CN115925343B - 一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖及其制备方法，属于建筑材料技术与固体废弃物综合利用领域。本发明要解决现有的利用大宗工业固体废弃物生产的铺路砖存在收缩大、重金属元素渗出率高等技术的问题。本发明铺路砖由生物炭，垃圾焚烧飞灰，钢渣粉，煅烧煤矸石粉，碱性激发剂，外加剂，粘合剂，高聚分散剂组成。本发明采用免烧的方式制得，不仅节约了能源，同时制成的铺路砖性能优异，低收缩，强度高，低重金属渗出率及低成本特性，具有较高的社会效益和经济效益。本发明避免二氧化碳产生和循环进入大气圈，降低了材料生命周期内碳排放量，使得本发明的铺路砖具有较好的生态环保效益。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术与固体废弃物综合利用领域，具体涉及一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖及其制备方法。
背景技术
目前对于大宗工业固体废弃物，如钢渣、垃圾焚烧飞灰及煤矸石等，最主要的处理方式是堆埋，这种方式会使得工业废物中的有毒重金属元素渗入到土壤和水中，危及当地生态群落。尽管利用具有火山灰效应的大宗工业固体废弃物，用于替代水泥或骨料来生产铺路砖，能有效解决上述问题，然而其实际应用中依然存在着一些难题亟待解决。
一方面，直接利用大宗工业固体废弃物生产的铺路砖的收缩是普通水泥基铺路砖收缩的2~3 倍，这一特性将导致大宗工业固体废弃物生产的铺路砖结构极易出现收缩开裂，从而影响耐久性，收缩大是制约其应用发展的关键技术障碍。同时，根据产生收缩的机理不同，可将收缩分为化学收缩、自收缩、干燥收缩、温度收缩和碳化收缩这几类。其中，干燥收缩对大宗工业固体废弃物生产的铺路砖的体积稳定性影响最大，当水在毛细管中蒸发时，毛细管壁上的压力会导致微观结构更为密实的工业废物砖体结构比水泥基砖体的结构产生更明显的收缩和变形，这表明收缩和毛细孔的结构大小和分布有很大的联系。另一方面，直接利用大宗工业固体废弃物生产的铺路砖，尽管其具有抗压强度高、渗透性低及耐腐蚀性好等优良特性，但是随着使用程度的增加，原本存在于大宗工业固体废弃物的有毒重金属元素任然会渗入到土壤和水中，进而危害当地的生态环境。同时由于大宗工业固体废弃物的铺路砖的收缩造成的变形和开裂，会进一步加速有毒重金属元素的渗出，限制了利用大宗工业固体废弃物制作的铺路砖在实际工程的应用和推广。
此外，为了满足现代建筑材料的低碳的发展方向，及针对现有技术存在的问题和研究领域的局限性，亟需开发一种新型低收缩低重金属浸出率生态环保型铺路砖。
发明内容
本发明是主要解决现有的利用大宗工业固体废弃物生产的铺路砖存在收缩大、重金属元素渗出率高等技术问题，同时为了满足建筑材料的绿色低碳的发展要求，通过利用木质废弃物来提升大宗工业固体废弃物制作的铺路砖的性能，来提出一种的一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖及其制备方法，其具有高强度、低收缩、低重金属元素渗出率及能够实现长期碳封存的特点，可以显著提高铺路砖的长期性能和绿色化程度。
为实现上述目的，采用具体技术方案如下：
按重量份数计，本发明的长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖是由分散溶液、复合胶结材料和高强骨料按0.42：1：3的重量比制成；
其中，所述高强骨料按照重量份数是由5份～20份粗生物炭、40份～60份垃圾焚烧飞灰、30份～70份钢渣粉 、10份～20份煅烧煤矸石粉、5～10份碱性激发剂，0.5～1.5份外加剂和20份～50份水组成；
所述复合胶结材料按照重量份数是由20份～40份垃圾焚烧飞灰、30份～50份钢渣粉 ，2份～10份碱性激发剂和1份～4份粘合剂组成；
