CN114873957A - 一种耐水抗菌的环保渣土砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐水抗菌的环保渣土砖及其制备方法，其是将渣土、碱渣、高炉矿渣微粉和再生红砖细骨料等固体废弃物与纳米氮化碳聚合物和水性外加剂经拌和、压制和养护后得到。本发明以碱渣‑矿渣‑PTB乳液组成低碳胶凝材料，固结渣土、碱渣和再生红砖骨料成型，其中PTB乳液不仅可改善胶凝材料与渣土、碱渣和再生红砖骨料的界面过渡区，提升砖体力学性能，同时可增强砖体的憎水性，降低其吸水率；砖体中均匀分布的纳米氮化碳聚合物不仅可密实砖体，改善砖体的抗渗性，同时能赋予砖体良好的抗菌性能；再生红砖细骨料的多孔特性可降低砖身重量，改善其保温隔热性能，同时其富含的三氧化二铁可促进纳米氮化碳聚合物挥发光催化抗菌功效。

Description

一种耐水抗菌的环保渣土砖及其制备方法
技术领域
本发明属于工程建筑材料领域，具体涉及一种耐水抗菌的环保渣土砖及其制备方法。
背景技术
城市建设产生的大量渣土不仅侵占土地资源，而且容易导致土体滑坡等次生灾害。以渣土为原料制备的免烧渣土砖，可作为人行步道砖、植草砖等使用，是目前渣土综合利用的重要途径之一，符合国家建设资源节约、环境友好型社会的要求，具有广阔的推广应用前景。专利CN 105110720A公开了一种以渣土、砂、水泥和工业石灰为原材料制备的改性渣土免烧砖；专利CN 112830722A公开了一种再生淤泥渣土砖及其制备方法，即采用水泥和土壤固化剂经搅拌、陈化、混合、压制、浸泡和养护得到再生淤泥渣土砖。专利CN113336493A公开了一种以水泥和改性外加剂固结工程渣土和建筑再生石粉制备免烧砖的制备工艺。专利CN 113105176A公开了一种渣土砖及其制备方法，渣土砖组成包括渣土、水泥、细砂、复合增强剂、复合胶凝剂、减水剂。当前，为满足免烧渣土砖的耐水性要求，往往采用普通硅酸盐水泥为胶凝材料，然而普通硅酸盐水泥是一种高碳排放产品，平均生产一吨水泥需排放0.79吨的二氧化碳，不符合国家的“双碳”战略目标。
高炉矿渣是一种具有潜在水化活性的炼铁工业副产物，其在碱性环境中可激发出胶凝活性。相较于普通硅酸盐水泥，以高炉矿渣为胶凝材料的碳排放将降低25~50%。而碱矿渣胶凝材料的碳排放大部分来源碱激发剂。碱渣来源于制碱工业，呈碱性，其颗粒极细，不仅可作为填充物增强基体的密实度，而且可为矿渣的水化反应提供碱源。以碱渣复合矿渣作为胶凝材料制备免烧渣土砖，将进一步降低碳排放。截止目前，鲜有关于基于碱渣-矿渣胶凝体系的免烧渣土砖的研究报道。
生土材料的耐水性能普遍较差，水分会降低颗粒间的黏聚力，使生土材料变得松散。增强砖体的憎水性，隔绝外界水分进入，是改善其耐水性最为有效的方法之一。此外，渣土砖亦可作为景观砖应用，添加光催化剂赋予其自清洁和抗菌性，可极大地降低人工维护成本。经过大量的专利及文献检索，鲜有关于兼具耐水抗菌功能的渣土砖的研究报道。
发明内容
鉴于现有技术的空白和不足，本发明提供了一种耐水抗菌的环保渣土砖及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种耐水抗菌的环保渣土砖的制备方法，其包括如下步骤：
1）将工业石灰粉、工业水玻璃、工业硫酸钠、多环芳香族磺酸盐和PTB乳液加入水中，机械搅拌10~30分钟使其溶解，再覆盖塑料膜密封24小时，得到水性外加剂；
2）取风干渣土，经球磨后得到粒径小于0.6~1 mm的渣土粉，然后将其与碱渣、高炉矿渣微粉和纳米氮化碳聚合物于搅拌机中干搅均匀，而后加入步骤1）所得水性外加剂，搅拌5分钟，最后加入再生红砖细骨料，继续搅拌5分钟，得到湿混合料；
