CN112321269B - 一种二氧化碳碳化的再生透水砖及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于土木环境工程的固体废弃物资源化再利用领域，具体涉及一种二氧化碳碳化的再生透水砖及其制备工艺。所述再生透水砖的固相组分按质量百分比混合，其中细粒灰20％～30％、底泥5％～10％、再生骨料25％～35％、纤维0.5％～2.0％、废玻璃粉15％～30％、碱性物料15％～35％，且废弃物质量比占70％以上。本发明通过各组分均匀搅拌、砖模成型和振动压制，依次进行常规养护、蒸养和碳化养护，形成强度高、抗裂性好的再生透水砖，砖体力学和透水性能远远优于单独养护、蒸汽养护或碳化养护下的砖体；此外，本工艺还大量吸收二氧化碳气体，有利于减轻温室效益。本发明克服了固体废弃物综合利用率低、传统制砖原料短缺、效率低、周期长、环境效益差等问题，具有显著环境效益、社会效益和经济效益。

Description

一种二氧化碳碳化的再生透水砖及其制备工艺

技术领域

本发明属于土木环境工程的固体废弃物资源化再利用领域，具体涉及一种二氧化碳碳化的再生透水砖及其制备工艺。

背景技术

随着城镇化发展，大量老旧构筑物被拆，产生的废弃建筑垃圾如黏土砖被被运至城郊或乡村，有些直接用于道路路基的填筑，有些被露天堆放或填埋处理，并未实现建筑垃圾的资源化应用。这些处理方式不但占用大量土地，而且在清运和堆放过程中还遗撒大量粉尘和灰尘，给社会和环境造成巨大压力。此外，目前应用的大部分砖体虽然具有较好的抗压强度，但不具备透水性能，不能有效缓解城市内涝，雨水不能有效补给地下水，不能满足“海绵城市”城镇化建设的需要。在新建筑施建人行道、公园步道、边坡防护等需要大量砖体，尤其透水型砖体，如能将废弃建筑垃圾用于砖体制作，将大大提升建筑垃圾的利用价值，节省砖体的经济成本。

传统砖体以黏土为主，采用成型、干燥和高温窑煅烧等过程制成不同颜色的砖体。高温窑烧制通常需消耗大量黏土、碳、能源和较长烧制时间，同时还产生环境污染。如发明专利CN 111499348 A公开了“一种烧结砖的生产工艺”，但在污泥干化与原料陈化过程中会产生恶臭气体，在焙烧窑中烧制砖体时还能产生对人或动物有害有毒气体二噁英，制砖环境并不友好；该方法利用煤渣能量和添加木屑使砖体在950℃～1000℃条件下持续烧结3天，会耗费大量木材。发明专利CN 111484263 A公开了“一种建筑垃圾制备新型烧结砖的方法”的方法，虽然原料搅拌更均匀、提高了烧结砖质量，但该方法与上述发明文件CN111499348 A类似，均采用烧结工艺制砖，烧制时间长、资源消耗较大，不利于可持续发展。

