CN113480242A - 一种地质聚合物透水砖及其制备方法和应用 - Google Patents

一种地质聚合物透水砖及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及固废资源化利用技术领域，具体公开一种地质聚合物透水砖及其制备方法和应用。所述地质聚合物透水砖的制备方法包括：a、将胶凝材料和骨料搅拌混合，再加入激发剂，混合均匀，得到拌和浆料；b、将拌和浆料加入模具中挤压成型，密封养护，得到成型样品；c、将成型样品干燥后，置于正辛基三乙氧基硅烷中超声浸渍，取出烘干，得到地质聚合物透水砖。本发明制备方法得到的地质聚合物透水砖具有极佳的机械强度和透水、疏水性能，还实现了对多种水体污染物的高效率吸附，将该地质聚合物透水砖作为透水路面的铺材料不仅能适应环境变化和应对雨水带来的城市内涝、干旱等灾害，还可显著降低地下水土的污染程度。

Description

一种地质聚合物透水砖及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及固废资源化利用技术领域，尤其涉及一种地质聚合物透水砖及其制备方法和应用。
背景技术
为了使城市能够像海绵一样及时适应环境变化和应对雨水带来的城市内涝、干旱等灾害，透水砖路面在城市建设中越来越受到重视。
现有的透水砖类型主要包括：水泥基透水砖、高温烧结多孔陶瓷型透水砖和树脂聚合物类透水砖。无论是水泥基透水砖还是多孔陶瓷类透水砖，都需要高温煅烧的过程。而树脂聚合物类透水砖在阳光下暴晒极易老化，耐久性能较差。同时，目前的透水砖仅具有透水和耐压的功能，不具备对路面流水的净化功能，污染水体透过透水砖后依然会造成水土污染。
地质聚合物是一类通过化学碱激发的方式激发固体废弃物获得的绿色胶凝材料，具有低碳环保、使用性能高和耐腐蚀等优点，被广泛认为可替代或部分替代水泥基胶凝材料制备透水砖。但是，地质聚合物基材料在该领域一直没有得到规模化的应用，其中一个很重要的原因在于地聚物体系是过碱性的，体系中含有大量的游离碱，导致其遇水易造成碱流失和风化泛碱现象，无法避免水土环境污染和透水砖材料性能的下降。
发明内容
针对现有透水砖存在的上述技术问题，本发明提供一种地质聚合物透水砖及其制备方法和应用，通过本发明提供的制备方法得到的地质聚合物透水砖具有渗透系数高、疏水性好、机械强度好以及对水体污染物具有较高的吸附效率的优势。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种地质聚合物透水砖的制备方法，包括以下工艺步骤：
a、按质量配比将22-38份胶凝材料和62-78份的骨料搅拌混合，再加入激发剂，混合均匀，得到拌和浆料；所述胶凝材料按质量百分比包括：20％-30％的高炉矿渣、40％-60％的垃圾焚烧灰渣和10％-40％的偏高岭土；
b、将所述拌和浆料加入模具中挤压成型，密封养护，得到成型样品；
c、将所述成型样品干燥后，置于正辛基三乙氧基硅烷中超声浸渍，取出烘干，得到所述地质聚合物透水砖。
相对于现有技术，本发明提供的地质聚合物透水砖的制备方法以特定比例的高炉矿渣、垃圾焚烧灰渣和偏高岭土为胶凝材料，结合骨料，在激发剂的作用下，经过挤压成型和养护后，可以得到具备一定透水性能并具有特殊多级孔道结构的内部形貌的成型样品。随后将该成型样品置于正辛基三乙氧基硅烷中，进行超声浸渍，可以在该成型样品表面及内部结构中均匀接枝上改性基团，该改性基团与样品结合，一方面可以使最终得到的泡沫地质聚合物吸附材料具备优良的疏水性能，提高地质聚合物透水砖的耐水性，避免地质聚合物透水砖体系中的碱流失，保证地质聚合物透水砖在长期使用过程中的机械性能；另一方面，在地质聚合物样品内部及表面形成的特定的接枝官能团，可以显著提高地质聚合物透水砖对污染物的吸附作用，使泡沫地质聚合物吸附材料兼具重金属、油污和有机染料等多种污染物的高效吸附作用，在透水路面及水处理领域具有极高的应用前景。此外，本发明提供的地质聚合物透水砖的制备方法原料来源广泛，成本极低，实现对固体废弃物的有效利用，不需要特殊设备，可实现批量生产的需要，在城市透水砖路面的建设中具有极高的应用价值。
