CN114920518B - 一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖及其制备方法 - Google Patents

一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖及其制备方法，该免烧砖由河道淤泥、活化电解锰渣、水泥和河砂等组分原料固化得到。该免烧砖原料中大量采用固废材料，利用给原料组分间的协同作用，使得该免烧砖具有优异的力学性能。本发明所提供免烧砖的制备工艺采用两段式工艺，将电解锰渣、水泥和水混合制备胶质混合料，再加入剩下的免烧砖原料充分混合，经压制、脱模和养护即得。该制备方法工艺简单，成本低廉，对环境友好，对于固废材料的资源化处理具有重要的指导意义。

Description

一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种固废材料制备免烧砖的方法，具体涉及一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖及其制备方法，属于固体废物资源化利用领域。
背景技术
当河流上修建水库以及华东地势平坦的地区，水流流速缓慢，必然会导致泥沙开始大量的沉积，随着时间的延长，沉积的疏浚底泥加厚，导致水位上升，河道蓄水、防洪、航海运输以及水环境安全指数降低。由于大量废水排入河流，同时河流内存在动植物残骸、寄生虫卵、病毒病原微生物、重金属、难降解有机毒物，所以使得淤泥的成分十分复杂。河道淤泥一般含有大量的有害物质，如果得不到有效处理，随意排放堆积，不仅侵占大量农田耕地，也会污染周围水体与土壤，甚至地下水。河道淤泥目前应用较为广泛，有能源利用、农业利用、土地利用、建材化利用。其主要组成成分为二氧化硅、氧化铝、氧化镁等，与黏土相似，但是河道淤泥塑性指数较高，干燥收缩较大，会导致烧制砌块砖的强度低，并伴随能耗大、产生有害气体等缺点，无法得到很好的利用。
我国电解锰产量约占世界锰总产量的98％，是全球最大的电解锰生产国、消费国、出口国。电解锰渣是锰矿粉经硫酸浸出后，矿浆固液分离产生的含水28％左右的湿法浸出渣。目前我国对电解锰渣的的主要处置方式是堆存，对周边土壤及地下水存在极大污染隐患。我国对电解锰渣的处理研究处于起步阶段，主要用作水泥缓凝剂、生产类硫铝酸盐水泥、生成农作物肥料、用作路基材料等，但利用效果不佳，无法实现产业化，仍处于实验室研究阶段。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，该免烧砖原料中大量采用固废材料，利用给原料组分间的协同作用，使得该免烧砖具有优异的力学性能，养护28d后，抗压能力可达到35～50MPa。
本发明的第二个目的在于提供一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖的制备方法，该制备方法采用两段式工艺，将电解锰渣、水泥和水混合制备胶质混合料，在加入剩下的免烧砖原料充分混合，经压制、脱模和养护即得。该方法工艺简单，成本低廉，对环境友好，实现了固废材料的资源化处理。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，其原料包括以下组分：河道淤泥、电解锰渣、水泥和河砂；所述电解锰渣为煅烧电解锰渣。
本发明所提供的双掺免烧砖利用原料各组分间的协同作用，大幅提高了免烧砖的力学性能。经过煅烧后的电解锰渣可以有效激发潜在的活性成分，在后续的反应中形成类似于水泥熟料C-S-H的形式存在，这种存在形式可与河道污泥中的钙盐、硅铝盐发生水合反应，在保障免烧砖力学强度的前提下结合更多的河道污泥，极大的提高了该免烧砖对于固废材料的消纳能力。水泥不仅起到了胶凝作用，还进一步激发煅烧后电解锰渣中的活性成分，河砂作为粗集料，强化了砖体骨架，进一步增强了砖体强度。
作为一项优选的方案，所述双掺免烧砖包括以下质量百分比组分：河道淤泥25～30％、电解锰渣20～25％、水泥10～15％和河砂30～45％。
本发明所提供的免烧砖各组分原料需严格按照上述配比要求，若电解锰渣添加量过少，所提供的胶凝活性物质过少，不足以提高砖体强度达标；若电解锰渣添加量过多，则无法形成稳定的骨架结构，会有锰浸出的风险。
作为一项优选的方案，所述河道淤泥初始含水率为50～60％，有机质含量为2～6％。
作为一项优选的方案，所述煅烧电解锰渣为经过高温煅烧的电解锰渣，高温煅烧条件为：温度850～1000℃，时间60～90min。
作为一项优选的方案，所述煅烧电解锰渣的粒径为40～100目。
