要成分CaO与淤泥中水分反应生成大量的Ca(OH)2，为水泥和添加剂中含有的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等发生水化反应提供合适的碱性环境；3）活性氧化镁与淤泥中水分发生水化反应，生成的Mg(OH)2具有弱胶结性，饱和沉淀后析出粘结颗粒，增强强度，且Mg(OH)2晶体表面疏松多孔，有益于与CO2发生碳化反应；4）掺入的矿渣、粉煤灰等物质都是具有火山灰效应的固体废弃物，一方面废物利用有效的处理了这些废弃物，另一方面这些物质中含有的活性SiO2、Al2O3、Fe2O3等在碱性条件下同样可生成生成水化硅酸钙C-S-H、水化铝酸钙C-A-H等胶凝物质，粘结淤泥质土粒。
本发明中碳化促进剂是指可促进砖胚碳化反应的添加剂，由于沙子等粒径普遍大于土颗粒，因此可在一定范围内保持颗粒孔隙，有利于后续碳化反应中CO2能充分进入砖坯中，使其充分碳化。
本发明中激发剂的作用：能够促进碳化促进剂中SiO2、Al2O3、Fe2O3等结构解体，加速其反应生成胶结物质；同时还能有效激发土颗粒中的矿物组分活性，加快水化进程。
本发明中早强剂的作用：能够在早期显著提高砖坯的强度，减小养护时间。
特别的，本发明中碳化处理过程中，CO2的进入能与混合物中生成的水化产物发生碳化反应：水化硅酸钙C-S-H能与CO2发生碳化反应，生成CaCO3和SiO2；Ca(OH)2与CO2碳化反应后生成CaCO3；Mg(OH)2与CO2碳化反应生成棱柱状MgCO3·3H2O。碳化反应生成的CaCO3和MgCO3·3H2O很好的填充于土体孔隙中，使砖坯孔隙率降低从而提高整体性，进一步提高砖坯的抗压强度。且碳化过程中，CO2的压力和浓度越大，碳化反应速率越快，砖坯的早期强度越高。
本发明具有如下有益效果：
（1）本发明制备得到的免烧砖强度可达35MPa，符合国标对实心粘土砖的强度要求，且质量轻、耐久性好，可完全或部分替代土木工程建设中所需的传统实心粘土砖。
（2）不仅合理有效的解决了废弃淤泥堆积占地、抛填污染环境等一系列问题，而且将处理后淤泥作为一种新型建筑材料，大大减少对传统实心粘土砖的消耗，避免了实心粘土砖生产过程中引起的环境、能源问题，减少耕地破坏，实现了淤泥废物无害化、资源化处理的目的。
（3）新型碳化免烧砖制作过程无需砖窑烧制，降低了煤炭资源的消耗，节能效果显著；且碳化过程中吸收大量CO2，可采用工业废气CO2作为碳源，利于减少温室效应，具有极高的经济价值、环境价值和社会价值。
（4）相对于传统制砖养护时间7-28天，制砖周期大大缩减，提高了生产效率。
（5）砖胚利用液压全自动成型机制作，制作过程自动化程度高、产品性能稳定，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明所述的一种利用海洋废弃淤泥制备免烧砖的方法流程图。
具体实施方式
下面通过实施例，进一步阐明本发明的突出特点和显著进步，仅在于说明本发明而决不限制本发明。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
本发明提供的一种利用海洋废弃淤泥制备新型碳化免烧砖的方法，包括以下步骤：
(1) 预处理：将废弃海洋淤泥进行过滤去除淤泥中大颗粒石块、水草等杂物，然后将过滤后淤泥离心脱水降低含水率至45-75%；
(2) 混合搅拌：将称量好的废弃淤泥30份（不包括水分的干重）、生石灰10份、活性氧化镁5份、矿渣10份、粉煤灰30份、沙子15份、置于搅拌机中混合搅拌5min，以确保混合物均匀；
(3) 压制成型：将步骤(2)得到的混合料放入模具中，利用液压全自动成型机在20-35 MPa压力下压制成型，制得砖坯；
(4) 养护：将步骤(3)制得的砖坯送至高压蒸汽机中蒸养10-12个小时，养护条件为80-90℃、0.03-0.04MPa；取出后置于空气中自然养护3-5d，以降低砖坯含水率，为下一步碳化处理做准备；
(5) 碳化处理：将步骤(4)自然养护后的砖坯放于碳化箱中，其中碳化箱的相对湿度为50-75%，CO2气体压力为0.1-0.3MPa，CO2浓度为95-100%，碳化时间为2天，以确保CO2能充分进入砖坯中，使其充分碳化，CO2能与混合物中生成的水化产物发生碳化反应，生成某些新物质填充孔隙以提高砖坯的强度。
(6) 成品检验：将步骤(5)中碳化后的砖进行抽检，合格后即得到所需的新型碳化免烧砖，之后整齐堆码放置于仓库。
