CN107602072B

CN107602072B - 一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖及其制备方法

Info

Publication number: CN107602072B
Application number: CN201711049010.4A
Authority: CN
Inventors: 黄聿新; 黄昭烨
Original assignee: Guangxi Xu Teng Industry Group Co Ltd
Current assignee: Guangxi Xu Teng Industry Group Co Ltd
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-01-04
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: CN107602072A

Abstract

本发明提供一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖，由以下组分制成：城市污泥、城市弃土、建筑垃圾、粉煤灰、非金属尾矿、石墨烯、膨润土、水玻璃、造孔剂、羟丙基甲基纤维素。本发明的透水砖，主要以建筑垃圾、粉煤灰、石墨烯和非金属尾矿为骨料，同时利用城市弃土、城市污泥、膨润土和水玻璃包覆粘结骨料颗粒而获得性能优良的透水砖产品，赋予透水砖高强度、耐高温和高耐磨性等性能。且有效并充分利用了大量建筑垃圾和城市污泥、弃土，并实现粉煤灰和非金属尾矿废弃资源的再生利用，从而有利于环境保护、并促进行业和地区经济以及城镇化建设的发展。

Description

一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种建筑材料技术领域，具体涉及一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖及其制备方法。

背景技术

在我国长期城市化发展过程中，大规模的不透水地面(混凝土，水泥地面)取代了原有的森林、绿地和田野，造成不透水面积大大增加，使得城市雨水不能顺利进入土壤，造成了地下水补充涵养大量减少，洪峰流量大大增加。许多城市一遇暴雨，其路面雨水无法快速渗漏，当排水设施不畅，很容易造成城市内涝。同时，地面硬化弱化了城市环境的呼吸功能，造成热岛效应、扬尘和噪音加剧，恶化了城市小气候，降低了城市的舒适度。

随着城市水资源的不断匾乏，以及城市环境人性化的追求，透水砖的研发引起了材料、环境和市政工程专家的广泛关注。透水砖具有良好的渗水性及保湿性，能很好的缓解城市由于被非透水地面铺装覆盖造成的“城市荒漠化”及“热岛效应”，还可以在一定程度上缓解城市内涝，补充城市地下水，调节城市环境，有利于保持城市水平衡。

现有的透水砖向高密实、高强度方向发展，其抗压强度比较高，但依然存在诸多缺陷，一方面是透水性非常差，即使有透水性能好的砖块，但其抗压强度达不到路面铺装要求。另一方面，须消耗大量矿物资源及能源。但是，矿产资源是一种不可再生的耗竭性资源。随着中国矿产资源的不断开发，有限的资源已日渐枯竭。因此，落实党中央、国务院提出的加快建设“节约型社会”、“可持续发展”及“大力发展循环经济”的要求，开发资源节约型的环保透水砖，提高城市资源和能源利用效率，发展城市生态人居环境和绿色建筑具有极其重要的社会意义。

近些年来，我国每年兴建大量的污水处理厂，处理污水的能力有了很大的提升。与此同时，相应地产生大量的污水污泥。然而，我国对污泥的处理并不完善，受到技术、资金等因素的制约，离处理无害化彻底化的水平还有一定的差距，对生态环境造成一定的威胁和破坏。为了减小污泥对环境的不良影响，降低污水处理厂的运行成本，有效的保护环境，对于污泥的处理处置问题必须得到重视。

污泥在烧制过程中,有机物通过挥发和燃烧变成了气体,使得砖坯失重较大、强度变低、形状改变.所以,单纯用污泥制砖和的强度和硬度都较差,砖体变形较大。针对这些问题，人们一方面致力于研究。申请号为201510723406.7的中国专利，公开了一种抗裂增韧的烧结高强透水砖，以污水厂污泥、粉煤灰、硅灰粉和建筑废砖制备透水砖，采用建筑废砖和硅灰粉作为骨料，在砖坯的成型过程中具备良好的可塑性以及强度，防止砖坯变形。一定程度上解决了污泥强度差的问题，但是该透水砖的耐磨性和韧性仍需提高，且污泥需要干燥粉碎使用，工艺复杂，能源需求高。申请号为200810106946.0的中国专利，公开了利用城市污泥和湿排粉煤灰生产烧结透水砖的方法，以城市污泥和粉煤灰为原料制备透水砖，有效解决了城市污泥综合利用效率低、污染环境的问题，同时粉煤灰的使用改善了城市污泥烧制砖的力学性能，但是该透水砖的耐磨性、韧性和透水性仍需提高。