在后来中也出现了不同类型的免烧砖，但所用材料以水泥、工业矿渣、钢渣和污泥为主。如发明专利CN 107879704 A公开了“一种复合钢渣碳化砖的制备方法”，该方法利用煤油燃烧促进了钢渣中未氧化金属的氧化还原反应，提高钢渣孔隙率，使水化反应更充分，利用卡波姆在碱性环境下凝胶凝结、酸性环境下凝胶溶解的性质使钢渣充分碳化。制砖方法包括如球磨、燃烧冷却、蒸压养护、醋熏、碳化等多道工序，制砖步骤繁琐、掺加剂多、工艺复杂，所需分散装置较多，制砖效率低。申请文件CN 109574610 A公开了“一种利用钢渣高效制备低成本碳化砖的方法”，本方法虽然使用了工业废料钢渣和脱硫石膏，但碳化后形成的胶结物以碳酸钙为主，砖体强度很大程度上依赖于钢渣活性，对于低活性钢渣，效果极差；此外，砖体渗透性也较差、养护周期长、前期强度低，容易发生碱骨料反应使砖体开裂。如发明文件CN 110668748 A公开了“一种适用于污泥焚烧灰渣固化制砖的方法”，该方法虽然利用了污泥焚烧灰，但所述固化剂中，大部分固化成分是硅酸盐水泥，固化剂并不环保；入模成型后，静置及养护时间在3周以上，大大降低了制砖效率。又如文件CN 109867450 A公开了“一种污泥焚烧灰渣胶结体及其制备和应用”，本方法虽然使用了污泥焚烧灰渣、秸秆焚烧灰和工业废渣等废弃物，但激发时间较长、强度较低、透水性差，仅可以作为一般路基填料。此外，文件CN 106747086公开了“一种基于污泥焚烧灰的生态透水混凝土及制备方法”，虽然该文件公开的生态透水混凝土中用到了污泥焚烧灰，但该文件是在传统透水混凝土基础上，仅掺入了少量污泥焚烧灰，所用胶凝材料是硅酸盐水泥，并不是环保型胶凝材料，养护周期较长。再比如文件CN 103951371 B公开了“一种污泥焚烧灰渣免烧生态砖的制备方法”，其原理是基于磷酸激发硬页岩及活性氧化铝中活性硅铝成分间的地质聚合反应，但该方法采用了磷酸和活性氧化铝，对页岩的预处理要求高，养护周期长，不能满足透水性需求。文件CN 103224385 B公开了“化工污泥焚烧灰渣掺合无机重金属稳定剂制填料的工艺”，本发明涉及化工污泥焚烧灰渣做原料，粘土或页岩作辅料，掺合少量无机重金属稳定剂，虽然稳定剂中含有如氧化钙或氧化镁，但工艺涉及了烘箱和马弗炉的高温干燥，操作复杂，需消耗较多能源和能量。

近些年出现了新型的氧化镁碳化技术，并被证明了其显著优异性，与普通制备砖体技术相比，具有资源消耗量小、排放温室气体少、制备周期短、强度高、耐水性好等优点。但是现有碳化技术还不完善，也存在不少问题。如发明专利CN 104326736 B公开了“一种利用含棉布料作为模板制备氧化镁纤维砖的简单方法”，但该方法要求将砖型布料放入隧道窑后快速加热升温至400～800℃，然后再缓慢升温到1100～1600℃下烧结0.5～1小时，该方法对施工机械要求较高，高温烧结法制纤维砖必耗费大量能源。又如发明专利CN105837143 B公开了“一种活性氧化镁碳化砌块的制备方法”，该发明采用水泥、碎石、砂等物料作原材料，虽然砌块强度与质量得到了保证，但大量使用砂和硅酸盐水泥也会直接或间接造成环境污染。

综上，针对目前土木工程、市政工程和环境工程中产生的大量固体废弃物，结合目前城镇化发展和工程建设对砖体的大量需求，亟需研发一种能消耗大量建筑市政和工业中的固体废弃物，同时制备满足工程需要的再生节能透水砖，以促进废弃物的资源化利用，促进雨水和地下水的良好循环，对节约经济、保护生态环境具有重要的现实意义。

发明内容

针对上述背景技术，结合目前城镇化和环境发展的需要，围绕不同固体废弃物的特定性质，通过大量尝试性试验，优选出配方合理、制备工艺简单且具有良好力学强度和透水性能的再生透水砖，节约养护周期，避免传统硅酸盐水泥大量使用和高温烧结，实现了污泥焚烧灰或飞灰、建筑废弃垃圾、海泥和废弃玻璃粉的资源化利用，同时制备工艺中消耗大量二氧化碳气体，缓解了温室效应，具有潜在的巨大环境效益和社会效益。

