CN107555951B - 一种用于海绵城市的保水多孔砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海绵城市的保水多孔砖，其组成物及质量百分比为污泥40%～50%、粉煤灰20%～26%、碳酸氢钠15%～18%、柠檬酸10%～16%；本发明保水多孔砖采用发泡剂，在制砖过程中进行两次膨胀，并通过挤压成型，分段焙烧，再经过自然养护制得多功能保水多孔砖；本发明的生产工艺简单，降低了成本；采用再生资源为主要原料利于环境保护；优良的保水性为“海绵城市”建设提供了一种不可多得的材料；对总磷及砷的去除能力，在环保和土壤改良方面有极高的应用前景。

Description

一种用于海绵城市的保水多孔砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔砖及其制备方法，尤指一种用于海绵城市的多功能保水多孔砖及其制备方法。

背景技术

《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建（试行）》提出了海绵城市建设的规划控制目标包括：径流总量控制、径流峰值控制、径流污染控制、雨水资源化利用等。海绵城市，是确保城市排水防涝安全的前提下，城市像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用，最大限度地实现雨水在城市区域的积存、渗透和净化，促进雨水资源的利用和生态环境保护。通过渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术，实现城市良性水文循环，提高对径流雨水的渗透、调蓄、净化、利用和排放能力，维持或恢复城市的“海绵”功能。建设海绵城市的关键措施之一便是使“雨水滞留”在城市中，通过使雨水“停留”，保存在土壤中，减缓雨水流失的速率，使城市土壤吸纳雨水的能力提升，增大可利用的雨水量，减少地表径流污染。全国已有130多个城市制定了海绵城市建设方案。目前我国使用的储水材料外部强度达不到使用要求，同时储水能力较差，性价比低，不能够吸附足够的水。

我国目前流行使用透水砖，这种砖适用于道路施工，但必须要求其表面以下的材料也有透水效果的，所透过的水需要排到地下，因此需要设计相应的排水系统，这势必要增加工程成本，而且对雨水利用率不高。而现有的商业保水砖主要原材料为陶瓷或普通透水混凝土砖，陶瓷保水砖需要大量高岭土资源，原料开采对环境造成破坏，并且其生产工艺复杂，成本高；混凝土砖成本低，透水性好，但不能达到先保水再透水的效果，难以有效滞留雨水。关颖军等发明了一种保水砖生产方法，以水泥和工业废渣为原料，混合打压后，经蒸汽养护制得保水砖，该方法生产的保水砖的饱和吸水率大于12%以上，每平米保水5kg，抗压强度在20-25Mpa。达佤扎西发明了一种生态保水砖，采用复合硅酸盐水泥、沙、建筑废料和农作物秸秆为原料，混合打压成型，室温放置成砖，该保水砖的孔隙率为25%-35%，体积吸水率为20%-30%。顾予新等人发明了一种应用于海绵城市建设的环保轻石及其制备方法，由玻璃粉末、膨润土粉、沸石粉。菱镁矿石粉组成分体配合料，经高温发泡、退火处理制得。

普通陶粒产品的吸水率在10%-48%，传统空心砖和蜂窝砖的吸水率在20%左右，而本发明所述的多功能保水多孔砖吸水率可达61%，而且对总磷（TP）和砷均有良好的吸附效果，多功能保水多孔砖具有良好的经济效应和生态环境效益，因此市场上需要一种性能优越的保水砖。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种用于海绵城市的保水多孔砖，该致密多孔的多功能保水多孔砖即具备高保水性能，又具有良好的净水性能和刚性，其组成物及质量百分比为：污泥40%～50%、粉煤灰20%～26%、碳酸氢钠15%～18%、柠檬酸10%～16%。

所述污泥为过100目筛的污泥；所述污泥包括河湖底泥、生活污水污泥或工业废水污泥；污泥主要成分有：SiO₂、Al₂O₃、 Fe₂O₃，且CaO含量较高，有利于成砖，污泥样品具备了基本的粘土成分，污泥烧失率为7.96%，说明其中有一定量的有机物，利于多孔砖烧制过程中的微孔形成。