3）将步骤2）所得湿混合料装入磨具，经压力机（10~20 MPa）压制成型，而后于养护箱（20℃，RH>95%）中养护28天，得到所述环保渣土砖。
按重量百分数之和为100%计，步骤1）所得水性外加剂中各组分所占的重量百分数为：工业石灰粉20~30%、工业水玻璃2~5%、工业硫酸钠10~20%、多环芳香族磺酸盐2~8%，PTB乳液2~8%，余量为水。所用PTB乳液是一种水性聚合物塑性分散液，其主要成分为氯乙烯-乙烯基酯-乙烯共聚物。
步骤2）所得湿混合料中各组分所占的重量百分数为：渣土粉40~70%，碱渣10~30%，高炉矿渣微粉20~30%，纳米氮化碳聚合物1~5%，再生红砖细骨料10~30%，水性外加剂10~20%，其重量百分数之和为100%。
其中，所述碱渣来自氨碱法制碱过程中的固体废弃物，其含水率小于5%，干密度为1~1.5 g/cm3，粒径为0.006~0.01 mm。所述高炉矿渣微粉的比表面积为1.8~2.0 m2/g，其中玻璃相含量高于90%。所述再生红砖细骨料为饱和面干状态，其粒径为0.63~4.75 mm，孔隙率为5~15%。所述纳米氮化碳聚合物为纳米片状的石墨相氮化碳，其厚度小于30 nm，比表面积为190~300 m2/g。
本发明所得环保渣土砖的抗压强度不小于20 Mpa；具憎水性表面，其接触角大于100°，抗菌率达到60%以上。
本发明以渣土、碱渣、矿渣和再生红砖细骨料等固体废弃物为主要原材料制备的免烧渣土砖，符合国家建设资源节约、环境友好型社会的要求，也是目前渣土综合利用的重要途径之一。本发明中的环保渣土砖可作为人行步道砖、植草砖、外观墙体等使用，可大规模推广应用，具有良好的经济效益和环境效益。
本发明具有以下优点：
（1）相较于以普通硅酸盐水泥为胶凝材料制备的渣土砖，本发明采用碱渣、矿渣等固体废弃物作为低碳胶凝材料制备渣土砖，更加符合国家“双碳”目标的要求，具有更广阔的推广应用前景。
（2）相较于无机胶凝材料，本发明以碱渣-矿渣-PTB乳液组成的无机-有机胶凝体系，不仅能改善无机胶凝材料与渣土、碱渣和再生红砖骨料的界面过渡区，提升砖体力学性能，同时PTB乳液可增强砖体的憎水性，降低其吸水率，从而提升其软化系数。
（3）本发明通过在砖体中均匀分布纳米片状的氮化碳聚合物，不仅可密实基体，增长水分子的渗透路径，提升砖体的抗渗性，还可赋予砖体良好的自清洁和抗菌性能，降低人工维护成本。
（4）相较于以细砂、机制砂等为细骨料制备的渣土砖，以再生红砖细骨料制备的渣土砖不仅减轻砖体重量，改善了砖体的保温隔热性能，而且再生红砖细骨料中富含的三氧化二铁组分可促进纳米氮化碳聚合物的光生电子迁移，从而增强纳米氮化碳聚合物发挥光催化自清洁和抗菌功效。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
一种耐水抗菌的环保渣土砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）按工业石灰粉25%、工业水玻璃3%、工业硫酸钠15%、多环芳香族磺酸盐2%和PTB乳液3%称取各原料，通过机械搅拌20分钟使各原料溶于自来水中，并覆盖塑料膜密封24小时，得到水性外加剂；
（2）取风干渣土，经球磨后得到粒径小于0.6 mm的渣土粉，将渣土粉40%与碱渣17%、高炉矿渣微粉20%和纳米氮化碳聚合物3%于搅拌机中干搅均匀；而后取（1）中水性外加剂10%加入混合料中搅拌5分钟，最后加入再生红砖细骨料10%，继续搅拌5分钟得到湿混合料；
（3）将（2）中湿混合料装入磨具，经压力机（20 MPa）压制成型，而后于养护箱（20℃，RH>95%）中养护28天，得到环保渣土砖。