所述分散溶液按照重量份数是由2份～10份细生物炭、0.2份～0.8份外加剂、高聚分散剂0.3份～0.6份和20份～30 份水组成；
所述粗生物炭的直径为0.15mm～1mm ，所述细生物炭的直径<0.15mm。
进一步地限定，所述的粗/细生物炭是木质废弃物在300℃～500℃条件下缺氧热解4～8小时，在自然条件冷却之后并用破碎机破碎之后，筛取出0.15mm～1mm 粗生物炭和<0.15mm细生物炭；其中木质废弃物为果壳、木屑、竹条、麻杆中的一种或其中几种的任意组合。
进一步地限定，所述的碱性激发剂为氢氧化钠、硅酸钠以及硫酸钠中的一种或者其中几种的任意组合。
进一步地限定，所述的外加剂为萘系、脂肪族、木质磺酸盐减水剂中的一种或者其中几种的任意组合。
进一步地限定，所述的粘合剂为羟丙基甲基纤维素。
进一步地限定，所述高聚物分散剂采用丙烯酸丁酯和/或苯乙烯-丙烯酸(酯) 类共聚物，组合时按任意比组合。
进一步地限定，所述的垃圾焚烧飞灰、钢渣粉及煅烧煤矸石粉的比表面积小于500m2/kg。
本发明中一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖的制备方法是通过下述步骤实现的：
S1:按照重量份数称取5份～20份粗生物炭、40份～60份垃圾焚烧飞灰、30份～70份钢渣粉 、10份～20份煅烧煤矸石粉、5～10份碱性激发剂和0.5～1.5份外加剂后混合均匀，然后倒入成球机中，按照同一重量份数计加入20份～50份水进行造粒，自动成型，自然养护10天～15天，然后筛分出1mm～5mm的骨料颗粒，得到高强骨料；所得的高强骨料用于全部替代铺路砖所需的传统的砂石骨料。
S2：按照重量份数称取20份～40份垃圾焚烧飞灰、30份～50份钢渣粉 ，2份～10份碱性激发剂和1份～4份粘合剂后混合均匀，得到复合胶结材料；所得的复合胶结材料用以全部替代传统铺路砖所需的水泥。
S3：按照重量分数称取2份～10份细生物炭、0.2份～0.8份外加剂、高聚分散剂0.3份～0.6份和20份～30 份水混合，然后超声分散，得到分散溶液；
S4：将分散溶液、复合胶结材料和高强骨料按0.42：1：3重量比混合后搅拌均匀，然后装入模具内振捣成型，得到生坯；
S5: 对生坯进行养护，制得所述铺路砖。
进一步地限定，S1步骤中自然养护10天～15天。
进一步地限定，S3步骤中超声分散的时间为0.5小时～1小时。
进一步地限定，S4步骤中搅拌时间为3分钟～5分钟, 搅拌速率为30rpm～60rpm。
进一步地限定，S5步骤中在温度20℃ ± 2℃，相对湿度55% RH以上的条件下养护，养护龄期为28天。
本发明的有益效果是：
本发明利用垃圾焚烧飞灰及钢渣等大宗工业固体废弃物和粗木质生物炭制备了生物炭骨料用以替代传统的砂石骨料，同时采用大宗工业固体废弃物和细木质生物炭替代水泥作为胶凝材，来制作铺路砖，在处理掉大量固废材料的同时，不但解决因砂石过度开发造成水土流失问题、提高修复生态环境调节气候的作用，而且具有节约资源、降低能耗、成本、保护环境的特点。
本发明利用不同粒径的木质生物炭来优化工业废物铺路砖的孔隙结构及其分布，进而降低砖体结构的收缩。木质废弃物在高温下热解下会形成含有较多空隙的木质生物炭。细木质生物炭的掺入会增加细生物炭中的空隙与对干缩影响最大的1～25 nm的毛细孔的联通的可能性，优化胶凝材料的的孔隙结构，进而降低因为胶凝材料基体中毛细孔失水引起的毛细张力。同时，利用粗木质生物炭与大宗工业固体废弃物制得的高强生物炭骨料具有更大尺寸的孔，这使得骨料的孔和胶凝的孔联通可能性增加，进而优化整个砖体结构的孔隙结构。不同粒径的木质生物炭从不同尺度对砖体结构的孔隙结构及其分布进行了优化，进而生产出了低收缩的大宗工业固体废弃物铺路砖。
