CN113929387A - 一种固废基高性能透水砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固废基高性能透水砖，以磷石膏、钢渣、建筑废料等固废为主要原料。本发明的优点：大量使用原状工业固废，不使用硫铝酸盐水泥、天然石膏等高价值原料，降低了对自然资源和能源的消耗，原料供应稳定可靠，成本更低，制得的透水砖具有成本低、性能优良的特点，实现了资源综合利用；磷石膏通过造粒成型，以骨料形式应用于透水砖生产，可以在不降低透水砖透水性能的前提下，大幅提高磷石膏的掺量；既能应用于海绵城市建设，还能有效消纳多种大宗工业固废，属于节能环保的高性能透水砖；抗折强度、透水系数、抗压强度均高于国家标准，具有很好的综合性能；可以显著改善新型高性能透水砖的力学性、稳定性和透水效果。

Description

一种固废基高性能透水砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种固废基高性能透水砖及其制备方法，属于建筑材料和固体废物利用领域。
背景技术
随着我国城镇化进程加快，城镇地面硬化带来的问题日益增多，由于目前大多数城镇地面不透水，降雨时形成大量地表径流，而城镇排水能力不足，导致内涝时有发生，给人民生活及交通安全带来极大困扰。随着我国生态文明建设以及绿色发展的不断推进，各地积极践行海绵城市理念，海绵城市建设对缓解城市内涝具有较大的作用,透水砖由于其自身优势和环保理念近年来更是备受关注。
目前，透水砖作为一种新型环保建筑材料被广泛应用于铺设城市广场、人行道、停车场等的地面上。雨水能够通过透水砖内部孔隙渗入地下对地下水进行补给，并且在暴雨的天气可以缓解城市管网的排水压力，缓解内涝同时减轻地表径流带来的面源污染。目前透水砖主要分为烧结透水砖和免烧透水砖两种。烧结透水砖以工业固废和建筑固废为主要原料，通过粉碎、成形、高温煅烧而制成，烧结陶瓷透水砖生产工艺复杂，在生产过程中需要消耗大量能源，成本高且不符合节能减排的环保理念。免烧透水砖的生产成本较低，利用有机或无机黏结剂通过成形、固化而制成，无需煅烧，是透水砖未来的主要发展方向。
为了推进海绵城市建设的进程，落实节能环保的理念，利用固体废料制备透水砖成为透水砖研究的主要趋势。如《一种全固废高透水性烧结型透水砖的制备方法》(CN112209701A)公开了一种陶瓷透水砖，该透水砖采用来源广泛的硅铝酸盐矿物为主的固体废弃物为粘结剂，从而将透水砖强度有所提高。该专利在其制备过程中仍需要烧结成形，需要消耗能量，成本较高不利于节约环保。专利《一种高炉粒化矿渣透水砖的制备方法》(CN104341133A)公开了以高炉粒化矿渣等工业固废为透水砖原料，通过振动加压成型，经养护后得成品透水砖的方法，其胶凝材料采用的是传统高能耗建材，因此资源综合利用程度不高。
磷石膏是生产湿法磷酸的副产物，是化学工业中排放量最大的固体废物之一，每生产1吨磷肥，平均产生3.75吨磷石膏。目前，世界磷石膏年排放量达2.8亿吨，我国也已超过5000万吨，占工业副产石膏的70％以上。目前，大部分磷石膏采用露天堆放方式处理，而磷石膏中含有大量的有害物质，在占用大量土地资源的同时，还污染了我们的生存环境。把磷石膏以粉状形式参与透水砖生产时，有研究表面明，当磷石膏的掺量达到20％左右时，会导致透水砖的透水性能大幅下降，透水砖的透水系数仅为0.3×10-2cm/s，远低于国家标准《GBT 25993-2010透水路面砖和透水路面板》中对透水砖的透水系数的规定(国家标准中规定：透水砖的透水系数≥1.0×10-2cm/s)，其原因在于粉状的磷石膏堵塞了透水砖内部的孔隙，因此磷石膏在透水砖生产中的大规模应用受到了限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供能应用于海绵城市建设，还能有效消纳多种大宗工业固废、节能环保的高性能透水砖，实现对磷石膏的规模化资源处理，该透水砖骨料及胶凝材料均使用了固体废弃物，可以有效实现资源综合利用，而且还克服传统透水砖生产能耗高、资源利用率低的缺点，其是以磷石膏、钢渣、建筑废弃物等为主要原料的高性能透水砖，磷石膏通过造粒成型，以骨料形式应用于透水砖生产，可以在不降低透水砖透水性能的前提下，大幅提高磷石膏的掺量，实现对磷石膏的规模化资源处理，该透水砖骨料及胶凝材料均使用了固体废弃物，可以有效实现资源综合利用，而且还克服传统透水砖生产能耗高、资源利用率低的缺点。
