CN110606720B - 一种高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体废物处理领域，公开了一种高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，包括以下步骤：(1)将原料粉煤灰和活性工业固体废料经碱激发制备地聚物材料，破碎筛分后得到颗粒粉煤灰，作为粗骨料；(2)将粗骨料与天然骨料复配得透水砖骨料；(3)透水砖的制备：将原料粉煤灰、所述透水砖骨料与钙基激发剂、水、碱性激发剂一起混合均匀得到混合料，接着将该混合料放入模具压制成型得到砖坯；然后，对所述砖坯利用蒸压养护工艺加速所述砖坯内发生的水化反应，从而制备得到高掺量粉煤灰基透水砖。本发明通过对制备方法整体流程工艺，包括所采用原料的种类等进行改进，能够制备出机械性能优良的透水砖产品，且粉煤灰用量占比高。
Description
技术领域
本发明属于固体废物处理领域，更具体地，涉及一种高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法。
背景技术
粉煤灰是从煤燃烧后的烟气中捕集下来的细灰。煤电行业是粉煤灰的产生大户，从2002年起，随着我国火电装机容量的爆炸式增长，粉煤灰产生量也急剧增加，产量从2001年的1.54亿吨增加到2016年的5.65亿吨，增加了3.7倍。目前粉煤灰广泛应用于建筑及建材等行业，但利用率低。根据相关统计资料，受我国建材行业市场下滑的影响，我国绝大部分地区粉煤灰市场都出现了使用量和价格急剧下降的局面，包括南京、上海等地区都出现了粉煤灰滞销的现象。因此，寻求适合煤电行业粉煤灰的高值化综合利用技术具有必要性和迫切性。
透水砖的铺装可以使天然降水大部分渗入地下，维持地下水资源的平衡，避免或减轻由于地下水位下降而产生的地表沉降、地面塌陷等地质灾害，还能有效地缓解城市排水系统的泄洪压力，对降水收集、净化和利用，还可以减少对既有水资源的消耗。此外，透水砖的铺装既能满足人类活动对于硬化地面的使用要求，又具有近于天然草坪和土壤地面的生态优势，能够减轻城市“热岛效应”，同时有效地保护了地表动植物和微生物的生存空间，有利于整个自然生态链的平衡。因此，近年来海绵城市建设对透水砖的市场需求量大，市场前景广阔。
中国发明专利(公开号CN108821666A)公开了一种海绵透水砖，原料包括粉煤灰、改性环氧树脂、花岗岩石骨料、聚丙烯纤维、高强水泥和水泥聚合物增强剂。砖坯通过方块压缩机挤压成型，后经过高温煅烧，产品结合是由颗粒间物理成分熔融后冷却形成的结合，机械性能优良。该法粉煤灰掺量虽有60wt.％，但使用原料种类多，并且使用了改性环氧树脂等有机粘结剂；工艺复杂，并且需要高温煅烧(煅烧温度高达1800℃)，成本较高。中国发明专利(公开号CN106145880A)公开了属于建筑材料制备技术领域的一种粉煤灰建筑垃圾透水砖及其制备方法，原料采用粉煤灰、建筑垃圾、硅灰、碱性激发剂和水。该方法所述建筑垃圾种类较多，取材困难。且该法粉煤灰掺量仅10wt％左右，无法大量消纳粉煤灰。中国发明专利(公开号CN105399370A)公开了一种利用工业废渣生产的高透水性环保透水砖，其方法包括表层和底层制作方法，底层材料由细砂粉煤灰颗粒、废弃矿渣、石仔料、水泥制作而成；表层材料由水泥、石英砂、装饰石材颗粒制作。该方法制备透水砖需要蒸汽养护24h，耗时较长；原料种类繁多，工艺复杂；细砂粉煤灰颗粒采用粉煤灰和水泥混合后用陶粒造粒机造粒，成本较高，且强度主要来源于水泥的水化作用；整个配方中粉煤灰掺量仅30wt％左右，骨料粒径较为单一，易被水泥粉末等堵塞，透水性不强。