其中，所用碱渣的含水率为3%，干密度为1.2 g/cm3，粒径为0.006~0.01 mm。所用高炉矿渣微粉中玻璃相的含量为92.3%，比表面积为1.89 m2/g。所用再生红砖细骨料为饱和面干状态，其粒径为0.63~4.75 mm，孔隙率为5%。所用纳米氮化碳聚合物为纳米片状的石墨相氮化碳，其厚度为10 nm，比表面积为255 m2/g。
本实施例中得到的环保渣土砖呈憎水性表面，其水接触角为108°。
按GB/T 4111-2013、GB/T 23763-2009和JC/T 1054-2007的相关规定测得渣土砖的抗压强度为20.5 MPa，吸水率为2.7%，软化系数为0.91，抗菌率为75.5%。
实施例2
一种耐水抗菌的环保渣土砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）按工业石灰粉25%、工业水玻璃3%、工业硫酸钠15%、多环芳香族磺酸盐2%和PTB乳液5%称取各原料，通过机械搅拌20分钟使各原料溶于自来水中，并覆盖塑料膜密封24小时，得到水性外加剂；
（2）取风干渣土，经球磨后得到粒径小于0.6 mm的渣土粉，将渣土粉40%与碱渣17%、高炉矿渣微粉20%和纳米氮化碳聚合物3%于搅拌机中干搅均匀；而后取（1）中水性外加剂10%加入混合料中搅拌5分钟，最后加入再生红砖细骨料10%，继续搅拌5分钟得到湿混合料；
（3）将（2）中湿混合料装入磨具，经压力机（20 MPa）压制成型，而后于养护箱（20℃，RH>95%）中养护28天，得到环保渣土砖。
其中，所用碱渣的含水率为3%，干密度为1.2 g/cm3，粒径为0.006~0.01 mm。所用高炉矿渣微粉中玻璃相的含量为92.3%，比表面积为1.89 m2/g。所用再生红砖细骨料为饱和面干状态，其粒径为0.63~4.75 mm，孔隙率为5%。所用纳米氮化碳聚合物为纳米片状的石墨相氮化碳，其厚度为10 nm，比表面积为255 m2/g。
本实施例中得到的环保渣土砖呈憎水性表面，其水接触角为110°。
按GB/T 4111-2013、GB/T 23763-2009和JC/T 1054-2007的相关规定测得渣土砖的抗压强度为23.5 MPa，吸水率为1.7%，软化系数为0.95，抗菌率为68.5%。
实施例3
一种耐水抗菌的环保渣土砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）按工业石灰粉25%、工业水玻璃3%、工业硫酸钠15%、多环芳香族磺酸盐2%和PTB乳液8%称取各原料，通过机械搅拌20分钟使各原料溶于自来水中，并覆盖塑料膜密封24小时，得到水性外加剂；
（2）取风干渣土，经球磨后得到粒径小于0.6 mm的渣土粉，将渣土粉40%与碱渣17%、高炉矿渣微粉20%和纳米氮化碳聚合物3%于搅拌机中干搅均匀；而后取（1）中水性外加剂10%加入混合料中搅拌5分钟，最后加入再生红砖细骨料10%，继续搅拌5分钟得到湿混合料；
（3）将（2）中湿混合料装入磨具，经压力机（20 MPa）压制成型，而后于养护箱（20℃，RH>95%）中养护28天，得到环保渣土砖。
其中，所用碱渣的含水率为3%，干密度为1.2 g/cm3，粒径为0.006~0.01 mm。所用高炉矿渣微粉中玻璃相的含量为92.3%，比表面积为1.89 m2/g。所用再生红砖细骨料为饱和面干状态，其粒径为0.63~4.75 mm，孔隙率为5%。所用纳米氮化碳聚合物为纳米片状的石墨相氮化碳，其厚度为10 nm，比表面积为255 m2/g。
本实施例中得到的环保渣土砖呈憎水性表面，其水接触角为111°。
按GB/T 4111-2013、GB/T 23763-2009和JC/T 1054-2007的相关规定测得渣土砖的抗压强度为26.8 MPa，吸水率为0.8%，软化系数为0.98，抗菌率为60.5%。
对比例1：