发明内容

本发明的发明目的之一是，针对上述问题，提供一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖，采用城市污泥、城市弃土、建筑垃圾和粉煤灰为主要原料，并添加非金属尾矿和石墨烯，提高固态废弃物的利用率，节约能源，降低成本；且具有透水性好、强度高和耐久性好的特点。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖，按重量百分比由以下组分制成：

城市污泥5～30％、城市弃土5～20％、建筑垃圾5～20％、粉煤灰15～45％、非金属尾矿0.05～10％、石墨烯0.05～10％、膨润土0～10％、水玻璃5～30％、造孔剂3～10％、羟丙基甲基纤维素0.5～2％、色料0～5％。

作为一种改进的方案，按重量百分比由以下组分制成：城市污泥15％、城市弃土10％、建筑垃圾15％、粉煤灰15％、造孔剂5％，非金属尾矿10％、石墨烯10％、膨润土5％、水玻璃10％、造孔剂5％、羟丙基甲基纤维素1％。

作为一种优选的方案，所述非金属尾矿的化学成分为SiO₂＜65％，Al₂O₃＞8％，Fe₂O₃＜11％，K₂O＜5％,Na₂O＜5％,CaO＜5％，MgO＜2％，烧失量＜18％。

作为一种优选的方案，所述非金属尾矿为花岗岩尾矿、长石尾矿、石英尾矿、砂岩尾矿、辉绿岩尾矿、页岩尾矿、玄武岩尾矿、石灰岩尾矿和大理岩尾矿中的一种或多种。

作为一种优选的方案，所述造孔剂为珍珠岩、稻壳、稻糠、硅藻土、锯末、聚苯乙烯微珠、烧沸石、纸浆废液和啤酒渣的一种或多种。

作为一种优选的方案，所述城市污泥先进行预处理，预处理过程如下：将城市污泥加入相当于污泥重量5～15％的麦饭石、1～3％的次氯酸钠混合搅拌均匀，陈化存放3～7天，使其含水率达到55～70％。

本发明的发明目的之二是，提供一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖的制备方法，经压制成型、高温煅烧得到烧结透水砖，制得的透水砖具有透水性好，持久性好，抗压强度高，耐磨性好，耐风化等特点。

一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖的制备方法,包括以下步骤：

S1.准备原材料：

1)按各原料所占质量百分比份称料，将城市污泥处理使其含水率达到55～70％；

2)将城市弃土和建筑垃圾进行破碎造粒处理，颗粒大小为40～200目；

3)将非金属尾矿进行研磨处理，得到颗粒大小为200～325目的尾矿粉料；

4)将处理好的城市污泥与粉煤灰、膨润土混合搅拌均匀，然后加入城市弃土、建筑垃圾、尾矿粉料混合，最后加入石墨烯、造孔剂、羟丙基甲基纤维素和水玻璃搅拌混合均匀，得到混合料。

S2.成型：将混合料输入液压式或挤出式制砖机，制成砖坯。

S3.干燥：通过自然干燥或利用窑炉余热对砖坯进行干燥，将砖坯含水率降至6％以下。

S4.烧结：将干燥后的砖坯送入窑内焙烧，升温至950℃～1150℃保温3～4h，之后随炉冷却，即得透水砖成品。

作为一种优选的方案，步骤S1中，烧结过程采用分段保温的方式进行，烧结过程为：室温升温到300℃，升温速率为5～10℃/min，保温0.5～1h；300℃升温到800℃，升温速率为5～10℃/min，保温0.5～1h；800℃升温到950℃～1150℃，升温速率为1～5℃/min，保温2～3h。

作为一种优选的方案，步骤S2中，成型压力为600～3000Kg。

作为一种优选的方案，所述透水砖成品的产品规格为：长300-450mm、宽300-450mm、厚15-50mm。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明的透水砖，主要以建筑垃圾、粉煤灰、石墨烯和非金属尾矿为骨料，同时利用城市弃土、城市污泥、膨润土和水玻璃包覆粘结骨料颗粒而获得性能优良的透水砖产品，赋予透水砖高强度、耐高温和防火等性能。且有效并充分利用了大量建筑垃圾和城市污泥、弃土，并实现粉煤灰和非金属尾矿废弃资源的再生利用，有利于环境保护、促进行业和地区经济以及城镇化的建设发展。

在烧制过程中,城市污泥中有机物通过挥发和燃烧变成了气体,使得砖坯失重较大、强度变低、形状改变。通过加入粉煤灰、建筑垃圾和非金属尾矿可以改善透水砖的力学性能，提高强度和密实度。城市污泥由于其自身的物理性质，可塑性较差，通过加入膨润土和羟丙基甲基纤维素改善城市污泥的可塑性。

