CN113603440B - 一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖及其制备方法 - Google Patents

一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖及其制备方法。该免烧透水砖，按重量份计，包括以下原料：花岗岩颗粒160～250份、花岗岩石粉5～15份、活性燃煤渣15～25份、改性脱硫石膏2～10份、生石灰2～8份、水泥10～20份、外加剂1～5份、水。本发明以花岗岩废料与燃煤渣为主要原料制备透水砖，消耗了大量固废，变废为宝，实现透水砖的低成本制备，具有稳定生态、节能环保、资源循环的特性，同时还解决了固废堆积带来的土地资源浪费和环境污染的问题。

Description

一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖及其制备方法。
背景技术
城市化的快速发展、人口的激增和规模的扩张，影响了城市的自然水系，使水生态系统退化，加剧了水环境的污染。近年来，我国城市建设的不透水路面增多，导致降雨入渗减少，城市内涝现象日益严重。为此，我国提出了建设“海绵城市”的战略来加强城市雨水管理，即用透水材料取代传统铺砌材料，提高城市雨水管理效率。透水砖作为一种常见的透水性材料，有助于环境友好型社会的建设。
目前市场上主要是烧结透水砖。烧结透水砖是在砖块中添加发泡剂或造孔剂，并在某个烧结曲线下经过高温烧结而成。利用发泡的原理或是造孔的原理使其有连通的孔隙，实现透水的效果。通过高温煅烧来改变物质的晶体结构，从而使其具有强度。烧结的透水砖强度高，耐磨性好，但是烧结的过程不仅对烧结工艺要求高，而且还会消耗大量的能源，增加成本的同时还会对环境造成一定的污染。而免烧透水砖是利用骨料堆积造孔，选用骨料的粒径不是连续的，这使得骨料和骨料之间可以形成连通的孔隙，具有较好的透水效果。用胶结剂将骨料颗粒粘结到一块后经震动或压制成型，然后再经过养护而成，整个制备过程消耗能源很少。
由于工业化的快速发展，花岗岩边角料、花岗岩石粉、燃煤渣和脱硫石膏等工业固体废弃物大量的排放和堆积，压占土地。这些固体废弃物不但容易造成扬尘，严重的污染空气，而且由于淋滤作用，会污染地下水系，排放到江河湖泊也会堵塞污染河道，直接影响生物的生长，严重破坏生态平衡，对环境造成了严重的污染。故急需对上述固体废弃物进行规模化、资源化的综合利用。
花岗岩结构细密，抗压强度比较高，化学稳定性好，不易风化，耐久性强，能进行各种异型加工，板材可拼性良好，因此是一种重要的建筑材料。但花岗岩石材在开采和加工过程中会产生大量边角余料和石粉，这些废料产生量大，堆积成山，不仅占用大量土地，还对环境造成威胁。当前，如何大量合理的利用这些花岗岩废料已成为企业和政府十分关注的问题。
燃煤渣是煤炭燃烧后产生的废弃物。长久以来，煤炭的生产和消费的构成比例约占我国一次能源的70％，2010年煤炭在我国一次能源生产消费中占77％，据国际能源机构预测，到2030年，中国一次能源供应结构中煤炭仍将占据主导地位。因此，我国在未来相当长的一段时间内将长期保持这种以煤为主的能源生产和消费格局不变。如何将燃煤渣资源化利用，成为当前固体废弃物资源化利用领域研究的重难点。
脱硫石膏是火力发电厂烟气脱硫时由SO2和CaCO3反应生成的一种工业副产石膏，主要成分为CaSO4·H2O，还有一些杂质，如：未反应完全的碳酸钙，石灰石中所含有的其它杂质和少量钾、钠盐，一般含量不大于0.5％。脱硫石膏产量大，它的综合利用完全符合国家发展循环经济的政策，既保护了生态环境与矿产资源，也解决了火电厂脱硫的后顾之忧，并将给电厂带来一定的经济效益。且已有研究表示脱硫石膏中含有CaCO3和少量可溶性盐，对促进水泥强度发展，激发混合材活性发挥是有利的。用脱硫石膏作缓凝剂的水泥强度与用天然石膏作缓凝剂的水泥强度燃煤渣制相当，部分品种水泥的强度有一定幅度的提高。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖及其制备方法，用以解决现有技术中花岗岩废料、燃煤渣和脱硫石膏资源化利用率低的技术问题。