一种环保渣土砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）按工业石灰粉25%、工业水玻璃3%、工业硫酸钠15%、多环芳香族磺酸盐2%称取各原料，通过机械搅拌20分钟使各原料溶于自来水中，并覆盖塑料膜密封24小时，得到水性外加剂；
（2）取风干渣土，经球磨后得到粒径小于0.6 mm的渣土粉，将渣土粉40%与碱渣17%、高炉矿渣微粉20%和纳米氮化碳聚合物3%于搅拌机中干搅均匀；而后取（1）中水性外加剂10%加入混合料中搅拌5分钟，最后加入再生红砖细骨料10%，继续搅拌5分钟得到湿混合料；
（3）将（2）中湿混合料装入磨具，经压力机（20 MPa）压制成型，而后于养护箱（20℃，RH>95%）中养护28天，得到环保渣土砖。
其中，所用碱渣的含水率为3%，干密度为1.2 g/cm3，粒径为0.006~0.01 mm。所用高炉矿渣微粉中玻璃相的含量为92.3%，比表面积为1.89 m2/g。所用再生红砖细骨料为饱和面干状态，其粒径为0.63~4.75 mm，孔隙率为5%。所用纳米氮化碳聚合物为纳米片状的石墨相氮化碳，其厚度为10 nm，比表面积为255 m2/g。
本对比例中得到的环保渣土砖呈亲水性表面，其水接触角为10°。
按GB/T 4111-2013、GB/T 23763-2009和JC/T 1054-2007的相关规定测得渣土砖的抗压强度为15.8 MPa，吸水率为13.7%，软化系数为0.78，抗菌率为76.5%。
对比例2：
一种环保渣土砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）按工业石灰粉25%、工业水玻璃3%、工业硫酸钠15%、多环芳香族磺酸盐2%称取各原料，通过机械搅拌20分钟使各原料溶于自来水中，并覆盖塑料膜密封24小时，得到水性外加剂；
（2）取风干渣土，经球磨后得到粒径小于0.6 mm的渣土粉，将渣土粉40%与碱渣20%、高炉矿渣微粉20%于搅拌机中干搅均匀；而后取（1）中水性外加剂10%加入混合料中搅拌5分钟，最后加入再生红砖细骨料10%，继续搅拌5分钟得到湿混合料；
（3）将（2）中湿混合料装入磨具，经压力机（20 MPa）压制成型，而后于养护箱（20℃，RH>95%）中养护28天，得到环保渣土砖。
其中，所用碱渣的含水率为3%，干密度为1.2 g/cm3，粒径为0.006~0.01 mm。所用高炉矿渣微粉中玻璃相的含量为92.3%，比表面积为1.89 m2/g。所用再生红砖细骨料为饱和面干状态，其粒径为0.63~4.75 mm，孔隙率为5%。
本对比例中得到的环保渣土砖呈亲水性表面，其水接触角为12°。
按GB/T 4111-2013、GB/T 23763-2009和JC/T 1054-2007的相关规定测得渣土砖的抗压强度为12.5 MPa，吸水率为15.2%，软化系数为0.73，抗菌率为3.8%。
对比例3
一种环保渣土砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）按工业石灰粉25%、工业水玻璃3%、工业硫酸钠15%、多环芳香族磺酸盐2%和PTB乳液3%称取各原料，通过机械搅拌20分钟使各原料溶于自来水中，并覆盖塑料膜密封24小时，得到水性外加剂；
（2）取风干渣土，经球磨后得到粒径小于0.6 mm的渣土粉，将渣土粉40%与碱渣17%、高炉矿渣微粉20%和纳米氮化碳聚合物3%于搅拌机中干搅均匀；而后取（1）中水性外加剂10%加入混合料中搅拌5分钟，最后加入再生混凝土细骨料10%，继续搅拌5分钟得到湿混合料；
（3）将（2）中湿混合料装入磨具，经压力机（20 MPa）压制成型，而后于养护箱（20℃，RH>95%）中养护28天，得到环保渣土砖。