骨料的添加一定程度上提高了烧成温度，添加水玻璃，一方面分散于骨料之间充当润滑剂和粘结剂，另一方面降低了烧结温度，增强了低温下透水砖的和易性，有效防止了可塑性差和坯体烧结变形等问题。

建筑垃圾中有大量的混凝土结构废弃物,单独使用时，由于结点间摩擦阻力效应，密实性较差；通过与城市污泥共同使用，可有效润滑骨料的接触点，在压力成型时，使骨料紧密接触，提高骨料的堆积强度，且加入适量膨润土和水玻璃可以提高料浆稠度，从而保证骨料的均质性并一定程度上降低物相熔点，故可以提高透水砖硬度、强度。

石墨烯是已知的最薄的一种二维材料，并且具有极高的比表面积、超强的强度、很好的韧性等优点，能够赋予材料较高的强度、阻燃效果和较好的相容性。添加非金属尾矿和石墨烯，提高透水砖的硬度、耐高温和阻燃性能。花岗岩、页岩等非金属尾矿，具有较高的硬度、防火和较高的抗压性能，从而赋予透水砖稳定、耐高温和防火等性能。石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定；随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将近有150万层左右的石墨烯。

2.本发明的透水砖，添加城市污泥、膨润土和水玻璃作为粘结剂，能够在较低的温度下发生反应，将骨料粘结在一起，且不充满所有间隙，形成具有一定气孔的结构。替代了常规使用的粘土，贯彻国家限制使用粘土的政策。利用城市污泥中含有的大量的有机物以及细菌菌体等物质，在高温烧结的情况下会燃烧形成通孔，达到透水效果，制得透水砖。

3.本发明的透水砖，经压制成型、高温煅烧得到烧结透水砖，制得的透水砖具有透水性好，持久性好，抗压强度高，耐磨性好，耐风化等特点；同时，通过烧结过程，可以将城市污泥中的有毒重金属熔融形成稳定无害氧化物固定在砖体内，防止环境生物中毒和结构破坏。该制备方法操作简单，生产周期短，利于工业化生产，具有重要的经济、社会与生态环保意义。

4.本发明的透水砖，烧结过程采用分段保温，室温升温到300℃，主要是物理变化，坯体孔隙率增加，坯体强度降低。300℃升温到800℃，随着温度降低，坯体内部发生一系列物理化学变化，有机物和碳开始燃烧。800℃升温到950℃～1150℃，坯体收缩率增大，结构更加稳固，通孔率增大，强度增大，得到高强度、高耐磨性、高透水性的透水砖。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下述实施例，所述非金属尾矿的化学成分为SiO₂＜65％，Al₂O₃＞8％，Fe₂O₃＜11％，K₂O＜5％,Na₂O＜5％,CaO＜5％，MgO＜2％，烧失量＜18％。

实施例1

城市污泥15％、城市弃土10％、建筑垃圾15％、粉煤灰15％、造孔剂5％，非金属尾矿10％、石墨烯10％、膨润土5％、水玻璃10％、造孔剂4％、羟丙基甲基纤维素1％。

所述非金属尾矿为花岗岩尾矿；所述造孔剂为硅藻土。

所述石墨烯与固态废弃物的透水砖的制备方法，包括以下步骤：

S1.准备原材料：

1)按各原料所占质量百分比份称料，将城市污泥加入相当于污泥重量10％的麦饭石、2％的次氯酸钠混合搅拌均匀，陈化存放3～7天，使其含水率达到60％。

2)将城市弃土和建筑垃圾进行破碎造粒处理，颗粒大小为100目；

3)将非金属尾矿进行研磨处理，得到颗粒大小为300目的尾矿粉料；

S2.成型：将混合料输入液压式或挤出式制砖机，制成砖坯。成型压力为1000Kg。

S4.烧结：将干燥后的砖坯送入窑内焙烧，烧结过程采用分段保温的方式进行，烧结过程为：室温升温到300℃，升温速率为5℃/min，保温1h；300℃升温到800℃，升温速率为5℃/min，保温1h；800℃升温到950℃～1150℃，升温速率为3℃/min，保温3h。之后随炉冷却，即得透水砖成品。