本发明通过下述方案实现：一种固废基高性能透水砖，其特征在于：其包括以质量百分比计的如下组分：
胶凝材料 25-40％
骨料 55-70％
水 5-10％；
其中，所述胶凝材料包括水泥、亲水性粘接剂，其组分的质量百分比计的如下：
水泥 40-60％
亲水性粘接剂 40-60％。
一种固废基高性能透水砖，其包括以质量百分比计的如下组分：
胶凝材料 25-40％
骨料 55-70％
水 5-10％；
其中，所述胶凝材料包括水泥、亲水性粘接剂和石灰，其组分的质量百分比计的如下：
水泥 35-50％
亲水性粘接剂 40-60％
石灰 5-10％
一种固废基高性能透水砖，包括以质量百分比计的如下组分：
胶凝材料 25-40％
骨料 55-70％
水 5-10％；
其中，所述胶凝材料包括主料和建筑外加剂，所述主料为水泥、亲水性粘接剂和石灰，其组分的质量百分比计的如下：
水泥 35-50％
亲水性粘接剂 40-60％
石灰 5-10％
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
Figure BDA0003317358170000041
一种固废基高性能透水砖，所述骨料采用磷石膏颗粒、钢渣、建筑废弃物、碎石的一种或者多种混合，优选地，骨料采用为满足国家相关标准的粒径6-8mm的钢渣和磷石膏颗粒，优选含水率为10-35％的磷石膏。
一种固废基高性能透水砖，其特征在于：所述固废基高性能透水砖包括面层和底层，所述面层厚度为8～16mm，所述面层的胶凝材料与骨料的质量比为1:4～1:6，所述底层的胶凝材料与骨料的质量比为1:3～2:3，所述面层的骨料粒径为2～4mm，所述底层的骨料粒径为5～8mm。
所述亲水性粘接剂为亲水性树脂粘结剂，所述亲水性粘接剂为环氧树脂、聚氨酯和丙烯酸树脂中的一种或几种。
一种固废基高性能透水砖的制备方法，其按照以下步骤进行：
步骤一、制备胶凝材料；
步骤二、制备骨料，骨料采用磷石膏，制备磷石膏颗粒骨料的方法如下：先将原状磷石膏进行预处理后，直接烘干或混合后烘干，然后煅烧，研磨，冷却陈化，最后将磷石膏送入造粒设备制备磷石膏颗粒，对制得的磷石膏颗粒还可以根据透水砖生产的需要进行烘干处理；
步骤三、将胶凝材料的各原料、建筑外加剂以及骨料和水按配比混合搅拌均匀；
步骤四、在常温条件下，将混合料送入透水砖成型设备中，充分振实成型，在常温条件下喷水养护7天，在自然干燥，制成固废基高性能透水砖。
所述步骤二中采用环氧树脂、水泥对磷石膏颗粒进行预覆膜处理，采用环氧树脂对磷石膏颗粒进行预覆膜处理时，将磷石膏颗粒加热，加热温度为180～240℃，在搅拌下加入偶联剂和环氧树脂，加入固化剂并搅拌，当物料即将结团时，加入润滑剂，继续搅拌，直至物料完全分散。
所述采用水泥对磷石膏颗粒进行预覆膜处理时首先把水泥和水加入搅拌机，搅拌均匀后再加入磷石膏颗粒，继续搅拌至磷石膏颗粒表面被水泥浆均匀包裹。
所述步骤二中磷石膏原料的烘干温度为40～110℃，对磷石膏颗粒的烘干温度为30～120℃。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供了一种固废基高性能透水砖，其是以磷石膏、钢渣、建筑废弃物等为主要原料的高性能透水砖，磷石膏通过造粒成型，以骨料形式应用于透水砖生产，可以在不降低透水砖透水性能的前提下，大幅提高磷石膏的掺量；
2、本发明提供一种既能应用于海绵城市建设，还能有效消纳多种大宗工业固废、节能环保的高性能透水砖；