总地来说，目前粉煤灰透水砖主要制备工艺有两种：烧结工艺的优点是透水性好，缺点是能耗高，成本高，并存在废气排放等环境污染问题；另外一种是混凝土透水砖，水泥掺量高，粉煤灰掺量低，无法大量消纳粉煤灰。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，其中通过对制备方法整体流程工艺，包括各阶段所采用原料的种类等进行改进，制备出机械性能优良的透水砖产品，粉煤灰用量占比高。本发明的原料采用多种工业固废，固废利用率高，工艺简单，能耗低，耗时短，与现有技术相比能够使粉煤灰的掺量超过50％以上。并且，本发明还通过对原料配比优化和蒸压养护反应条件进行进一步的优选控制，能够进一步确保所得透水砖的强度及透水性。本发明制备的透水砖具有强度高、透水性好、抗冻融等优点，不仅可以实现粉煤灰的高值化和资源化利用，还满足目前海绵城市建设对于透水材料的需求，具有良好的市场前景和经济效益。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)颗粒粉煤灰骨料的制备：取原料粉煤灰，将原料粉煤灰和活性工业固体废料经碱激发制备地聚物材料，然后将所述地聚物材料进行破碎筛分，得到颗粒粉煤灰，作为粗骨料；其中，所述活性工业固体废料含有氧化硅或氧化铝；
(2)透水砖骨料的复配：将所述步骤(1)得到的所述粗骨料与天然骨料复配，得到透水砖骨料；
(3)透水砖的制备：再次取原料粉煤灰，将原料粉煤灰、所述步骤(2)得到的所述透水砖骨料与钙基激发剂、水、碱性激发剂一起混合均匀得到混合料，接着将该混合料放入模具压制成型得到砖坯；然后，对所述砖坯利用蒸压养护工艺加速所述砖坯内发生的水化反应，从而制备得到高掺量粉煤灰基透水砖。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述活性工业固体废料为高炉矿渣、钢渣、赤泥中的一种或多种；对于所述活性工业固体废料整体，其Al2O3含量为14.64-20.58wt.％，SiO2含量为20.68-32.85wt.％，CaO含量为3.54-37.46wt.％；所述活性工业固体废料的粒径不超过0.075mm。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述原料粉煤灰与所述活性工业固体废料两者的质量之比为(70～90)：(5～30)。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中所述将原料粉煤灰和活性工业固体废料经碱激发制备地聚物材料，具体是，先将原料粉煤灰和活性工业固体废料混合搅拌，接着向其中加入碱性激发剂进行碱激发，然后再进行高温养护从而制备得到地聚物材料；优选的，所述高温养护是在60℃～80℃下养护24-30h；
得到的所述颗粒粉煤灰，其颗粒粒径为2-10mm，是将所述地聚物材料进行破碎、过筛，然后保存以作为粗骨料备用。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中对应使用有：原料粉煤灰70-90重量份，活性工业固体废料5-30重量份，以及碱性激发剂8-10重量份；
所述步骤(2)得到的所述透水砖骨料，粒径为2-10mm。
作为本发明的进一步优选，所述碱性激发剂为水玻璃，水玻璃模数1.3-1.5M，所述碱性激发剂8-10重量份即水玻璃8-10重量份。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)，在将所述地聚物材料进行破碎筛分之前，还包括对所述地聚物材料进行抗压强度测试的过程，所述地聚物材料的强度需达到50.2-58.8MPa。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中利用蒸压养护工艺加速所述砖坯内发生的水化反应，具体是在温度160-180℃、压力0.6-0.8MPa的蒸压养护条件下养护时间8-12h。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述混合料包括：所述原料粉煤灰20-30重量份，所述颗粒粉煤灰20-30重量份，所述天然骨料40-47重量份，所述钙基激发剂3-10重量份，以及所述碱性激发剂8-10重量份，并且，该混合料的含水率为10-12wt％。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述钙基激发剂为消石灰。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明先利用原料粉煤灰制得粉煤灰基地聚物材料，破碎筛分后得到颗粒粉煤灰作为粗骨料，该粗骨料与天然骨料复配后得到透水砖骨料，接着再利用原料粉煤灰与该透水砖骨料、钙基激发剂水、碱性激发剂一起混合均匀得到混合料，成型得到砖坯，最后利用蒸压养护工艺即可得到高掺量粉煤灰基透水砖。利用本发明制备方法，一方面提高了粉煤灰的用量，为粉煤灰的应用开发了一种新的应用途径，另一方面，制备得到的高掺量粉煤灰基透水砖性能优良。