本发明的第一方面提供一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，按重量份计，包括以下原料：
花岗岩颗粒160～250份、花岗岩石粉5～15份、活性燃煤渣15～25份、改性脱硫石膏2～10份、生石灰2～8份、水泥10～20份、外加剂1～5份、水。
本发明的第二方面提供一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖的制备方法，包括以下步骤：
将花岗岩颗粒、花岗岩石粉、活性燃煤渣、改性脱硫石膏、生石灰、水泥、外加剂和水混合均匀，得到净浆；
将上述净浆注入模具，压制成型，经常温养护得到免烧透水砖。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明以花岗岩废料与燃煤渣为主要原料制备透水砖，消耗了大量固废，变废为宝，实现透水砖的低成本制备，具有稳定生态、节能环保、资源循环的特性，同时还解决了固废堆积带来的土地资源浪费和环境污染的问题；
本发明利用活性燃煤渣替代部分水泥作为胶凝材料，在保证砖体强度的前提下，增加了固废的利用量，减少了水泥的用量，提升了产品性能同时带来了环境和经济上的效益；
本发明制备的透水砖为免烧透水砖，利用花岗岩颗粒紧密堆积形成的空隙作为砖体的透水结构，无需高温煅烧，能耗低，工艺简单；同时由于花岗岩结构细密，抗压强度比较高，化学稳定性好，可以起到骨架作用，增加砖体强度，所制备的透水砖在强度与透水性能上均可达到国家标准。
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。
本发明的第一方面提供一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，按重量份计，包括以下原料：
花岗岩颗粒160～250份、花岗岩石粉5～15份、活性燃煤渣15～25份、改性脱硫石膏2～10份、生石灰2～8份、水泥10～20份、外加剂1～5份、水。
在本发明的一些具体实施方式中，上述免烧透水砖，按重量份计，包括以下原料：花岗岩颗粒180～220份、花岗岩石粉8～10份、活性燃煤渣20～22份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥10～12份、外加剂1～3份、水。
本发明中，活性燃煤渣通过将燃煤渣与化学活化剂混合焙烧得到。
本发明中，上述燃煤渣为煤燃烧后残余的废渣。在本发明的一些具体实施方式中，上述燃煤渣中各组分的质量百分比为：SiO2 35～65％、Al2O3 20～50％、Na2O 0.1～1％、Fe2O3 1～8％、CaO 0.5～3％、K2O 0.1～2％、MgO 0.01～2％、TiO2 0.1～2％。
在本发明的一些优选实施方式中，上述燃煤渣的粒径为200目以下。
在本发明的一些优选实施方式中，化学活化剂为氢氧化钠和氧化钙的混合物。进一步地，氢氧化钠与氧化钙的质量比为1：(0.2～0.8)。
在本发明的一些优选实施方式中，燃煤渣与化学活化剂的质量比为1：(0.1～0.2)。
在本发明的一些优选实施方式中，焙烧的温度为450～650℃，焙烧的时间1～3h。
在本发明的一些具体实施方式中，活性燃煤渣通过将燃煤渣与化学活化剂按照1:0.15的质量比混合均匀后在600℃下焙烧2h得到的。化学活化剂中，氢氧化钠与氧化钙的质量比为1:0.5。
在本发明的一些具体实施方式中，上述花岗岩颗粒和花岗岩石粉中各组分的质量百分比为：SiO2 55～85％、Al2O3 5～20％、Na2O 2～8％、Fe2O3 0.5～3％、CaO 0.5～3％、K2O 1～8％、MgO 0.01～1％、TiO2 0.1～1％。
在本发明的一些优选实施方式中，上述花岗岩颗粒为花岗岩石材废弃的边角料破碎筛分后得到的颗粒，粒度为4～15mm；上述花岗岩石粉的粒径为200目以下。
在本发明的一些优选实施方式中，花岗岩颗粒与花岗岩石粉的重量比为1：(0.03～0.06)。
本发明中，上述改性脱硫石膏通过将烘干后的脱硫石膏在100～300℃下煅烧1～3h，常温下陈化12～48h得到。所得脱硫石膏的颗粒粒径在0.1mm以下。