3、本发明循环利用了磷化、钢铁等企业产生的固体废弃物磷石膏、钢渣等工业固废，实现了大宗工业固废资源的综合利用；
4、本发明提供的新型生态透水砖，抗折强度不小于4.0MPa，抗压强度不小于30MPa，透水系数不小于1.0×10-2，抗折强度、透水系数、抗压强度均高于国家标准，具有很好的综合性能；
5、本发明不使用硫铝酸盐水泥、天然石膏等高价值原料，降低了对自然资源和能源的消耗，原料供应稳定可靠，成本更低，制得的透水砖具有成本低、性能优良的特点，实现了资源综合利用。
6、本发明将磷石膏造粒后，以骨料形式参与透水砖的制备，大幅提高了透水砖中磷石膏的使用量，在透水砖中磷石膏的最高掺量(质量分数计)可达50％，有益于磷石膏的资源化利用，磷石膏的造粒方式可以采用圆盘造粒、挤压造粒等各种造粒方式；
7、本发明大量利用了磷石膏、钢渣等大宗工业固废，可以有效的消纳工业固体废弃物，实现固废资源的高效循环综合利用；
8、本发明在加工过程不需要加热和煅烧，符合节能减排、绿色环保的循环经济理念；
9、本发明的原材料成本低，供应稳定，产品具有较高的性价比，有利于大范围推广使用；
10、本发明采用建筑外加剂可以显著改善新型高性能透水砖的力学性、稳定性和透水效果。
具体实施方式
下面对本发明进一步说明，但本发明保护范围不局限所述内容。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征，在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱，应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例，另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
实施例中的磷石膏为云南天安化工公司产；水泥采用425普通硅酸盐水泥；钢渣采用昆钢生产的一级钢渣。
实施例中试件的制作方式和测试方式按照国家标准GBT 25993-2010透水路面砖和透水路面板中相关规定进行。
实施例一：
透水砖三组分：胶凝材料25％，骨料70％，水5％，其中磷石膏的掺量以质量分数计为20％。
胶凝材料的组分为：亲水性粘接剂40％、水泥60％；
骨料为磷石膏颗粒、钢渣和碎石，所述面层厚度为8mm，骨料采用钢渣。粒径在2-4mm范围内，面层胶凝材料采用亲水性粘接剂，面层中胶凝材料和骨料的质量比为1:4；底层骨料为磷石膏颗粒和钢渣颗粒的混合物，粒径为5～8mm，所述底层胶凝材料与骨料的质量比为1:3。
性能如下：抗压强度:42.4MPa，抗折强度：4.85MPa，透水系数：，符合国家相关标准的要求。
实施例二：
透水砖三组分：胶凝材料30％，骨料65％，水5％，其中磷石膏的掺量以质量分数计为30％。
胶凝材料主料的组分为：胶凝材料的组分为：亲水性粘接剂34％、水泥60％、石灰6％。
建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：透水助剂4‰、减水剂4‰、染料1‰。
骨料为磷石膏颗粒、钢渣和建筑固废，面层厚度为10mm，骨料粒径在2-4mm范围内，胶凝材料与骨料的质量比为1:5，底层厚度为50mm，骨料粒径在3-5mm范围内，胶凝材料与骨料的质量比为1:4。
性能如下：抗压强度:39.8MPa，抗折强度：4.55MPa，透水系数：1.5×10-2cm/s，符合国家相关标准的要求。
实施例三：
透水砖三组分：胶凝材料40％，骨料55％，水5％，其中磷石膏的掺量以质量分数计为40％。
胶凝材料主料的组分为：胶凝材料主料的组分为：胶凝材料的组分为：亲水性粘接剂36％、水泥60％、石灰4％。
建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：透水助剂5‰、减水剂4‰、染料1‰、光稳定剂4‰、抗氧化剂3‰。