所述粉煤灰为取自燃煤电厂的工业废渣，然后研磨过325目筛；根据资料常规粉煤灰中的SiO₂、Al₂O₃含量明显高于污泥，可以有效补充污泥所缺乏的成砖成分、产气成分和骨架支撑成分，由于粉煤灰颗粒细小，它的随意处置也会给环境带来污染，尤其是在风力的作用下进入大气，形成细颗粒污染，危害人体健康，综上，粉煤灰被选定为本次实验的辅料，使其变废为宝，得到资源化利用。粉煤灰中SiO₂、Al₂O₃含量约是污泥SiO₂、Al₂O₃含量的两倍，根据Riley生产黏土陶粒的化学组成要求，在烧制多孔砖的时候适量添加粉煤灰，可有效补充污泥中SiO₂和Al₂O₃的不足，有效提高多孔砖的化学稳定性、热稳定性和机械强度，使烧制出的多孔砖性质更加稳定可靠。

本发明使用碳酸氢钠（NaHCO₃）和柠檬酸（C₆H₈O₇）作为膨化剂，构造一种多功能保水多孔砖；本产品的制备方法如下：

采用上述配料，将污泥放入粉碎机粉碎并过100目筛，燃煤电厂的工业废渣粉碎后过325目筛制得粉煤灰，然后将污泥、粉煤灰、碳酸氢钠、柠檬酸加入到搅拌机中搅拌5～10分钟，搅拌均匀后向其中缓慢加入去离子水（其中水灰质量比为0.4～0.7），并不断搅拌直至混合物团结、湿润、体积膨胀、表面有气泡产生；由制砖机压制成型，打压力度为1T～2T；然后以5～10℃/分钟从室温预热至300～400℃，维持20～30分钟，然后以5～15℃/分钟升温至900～1050℃，焙烧10～20分钟，然后以5～10℃/分钟降温至600～700℃稳定20～30分钟，最后以5～10℃/分钟降至室温，烧结后的砖块自然养护24h，得到所述保水多孔砖。

常规多孔砖或陶粒烧制的产气膨胀阶段仅发生在烧制过程中，本发明为进一步丰富多孔砖的孔洞结构，创新膨胀机制，加入自制膨化剂，使多孔砖烧制前产气膨胀。本发明的多孔砖膨胀机理分为以下两个阶段：

烧制前产气膨胀阶段：烧制中产气膨胀阶段主要是原料中各组分在高温作用下反应产生CO、CO₂、SO₂等气体，但此阶段产气量是有限，且温控要求高。为了丰富多孔砖的微孔数量，则需在烧制前加入一个产气膨胀阶段。此阶段受启发于馒头的膨发过程，主要由自制膨化剂实现，膨化剂是由碳酸氢钠和柠檬酸组成。污泥、粉煤灰、碳酸氢钠、柠檬酸按配比混合均匀后加入适量水，随即碳酸氢钠与柠檬酸发生反应（HCO₃ ^-+H⁺=H₂O+ CO₂↑，CO₃ ^2-+2H⁺=H₂O+ CO₂↑)，不断释放出大量CO₂，混合成型后，胚体表面可看到丰富的孔洞，同时内部产生的CO₂也在胚体内产生丰富的孔洞。膨化剂中的碳酸氢钠与柠檬酸在这一阶段不会反应完全，会有剩余，在接下来的第二阶段膨胀阶段时，在高温的作用下会继续分解产生气体，为进一步膨胀提供了有力支持。

多孔砖的第二阶段膨胀机理：主要是指在多孔砖烧制中产气，常规多孔砖的膨胀仅发生在这个阶段。坯体在整个烧制过程中膨胀需满足两方面的条件：一方面是在一定的温度下，多孔砖胚体中的成砖成分能产生适当的粘度；另一方面，在胚体产生适当粘度时，内部的产气成分在一定温度的作用下产生一定的气体，使其膨胀，生成丰富的微孔结构。在烧制多孔砖的整个过程中，多孔砖中的各成分在不同温度的作用下发生着一系列复杂的物理与化学变化，按反应温度由低到高排序，烧制过程中的主要反应包含：坯体水分蒸发、有机物分解、碳酸氢盐分解、铁的氧化物分解、石膏的分解及硅酸二钙的生成等。

①碳酸氢盐分解

随着马弗炉内温度上升至50℃时，烧制前未反应完全的碳酸氢钠开始逐渐分解成碳酸钠、H₂O和CO₂气体。这个过程的主要反应如下式

2NaHCO₃= Na₂CO₃+ H₂O + CO₂↑；

②坯体水分的蒸发

在100～200℃为坯体水分蒸发阶段，为避免快速升温产生的大量水蒸气使多孔砖破裂，在烧制前需对多孔砖胚体适当干燥，减少胚体中一部分水分，增加陶粒的成型率；

③有机物分解

当温度超过300～400℃后，多孔砖原料中一些含碳的化合物和有机物发生氧化反应，分解产生 CO₂、CO 等气体，使胚体发生膨胀。这个过程的主要反应如下式：

C+O₂=CO₂↑(氧气充足)