本发明还提供了基于上述所述的一种河道淤泥、电解锰渣双掺免烧砖的制备方法，主要过程为：将电解锰渣、水泥和水充分混合，得到胶质混合料；将胶质混合料、河砂和河道淤泥充分混合，再依次经过压制、脱模和养护即得免。
本发明采用了两段式制备工艺，先将水泥、电解锰渣与水进行充分搅拌均匀再加入河道淤泥与河砂进行混合，所形成的胶质混合料能均匀包裹住骨料以及河道淤泥，便于后续经水化反应形成连续相凝胶物质，从而提高砖体强度。
作为一项优选的方案，所述电解锰渣与水的质量比为20～25：15～24。
作为一项优选的方案，所述河道淤泥需经过烘干粉碎处理，含水率≤1％，粒径为40～100目。
作为一项优选的方案，所述电解锰渣、水泥和水的混合方式为搅拌混合，搅拌条件为：转速180～240r/min，时间为3～5min。
作为一项优选的方案，所述胶质混合料、河砂和河道淤泥的混合方式为搅拌混合，搅拌条件为：转速180～240r/min，时间为3～5min。
作为一项优选的方案，所述压制方式为缓慢加压，加压时间≥20s，压力峰值为15～25MPa，压力峰值保持时间为30～60s；所述养护方式为养护箱养护，养护箱条件为：湿度为70～90，温度为15～25℃。缓慢加压过程有利于固体废弃物和胶凝材料中空气的排出，防止因为空气滞留在砖体中导致砖体出现断层等现象，同时能增加砖体的密实度，提高免烧砖的前期强度。
由于淤泥的主要成分为孔隙较大的粉土和黏土，胶凝活性极低，直接采用淤泥来制备免烧砖不易成型且强度极低，无法满足建材要求，通常需要将淤泥脱水后添加粉煤灰、煤渣等瘠性料。而未经煅烧的电解锰渣大量潜在的活性组分得不到有效的激发，无法展现出胶凝活性。因此，本发明创造性的将电解锰渣煅烧后混合河道淤泥制备免烧砖，利用电解锰渣与河道淤泥的协同作用，从而得到高力学性能的免烧砖。电解锰渣经过高温煅烧后，有效的激发了原料中Al、Fe、Ca和Si等元素，将之转化为氧化硅、氧化铝、氧化钙和硫酸盐等具有较强活性的胶凝活性物质，其所形成的C-S-H结构于水泥熟料相似，可以大幅减少水泥的添加量，该结构还可以结合河道淤泥中的钙盐和硅铝盐，激发淤泥的胶凝活性，进一步密实淤泥的内部结构，在保障免烧砖力学强度的前提下结合更多的河道污泥。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
1)本发明所提供的一种河道淤泥、电解锰渣双掺免烧砖，该免烧砖原料中大量采用固废材料，利用给原料组分间的协同作用，使得该免烧砖具有优异的力学性能，养护28d后，抗压能力可达到35～50Mpa。
2)本发明所提供的一种河道淤泥、电解锰渣双掺免烧砖的制备方法，两段式工艺，将电解锰渣、水泥和水混合制备胶质混合料，在加入剩下的免烧砖原料充分混合，经压制、脱模和养护即得。该方法工艺简单，成本低廉，对环境友好，实现了固废材料的资源化处理。
3)本发明所提供的技术方案中，基于原料间的协同作用，不仅提高了免烧砖的力学强度，还大幅提高了免烧砖对于固体废物的消纳能力，固体废物含量占免烧砖总质量可达50％，对固废材料资源化利用有着重要的指导意义。
附图说明
图1是河道淤泥与电解锰渣免烧砖的制备工艺流程图。
图2是实验室制备的河道淤泥与电解锰渣免烧砖小试块。
图3是实际生产的河道淤泥与电解锰渣免烧砖。
具体实施方式
为了本技术领域的人员更好的理解本发明，下面结合以下实施例对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中所采用的水泥均为硅酸盐水泥，电解锰渣均为850℃回炉煅烧60min煅烧电解锰渣。
实施例1
本实施例中原料各组分质量百分比为：配比比例为河道淤泥30％，电解锰渣20％，水泥12.5％，河砂37.5％；水胶比为0.6。
制备工艺步骤如下：
a.将河道淤泥去除杂草、塑料、石块等杂物后105℃烘干12h，冷却后机械破碎并过60目筛；煅烧电解锰渣过60目筛；
b.按重量份计，向搅拌机中加入过筛后煅烧电解锰渣、水泥、水，240r/min转速下搅拌3min，得到胶结质混料；再按一定比例向胶结质混合料中加入河道淤泥与河砂，240r/min转速下搅拌3min，得到混合料；
c.取一定量混合料加入模具中压制，加压方式为缓慢加压，加压时间为30s，逐渐加压到25MPa，并保持压力60s后脱模，得到成型的免烧砖砖坯；
d.将砖坯放置空气湿度90，温度20℃的养护箱中养护28d，制得成品。
实施例2
区别于实施例1的是，本实施例中配比比例为河道淤泥20％，电解锰渣25％，水泥10％，河砂45％，水胶比为0.6。
制备工艺步骤如下：
a.将河道淤泥去除杂草、塑料、石块等杂物后105℃烘干12h，冷却后机械破碎并过60目筛；煅烧电解锰渣过60目筛；