本发明先将粉煤灰与活性工业固废复配制备高强度的粉煤灰基地聚物产品，然后对该地聚物产品进行破碎筛分，与天然骨料复配作为透水砖骨料从而实现粉煤灰高掺量要求。进一步的，可以通过调节粉煤灰与活性工业固废复配比例，将原料粉煤灰与活性工业固体废料两者的质量之比控制为(70～90)：(5～30)，调控活性Al2O3和SiO2含量，使得活性Al2O3和SiO2在碱性环境中解聚生成硅氧四面体与铝氧四面体单体，再经过缩聚凝结的反应过程，聚合成具有非晶态和准晶态特征的三维网络凝胶体，得到高强度的粉煤灰基地聚物产品，其具有能耗低，凝结速度快，机械强度高和耐酸腐蚀等优点。
随后再次取粉煤灰原料，将粉煤灰、透水砖骨料、钙基激发剂、碱性激发剂加水混合均匀后放入模具，压制成型；成型后的砖坯利用蒸压养护环境加速水化反应，制备出性能优良的高掺量粉煤灰基透水砖。以钙基激发剂具体是消石灰为例，蒸压养护过程中，在水分参与下石灰与粉煤灰中活性成分反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等强度物质：
xCa(OH)2+SiO2+mH2O＝xCaO·SiO2·nH2O
xCa(OH)2+Al2O3+mH2O＝xCaO·Al2O3·nH2O
最后，在高温高压的水热条件下，粉煤灰与石灰等在160-180℃，0.6-0.8MPa条件下反应8h后，蒸压养护水化反应首先生成了水化石榴石(Ca3A12(SiO4)1.25(OH)7)，然后生成硅酸钙凝胶(Ca5Si6O16(OH)·4H2O,C-S-H)和托贝莫来石相(Ca5Si6O16(OH)2·8H2O)，但是随着蒸压养护不断进行，最后托贝莫来石相逐渐向硬硅钙石(Ca6Si6O17(OH)2)转变。这些重要的水化产物，是蒸压制品的主要强度来源。其水化反应如下：
3Ca(OH)2+Al2O3+nSiO2→3CaO·Al2O3·nSiO2·(6-2n)H2O+2nH2O
5Ca(OH)2+6SiO2→5CaO·6SiO2·5H2O
5CaO·6SiO2·5H2O+Ca(OH)2→6CaO·6SiO2·H2O+5H2O
目前蒸压工艺的透水砖成孔形式为颗粒堆积法，主要的关键参数就是水灰比、骨料掺量与其粒径，而骨料不仅仅局限于石子、砂砾等粗制骨料，人造轻质骨料也出现在了骨料市场中。所以本发明通过使用高强度颗粒粉煤灰骨料与其他石子等组成的复合骨料，粒径级配合理，有利于堆积孔结构的形成，确保最终得到高强度，透水性能优良的高掺量粉煤灰基透水砖。
本发明基于粉煤灰及各种原料的理化特性，以粉煤灰为主要原料，通过添加合适的外加剂对组分进行合理调配，利用蒸压养护制备海绵城市建设用透水砖，通过对透水砖的性能的测试和对比，对组分的调配和工艺参数进行优化。本发明通过高强颗粒粉煤灰骨料的制备，解决了粉煤灰基透水砖中高掺量的问题；通过骨料级配和蒸压养护工艺制备了高强度、透水性能优良的高掺量粉煤灰基透水砖。本发明工艺简单，操作方便，达到工业固废资源化的目的，为粉煤灰高值化利用和海绵城市的建设提供透水砖产品。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明能大量消纳工业废物粉煤灰。上述方法对粉煤灰进行了资源化利用，得到粉煤灰基地聚物产品和高掺量粉煤灰基透水砖，提高了粉煤灰的利用率；既带来了经济效益，也有利于环境保护。
2、本发明采用蒸压养护工艺制备透水砖，温度低、时间短，具有成本低、能耗小的特点。
3、本发明制备的透水砖强度较高，且透水性能满足《透水路面砖和透水路面板》(GB/T25993-2010)标准的要求，具有较强的实用性。
4、本发明优选采用消石灰作为钙基激发剂，使原料混合后不需陈化处理。
附图说明
图1为不同蒸压时间透水砖的矿物成分图谱。
图2为Matlab二值化处理后的透水样品孔隙分布图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明中制备粉煤灰基透水砖的方法，概括说来，包括以下步骤：