2C+O = 2CO↑(缺氧条件)

CO₂ + C=2CO↑(缺氧条件)

④碳酸盐分解

在500℃左右，多孔砖中的碳酸盐开始热分解并放出 CO₂气体，其反应式如下所示。

CaMg(CO₃)₂= MgO+CaCO₃ +CO₂↑

MgCO₃= MgO+CO₂↑

CaCO₃= CaO+CO₂↑

⑤铁的氧化物还原与分解，其反应式如下所示

6Fe₂O₃= 4Fe₃O₄+O₂↑

Fe₂O₃ +C = 2FeO+CO↑

Fe₂O₃+CO = 2FeO+2CO↑

2Fe₂O₃ + C + 4Al₂O₃ = 4FeAl₂O₄ + CO₂↑

⑥硫化物的分解与氧化，其反应式如下所示

FeS₂ = FeS + S

S + O₂ = SO₂↑

⑦石膏的分解及硅酸二钙的生成，其反应式如下所示

2CaSO₄ = 2CaO + SO₂↑ + O₂↑

2CaCO₃ + 2SiO₂ = 2CaSiO₄ + 2CO₂↑

总之，在不同温度作用下，多孔砖表面产生液相成砖，多孔砖原料中的碳酸盐、铁的多种氧化物、硫化物和有机物发生一系列复杂化学反应，生成O₂、CO、CO₂、SO₂等气体，生成的气体在液相中不易逸出，被包裹在多孔砖内部形成微孔结构，使多孔砖体积膨胀增大。

本发明保水多孔砖孔隙率为50%-65%，其表面细密、均匀地分布着小于20μm的孔洞，具有较强的吸水能力和表面张力，有利于多孔砖对水分的吸持；普通吸水砖表面分布着大小不均的孔洞，且其孔径在20-50μm的孔洞明显多于保水多孔砖，这使水分容易流出，降低了其吸水率。本发明多孔砖体积吸水率大于60%以上，而普通陶粒产品的吸水率在10%-48%，传统空心砖和蜂窝砖的吸水率在20%左右，增加其吸水率势必要以牺牲结构刚性为代价。

作为多功能保水多孔砖，除了优异的保水性能外，对总磷（TP）及砷也有很好的吸附效果。通过模拟实验得到该多功能保水多孔砖对TP的去除率为50%-60%，对含砷污水中砷的去除率可达98%-99%。

本发明采用污泥和粉煤灰等高温烧制成绿色节能、针对“海绵城市”建设的新型保水建筑材料；使用再生资源（70%以上）为原料，不仅成本大为降低，且符合生态文明建设的绿色理念；其次可以提升土壤空隙率，并且净水后得到含磷的多孔砖，可以作为一种优良的土壤改良剂用于农田耕种，改良土壤特性；此外，因为是多气孔的高标准构造，所以除臭、吸潮、放湿、隔音、绝热都有显著的效果。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

实施例1：本用于海绵城市的保水多孔砖组成物及质量百分比为污泥48%、粉煤灰25%、碳酸氢钠17%、柠檬酸10%；

上述保水多孔砖制备工艺如下：

1、将脱水干燥的河湖底泥粉碎后过100目筛，将取自燃煤电厂的工业废渣粉煤灰粉碎后过325目筛，然后将过筛后的原料混合均匀；

2、将称量好的碳酸氢钠、柠檬酸和污泥与粉煤灰的混合物置于一起并混合均匀；

3、将混合物置于搅拌机中，边搅拌边加入水，其中水灰质量比为0.4，直至搅拌均匀（5分钟）；

4、将搅拌均匀的混合物用制砖机压制成型，压力为1T；

5、将成型砖块置于回转窑中，以5℃/分钟从室温升温预热至400℃，维持20分钟，然后以5℃/分钟升温至950℃， 焙烧20分钟，然后以10℃/分钟降温至600℃稳定23分钟，最后以10℃/分钟降至室温，从而烧结成砖；

6、将砖块在室温下放置，自然养护24h，使之结构强度增大，从而制得该保水多孔砖。

所制得的多功能保水多孔砖的堆积密度为795kg/m³、孔隙率为60%、吸水率为61.16%，对含磷（TP）模拟污水的TP去除率为50.2%，投加量为1.2g/L时砷去除率峰值达到98.03%。