在本发明的一些具体实施方式中，上述脱硫石膏中各组分的质量百分比为：SO335～55％、SiO2 1～5％、Al2O3 0.1～2％、Fe2O3 0.01～0.5％、CaO 20～45％、MgO 0.1～2％。
在本发明的一些具体实施方式中，上述改性脱硫石膏通过将烘干后的脱硫石膏在160℃下煅烧2h，随后常温下陈化1d得到。
本发明中，上述水泥为硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥。在本发明的一些具体实施方式中，水泥为PO 32.5普通硅酸盐水泥。
本发明中，上述外加剂为减水剂。进一步地，减水剂为聚羧酸减水剂，减水剂的加入量为花岗岩颗粒、花岗岩石粉、活性燃煤渣、改性脱硫石膏、生石灰、水泥总重量的0.5～1％，进一步为0.6～0.7％。
本发明中，水的加入量为花岗岩颗粒、花岗岩石粉、活性燃煤渣、改性脱硫石膏、生石灰、水泥总重量的5～10％，优选为6～7％。
本发明选用大粒径花岗岩颗粒作为骨料，利用花岗岩颗粒紧密堆积形成的空隙作为砖体的透水结构；同时由于花岗岩结构细密，抗压强度高，化学稳定性好，可以起到骨架作用，增加砖体强度。另外，花岗岩石粉中少量的硅铝成分也可以跟活化燃煤渣残余的碱以及生石灰、改性脱硫石膏反应，进一步增加砖体的强度。
本发明选用活性燃煤渣和水泥作为胶凝材料，在保证砖体强度的前提下增大了固废用量，变废为宝。在复合活化燃煤渣过程中加入的氢氧化钠与氧化钙，使水溶液成为碱性，促进可溶性硅铝成分的溶解，同时钙离子的引入可以生成具有速凝性的C-S-H凝胶，复杂化凝胶结构，增加凝胶聚合程度从而使得胶凝材料的各项性能得到提升。
本发明加入了脱硫石膏和生石灰。脱硫石膏可以促进燃煤渣和石粉玻璃体网络结构解体，形成大量的钙矾石，提高水化速度，有助于提高透水砖强度和韧性。生石灰水化时放出大量的热，生成的氢氧化钙具有活性，能够对花岗岩石粉起到很好的碱激发作用，且氢氧化钙能有效提高液相体系的OH-浓度，促使石粉玻璃体系里Al-O、Si-O键断裂，发生一系列的反应，最终生成C3AH6(水化铝酸钙)和C-S-H(水化硅酸钙)，从而提高透水砖的强度。
本发明中，发明人发现，与直接在活性燃煤渣制备过程中一次性加入足量的氧化钙(即生石灰)相比，分批加入生石灰一方面能够避免燃煤渣活化过程中因生石灰加入量过多导致活性燃煤渣活化效果差，提高免烧透水砖的抗压强度，另一方面能够减少过量氧化钙在焙烧阶段消耗损失，影响后续碱激发过程，提高免烧透水砖的抗压强度。
本发明的第二方面提供一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖的制备方法，包括以下步骤：
S1、将花岗岩颗粒、花岗岩石粉、活性燃煤渣、改性脱硫石膏、生石灰、水泥、外加剂和水混合均匀，得到净浆；
S2、将上述净浆注入模具，压制成型，经常温养护得到免烧透水砖。
本发明中，成型压力为1～10MPa。
本发明中，常温的温度范围为15～40℃，常温养护的时间为3～28天。
实施例1
(1)将燃煤渣放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后将占燃煤渣总重量10wt％氢氧化钠颗粒与5wt％氧化钙颗粒加入燃煤渣混合后用振动磨振磨30s混匀，得到目数为400目的粉末；然后将该粉末在600℃温度下焙烧2h，自然冷却后得到复合活化后的活性燃煤渣；
(2)将烟气脱硫石膏在80℃烘箱中烘干至恒重，冷却后振磨30s得到目数为200目的烟气脱硫石膏粉末，然后将烟气脱硫石膏粉末在马弗炉中煅烧(煅烧条件：升温速率3℃/s，160℃下保温2h)，并将煅烧后的粉末放在自然条件下陈化1d，得到预处理后的脱硫石膏；
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒220份、花岗岩石粉8份、活性燃煤渣20份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥12份；
(4)向上述物料加入物料总重量7％的水和0.6％减水剂后搅拌均匀，导入模具压制成型，成型压力3MPa，常温养护28d，制得免烧透水砖。
实施例2