(1)骨料准备：将天然骨料破碎过筛(筛的孔径优选在5-10mm之间)，水洗后干燥；粉煤灰与活性工业固体废料(如高炉矿渣，活性工业固体废料含有氧化硅、氧化铝中的至少一者即可)复配，在模数为1.5M，掺量为10wt.％(以氧化钠计)水玻璃的激发下(水玻璃，即，液体硅酸钠)，制备地聚物净浆，可以慢搅2min，快搅2min，在60℃～80℃下干燥24-30h进行高温养护(尤其可在75℃下干燥24-30h)，破碎过筛(筛的孔径优选在2-10mm之间)后成为粉煤灰骨料，与石子共同作为透水砖的骨料；
(2)混匀搅拌：再次取原料粉煤灰，将步骤(1)中透水砖骨料与原料粉煤灰、水玻璃、消石灰和水等按配比均匀混合得到混合料，保证透水砖坯料的含水率在10-12％之间，送入模具；
(3)压制成型：将步骤(2)中的混合物在10MPa的压力下压制成型并脱模，得到砖坯体；
(4)蒸压养护：将步骤(3)中得到的砖体送入蒸压釜，并在180℃，0.8MPa的蒸养条件下蒸养8h，最终得到高掺量粉煤灰基透水砖。
本发明中高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，步骤(2)得到的混合料中，包括原料粉煤灰20-30重量份，颗粒粉煤灰20-30重量份，天然骨料40-47重量份，钙基激发剂3-10重量份，碱性激发剂8-10重量份，水10-12重量份。
考虑到颗粒粉煤灰的制备过程中也使用了原料粉煤灰，每100重量份的混合料(不含水)当中，相当于共使用了45-52重量份的原料粉煤灰。
以下为具体实施例：
实施例1
一种粉煤灰基透水砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)透水砖骨料准备：将石子破碎过筛(筛的孔径优选在5-10mm之间)，水洗后干燥；粉煤灰与高炉矿渣复配(高炉矿渣的粒径可以不超过0.075mm)，质量配比为70:30，在模数为1.5M，掺量为10wt.％(以氧化钠计)水玻璃的激发下，制备地聚物净浆，在75℃下干燥24h进行高温养护，破碎过筛(筛的孔径优选在2-10mm之间)后成为颗粒粉煤灰，作为透水砖骨料，保存备用，本批次颗粒粉煤灰强度为58.8MPa。
(2)混匀搅拌：将步骤(1)中颗粒粉煤灰与原料粉煤灰、石子、水玻璃、消石灰等按质量配比25:30:42:10:3均匀混合，混合物料外加12wt.％的水分，送入模具；
(3)压制成型：将步骤(2)中的混合物在10MPa的压力下压制成型并脱模；
(4)蒸压养护：将步骤(3)中得到的砖体送入蒸压釜，并在180℃，0.8MPa的蒸养条件下蒸养8h，最终得到高掺量粉煤灰基透水砖，产品的相关性能指标如表1-1所示：
表1-1 高掺量粉煤灰基透水砖性能指标
实施例2
一种粉煤灰基透水砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)骨料准备：将石子破碎过筛(筛的孔径优选在5-10mm之间)，水洗后干燥；部分粉煤灰与高炉矿渣复配(高炉矿渣的粒径可以不超过0.075mm)，质量配比为80:20，在模数为1.5M，掺量为10wt％(以氧化钠计)水玻璃的激发下，制备地聚物净浆，在75℃下干燥24h，破碎过筛(筛的孔径优选在2-10mm之间)后成为颗粒粉煤灰，作为透水砖骨料，保存备用，本批次颗粒粉煤灰强度为54.2MPa。
(2)混匀搅拌：将步骤(1)中颗粒粉煤灰与原料粉煤灰、石子、水玻璃、消石灰等按质量配比25:25:47:10:3均匀混合，混合物料外加12wt.％的水分，送入模具；
(3)压制成型：将步骤(2)中的混合物在10MPa的压力下压制成型并脱模；
(4)蒸压养护：将步骤(3)中得到的砖体送入蒸压釜，并在170℃，0.8MPa的蒸养条件下蒸养10h，最终得到高掺量粉煤灰基透水砖，产品的相关性能指标如表1-2所示：
表1-2 高掺量粉煤灰基透水砖性能指标
实施例3
一种粉煤灰基透水砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)骨料准备：将石子破碎过筛(筛的孔径优选在5-10mm之间)，水洗后干燥；部分粉煤灰与高炉矿渣复配(高炉矿渣的粒径可以不超过0.075mm)，质量配比为90:10，在模数为1.5M，掺量为10wt.％水玻璃的激发下，制备地聚物净浆，在75℃下干燥24h，破碎过筛(筛的孔径优选在2-10mm之间)后成为颗粒粉煤灰，作为透水砖骨料，保存备用，本批次颗粒粉煤灰强度为50.2MPa。
