CN113563051B - 一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖材料及制备方法。本发明的工程泥浆烧结砖原料包括工程泥浆、粉煤灰和絮凝剂，絮凝剂与工程泥浆质量比为0.01％～0.02％，粉煤灰与脱水泥饼质量比通过公式确定；根据材料配方计算尺寸收缩情况，精确控制砖机挤出口尺寸，提高烧结砖尺寸良品率。本发明对高含水的工程泥浆实现了高值资源化利用，泥浆利用率高，为解决工程泥浆处置难、污染环境、处置经济性差等问题提供一种可行方式，具有良好的社会、环境和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域的一种环保烧结砖及其制备方法，具体涉及一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖材料及制备方法。
背景技术
工程泥浆产生于钻孔灌注桩、地下连续墙、泥水盾构等施工过程中，其特点是含水率高、颗粒细、脱水困难等，资源化利用受到制约，处置方式主要是就近倾倒入江海或各类洼地、填埋场等，侵占大量土地，并易造成环境污染、存在安全隐患。随着我国城市化建设进程加快，工程泥浆产量巨大，如仅温州市2019年的产生量就高达1200万m3，其处理处置已经成为城市发展和建设的制约因素，探索工程泥浆资源化利用新途径成为迫切需求。
工程泥浆的资源化利用方面，目前已公开的相关专利主要通过脱水和化学固化制备成为建筑材料，专利CN111099903A利用工程泥浆为主料制作免烧陶粒耐火材料；专利CN110981537A利用工程泥浆为辅料制作再生泡沫陶瓷；专利CN112174635A利用工程泥浆为主料制作免烧转。但存在以下几个方面的局限性：
1.对工程泥浆原料处理要求高。专利CN111099903A中对工程泥浆要求进行烘干、研磨，原料处理步骤多、成本高、效率低，难以进行大规模量产；专利CN112174635A要求工程泥浆脱水至含水量16～20％之间，而现有常用的机械脱水工艺很难实现，需要结合其他方式方能达到目标含水率，脱水处理效率低，费用高。
2.原料配方比例范围一般较大，不能根据原料性质和目标产品质量进行科学确定，这会导致工程应用的盲目性和产品质量的波动。例如专利CN112174635A中提到云贝母掺量为2-6份，尾矿砂掺量为3-7份，没明确具体掺配原则。
工程泥浆中黏土矿物含量较高、颗粒较细、成分较为稳定，从物质组成上适宜进行烧结制砖，从而实现工程泥浆的高值资源化利用。然而不同于传统的粘土制砖工艺，由于工程泥浆脱水后仍然含水量较高且范围较大，砖坯干燥收缩尺寸较大并难以把握，因此需要对砖坯所需原材料进行科学配置，以提高泥浆利用率并能对砖坯收缩进行控制。另外，钻孔护壁泥浆中往往含有较多蒙脱石，蒙脱石在焙烧过程产生较大收缩，易导致开裂，因此烧制过程中需要对烧制工艺进行控制。通过对材料科学配方、砖坯干燥和烧制工艺进行科学控制，方可解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于为解决工程泥浆处理处置难、占用土地、污染环境等问题，提供一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖材料配方及制备方法，烧结砖主要通过脱水、配料、陈化、成型、干燥、焙烧制备而成，通过科学计算精确控制辅料掺量和砖坯尺寸，烧结砖尺寸得到科学管控，实现工程泥浆的高值资源化利用。
本发明的技术方案如下：
一、一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖：
所述工程泥浆烧结砖原料包括工程泥浆、粉煤灰和絮凝剂，其中，絮凝剂与工程泥浆之间的质量比为0.01％～0.02％，粉煤灰与由工程泥浆和絮凝剂构成的脱水泥饼之间的质量比通过公式确定。
所述脱水泥饼为工程泥浆机械脱水后的产物。
所述絮凝剂为非离子聚丙烯酰胺(NPAM)，主要起到将泥浆中黏土颗粒凝聚成团，降低脱水难度的作用。
所述工程泥浆来源于沿海冲积平原地区建筑工地钻孔灌注桩施工中产生的护壁泥浆，泥浆含水率高，施工过程中使用膨润土，主要成分为蒙脱石。
所述粉煤灰来源于火力发电厂燃烧煤后获得的飞灰，粒径范围为粒径范围为0.001-0.5mm。