为实现上述目的，本发明公开了一种二氧化碳碳化的再生透水砖及其制备工艺，所述再生透水砖由固相组分和液相组分组成，所述固相组分包含细粒灰、底泥、再生骨料、纤维、废弃玻璃粉和碱性物料，各固相组分的质量百分比为：细粒灰20％～30％、底泥5％～10％、再生骨料25％～35％、纤维0.5％～2.0％、废玻璃粉15％～30％、碱性物料15％～35％；所述液相组分是水，水占废玻璃粉和碱性物料混合物质量比的0.4～0.7；

所述细粒灰是污泥焚烧灰或飞灰，污泥焚烧灰是污泥在焚烧炉中通过流化床焚化技术燃烧而成，与淤泥混合的砂砾含量大于20％，炉内温度为850～1000℃；

所述底泥为除杂脱水后的海洋底泥、湖泊底泥、河道底泥或废弃泥浆；

所述再生骨料为废弃混凝土、废弃砖石和废弃沥青混凝土的破碎颗粒，骨料颗粒的粒径范围为3～8mm；

所述纤维为竹纤维或剑麻纤维，纤维长度为5～25mm；

所述废玻璃粉的平均粒径不超过15μm；

所述碱性物料为钠、镁、钙的氧化物或氢氧化物的粉体混合物，且(氧化镁或氢氧化镁)∶(氧化钙或氢氧化钙)∶(氧化钠或氢氧化钠)的质量比为(4～6)∶(3～5)∶(0.5～2)；

所述的二氧化碳碳化的再生透水砖，其制备工艺包括以下步骤：

a.按再生透水砖原料组成比，称取砖体的原料组分，先将细粒灰、纤维、废玻璃粉和碱性物料进行均匀搅拌，然后再依次加入水、底泥和再生骨料，边加入边搅拌，直至形成均匀混合料；

b.将砖模放置在振动台上，后将均匀混合料放入砖模中，进行振动压实，常规养护后脱去砖模，形成砖坯；

c.将砖坯放置在蒸养箱中进行蒸养养护；

d.将蒸养养护后的砖坯放置在二氧化碳碳化腔中进行碳化，制成再生透水砖；

所述砖坯的结构是实心体、中空体或中间半空体，砖体的横截面形状为矩形、正多边形或圆形。

作为本发明的一种改进，所述常规养护是室内自然养护或标准养护，养护时间为12～24小时；蒸养养护的蒸养箱湿度为80％以上，温度为60～80℃，蒸养时间为1～3天；碳化养护时的碳化腔温度为20～40℃，湿度为30～50％，气压为50～300kPa，碳化时间为6～24小时。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1)将建筑废弃物进行等粒径处理，用作透水砖的再生骨料，增强了砖体透水性，避免了传统河沙使用和岩石的开采破碎，实现了建筑垃圾的资源化利用。

2)砖体制备过程，主要由常规养护、蒸养养护和碳化养护等阶段组成，代替了传统高温窑烧结和长时间养护，减小了能源消耗。

3)发明砖体的成分主要为固体废弃物，包括污泥焚烧灰、飞灰、废玻璃粉、建筑垃圾组成，在使废弃物资源化利用的同时，也制成了强度高、满足工程需要的砖体，使废弃物减量化，保护了环境。

4)发明的砖体中掺入了少量的竹纤维、聚丙烯纤维或剑麻纤维，在增强砖体强度的同时，也增强了砖体的抗裂性能。

5)采用碱性物、废玻璃粉和细粒料的混合物替代普通硅酸盐水泥，使资源和能源消耗降低，环境友好，减少了普通硅酸盐在生产过程中二氧化碳和粉尘等污染物的排放。

6)砖体养护过程中，在强度快速增长的同时，还吸收大量二氧化碳气体，间接地起到了保护环境的作用。

具体实施方式

为实现上述目的，本发明公开了一种二氧化碳碳化的再生透水砖及其制备工艺，所述再生透水砖由固相组分和液相组分组成，所述固相组分包含细粒灰、底泥、再生骨料、纤维、废弃玻璃粉和碱性物料，各固相组分的质量百分比为：细粒灰20％～30％、底泥5％～10％、再生骨料25％～35％、纤维0.5％～2.0％、废玻璃粉15％～30％、碱性物料15％～35％；所述液相组分是水，水占废玻璃粉和碱性物料混合物质量比的0.4～0.7；