本发明利用不同粒径的的木质生物炭，从生产铺路砖所需的胶结材料甚至骨料中都提升了大宗工业固体废弃物中重金属元素的固化，在很大程度中降低了铺路砖在长期使用情况下的重金属元素浸出率。木质废弃物在高温下热解下形成的木质生物炭具有较大的比表面积，同时其表面具有较多数量的活性官能团。大宗工业固体废弃物中的一部分的重金属元素能被生物炭的表面的活性官能团能有效的络合去除，同时较大的比表面积给重金属元素和活性官能团的络合反应提供了场所，也促进了在生物炭表面有毒重金属元素的物理吸附固定在生物炭表面，进而提高了这些金属元素的稳定性。不同粒径的生物炭，从胶凝材料维度和骨料维度，重金属元素进行了双重固化，确保铺路砖的低重金属浸出率。
本发明采用免烧的方式制得了高强生物炭骨料及大宗工业固体废弃物铺路砖，不仅节约了能源，同时制成的铺路砖性能优异，低收缩，强度高，低重金属渗出率及低成本特性，具有较高的社会效益和经济效益。同时利用的木质废弃物中大量的生物质炭被固定封存在大宗工业固体废弃物铺路砖的内部，避免二氧化碳产生和循环进入大气圈，降低了材料生命周期内碳排放量，使得本发明的铺路砖具有较好的生态环保效益。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便验证本发明的有益效果：
实施例1：
一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖的制备方法，本实施例木质废弃物为果壳和麻杆的混合物，在500℃条件下缺氧热解6小时，得到条状或片状生物炭，自然冷却之后，用破碎机粉碎后过筛，筛取出0.15mm～1mm 粗生物炭和<0.15mm细生物炭。本实施例碱性激发剂为质量比1:2氢氧化钠和硫酸钠的混合物，外加剂为聚羧酸高效减水剂，所述的粘合剂为羟丙基甲基纤维素，主要包括步骤S1～步骤S7，具体的步骤说明如下：
S1: 造粒成球：称取粗生物炭15 份，垃圾焚烧飞灰45份，钢渣粉40份，煅烧煤矸石粉 12份，碱性激发剂10份，外加剂0.7份的比例进行配料并混合，将混匀后的混合物料倒入成球机中进行造粒，加入35份水，自动成行，得到养护前的生物炭骨料。
S2：免烧养护：将养护前生物炭骨料先自然养护15天，然后筛分出指定尺寸大小（1～5 mm）的骨料，得到制作铺路砖所需生物炭骨料。
S3：复合胶结材料制配：称取垃圾焚烧飞灰 25份，钢渣粉35份，碱性激发剂6份，粘合剂2.2份后混合均匀，得到复合胶结材料。
S4：分散溶液制配：称取细生物炭5份，外加剂0.5份，高聚分散剂0.4份，水20份后混合，进行超声分散0.6小时，得到分散溶液。
S5：浆体搅拌：将分散溶液，胶凝材料，生物炭骨料按0.42：1：3的重量比混合，以45rpm速率进行搅拌4分钟，并装入250mm×250mm×80mm模具成型。
S6 : 砖坯养护：将铺路砖生坯置于温度20℃ ± 2℃，相对湿度55% 以上的条件下，养护龄期为28天，制得铺路砖成品。
S7：性能测试：对铺路砖的28天的抗压和抗折强度，7天和28天龄期的收缩率，及28天和90天龄期的重金属元素的渗出率进行测试，并且计算理论碳封存量。测试结果列于表1中。
其中，S3步骤中超声分散的时间为0.5小时～1小时。S4步骤中搅拌时间为3分钟～5分钟, 搅拌速率为30rpm～60rpm。
本实施例中，除了充分利用不同粒径的的木质生物炭对砖体孔隙结构的优化和重金属元素的固化, 还充分发挥了碱性激发剂和大宗工业固体废弃物相互作用，为骨料和胶凝材料提供强度保障，同时为了提高骨料和胶凝材料的粘结性能，在制配胶结材料时，也掺入了粘合剂，在改善大宗工业固体废弃物的铺路砖的收缩性能之后，还确保了其在实际应用的强度要求。
实施例2：
一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖的制备方法，本实施例木质废弃物为木屑和竹条的混合物，在400℃条件下缺氧热解8小时，得到条状或片状生物炭，自然冷却之后，用破碎机粉碎后过筛，筛取出0.15mm～1mm 粗生物炭和<0.15mm细生物炭。本实施例碱性激发剂为质量比为1:2氢氧化钠和硅酸钠的混合物，外加剂为萘系高效减水剂，所述的粘合剂为羟丙基甲基纤维素，主要包括步骤S1～步骤S7，具体的步骤说明如下：