所述透水砖成品的产品规格为：长300-450mm、宽300-450mm、厚15-50mm。

本实施例采用硅藻土作为造孔剂，添加城市污泥、膨润土和水玻璃作为粘结剂，能够在较低的温度下发生反应，将骨料粘结在一起，且不充满所有间隙，形成具有一定气孔的结构。

实施例2

城市污泥18％、城市弃土15％、建筑垃圾15％、粉煤灰15％、非金属尾矿8％、石墨烯7％、膨润土5％、水玻璃10％、造孔剂4％、羟丙基甲基纤维素1％、色料2％。

所述非金属尾矿为长石尾矿。所述造孔剂为稻壳。

制备方法同实施例1。

实施例3

城市污泥20％、城市弃土10％、建筑垃圾10％、粉煤灰15％、非金属尾矿5％、石墨烯5％、膨润土5％、水玻璃20％、造孔剂4％、羟丙基甲基纤维素1％、色料5％

所述非金属尾矿为辉绿岩尾矿和玄武岩尾矿。所述造孔剂为聚苯乙烯微珠和烧沸石。

制备方法同实施例1。

实施例4

城市污泥5％、城市弃土15％、建筑垃圾15％、粉煤灰25％、非金属尾矿5％、石墨烯10％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂4％、羟丙基甲基纤维素1％。

所述非金属尾矿为页岩尾矿。所述造孔剂为珍珠岩。

制备方法同实施例1。

实施例5

城市污泥10％、城市弃土15％、建筑垃圾10％、粉煤灰25％、非金属尾矿5％、石墨烯10％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂4％、羟丙基甲基纤维素1％。

所述非金属尾矿为页岩尾矿。所述造孔剂为珍珠岩。

制备方法同实施例1。

实施例6

城市污泥20％、城市弃土10％、建筑垃圾10％、粉煤灰20％、非金属尾矿5％、石墨烯10％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂4％、羟丙基甲基纤维素1％。

所述非金属尾矿为页岩尾矿。所述造孔剂为珍珠岩。

制备方法同实施例1。

实施例7

城市污泥25％、城市弃土10％、建筑垃圾10％、粉煤灰20％、非金属尾矿5％、石墨烯10％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂4％、羟丙基甲基纤维素1％。

所述非金属尾矿为页岩尾矿。所述造孔剂为珍珠岩。

制备方法同实施例1。

实施例8

城市污泥30％、城市弃土10％、建筑垃圾10％、粉煤灰20％、非金属尾矿5％、石墨烯10％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂4％、羟丙基甲基纤维素1％。

所述非金属尾矿为页岩尾矿。所述造孔剂为珍珠岩。

制备方法同实施例1。

对实施例1-8的透水砖的透水性、密度、吸水率、抗折强度进行了测试，并与《GBT25993-2010透水路面砖和透水路面板》的标准进行了对比，结果如下表1所述：

表1实施例1-8透水砖的性能测试结果与国标对比

从表1结合实施例1-8可以看出，本发明制备的透水砖，在透水性、抗压、耐磨性和抗冻性能上均有较好的体现。透水率达到A级水平，抗折强度达到R_f4.5级，耐磨性有较大提升。

从表1结合实施例4-8可以看出，随着污泥量的增加，透水砖的抗折强度会有所下降，因此应适当添加，不应过量。这是因为由于城市污泥的本省性质，可塑性差，随着添加量增大，透水砖的可塑性就会越来越低，颗粒之间的摩擦力会减小，密实程度降低，焙烧过程中的空隙率会变大。得到的透水砖的抗压强度变小，而透水性提高。

实施例9

城市污泥15％、城市弃土15％、建筑垃圾10％、粉煤灰28％、非金属尾矿5％、石墨烯1％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂5％、羟丙基甲基纤维素1％。

所述非金属尾矿为页岩尾矿、玄武岩尾矿和大理岩尾矿。所述造孔剂为珍珠岩、稻壳、硅藻土和锯末。

S1.准备原材料：

5)按各原料所占质量百分比份称料，将城市污泥处理使其含水率达到65％；

6)将城市弃土和建筑垃圾进行破碎造粒处理，颗粒大小为150目；

7)将非金属尾矿进行研磨处理，得到颗粒大小为250目的尾矿粉料；

8)将处理好的城市污泥与粉煤灰、膨润土混合搅拌均匀，然后加入城市弃土、建筑垃圾、尾矿粉料混合，最后加入石墨烯、造孔剂、羟丙基甲基纤维素和水玻璃搅拌混合均匀，得到混合料。

S2.成型：将混合料输入液压式或挤出式制砖机，制成砖坯。成型压力为600～3000Kg。

S4.烧结：将干燥后的砖坯送入窑内焙烧，烧结过程采用分段保温的方式进行，烧结过程为：室温升温到300℃，升温速率为10℃/min，保温0.5h；300℃升温到800℃，升温速率为0℃/min，保温0.5h；800℃升温到950℃～1150℃，升温速率为5℃/min，保温3h。之后随炉冷却，即得透水砖成品。