所述细粒灰是污泥焚烧灰或飞灰，污泥焚烧灰是污泥在焚烧炉中通过流化床焚化技术燃烧而成，与淤泥混合的砂砾含量大于20％，炉内温度为850～1000℃；

所述底泥为除杂脱水后的海洋底泥、湖泊底泥、河道底泥或废弃泥浆；

所述再生骨料为废弃混凝土、废弃砖石和废弃沥青混凝土的破碎颗粒，骨料颗粒的粒径范围为3～8mm；

所述纤维为竹纤维或剑麻纤维，纤维长度为5～25mm；

所述废玻璃粉的平均粒径不超过15μm；

所述碱性物料为钠、镁、钙的氧化物或氢氧化物的粉体混合物，且(氧化镁或氢氧化镁)∶(氧化钙或氢氧化钙)∶(氧化钠或氢氧化钠)的质量比为(4～6)∶(3～5)∶(0.5～2)；

所述的二氧化碳碳化的再生透水砖，其制备工艺包括以下步骤：

a.按再生透水砖原料组成比，称取砖体的原料组分，先将细粒灰、纤维、废玻璃粉和碱性物料进行均匀搅拌，然后再依次加入水、底泥和再生骨料，边加入边搅拌，直至形成均匀混合料；

b.将砖模放置在振动台上，后将均匀混合料放入砖模中，进行振动压实，常规养护后脱去砖模，形成砖坯；

c.将砖坯放置在蒸养箱中进行蒸养养护；

d.将蒸养养护后的砖坯放置在二氧化碳碳化腔中进行碳化，制成再生透水砖；

所述砖坯的结构是实心体、中空体或中间半空体，砖体的横截面形状为矩形、正多边形或圆形。

作为本发明的一种改进，所述常规养护是室内自然养护或标准养护，养护时间为12～24小时；蒸养养护的蒸养箱湿度为80％以上，温度为60～80℃，蒸养时间为1～～3天；碳化养护时的碳化腔温度为20～40℃，湿度为30～50％，气压为50～300kPa，碳化时间为6～24小时。

下面结合具体实施例详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1

为展示本发明所用胶结材料的作用机理及可用性，本实施例展示了无粗粒骨料及养护条件影响条件下净浆试块的抗压强度结果。净浆试块为边长40mm的立方体，污泥焚烧灰为10％、废玻璃粉70％、碱性氧化物20％，碱性氧化物为按氧化镁∶氧化钙∶氧化钠的质量比为4∶4∶2进行混合，水灰比为0.4～0.5。将搅拌后的混合浆液注入立方体模块中，在振动台上振动2分钟，使试样中的气泡排出。之后分别按室内标准养护、蒸汽养护和碳化养护三种方式进行养护，养护后进行无侧限抗压强度测试，取测试强度的平均值作为最终结果，结果如下表1所示。对比普通硅酸盐水泥净浆砌块的无侧限抗压强度结果，水泥净浆试块养护7d和28d的强度分别为25.6MPa和38.7MPa。

表1净浆试块不同工况下的无侧限抗压强度

实施例2

本实施例考虑碱性物料的比例和养护条件对强度的影响，展示了无粗粒料条件下净浆试块的抗压强度结果。净浆试块为边长40mm的立方体试块，污泥焚烧灰为10％、废玻璃粉70％、碱性氧化物20％，碱性氧化物为按氧化镁∶氧化钙∶氧化钠的不同质量比进行混合，水灰比为0.45。将搅拌后的混合浆液注入立方体模块中，在振动台上振动2分钟，使试样中的气泡排出。之后分别按照室内标准养护、蒸汽养护和碳化养护三种方式进行养护，养护后进行无侧限抗压强度测试，取测试强度的平均值作为最终结果，结果如下表2所示。