优选的，步骤a中，所述胶凝材料和所述骨料的质量份数之和为100份。
优选的，步骤a中，所述高炉矿渣、垃圾焚烧灰渣和偏高岭土的粒径均≤45μm。
上述高炉矿渣、垃圾焚烧灰渣和偏高岭土的粒径的选择可以进一步提高胶凝材料的活性。
优选的，步骤a中，所述骨料包括粒径为5mm-10mm的粗骨料和粒径为2mm-3mm的细骨料；所述骨料中所述粗骨料的质量含量为30％-40％，所述细骨料的质量含量为60％-70％。所述骨料可以选择建筑固体废弃物经破碎和筛选形成的人造骨料、尾矿渣、废弃陶瓷。
上述优选的粗骨料和细骨料的粒径和含量的结合可以进一步提高形成的透水砖的机械强度。
优选的，步骤a中，所述激发剂由模数为3.4-3.6的钠水玻璃和9mol/L-11mol/L的氢氧化钠溶液混合得到，所述钠水玻璃的质量占所述激发剂总量的68％-76％；所述激发剂的加入量相当于所述胶凝材料质量的72％-80％。
上述优选的激发剂的组成不仅可以提高上述胶凝材料的水化进程、提高地质聚合物透水砖的早期强度，还可以在地质聚合物内部形成特定的孔隙结构，极大的增加了形成的地质聚合物的透水性能。
优选的，步骤b中，所述挤压成型的压力为4Mpa-6Mpa。
上述优选的挤压成型的条件在保证形成的透水砖的透水率的同时，可以进一步提高地质聚合物透水砖的机械强度。
优选的，步骤b中，所述密封养护的温度为50℃-70℃、时间为10h-15h。
优选的，步骤c中，所述干燥的方法为自然晾干24h-30h。
优选的，步骤c中，所述超声浸渍的时间为4min-6min。
通过上述超声浸渍的时间，可以在成型样品表面均匀的接枝特定量的功能基团，进一步提高制备得到的地质聚合物透水砖的疏水性和对水体污染物的吸附能力。
优选的，步骤c中，所述烘干的温度为110℃-130℃、时间为4h-6h。
本发明还提供了一种地质聚合物透水砖，该地质聚合物透水砖通过所述的地质聚合物透水砖的制备方法制得。
上述制备方法得到的地质聚合物透水砖具有极佳的早期抗压强度、抗折强度和透水率，经过超声浸渍改性处理后，其不仅具备了良好的疏水性能，还实现了对多种水体污染物的高效率吸附，将该地质聚合物透水砖作为透水路面的铺材料不仅能适应环境变化和应对雨水带来的城市内涝、干旱等灾害，还可显著降低地下水土的污染程度。
本发明还提供了所述地质聚合物透水砖在作为透水路面铺设材料中的应用。
本发明还提供了所述地质聚合物透水砖在作为水体污染物吸附材料中的应用。
附图说明
图1是本发明实施例1制备得到的地质聚合物透水砖的疏水检测效果图；
图2是本发明实施例1制备得到的地质聚合物透水砖的SEM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。
实施例1
一种地质聚合物透水砖的制备方法，包括以下工艺步骤：
a、按质量配比将22份胶凝材料和78份的骨料搅拌混合，再加入相当于胶凝材料质量的72％的激发剂，混合均匀，得到拌和浆料；
其中，胶凝材料按质量百分比算包括：20％的高炉矿渣、40％的垃圾焚烧灰渣和40％的偏高岭土，且高炉矿渣、垃圾焚烧灰渣和偏高岭土的粒径均≤45μm；
所用骨料为建筑固体废弃物经破碎和筛选形成的人工骨料；骨料包括粒径为5-10mm的粗骨料和粒径为2-3mm的细骨料，其中粗骨料的质量含量为30％，细骨料的质量含量为70％。
激发剂由模数为3.4的钠水玻璃和9mol/L的氢氧化钠溶液混合得到；钠水玻璃的质量占所述激发剂总量的68％。
b、将所述拌和浆料加入模具中在压力为4Mpa的条件下挤压成型，将挤压成型的样品脱模后密封，置于养护箱中50℃下养护15h，得到成型样品；
c、将所述成型样品在室温下自然干燥24h后，置于正辛基三乙氧基硅烷中超声浸渍4min，取出并控干样品多余的正辛基三乙氧基硅烷，在110℃下烘干6h，得到所述地质聚合物透水砖。