S1: 造粒成球：称取粗生物炭18份，垃圾焚烧飞灰50份，钢渣粉55份，煅烧煤矸石粉 14份，碱性激发剂14份，外加剂1.2份的比例进行配料并混合，将混匀后的混合物料倒入成球机中进行造粒，加入40份水，自动成行，得到养护前的生物炭骨料。
S2：免烧养护：将养护前生物炭骨料先自然养护15天，然后筛分出指定尺寸大小（1～5 mm）的轻骨料，得到制作砖所需生物炭骨料。
S3：复合胶结材料制配：称取垃圾焚烧飞灰 30份，钢渣粉40份，碱性激发剂8份，粘合剂3份后混合均匀，得到复合胶结材料。
S4：分散溶液制配：称取细生物炭8份，外加剂0.7份，高聚分散剂0.6份，水25份后混合，进行超声分散0.8小时，得到分散溶液。
S5：浆体搅拌：将分散溶液，胶凝材料，生物炭骨料按0.42：1：3的重量比混合，以50rpm速率进行搅拌5分钟，并装入250mm×250mm×80mm模具成型。
S6 : 砖坯养护：将铺路砖生坯置于温度20℃ ± 2℃，相对湿度55% 以上的条件下，养护龄期为28天，制得铺路砖成品。
S7：性能测试：对铺路砖的28天的抗压和抗折强度，7天和28天龄期的收缩率，及28天和90天龄期的重金属元素的渗出率进行测试，并且计算理论碳封存量。测试结果列于表1中。
其中，S3步骤中超声分散的时间为0.5小时～1小时。S4步骤中搅拌时间为3分钟～5分钟, 搅拌速率为30rpm～60rpm。
本实施例中，粗生物炭和细生物炭的重量比例较高，相应的在生物炭骨料制作和分散溶液制配中，使用的外加剂和高聚分散剂的份数也增加。一方面，外加剂的份数的增加可以使生物炭骨料中的粗生物炭和胶凝材料更好的粘接，降低骨料中的薄弱环节的产生，提高生物炭骨料的质量，另外一方面，高聚分散剂的份数增加，减少生物炭表面基团团聚，优化细生物炭表面的官能团的活性，提高生物炭对重金属离子的固化效率。
对比例1：本对比例未使用粗生物炭骨料，而是使用传统的砂石骨料
本对比例1与实施例2的一致之处主要表现在以下方面：传统砂石的级配和用量与实施例2中的生物炭骨料一致；所使用的木质废弃物、碱性激发剂、及外加剂与实施例2中一致；获取细生物炭的设定的条件和方法与实施2中一致；复合胶结材料的制配和分散溶液制配所需的原材料的重量，砖坯养护及性能测试方式与实施2中一致。
本对比例1与实施例2的不同之处主要体现在以下方面：对比例1中不包括实施例2中的步骤S1（造粒成球）和步骤S2（免烧养护），即生物炭骨料的制备过程不存在对比例1中；对比例1中的浆体搅拌中所需的3kg生物炭骨料被相同级配3kg的砂石骨料替代。
本对比例1主要是用于对比粗生物炭骨料和传统砂石骨料，对利用大宗工业固体废弃物生产的铺路砖的性能的影响。
对比例2：本对比例未使用细生物炭
本对比例2与实施例2的不同之处在于，实施例2步骤S4（分散溶液制配）中使用的细生物炭未在对比例2中使用，其他原材料的份数和制配方式，及具体步骤与实施例2中一致。本对比例2主要是用于对比未添加细生物炭和添加细生物炭，对利用大宗工业固体废弃物生产的铺路砖的性能变化的影响。
对比例3：本对比例未使用粗生物炭和细生物炭，其中粗生物炭骨料用传统砂石骨料替代。
本对比例3与实施例2的不同之处主要体现在以下方面：对比例3中不采用木质废弃物，对比例3中不包括实施例2中的步骤S1（造粒成球）和步骤S2（免烧养护），即生物炭骨料的制备过程不存在对比例3中；对比例3中的浆体搅拌中所需的3份生物炭骨料被相同级配3份的砂石骨料替代；实施例2步骤S4（分散溶液制配）中使用的细生物炭未在对比例3中使用。
本对比例3与实施例2的一致之处主要表现在以下方面：传统砂石的级配和用量与实施例2中的生物炭骨料一致；所使用碱性激发剂、及外加剂与实施例2中一致；复合胶结材料的制配和分散溶液制配所需的原材料的重量，砖坯养护及性能测试方式与实施2中一致。