骨料为磷石膏颗粒、钢渣和碎石，面层厚度为15mm，骨料粒径在2-4mm范围内，胶凝材料与骨料的质量比为1:5，底层厚度为50mm，骨料粒径在4-5mm范围内，胶凝材料与骨料的质量比为1:2。
性能如下：抗压强度:35.8MPa，抗折强度：4.15MPa，透水系数：1.2×10-2cm/s，符合国家相关标准的要求。
尽管已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的技术人员而言是显而易见，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种固废基高性能透水砖，其特征在于：其包括以质量百分比计的如下组分：
胶凝材料 25-40％
骨料 55-70％
水 5-10％；
其中，所述胶凝材料包括水泥、亲水性粘接剂，其组分的质量百分比计的如下：
水泥 40-60％
亲水性粘接剂 40-60％。
2.根据权利要求1所述的一种固废基高性能透水砖，其特征在于：其包括以质量百分比计的如下组分：
胶凝材料 25-40％
骨料 55-70％
水 5-10％；
其中，所述胶凝材料包括水泥、亲水性粘接剂和石灰，其组分的质量百分比计的如下：
水泥 35-50％
亲水性粘接剂 40-60％
石灰 5-10％。
3.根据权利要求1所述的一种固废基高性能透水砖，其特征在于：包括以质量百分比计的如下组分：
胶凝材料 25-40％
骨料 55-70％
水 5-10％；
其中，所述胶凝材料包括主料和建筑外加剂，所述主料为水泥、亲水性粘接剂和石灰，其组分的质量百分比计的如下：
水泥 35-50％
亲水性粘接剂 40-60％
石灰 5-10％
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
Figure FDA0003317358160000021
4.根据权利要求1所述的一种固废基高性能透水砖，其特征在于：所述骨料采用磷石膏颗粒、钢渣、建筑废弃物、碎石的一种或者多种混合。
5.根据权利要求1所述的一种固废基高性能透水砖，其特征在于：所述固废基高性能透水砖包括面层和底层，所述面层厚度为8～16mm，所述面层的胶凝材料与骨料的质量比为1:4～1:6，所述底层的胶凝材料与骨料的质量比为1:3～2:3，所述面层的骨料粒径为2～4mm，所述底层的骨料粒径为5～8mm。
6.根据权利要求1所述的一种固废基高性能透水砖，其特征在于：所述亲水性粘接剂为亲水性树脂粘结剂，所述亲水性粘接剂为环氧树脂、聚氨酯和丙烯酸树脂中的一种或几种。
7.一种固废基高性能透水砖的制备方法，其特征在于：其按照以下步骤进行：
步骤一、制备胶凝材料；
步骤二、制备骨料，骨料采用磷石膏，制备磷石膏颗粒骨料的方法如下：先将原状磷石膏进行预处理后，直接烘干或混合后烘干，然后煅烧，研磨，冷却陈化，最后将磷石膏送入造粒设备制备磷石膏颗粒，烘干；
步骤三、将胶凝材料的各原料、建筑外加剂以及骨料和水按配比混合搅拌均匀；
步骤四、在常温条件下，将混合料送入透水砖成型设备中，充分振实成型，在常温条件下喷水养护7天，在自然干燥，制成固废基高性能透水砖。
8.根据权利要求7所述的一种固废基高性能透水砖，其特征在于：所述步骤二中采用环氧树脂、水泥对磷石膏颗粒进行预覆膜处理，采用环氧树脂对磷石膏颗粒进行预覆膜处理时，将磷石膏颗粒加热，加热温度为180～240℃，在搅拌下加入偶联剂和环氧树脂，加入固化剂并搅拌，当物料即将结团时，加入润滑剂，继续搅拌，直至物料完全分散。
9.根据权利要求8所述的一种固废基高性能透水砖，其特征在于：所述采用水泥对磷石膏颗粒进行预覆膜处理时首先把水泥和水加入搅拌机，搅拌均匀后再加入磷石膏颗粒，继续搅拌至磷石膏颗粒表面被水泥浆均匀包裹。
10.根据权利要求8所述的一种固废基高性能透水砖，其特征在于：所述步骤二中磷石膏原料的烘干温度为40～110℃，对磷石膏颗粒的烘干温度为30～120℃。
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