(2)混匀搅拌：将步骤(1)中颗粒粉煤灰与原料粉煤灰、石子、水玻璃、消石灰等按质量配比30:25:42:10:3均匀混合，混合物料外加12wt.％的水分，送入模具；
(3)压制成型：将步骤(2)中的混合物在10MPa的压力下压制成型并脱模；
(4)蒸压养护：将步骤(3)中得到的砖体送入蒸压釜，并在160℃，0.8MPa的蒸养条件下蒸养12h，最终得到高掺量粉煤灰基透水砖，产品的相关性能指标如表1-3所示：
表1-3 高掺量粉煤灰基透水砖性能指标
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)颗粒粉煤灰骨料的制备：取原料粉煤灰，将原料粉煤灰和活性工业固体废料经碱激发制备地聚物材料，然后将所述地聚物材料进行破碎筛分，得到颗粒粉煤灰，作为粗骨料；其中，所述活性工业固体废料含有氧化硅或氧化铝；
(2)透水砖骨料的复配：将所述步骤(1)得到的所述粗骨料与天然骨料复配，得到透水砖骨料；
(3)透水砖的制备：再次取原料粉煤灰，将原料粉煤灰、所述步骤(2)得到的所述透水砖骨料与钙基激发剂、水、碱性激发剂一起混合均匀得到混合料，接着将该混合料放入模具压制成型得到砖坯；然后，对所述砖坯利用蒸压养护工艺加速所述砖坯内发生的水化反应，从而制备得到高掺量粉煤灰基透水砖；
所述步骤(1)中，所述活性工业固体废料为高炉矿渣、钢渣、赤泥中的一种或多种；对于所述活性工业固体废料整体，其Al2O3含量为14.64-20.58wt.％，SiO2含量为20.68-32.85wt.％，CaO含量为3.54-37.46wt.％；所述活性工业固体废料的粒径不超过0.075mm；
所述步骤(1)中，所述原料粉煤灰与所述活性工业固体废料两者的质量之比为(70～90)：(5～30)；
所述步骤(3)中，所述混合料包括：所述原料粉煤灰20-30重量份，所述颗粒粉煤灰20-30重量份，所述天然骨料40-47重量份，所述钙基激发剂3-10重量份，以及所述碱性激发剂8-10重量份，并且，该混合料的含水率为10-12wt％；其中，所述碱性激发剂为水玻璃，水玻璃模数1.3-1.5M；所述钙基激发剂为消石灰；
所述步骤(3)中利用蒸压养护工艺加速所述砖坯内发生的水化反应，具体是在温度160-180℃、压力0.6-0.8MPa的蒸压养护条件下养护时间8-12h；该水化反应先生成水化石榴石，然后生成硅酸钙凝胶和托贝莫来石相，最后托贝莫来石相逐渐向硬硅钙石转变。
2.如权利要求1所述高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述将原料粉煤灰和活性工业固体废料经碱激发制备地聚物材料，具体是，先将原料粉煤灰和活性工业固体废料混合搅拌，接着向其中加入碱性激发剂进行碱激发，然后再进行高温养护从而制备得到地聚物材料；所述高温养护是在60℃～80℃下养护24-30h；
得到的所述颗粒粉煤灰，其颗粒粒径为2-10mm，是将所述地聚物材料进行破碎、过筛，然后保存以作为粗骨料备用。
3.如权利要求2所述高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中对应使用有：原料粉煤灰70-90重量份，活性工业固体废料5-30重量份，以及碱性激发剂8-10重量份；
所述步骤(2)得到的所述透水砖骨料，粒径为2-10mm。
4.如权利要求3所述高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，其特征在于，所述碱性激发剂为水玻璃，水玻璃模数1.3-1.5M，所述碱性激发剂8-10重量份即水玻璃8-10重量份。
5.如权利要求1所述高掺量粉煤灰基透水砖的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)，在将所述地聚物材料进行破碎筛分之前，还包括对所述地聚物材料进行抗压强度测试的过程，所述地聚物材料的强度需达到50.2-58.8MPa。
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