二、一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，方法包括以下步骤：
1)絮凝剂与工程泥浆按配合比混合搅拌，静置1d后抽去上清液，使用板框压滤机进行压滤，得到脱水泥饼；
本发明所述脱水泥饼为工程泥浆加入絮凝剂后通过板框压滤机压滤而得，含水率小于50％。
2)测量脱水工程泥浆的含水率，根据脱水工程泥浆的含水率结合烧结砖的预设线收缩率按公式计算粉煤灰掺入量最小值，按照粉煤灰掺入量最小值确定粉煤灰与脱水工程泥浆的实际质量比，进而按照实际质量比配制烧结砖原料倒入搅拌机中混合搅拌均匀，放入密封容器陈化；
具体实施中，烧结砖的预设线收缩率在0.5～2％中选择。
3)将上述陈化好的混合原料再次翻拌，测量砖坯原料含水率，根据粉煤灰与脱水工程泥浆的实际质量比计算获得烧结砖的实际线收缩率，进而根据烧结砖的实际线收缩率和烧结砖尺寸确定成型模具尺寸，然后进行砖坯成型；
4)将成型的砖坯进行干燥；
5)将干燥后砖坯进行焙烧，获得最终烧结砖。
烧结砖的线收缩率是指砖坯干燥和焙烧整个过程的线收缩率。
所述步骤2)中，粉煤灰与脱水泥饼的实际质量比不小于粉煤灰掺入量最小值，但小于脱水泥饼含水率50％所对应的最小值。
所述步骤2)中，按照以下公式处理获得粉煤灰掺入量最小值，基于发现了砖坯初始含水率、粉煤灰掺入比例与砖坯干燥收缩之间存在一定关系，通过控制粉煤灰掺入比与砖坯的初始含水率，分别进行了10组动态含水率的试验，测量得到了不同配方、不同初始含水率的砖坯线收缩率与含水率的关系公式，数据点与拟合曲面见图1：
εL＝-0.1663n2+0.4567ω0n-0.07796n+0.4197ω0-0.04231
L＝L0×(1+εL)
式中，ω0表示砖坯的含水率，ωb表示脱水泥饼的含水率，n表示粉煤灰掺入量最小值，是指粉煤灰除以脱水泥饼的质量，εL表示烧结砖的预设线收缩率；L0表示烧结砖标准尺寸，L表示砖机挤出口尺寸。
所述步骤2)中，是在控制应力为400kPa、压制时间为5-10min下进行砖坯成型。
所述步骤3)中，按照以下公式对烧结砖的公式进行复核：
εL′＝-0.1663n’2+0.4567ω0n’-0.07796n’+0.4197ω0-0.04231L′＝L0×(1+εL′)
式中，ω0表示改变后的砖坯的含水率，n′表示变更后的粉煤灰实际掺入量，是指粉煤灰除以脱水泥饼的质量，εL′表示复核后烧结砖的实际线收缩率；L0表示烧结砖标准尺寸，L′表示复核后的砖机挤出口尺寸。
所述步骤4)中，干燥温度为70℃，干燥时间为24h。
所述步骤5)中，是将焙烧分为升温、高温焙烧、降温三个阶段，焙烧总时间为12h，三个阶段各占总时间的1/3；升温阶段从常温-300℃-573℃-700℃-1000℃各1h，高温焙烧阶段是保持烧结温度1000℃，降温阶段是从烧结温度1000℃-573℃-常温各2h。
本发明根据烧结砖对于尺寸的要求，通过测量工程泥浆脱水后的含水率，计算粉煤灰的掺入量控制值。根据材料配方计算尺寸收缩情况，精确控制砖机挤出口尺寸，提高烧结砖尺寸良品率。
由此，本发明通过大量实验探究发现了烧结砖线收缩率与砖坯含水率、粉煤灰掺入量最小值存在一定关系。本发明通过在这样的关系建立公式设计粉煤灰与脱水泥饼之间的配比，通过收缩率对砖坯尺寸进行预估，从而高精确控制制备的砖坯尺寸。
本发明的有益效果是：
1、本发明制备的制备的烧结强度、尺寸均达到《烧结普通砖》(GB/T5101-2017)规范要求，工程泥浆掺量60％以上，对工程泥浆实现了高效且高值的资源化处置，实现了“变废为宝”。
2、本发明构建了脱水泥饼含水率、粉煤灰掺量、砖尺寸线收缩率三者之间的关系公式，利用关系公式实现对烧结砖材料配比进行科学配备，对烧结砖尺寸误差进行科学管控，以及对砖机挤出口尺寸进行科学调整，并可有效提高烧结砖的品质。
3、本发明原料直接由工程泥浆经机械脱水后与粉煤灰搅拌而得，工程泥浆含水率控制在50％以下即可，一般机械脱水工艺即可实现，无需对脱水泥浆进行晾晒等后续处理，实用性强，效率高。
4、脱水泥浆中含有膨润土组分，其主要成分蒙脱石对烧结砖强度有利，但也容易引起烧结砖开裂，通过控制焙烧工艺，实现了其增加烧结砖强度但免于开裂的问题。
总述，本发明使用工程泥浆经过板框压滤后经科学计算掺入一定比例的粉煤灰经配料、陈化、成型、干燥、焙烧制备烧结砖，解决了工程泥浆缺少有效、高值资源化利用的问题，环境和经济效益显著，具有推广应用价值。