对实施例1所得的新型碳化免烧砖进行检测，其强度值为15MPa，且耐久性好，可有效替代现有的实心黏土砖。
实施例2
实施例2中的一种利用海洋废弃淤泥制备新型碳化免烧砖的方法与实施例1中的制备方法步骤相同。
其中，步骤(2)中各原料的重量份分别为：废弃淤泥60份（不包括水分的干重）、生石灰5份、矿渣5份、粉煤灰20份、沙子5份、水玻璃1份、氢氧化钠2份、粉末状甲酸钙2份。
对实施例2所得的新型碳化免烧砖进行检测，其强度值为35MPa，且耐久性好，可有效替代现有的实心黏土砖。
实施例3
实施例3中的一种利用海洋废弃淤泥制备新型碳化免烧砖的方法与实施例1中的制备方法步骤相同。
其中，步骤(2)中各原料的重量份分别为：废弃淤泥40份、水泥5份、生石灰5份、活性氧化镁5份、矿渣5份、粉煤灰30份、沙子7份、水玻璃1份、氢氧化钠1份、粉末状甲酸钙1份。
对实施例3所得的新型碳化免烧砖进行检测，其强度值为25MPa，且耐久性好，可有效替代现有的实心黏土砖。
实施例4
实施例4中的一种利用海洋废弃淤泥制备新型碳化免烧砖的方法与实施例1中的制备方法步骤相同。
其中，步骤(2)中各原料的重量份分别为：废弃淤泥55份、水泥1份、生石灰6份、活性氧化镁2份、矿渣5份、粉煤灰20份、沙子8份、水玻璃1份、氢氧化钠1份、粉末状甲酸钙1份。
对实施例4所得的新型碳化免烧砖进行检测，其强度值为30MPa，且耐久性好，可有效替代现有的实心黏土砖。
实施例5
实施例5中的一种利用海洋废弃淤泥制备新型碳化免烧砖的方法与实施例1中的制备方法步骤相同。
其中，步骤(2)中各原料的重量份分别为：废弃淤泥35份、水泥4份、生石灰5份、活性氧化镁3份、矿渣5份、粉煤灰20份、沙子13份、水玻璃6份、氢氧化钠4份、粉末状甲酸钙5份。
对实施例5所得的新型碳化免烧砖进行检测，其强度值为20MPa，且耐久性好，可有效替代现有的实心黏土砖。

Claims (8)

1.一种利用海洋废弃淤泥制备碳化免烧砖的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)向废弃海洋淤泥中添加固化剂、碳化促进剂、激发剂、早强剂，制备砖坯 ；
步骤(2)将制得的砖胚送至高压蒸汽机中蒸养，取出后置于空气中自然养护；
步骤(3)将自然养护后的砖坯 放于温度为20-40℃的碳化箱中碳化，得到碳化免烧砖；
其中，所述步骤(1)中各原料的重量份分别为：废弃海洋淤泥30-65份、固化剂30-80份、碳化促进剂5-25份、激发剂0-20份、早强剂0-5份，其中废弃海洋淤泥的份量为不包括水分的干重份量；所述固化剂包括以下重量份的组分：水泥0-10份、生石灰5-10份、活性氧化镁0-5份、矿渣5-20份、粉煤灰20-35份。
2.根据权利要求1所述的利用海洋废弃淤泥制备碳化免烧砖的方法，其特征在于：所述步骤(1)中制备砖坯 进一步包括以下分步骤：
a，预处理：将废弃海洋淤泥进行过滤去除淤泥中的杂物，包括大颗粒石块、水草，然后将过滤后淤泥离心脱水至含水率为45-75％；
b，混合搅拌：将称量好的废弃海洋淤泥、固化剂、碳化促进剂、激发剂、早强剂置于搅拌机中混合搅拌5min，以确保混合物均匀；
c，压制成型：将步骤b得到的混合物料放入模具中压制成型，制得砖坯。
3.根据权利要求1所述的利用海洋废弃淤泥制备碳化免烧砖的方法，其特征在于：所述步骤(2)中蒸养的条件为80-90℃、0.03-0.04MPa，蒸养时间为10-12个小时，取出后置于空气中自然养护3-5天。
4.根据权利要求1所述的利用海洋废弃淤泥制备碳化免烧砖的方法，其特征在于：所述碳化促进剂为平均粒径0.5-0.35mm，细度模数为3.0-2.3，不具有碱活性，且含有SiO2、Al2O3、或Fe2O3的沙子或碎石。
5.根据权利要求1所述的利用海洋废弃淤泥制备碳化免烧砖的方法，其特征在于：所述激发剂包括水玻璃和氢氧化钠，所述水玻璃和氢氧化钠的质量比为：0.5:1～1.5:1。
6.根据权利要求1所述的利用海洋废弃淤泥制备碳化免烧砖的方法，其特征在于：所述早强剂为粉末状甲酸钙。
7.根据权利要求1所述的利用海洋废弃淤泥制备碳化免烧砖的方法，其特征在于：步骤(3)中碳化箱内的相对湿度为50-75％，二氧化碳气体压力为0.1-0.3MPa，二氧化碳浓度为95-100％，碳化时间为1-3天。
8.一种碳化免烧砖，其特征在于：由权利要求1-7中任一项所述的方法制备得到。
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