(1)将燃煤渣放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后将占燃煤渣总重量10wt％氢氧化钠颗粒与5wt％氧化钙颗粒加入燃煤渣混合后用振动磨振磨30s混匀，得到目数为400目的粉末；然后将该粉末在600℃温度下焙烧2h，自然冷却后得到复合活化后的活性燃煤渣；
(2)将烟气脱硫石膏在80℃烘箱中烘干至恒重，冷却后振磨30s得到目数为200目烟气脱硫石膏粉末，然后将烟气脱硫石膏粉末在马弗炉中煅烧(煅烧条件：升温速率3℃/s，160℃下保温2h)，并将煅烧后的粉末放在自然条件下陈化1d，得到预处理后的脱硫石膏；
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒210份、花岗岩石粉10份、活性燃煤渣22份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥12份；
(4)向上述物料加入物料总重量7％的水和0.6％减水剂后搅拌均匀，导入模具压制成型，成型压力4MPa，常温养护28d，制得免烧透水砖。
实施例3
(1)将燃煤渣放在烘箱中，烘至质量不再变化，冷却至室温后将占燃煤渣总重量10wt％氢氧化钠颗粒与5wt％氧化钙颗粒加入燃煤渣混合后用振动磨振磨30s混匀，得到目数为400目的粉末。然后将该粉末在600℃温度下焙烧2h，自然冷却后得到复合活化后的活性燃煤渣；
(2)将烟气脱硫石膏在80℃烘箱中烘干至恒重，冷却后振磨30s得到目数为200目的烟气脱硫石膏粉末，然后将烟气脱硫石膏粉末在马弗炉中煅烧(煅烧条件：升温速率3℃/s，160℃下保温2h)，并将煅烧后的粉末放在自然条件下陈化1d，得到预处理后的脱硫石膏；
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒180份、花岗岩石粉9份、活性燃煤渣20份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥10份。
(4)向上述物料加入物料总重量7％的水和0.7％减水剂后搅拌均匀，导入模具压制成型，成型压力3MPa，常温养护28d，制得免烧透水砖。
对比例1
与实施例1相比，区别仅在于，制备免烧透水砖的过程中，原料的加入量不同，具体如下：
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒200份、花岗岩石粉28份、活性燃煤渣20份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥12份。
对比例2
与实施例1相比，区别仅在于，制备免烧透水砖的过程中，原料的加入量不同，具体如下：
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒225份、花岗岩石粉3份、活性燃煤渣20份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥12份。
对比例3
与实施例1相比，区别仅在于，制备免烧透水砖的过程中，未采用活性燃煤渣替代部分水泥，具体如下：
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒220份、花岗岩石粉8份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥32份。
对比例4
与实施例1相比，区别仅在于，制备免烧透水砖的过程中，采用活性燃煤渣替代全部水泥，具体如下：
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒220份、花岗岩石粉8份、活性燃煤渣32份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份。
对比例5
与实施例1相比，区别仅在于，制备免烧透水砖的过程中，采用河沙替代花岗岩石粉，具体如下：
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒220份、河沙8份、活性燃煤渣20份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥12份。
对比例6