附图说明
附图1是本发明拟合公式试验数据点及拟合曲面图。
附图2是本发明具体实施方式线收缩率与含水率的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明进行详细说明，以下实施案例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
本发明的实施例如下：
实施例1
1)按絮凝剂与工程泥浆按配合比混合搅拌，静置1d后抽去上清液，使用板框压滤机进行压滤，得到脱水泥饼，絮凝剂溶液质量分数为2％，絮凝剂溶液与工程泥浆质量之比为0.05；
2)测量脱水泥饼的含水率为23.3％，具体实施中设定烧结砖的预设线收缩率为2％，根据脱水泥饼的含水率结合烧结砖的预设线收缩率按照以下公式计算粉煤灰掺入量最小值：
εL＝-0.1663n2+0.4567ω0n-0.07796n+0.4197ω0-0.04231
获得粉煤灰掺入量最小值具体为0.195，进而按照公式计算所得质量比配制粉煤灰原料倒入搅拌机中混合搅拌均匀，放入密封容器陈化7d；
3)将上述陈化好的砖坯原料再次翻拌，测量砖坯原料含水率，根据烧结砖的实际线收缩率确定干燥前的砖机挤出口尺寸具体为1.02倍标准烧结砖大小，然后在控制应力为400kPa进行砖坯成型；
4)将砖坯进行干燥，干燥温度为70℃，干燥时间为24h。
5)将干燥后砖坯进行焙烧，焙烧分为升温、高温焙烧、降温三个阶段，焙烧总时间为12h，三个阶段各占总时间的1/3；升温阶段从常温-300℃-573℃-700℃-1000℃各1h，高温焙烧阶段是保持烧结温度1000℃，降温阶段是从烧结温度1000℃-573℃-常温各2h。获得最终烧结砖。
实施例2
1)按絮凝剂与工程泥浆按配合比混合搅拌，静置1d后抽去上清液，使用板框压滤机进行压滤，得到脱水泥饼，絮凝剂溶液质量分数为2％，絮凝剂溶液与工程泥浆质量之比为0.05；
2)测量脱水泥饼的含水率为24.82％，具体实施中设定烧结砖的预设线收缩率为1％，根据脱水泥饼的含水率结合烧结砖的预设线收缩率按照以下公式计算粉煤灰掺入量最小值：
εL＝-0.1663n2+0.4567ω0n-0.07796n+0.4197ω0-0.04231
获得粉煤灰掺入量最小值具体为0.295，进而按照公式计算所得质量比配制粉煤灰原料倒入搅拌机中混合搅拌均匀，放入密封容器陈化7d；
3)将上述陈化好的砖坯原料再次翻拌，测量砖坯原料含水率，根据烧结砖的实际线收缩率确定干燥前的砖坯尺寸具体为1.01倍标准烧结砖大小，然后在控制应力为400kPa进行砖坯成型；
4)将砖坯进行干燥，干燥温度为70℃，干燥时间为24h。
5)将干燥后砖坯进行焙烧，焙烧分为升温、高温焙烧、降温三个阶段，焙烧总时间为12h，三个阶段各占总时间的1/3；升温阶段从常温-300℃-573℃-700℃-1000℃各1h，高温焙烧阶段是保持烧结温度1000℃，降温阶段是从烧结温度1000℃-573℃-常温各2h。获得最终烧结砖。
实施例3
1)按絮凝剂与工程泥浆按配合比混合搅拌，静置1d后抽去上清液，使用板框压滤机进行压滤，得到脱水泥饼，絮凝剂溶液质量分数为2％，絮凝剂溶液与工程泥浆质量之比为0.05；
2)测量脱水泥饼的含水率为34.37％，具体实施中设定烧结砖的预设线收缩率为3％，根据脱水泥饼的含水率结合烧结砖的预设线收缩率按照以下公式计算粉煤灰掺入量最小值：
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获得粉煤灰掺入量控制值具体为0.395，进而按照公式计算所得质量比配制粉煤灰原料倒入搅拌机中混合搅拌均匀，放入密封容器陈化7d；
3)将上述陈化好的砖坯原料再次翻拌，测量砖坯原料含水率，根据烧结砖的实际线收缩率确定干燥前的砖坯尺寸具体为1.03倍标准烧结砖大小，然后在控制应力为400kPa进行砖坯成型；
4)将砖坯进行干燥，干燥温度为70℃，干燥时间为24h。
5)将干燥后砖坯进行焙烧，焙烧分为升温、高温焙烧、降温三个阶段，焙烧总时间为12h，三个阶段各占总时间的1/3；升温阶段从常温-300℃-573℃-700℃-1000℃各1h，高温焙烧阶段是保持烧结温度1000℃，降温阶段是从烧结温度1000℃-573℃-常温各2h。获得最终烧结砖。