b.按重量份计，向搅拌机中加入过筛后煅烧电解锰渣、水泥、水，240r/min转速下搅拌3min，得到胶结质混料；再按一定比例向胶结质混合料中加入河道淤泥与河砂，240r/min转速下搅拌3min，得到混合料；
c.取一定量混合料加入模具中压制，加压方式为缓慢加压，加压时间为30s，逐渐加压到25MPa，并保持压力60s后脱模，得到成型的免烧砖砖坯；
d.将砖坯放置空气湿度90，温度20℃的养护箱中养护28d，制得成品。
实施例3
区别于实施例1的是，本实施例中配比比例为河道淤泥25％，电解锰渣20％，水泥12.5％，河砂42.5％，水胶比为0.6。
制备工艺步骤如下：
a.将河道淤泥去除杂草、塑料、石块等杂物后105℃烘干12h，冷却后机械破碎并过60目筛；煅烧电解锰渣过60目筛；
b.按重量份计，向搅拌机中加入过筛后煅烧电解锰渣、水泥、水，240r/min转速下搅拌3min，得到胶结质混料；再按一定比例向胶结质混合料中加入河道淤泥与河砂，240r/min转速下搅拌3min，得到混合料；
c.取一定量混合料加入模具中压制，加压方式为缓慢加压，加压时间为30s，逐渐加压到25MPa，并保持压力60s后脱模，得到成型的免烧砖砖坯；
d.将砖坯放置空气湿度90，温度20℃的养护箱中养护28d，制得成品。
实施例4
区别于实施例1的是，本实施例中原料各组分质量百分比为：河道淤泥30％，电解锰渣20％，水泥15％，河砂35％；水胶比为0.6。
制备工艺步骤如下：
a.将河道淤泥去除杂草、塑料、石块等杂物后105℃烘干12h，冷却后机械破碎并过60目筛；煅烧电解锰渣过60目筛；
b.按重量份计，向搅拌机中加入过筛后煅烧电解锰渣、水泥、水，240r/min转速下搅拌3min，得到胶结质混料；再按一定比例向胶结质混合料中加入河道淤泥与河砂，240r/min转速下搅拌3min，得到混合料；
c.取一定量混合料加入模具中压制，加压方式为缓慢加压，加压时间为30s，逐渐加压到25MPa，并保持压力60s后脱模，得到成型的免烧砖砖坯；
d.将砖坯放置空气湿度90，温度20℃的养护箱中养护28d，制得成品。
实施例5
区别于实施例1的是，本实施例中配比比例为河道淤泥25％，电解锰渣25％，水泥12.5％，河砂37.5％，水胶比为0.6。
制备工艺步骤如下：
a.将河道淤泥去除杂草、塑料、石块等杂物后105℃烘干12h，冷却后机械破碎并过60目筛；煅烧电解锰渣过60目筛；
b.按重量份计，向搅拌机中加入过筛后煅烧电解锰渣、水泥、水，240r/min转速下搅拌3min，得到胶结质混料；再按一定比例向胶结质混合料中加入河道淤泥与河砂，240r/min转速下搅拌3min，得到混合料；
c.取一定量混合料加入模具中压制，加压方式为缓慢加压，加压时间为30s，逐渐加压到25MPa，并保持压力60s后脱模，得到成型的免烧砖砖坯；
d.将砖坯放置空气湿度90，温度20℃的养护箱中养护28d，制得成品。
对实施例1-5制备的河道淤泥与煅烧电解锰渣免烧砖进行抗压强度以及密度检测，采用参照标准为GBT21144-2007《混凝土实心砖》，得到的结果如表1所示。
表1实施例1～5免烧砖参数表
从表1数据可以看出，本发明的河道淤泥与煅烧电解锰渣免烧砖的性能可以满足GBT21144-2007《混凝土实心砖》中的Mu35标准，部分砖体可以满足Mu40标准。
本对比例中原料各组分质量百分比为：河道淤泥25％，水泥12.5％，河砂62.5％；水占原料总质量的19.5％。
制备工艺步骤如下：
a.将河道淤泥去除杂草、塑料、石块等杂物后105℃烘干12h，冷却后机械破碎并过60目筛；煅烧电解锰渣过60目筛；
b.按重量份计，向搅拌机中加入水泥、水，240r/min转速下搅拌3min，得到胶结质混料；再按一定比例向胶结质混合料中加入河道淤泥与河砂，240r/min转速下搅拌3min，得到混合料；
c.取一定量混合料加入模具中压制，加压方式为缓慢加压，加压时间为30s，逐渐加压到25MPa，并保持压力60s后脱模，得到成型的免烧砖砖坯；
d.将砖坯放置空气湿度90，温度20℃的养护箱中养护28d，制得成品。
对比例2
本对比例中原料各组分质量百分比为：电解锰渣15％，水泥12.5％，河砂72.5％；水占原料总质量的19.5％。
制备工艺步骤如下：
a.将河道淤泥去除杂草、塑料、石块等杂物后105℃烘干12h，冷却后机械破碎并过60目筛；煅烧电解锰渣过60目筛；
b.按重量份计，向搅拌机中加入过筛后煅烧电解锰渣、水泥、水，240r/min转速下搅拌3min，得到胶结质混料；再按一定比例向胶结质混合料中加入河道淤泥与河砂，240r/min转速下搅拌3min，得到混合料；