与实施例1相比，区别仅在于，制备免烧透水砖的过程中，采用烟气脱硫石膏粉末替代改性脱硫石膏，具体如下：
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒220份、花岗岩石粉8份、活性燃煤渣20份、烟气脱硫石膏粉末10份、生石灰5份、水泥12份。
对比例7
与实施例1相比，区别仅在于，制备免烧透水砖的过程中，未加入生石灰，具体如下：
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒220份、花岗岩石粉8份、活性燃煤渣20份、改性脱硫石膏10份、水泥12份。
对比例8
与实施例1相比，区别仅在于，制备免烧透水砖的过程中，燃煤渣未活化，具体如下：
(3)按照重量份，将各原料按以下数量混合均匀：花岗岩颗粒220份、花岗岩石粉8份、燃煤渣20份、改性脱硫石膏10份、生石灰5份、水泥12份。
试验组
对实施例1～3和对比例1～8所得免烧透水砖进行性能测试，结果见表1。
表1
抗压强度(MPa) 抗折强度(MPa) 透水系数(mm/s)
实施例1 26.6 6.2 1.5
实施例2 31.3 7.0 1.4
实施例3 28.7 6.6 1.4
对比例1 18.4 4.5 1.2
对比例2 21.9 5.3 1.6
对比例3 25.3 6.0 1.5
对比例4 20.8 5.1 1.6
对比例5 15.6 3.3 2.3
对比例6 19.5 4.8 1.6
对比例7 14.3 2.7 2.7
对比例8 10.3 1.0 3.6
通过表1的数据可以看出，本发明以花岗岩废料与燃煤渣为主要原料制备的透水砖具有良好的抗压强度和抗折强度，且透水性能好。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，其特征在于，按重量份计，包括以下原料：
花岗岩颗粒160~250份、花岗岩石粉5~15份、活性燃煤渣15~25份、改性脱硫石膏2~10份、生石灰2~8份、水泥10~20份、外加剂1~5份、水；
所述活性燃煤渣通过将燃煤渣与化学活化剂混合焙烧得到，所述化学活化剂为氢氧化钠和氧化钙的混合物，所述焙烧的温度为450~650℃，焙烧的时间1~3 h；
所述基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖的制备步骤如下：将花岗岩颗粒、花岗岩石粉、活性燃煤渣、改性脱硫石膏、生石灰、水泥、外加剂和水混合均匀，得到净浆；将所述净浆注入模具，压制成型，经常温养护得到免烧透水砖。
2.根据权利要求1所述基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，其特征在于，所述花岗岩颗粒与花岗岩石粉的重量比为1：（0.03~0.06）。
3.根据权利要求1所述基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，其特征在于，所述氢氧化钠与氧化钙的质量比为1：（0.2~0.8）；所述燃煤渣与化学活化剂的质量比为1：（0.1~0.2）。
4.根据权利要求1所述基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，其特征在于，所述花岗岩颗粒为花岗岩石材废弃的边角料破碎筛分后得到的颗粒，粒度为4~15 mm；所述花岗岩石粉的粒径为200目以下。
5.根据权利要求1所述基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，其特征在于，所述改性脱硫石膏通过将烘干后的脱硫石膏在100~300℃下煅烧1~3h，常温下陈化12~48h得到。
6.根据权利要求1所述基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，其特征在于，所述外加剂为减水剂。
7.根据权利要求1所述基于花岗岩废料和燃煤渣的免烧透水砖，其特征在于，所述水的加入量为花岗岩颗粒、花岗岩石粉、活性燃煤渣、改性脱硫石膏、生石灰、水泥总重量的5~10%。
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