对得到的地质聚合物透水砖的疏水性能进行检测，其润湿接触角为168°，吸水率为4％，疏水性能测试如图1所示。
同时，对得到的地质聚合物透水砖的微观形貌图进行观察，结果如图2所示，其微观形貌图显示该地质聚合物透水砖具有特殊的网状孔道结构。
实施例2
一种地质聚合物透水砖的制备方法，包括以下工艺步骤：
a、按质量配比将30份胶凝材料和70份的骨料搅拌混合，再加入相当于所述胶凝材料质量的75％的激发剂，混合均匀，得到拌和浆料；
其中，胶凝材料按质量百分比算包括：25％的高炉矿渣、50％的垃圾焚烧灰渣和25％的偏高岭土，且高炉矿渣、垃圾焚烧灰渣和偏高岭土的粒径均≤45μm；
所用骨料的为铁尾矿渣；骨料包括粒径为5-10mm的粗骨料和粒径为2-3mm的细骨料，其中粗骨料的质量含量为35％，细骨料的质量含量为65％。
激发剂由模数为3.5的钠水玻璃和10mol/L的氢氧化钠溶液混合得到；钠水玻璃的质量占所述激发剂总量的70％。
b、将所述拌和浆料加入模具中在压力为5Mpa的条件下挤压成型，将挤压成型的样品脱模后密封，置于养护箱中60℃下养护12h，得到成型样品；
c、将所述成型样品在室温下自然干燥25h后，置于正辛基三乙氧基硅烷中超声浸渍5min，取出并控干样品多余的正辛基三乙氧基硅烷，在120℃下烘干5h，得到所述地质聚合物透水砖。
对得到的地质聚合物透水砖的疏水性能进行检测，其润湿接触角为165°，吸水率为4％。得到的地质聚合物透水砖的微观形貌结构与实施例1相当。
实施例3
一种地质聚合物透水砖的制备方法，包括以下工艺步骤：
a、按质量配比将38份胶凝材料和62份的骨料搅拌混合，再加入相当于所述胶凝材料质量的80％的激发剂，混合均匀，得到拌和浆料；
其中，胶凝材料按质量百分比算包括：30％的高炉矿渣、60％的垃圾焚烧灰渣和10％的偏高岭土，且高炉矿渣、垃圾焚烧灰渣和偏高岭土的粒径均≤45μm；
所用骨料为废弃陶瓷；骨料包括粒径为5-10mm的粗骨料和粒径为2-3mm的细骨料，其中粗骨料的质量含量为40％，细骨料的质量含量为60％。
激发剂由模数为3.6的钠水玻璃和11mol/L的氢氧化钠溶液混合得到；钠水玻璃的质量占所述激发剂总量的76％。
b、将所述拌和浆料加入模具中在压力为6Mpa的条件下挤压成型，将挤压成型的样品脱模后密封，置于养护箱中70℃下养护10h，得到成型样品；
c、将所述成型样品在室温下自然干燥30h后，置于正辛基三乙氧基硅烷中超声浸渍6min，取出并控干样品多余的正辛基三乙氧基硅烷，在130℃下烘干4h，得到所述地质聚合物透水砖。
对得到的地质聚合物透水砖的疏水性能进行检测，其润湿接触角为161°，吸水率为5％。得到的地质聚合物透水砖的微观形貌结构与实施例1相当。
对比例1
用等量的粉煤灰代替实施例1中的垃圾焚烧灰渣，其它原料、用量及制备方法与实施例1相同，制备得到地质聚合物透水砖。
对得到的地质聚合物透水砖的疏水性能进行检测，其润湿接触角为154°，吸水率为11％。得到的地质聚合物透水砖的微观形貌结构：孔道结构少、分布不均匀，与实施例1得到的地质聚合物透水砖的微观形貌结构完全不同。
对比例2
用等量的硬脂酸钙代替实施例1中的正辛基三乙氧基硅烷，其它原料、用量及制备方法与实施例1相同，制备得到地质聚合物透水砖。
对得到的地质聚合物透水砖的疏水性能进行检测，其润湿接触角为112°，吸水率为17％。
试验例1
对实施例1-3和对比例1-2得到的地质聚合物透水砖的进行抗压强度和抗折强度性能测试，然后分别进行重金属离子、油污和有机染料的吸附试验。吸附测试均为过滤吸附测试，污水流过样品(垂直自然渗透流过)完成一次吸附。
其中，油污吸附测试的方法为：吸附试验采用体积为20cm3的产品吸附100mL油污含量为5vol％的油水混合溶液，油污浓度和吸附效率通过红外测油仪进行测量和计算；
有机染料吸附测试的方法为：吸附试验采用体积为20cm3的产品吸附50mL浓度为20ppm的亚甲基蓝溶液，亚甲基蓝浓度和吸附效率通过紫外可见分光光度计进行测量和计算；