实例各项参数指标情况如下表：
注：本发明所有含水率均为湿基含水率。
各实例线收缩率与含水率的关系曲线图见图2。
以上所述实例仅为本发明在该实例上的结果，但本发明的具体实施不仅局限于本实例。凡是依照本发明原理与思路提出的效果相似的替代方案，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
1)絮凝剂与工程泥浆按配合比混合搅拌，静置1d后抽去上清液，使用板框压滤机进行压滤，得到脱水泥饼；
2)测量脱水泥饼的含水率，根据脱水泥饼的含水率结合烧结砖的预设线收缩率按公式计算粉煤灰掺入量最小值，按照粉煤灰掺入量最小值确定粉煤灰与脱水泥饼的实际质量比，进而按照实际质量比配制烧结砖原料倒入搅拌机中混合搅拌均匀，放入密封容器陈化；
步骤2)中，粉煤灰与脱水泥饼的实际质量比不小于粉煤灰掺入量最小值，但小于脱水泥饼含水率50％所对应的最小值；
步骤2)中，按照以下公式处理获得粉煤灰掺入量最小值：
εL＝-0.1663n2+0.4567ω0n-0.07796n+0.4197ω0-0.04231
式中，ω0表示砖坯原料的含水率，ωb表示脱水泥饼的含水率，n表示粉煤灰掺入量最小值，是指粉煤灰除以脱水泥饼的质量，εL表示烧结砖的预设线收缩率；
3)将上述陈化好的混合原料再次翻拌，测量砖坯原料含水率，根据粉煤灰与脱水泥饼的实际质量比以及所测得的砖坯原料含水率计算获得烧结砖的实际线收缩率，进而根据烧结砖的实际线收缩率和烧结砖标准尺寸确定成型模具尺寸，然后进行砖坯成型；
步骤3)中，按照以下公式处理获得烧结砖的实际线收缩率和成型模具尺寸：
εL′＝-0.1663n’2+0.4567ω0′n’-0.07796n’+0.4197ω0′-0.04231
L′＝L0×(1+εL′)
式中，ω0′表示变化后砖坯原料的含水率，n′表示粉煤灰与脱水泥饼的实际质量比，εL′表示烧结砖的实际线收缩率；L0表示烧结砖标准尺寸，L′表示变更后的砖机挤出口尺寸；
4)将成型的砖坯进行干燥；
5)将干燥后砖坯进行焙烧，获得最终烧结砖。
2.根据权利要求1所述的一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，其特征在于：步骤3)中，是在控制应力为400kPa、压制时间为5-10min下进行砖坯成型。
3.根据权利要求1所述的一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，其特征在于：步骤4)中，干燥温度为70℃，干燥时间为24h。
4.根据权利要求1所述的一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，其特征在于：步骤5)中，是将焙烧分为升温、高温焙烧、降温三个阶段，焙烧总时间为12h，三个阶段各占总时间的1/3；升温阶段从常温-300℃-573℃-700℃-1000℃各1h，高温焙烧阶段是保持烧结温度1000℃，降温阶段是从烧结温度1000℃-573℃-常温各2h。
5.根据权利要求1所述的一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，其特征在于：所述烧结砖原料包括工程泥浆、粉煤灰和絮凝剂，其中，絮凝剂与工程泥浆之间的质量比为0.01％～0.02％，粉煤灰与由工程泥浆和絮凝剂构成的脱水泥饼之间的质量比通过公式确定，所述的工程泥浆掺量60％以上。
6.根据权利要求5所述的一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，其特征在于：所述絮凝剂为非离子聚丙烯酰胺(NPAM)。
7.根据权利要求5所述的一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，其特征在于：所述工程泥浆来源于沿海冲积平原地区建筑工地钻孔灌注桩施工中产生的护壁泥浆，施工过程中使用膨润土，主要成分为蒙脱石。
8.根据权利要求5所述的一种以工程泥浆为主要原料的烧结砖的制备方法，其特征在于：所述粉煤灰来源于火力发电厂燃烧煤后获得的飞灰，粒径范围为0.001-0.5mm。
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