表2不同氧化物比例和养护条件下净浆试块的无侧限抗压强度

实施例3

本实施例考虑废弃粗粒料对试块强度的影响。透水试块为边长150mm的立方体试块，试块按各组分的质量百分比进行配制，污泥焚烧灰为20％、海洋底泥5％、废弃混凝土颗粒(平均粒径5mm)30％、10mm长的聚丙烯纤维1％、废玻璃粉24％、碱性氢氧化物20％，碱性氧化物为按氢氧化镁∶氢氧化钙∶氢氧化钠的质量比4∶2∶4进行混合，水灰比为0.45。将搅拌后的混合料注入立方体模块中，在振动台上振动2分钟，使试样中的气泡排出。之后分别按照室内标准养护1天、蒸汽养护3天和碳化养护1天的组合方式进行养护，养护后进行无侧限抗压强度测试，取测试强度的平均值作为最终结果，为20.6MPa；如果将废弃粗骨料换为碎石，其强度为25.8MPa。如果换为水泥透水砌块，则7天和28天的强度分别为17.5MPa和29.4MPa；如过将废弃骨料换为碎石，则强度分别为24.2MPa和33.1MPa。虽然采用废弃粗骨料后，强度有所降低，但制作的砖体仍能满足人行道路或绿化道路的需要。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种二氧化碳碳化的再生透水砖，其特征在于，所述再生透水砖由固相组分和液相组分组成，所述固相组分包含细粒灰、底泥、再生骨料、纤维、废弃玻璃粉和碱性物料，各固相组分的质量百分比为：细粒灰20％～30％、底泥5％～10％、再生骨料25％～35％、纤维0.5％～2.0％、废玻璃粉15％～30％、碱性物料15％～35％；所述液相组分是水，水占废玻璃粉和碱性物料混合物质量比的0.4～0.7；

所述细粒灰是污泥焚烧灰或飞灰，污泥焚烧灰是污泥在焚烧炉中通过流化床焚化技术燃烧而成，与淤泥混合的砂砾含量大于20％，炉内温度为850～1000℃；

所述底泥为除杂脱水后的海洋底泥、湖泊底泥、河道底泥或废弃泥浆；

所述再生骨料为废弃混凝土、废弃砖石和废弃沥青混凝土的破碎颗粒，骨料颗粒的粒径范围为3～8mm；

所述纤维为竹纤维或剑麻纤维，纤维长度为5～25mm；

所述废玻璃粉的平均粒径不超过15μm；

所述碱性物料为钠、镁、钙的氧化物或氢氧化物的粉体混合物，且(氧化镁或氢氧化镁)∶(氧化钙或氢氧化钙)∶(氧化钠或氢氧化钠)的质量比为(4～6)∶(3～5)∶(0.5～2)；

所述再生透水砖的制备工艺包括以下步骤：

a.按再生透水砖原料组成比，称取砖体的原料组分，先将细粒灰、纤维、废玻璃粉和碱性物料进行均匀搅拌，然后再依次加入水、底泥和再生骨料，边加入边搅拌，直至形成均匀混合料；

b.将砖模放置在振动台上，后将均匀混合料放入砖模中，进行振动压实，常规养护后脱去砖模，形成砖坯；

c.将砖坯放置在蒸养箱中进行蒸养养护；

d.将蒸养养护后的砖坯放置在二氧化碳碳化腔中进行碳化，制成再生透水砖；

所述砖坯的结构是实心体、中空体或中间半空体，砖体的横截面形状为矩形、正多边形或圆形。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳碳化的再生透水砖的制备工艺，其特征在于，所述常规养护是室内自然养护或标准养护，养护时间为12～24小时；蒸养养护的蒸养箱湿度为80％以上，温度为60～80℃，蒸养时间为1～3天；碳化养护时的碳化腔温度为20～40℃，湿度为30～50％，气压为50～300kPa，碳化时间为6～24小时。