重金属吸附测试的方法为：吸附试验采用体积为20cm3的产品吸附50mL浓度为50ppm的Pb2+溶液，Pb2+浓度和吸附能力通过电感耦合等离子质谱仪进行测试和分析。
以上测试结果如表1所示。
表1
Figure BDA0003142293730000081
注：油污吸附效率：吸附测试后油水混合液中的油污含量/吸附测试前油水混合液中的油污含量×100％；
有机染料吸附效率：吸附测试后亚甲基蓝溶液中的亚甲基蓝含量/吸附测试前亚甲基蓝溶液中的亚甲基蓝含量×100％；
Pb2+吸附效率：吸附测试后Pb2+溶液中的Pb2+含量/吸附测试前Pb2+溶液中的Pb2+含量×100％；
通过上述测试结果，说明实施例1-3制备得到的地质聚合物透水砖具有极佳的疏水性、渗透性以及较高的抗压强度和抗折强度，可以用于作为路面透水砖；同时实施例1-3制备得到的地质聚合物透水砖还兼具多种污染物的高效吸附作用，可以作为水体污染物处理用吸附材料。
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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地质聚合物透水砖的制备方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
a、按质量配比将22-38份胶凝材料和62-78份的骨料搅拌混合，再加入激发剂，混合均匀，得到拌和浆料；所述胶凝材料按质量百分比包括：20％-30％的高炉矿渣、40％-60％的垃圾焚烧灰渣和10％-40％的偏高岭土；
b、将所述拌和浆料加入模具中挤压成型，密封养护，得到成型样品；
c、将所述成型样品干燥后，置于正辛基三乙氧基硅烷中超声浸渍，取出烘干，得到所述地质聚合物透水砖。
2.如权利要求1所述的地质聚合物透水砖的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述胶凝材料和所述骨料的质量份数之和为100份。
3.如权利要求1所述的地质聚合物透水砖的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述高炉矿渣、垃圾焚烧灰渣和偏高岭土的粒径均≤45μm。
4.如权利要求1所述的地质聚合物透水砖的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述骨料包括粒径为5mm-10mm的粗骨料和粒径为2mm-3mm的细骨料；所述骨料中所述粗骨料的质量含量为30％-40％，所述细骨料的质量含量为60％-70％。
5.如权利要求1所述的地质聚合物透水砖的制备方法，其特征在于：步骤a中，所述激发剂由模数为3.4-3.6的钠水玻璃和9mol/L-11mol/L的氢氧化钠溶液混合得到，所述钠水玻璃的质量占所述激发剂总量的68％-76％；所述激发剂的加入量相当于所述胶凝材料质量的72％-80％。
6.如权利要求1所述的地质聚合物透水砖的制备方法，其特征在于：步骤b中，所述挤压成型的压力为4Mpa-6Mpa；
和/或步骤b中，所述密封养护的温度为50℃-70℃、时间为10h-15h。
7.如权利要求1所述的地质聚合物透水砖的制备方法，其特征在于：步骤c中，所述干燥的方法为自然晾干24h-30h；
和/或步骤c中，所述超声浸渍的时间为4min-6min；
和/或步骤c中，所述烘干的温度为110℃-130℃、时间为4h-6h。
8.一种地质聚合物透水砖，其特征在于：通过权利要求1-7任一项所述的地质聚合物透水砖的制备方法制得。
9.权利要求8所述的地质聚合物透水砖在作为透水路面铺设材料中的应用。
10.权利要求8所述的地质聚合物透水砖在作为水体污染物吸附材料中的应用。
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