实施例10

城市污泥15％、城市弃土15％、建筑垃圾10％、粉煤灰26％、非金属尾矿5％、石墨烯3％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂5％、羟丙基甲基纤维素1％。

制备方法同实施例9。

实施例11

城市污泥15％、城市弃土15％、建筑垃圾10％、粉煤灰24％、非金属尾矿5％、石墨烯5％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂5％、羟丙基甲基纤维素1％。

制备方法同实施例9。

实施例12

城市污泥15％、城市弃土15％、建筑垃圾10％、粉煤灰21％、非金属尾矿5％、石墨烯8％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂5％、羟丙基甲基纤维素1％。

制备方法同实施例9。

实施例13

城市污泥15％、城市弃土15％、建筑垃圾8％、粉煤灰21％、非金属尾矿5％、石墨烯10％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂5％、羟丙基甲基纤维素1％。

制备方法同实施例9。

对比例

一种基透水砖，按重量百分比由以下组分制成：

城市污泥15％、城市弃土15％、建筑垃圾15％、粉煤灰24％、非金属尾矿5％、膨润土5％、水玻璃15％、造孔剂5％、羟丙基甲基纤维素1％。

制备方法同实施例9。

对实施例9-13和对比例的透水砖的透水性、密度、吸水率、抗折强度进行了测试，并与《GBT25993-2010透水路面砖和透水路面板》的标准进行了对比，结果如下表2所述：

表2实施例9-13透水砖的性能测试结果与国标对比

从表1结合实施例9-13和对比例可以看出，本发明制备的透水砖，在透水性、抗压、耐磨性和抗冻性能上均有较好的体现。同时，石墨烯的添加，提高了抗拉强度、耐磨性和抗冻性效果，随着石墨烯含量的增加，保温板的抗拉强度和耐磨性逐渐增强，但是随着含量增加，透水砖的可塑性受影响，因此，应该严格控制石墨烯的含量。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims

1.一种基于石墨烯与固态废弃物的透水砖，其特征在于，按重量百分比由以下组分制成：

城市污泥5～30％、城市弃土5～20％、建筑垃圾5～20％、粉煤灰15～45％、非金属尾矿0.05～10％、石墨烯3～10％、膨润土0～10％、水玻璃5～30％、造孔剂3～10％、羟丙基甲基纤维素0.5～2％、色料0～5％；

所述城市污泥先进行预处理，预处理过程如下：将城市污泥加入相当于污泥重量5～15％的麦饭石、1～3％的次氯酸钠混合搅拌均匀，陈化存放3～7天，使其含水率达到55～70％；

所述非金属尾矿的化学成分为SiO₂＜65％，Al₂O₃＞8％，Fe₂O₃＜11％，K₂O＜5％，Na₂O＜5％，CaO＜5％，MgO＜2％，烧失量＜18％；

制备方法,包括以下步骤：

S1.准备原材料：

4)将处理好的城市污泥与粉煤灰、膨润土混合搅拌均匀，然后加入城市弃土、建筑垃圾、尾矿粉料混合，最后加入石墨烯、造孔剂、羟丙基甲基纤维素和水玻璃搅拌混合均匀，得到混合料；

S2.成型：将混合料输入液压式或挤出式制砖机，制成砖坯，成型压力为600～3000Kg；

S3.干燥：通过自然干燥或利用窑炉余热对砖坯进行干燥，将砖坯含水率降至6％以下；

S4.烧结：将干燥后的砖坯送入窑内焙烧，升温至950℃～1150℃保温1～4h，之后随炉冷却，即得透水砖成品；

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯与固态废弃物的透水砖,其特征在于，所述非金属尾矿为花岗岩尾矿、长石尾矿、石英尾矿、砂岩尾矿、辉绿岩尾矿、页岩尾矿、玄武岩尾矿、石灰岩尾矿和大理岩尾矿中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯与固态废弃物的透水砖,其特征在于，所述造孔剂为珍珠岩、稻壳、稻糠、硅藻土、锯末、聚苯乙烯微珠、烧沸石、纸浆废液和啤酒渣中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯与固态废弃物的透水砖,其特征在于，步骤S1中，烧结过程采用分段保温的方式进行，烧结过程为：室温升温到300℃，升温速率为5～10℃/min，保温0.5～1h；300℃升温到800℃，升温速率为5～10℃/min，保温0.5～1h；800℃升温到950℃～1150℃，升温速率为1～5℃/min，保温2～3h。