其中，所用碱渣的含水率为3%，干密度为1.2 g/cm3，粒径为0.006~0.01 mm。所用高炉矿渣微粉中玻璃相的含量为92.3%，比表面积为1.89 m2/g。所用再生混凝土细骨料为饱和面干状态，其粒径为0.63~4.75 mm，孔隙率为0.2%。所用纳米氮化碳聚合物为纳米片状的石墨相氮化碳，其厚度为10 nm，比表面积为255 m2/g。
本对比例中得到的环保渣土砖呈憎水性表面，其水接触角为108°。
按GB/T 4111-2013、GB/T 23763-2009和JC/T 1054-2007的相关规定测得渣土砖的抗压强度为20.1 MPa，吸水率为3.6%，软化系数为0.89，抗菌率为67.8%。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种耐水抗菌的环保渣土砖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将工业石灰粉、工业水玻璃、工业硫酸钠、多环芳香族磺酸盐和PTB乳液加入水中，机械搅拌10~30分钟使其溶解，再密封24小时，得到水性外加剂；
2）取风干渣土，经球磨后得到粒径小于0.6~1 mm的渣土粉，然后将其与碱渣、高炉矿渣微粉和纳米氮化碳聚合物于搅拌机中干搅均匀，而后加入步骤1）所得水性外加剂，搅拌5分钟，最后加入再生红砖细骨料，继续搅拌5分钟，得到湿混合料；
3）将步骤2）所得湿混合料装入磨具，压制成型，而后于养护箱中养护28天，得到所述环保渣土砖。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按重量百分数之和为100%计，步骤1）所得水性外加剂中各组分所占的重量百分数为：工业石灰粉20~30%、工业水玻璃2~5%、工业硫酸钠10~20%、多环芳香族磺酸盐2~8%，PTB乳液2~8%，余量为水。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）所得湿混合料中各组分所占的重量百分数为：渣土粉40~70%，碱渣10~30%，高炉矿渣微粉20~30%，纳米氮化碳聚合物1~5%，再生红砖细骨料10~30%，水性外加剂10~20%，其重量百分数之和为100%。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述碱渣来自氨碱法制碱过程中的固体废弃物，其含水率小于5%，干密度为1~1.5 g/cm3，粒径为0.006~0.01 mm。
5.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述高炉矿渣微粉的比表面积为1.8~2.0 m2/g，其中玻璃相含量高于90%。
6.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述纳米氮化碳聚合物为纳米片状的石墨相氮化碳，其厚度小于30 nm，比表面积为190~300 m2/g。
7.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述再生红砖细骨料为饱和面干状态，其粒径为0.63~4.75 mm，孔隙率为5~15%。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中进行压制的压力为10-20MPa，进行养护的条件为20℃、RH>95%。
9.一种如权利要求1所述方法制得的环保渣土砖，其特征在于，所述环保渣土砖的抗压强度不小于20 Mpa；具憎水性表面，其接触角大于100°，抗菌率达到60%以上。
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