c.取一定量混合料加入模具中压制，加压方式为缓慢加压，加压时间为30s，逐渐加压到25MPa，并保持压力60s后脱模，得到成型的免烧砖砖坯；
d.将砖坯放置空气湿度90，温度20℃的养护箱中养护28d，制得成品。
对比例3
本对比例中原料各组分质量百分比为：水泥12.5％，河砂87.5％；水占原料总质量的19.5％。
制备工艺步骤如下：
a.将河道淤泥去除杂草、塑料、石块等杂物后105℃烘干12h，冷却后机械破碎并过60目筛；煅烧电解锰渣过60目筛；
b.按重量份计，向搅拌机中加入水泥和水，在240r/min转速下搅拌3min，得到胶结质混料；再按一定比例向胶结质混合料中加入河砂，240r/min转速下搅拌3min，得到混合料；
c.取一定量混合料加入模具中压制，加压方式为缓慢加压，加压时间为30s，逐渐加压到25MPa，并保持压力60s后脱模，得到成型的免烧砖砖坯；
d.将砖坯放置空气湿度90，温度20℃的养护箱中养护28d，制得成品。
对比例4
本对比例中电解锰渣并未经过高温煅烧，其余条件与实施例3完全相同。
对对比例1～4制备的河道淤泥与煅烧电解锰渣免烧砖进行抗压强度以及密度检测，采用参照标准为GBT21144-2007《混凝土实心砖》，得到的结果如表2所示。
表2对比例1～4免烧砖参数表
将本发明对比例与实施例对比，显而易见的是，当免烧砖中同时掺入河道淤泥与电解锰渣时，砖体强度并未降低的同时免烧砖的总固废掺入量能得到巨大的提升，随着砂子的掺入量减少，能有效降低免烧砖的生产成本，是一种经济可行的河道淤泥与电解锰免烧砖制备方法。
通过对比例4可以看出未经煅烧的电解锰渣所得免烧砖的力学强度远远小于采用煅烧电解锰渣所得免烧砖，这也证明了经过煅烧后的电解锰渣可以有效激发潜在的活性成分，在后续的反应中形成类似于水泥熟料C-S-H的形式存在，并与河道污泥中的钙盐、硅铝盐发生水合反应，极大的提高了免烧砖的力学强度。
以上实施例应当理解为仅仅是用于更详细、具体地说明本发明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明，本发明中虽然为实现本发明所使用的有些材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

Claims (7)

1.一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，其特征在于：原料由以下质量百分比组分：河道淤泥25～30％，电解锰渣20～25％，水泥10～15％和河砂30～45％；将电解锰渣、水泥和水充分混合，得到胶质混合料；将胶质混合料、河砂和河道淤泥充分混合后，再依次经过压制和养护即得；所述电解锰渣为煅烧电解锰渣；所述电解锰渣与水的质量比为20～25：15～24。
2.根据权利要求1所述的一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，其特征在于：所述河道淤泥的初始含水率为50～60％，有机质含量为2～6％。
3.根据权利要求1所述的一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，其特征在于：所述煅烧电解锰渣由电解锰渣在850～1000℃温度下煅烧60～90min得到。
4.根据权利要求1所述的一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，其特征在于：所述煅烧电解锰渣的粒径为40～100目。
5.根据权利要求1所述的一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，其特征在于：所述河道淤泥需经过烘干粉碎处理，含水率≤1％，粒径为40～100目。
6.根据权利要求1所述的一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，其特征在于：所述电解锰渣、水泥和水的混合方式为搅拌混合，搅拌条件为：转速180～240r/min，时间为3～5min；所述胶质混合料、河砂和河道淤泥的混合方式为搅拌混合，搅拌条件为：转速180～240r/min，时间为3～5min。
7.根据权利要求1所述的一种河道淤泥和电解锰渣双掺免烧砖，其特征在于：所述压制方式为缓慢加压，加压时间≥20s，压力峰值为15～25MPa，压力峰值保持时间为30～60s；所述养护方式为养护箱养护，养护箱条件为：温度为15～25℃。
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