实施例2：本用于海绵城市的保水多孔砖组成物及质量百分比为污泥40%、粉煤灰26%、碳酸氢钠18%、柠檬酸16%；

上述保水多孔砖制备工艺如下：

1、将脱水干燥的工业污泥粉碎后过100目筛，将取自燃煤电厂的工业废渣粉煤灰粉碎后过325目筛，然后将过筛后的原料混合均匀；

2、将称量好的碳酸氢钠、柠檬酸和污泥与粉煤灰的混合物置于一起并混合均匀；

3、将混合物置于搅拌机中，边搅拌边加入水，其中水灰质量比为0.5，直至搅拌均匀（10分钟）；

4、将搅拌均匀的混合物用制砖机压制成型，压力为2T；

5、将成型砖块置于电炉中，从室温以10℃/分钟预热至350℃，维持25分钟，然后以10℃/分钟升温至1000℃，焙烧15分钟，然后以5℃/分钟降温至700℃稳定20分钟，最后以5℃/分钟降至室温，从而烧结成砖；

6、将砖块在室温下放置，自然养护24h，使之结构强度增大，从而制得该保水多孔砖。

本实施例保水多孔砖的堆积密度为796kg/m³、孔隙率为61%、吸水率达66.71%，对TP初始浓度为80mg/L的模拟污水的48h TP去除率为52.5%，投加量为1.2g/L时砷去除率峰值达到98.77%。

实施例3：本用于海绵城市的保水多孔砖组成物及质量百分比为污泥50%、粉煤灰22%、碳酸氢钠15%、柠檬酸13%；

上述保水多孔砖制备工艺如下：

1、将脱水干燥的生活污水污泥粉碎后过100目筛，将取自燃煤电厂的工业废渣粉煤灰粉碎后过325目筛，然后将过筛后的原料混合均匀；

2、将称量好的碳酸氢钠、柠檬酸和污泥与粉煤灰的混合物置于一起并混合均匀；

3、将混合物置于搅拌机中，边搅拌边加入水，其中水灰质量比为0.7，直至搅拌均匀（8分钟）；

4、将搅拌均匀的混合物用制砖机压制成型，压力为1.5T；

5、将成型砖块置于电炉中，从室温以7℃/分钟预热至300℃，维持30分钟，然后以15℃/分钟升温至1050℃，焙烧10分钟，然后以8℃/分钟降温至650℃稳定30分钟，最后以7℃/分钟降至室温，从而烧结成砖；

6、将砖块在室温下放置，自然养护24h，使之结构强度增大，从而制得该保水多孔砖。

本实施例保水多孔砖的堆积密度为790kg/m³、孔隙率为63%、吸水率达67.26%，对TP初始浓度为80mg/L的模拟污水的48h TP去除率为53.2%，投加量为1.2g/L时砷去除率峰值达到98.64%。

利用本发明制得的多功能保水多孔砖具有更优异的保水性能，其多孔结构和净水材质使其同时具备了吸水性、过滤性和吸附性。多功能保水多孔砖砖的成分的主要原料是污泥和粉煤灰等组成，即实现了固体废物的材料化，又洁净了生态环境，尤其解决了污泥堆积造成的水土污染和粉煤灰大量堆积而产生的扬尘问题。

多功能保水多孔砖制作成本低廉，社会效益显著，工艺设计合理，制作简单，不产生二次污染；生产工期短，2天即可出厂，砖型可随意改变，只需采用不同的磨具即可。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明说和实施方式中所列应用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (3)

1.一种用于海绵城市的保水多孔砖，其特征在于，组成物及质量百分比为：污泥40％～50％、粉煤灰20％～26％、碳酸氢钠15％～18％、柠檬酸10％～16％；

上述用于海绵城市的保水多孔砖的制备方法如下：将污泥、粉煤灰、碳酸氢钠、柠檬酸混合并搅拌均匀，然后边搅拌边加入水灰质量比为0.4～0.7的水，待团结后用制砖机压制成砖，打压力度为1T～2T，然后将砖块以5～10℃/分钟的升温速率从室温预热至300～400℃，维持20～30分钟，然后以5～15℃/分钟升温至900～1050℃，焙烧10～20分钟，再以5～10℃/分钟降温至600～700℃稳定20～30分钟，最后以5～10℃/分钟降至室温，烧结后的砖块自然养护24h，即得保水多孔砖。

2.根据权利要求1所述的用于海绵城市的保水多孔砖，其特征在于：污泥为过100目筛的污泥。

3.根据权利要求1所述的用于海绵城市的保水多孔砖，其特征在于：粉煤灰为过325目筛的粉煤灰。