本对比例3主要是用于对比未添加粗、细生物炭和添加粗、细生物炭，对利用大宗工业固体废弃物生产的铺路砖性能变化的影响。
其中铺路砖的抗压及抗折强度的测试方法是按照JC/T 446-2000《混凝土路面砖》的规定执行，收缩率的测试按照JGJ/70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》中的规定执行，电感耦合等离子体质谱用以测试重金属的浸出率，碳封存量是通过生命周期评估方法测算，以验证不同粒径的木质生物炭对于强度、收缩率，重金属元素固化及固碳能力的改善效果。
表1展示了上述各个实施例和对比例中铺路砖性能测试结果。从实施例1和2中的测试结果来看，28天的抗压强度能够达到45MPa以上，28天的抗折强度能达到5MPa以上。与对比组3相比，对比组1和2中的收缩率都分别因为采用了细生物炭和粗生物炭骨料而得到了改善，说明不同粒径的木质生物炭都能在一定程度上改善铺路砖的收缩变形性能。另外，实施例1和2中的7天和28天的收缩率也远远小于其他对比组，说明细生物炭和粗生物炭制成的骨料共同作用能最大力度的减小铺路砖的收缩变形。同时，实施例1和2中的碳封存量最大，表面了依据本发明生产的生物砖具有较高的生态环保效益。
表2展示了述各个实施例和对比例中铺路砖重金属元素浸出率测试结果。在实施例1和2中，都未检测到重金属有害元素的浸出，这表明不同粒径的生物炭的共同作用能有效的促进重金属元素的物理吸附和固化，进而提高了这些金属元素的稳定性。同时，与对比组3相比，对比组1和2中的重金属元素的浸出率都分别因为采用了细生物炭和粗生物炭骨料而得到了改善，说明不同粒径的木质生物炭都能在一定程度上改善铺路砖的重金属元素的固化和物理吸附。
因此，这种利用不同粒径的木质生物炭，优化大宗工业固体废弃物生产的铺路砖，能够大大降低收缩开裂的风险，改善材料力学性能，降低重金属元素的浸出以及提高碳封存量，进一步提高建筑工程的绿色化程度。
表1铺路砖性能测试结果
表2铺路砖重金属元素浸出率
*ND: 未检测到。
Claims (6)
1.一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖，其特征在于所述免烧铺路砖是由分散溶液、复合胶结材料和高强骨料按0.42：1：3的重量比制成；
其中，所述高强骨料按照重量份数是由5份～20份粗生物炭、40份～60份垃圾焚烧飞灰、30份～70份钢渣粉 、10份～20份煅烧煤矸石粉、5～10份碱性激发剂，0.5～1.5份外加剂和20份～50份水组成；
所述复合胶结材料按照重量份数是由20份～40份垃圾焚烧飞灰、30份～50份钢渣粉 ，2份～10份碱性激发剂和1份～4份粘合剂组成；
所述分散溶液按照重量份数是由2份～10份细生物炭、0.2份～0.8份外加剂、高聚物分散剂0.3份～0.6份和20份～30 份水组成；
所述粗生物炭的直径为0.15mm～1mm，所述细生物炭的直径<0.15mm；
所述的粗生物炭和细生物炭是木质废弃物在300℃～500℃条件下缺氧热解4～8小时，在自然条件冷却之后并用破碎机破碎之后，筛取出0.15mm～1mm 粗生物炭和<0.15mm细生物炭；其中木质废弃物为果壳、木屑、竹条、麻杆中的一种或其中几种的任意组合；
所述的外加剂为萘系减水剂、脂肪族减水剂、木质磺酸盐减水剂中的一种或者其中几种的任意组合。
2.根据权利要求1所述免烧铺路砖，其特征在于所述的碱性激发剂为氢氧化钠、硅酸钠以及硫酸钠中的一种或者其中几种的任意组合。
3.根据权利要求1所述免烧铺路砖，其特征在于所述的粘合剂为羟丙基甲基纤维素。
4.根据权利要求1所述免烧铺路砖，其特征在于所述高聚物分散剂采用丙烯酸丁酯和/或苯乙烯-丙烯酸酯共聚物。
5.如权利要求1所述一种长效稳定固化工业固废的免烧铺路砖的制备方法，其特征在于所述制备方法是通过下述步骤实现的：
S1:按照重量份数称取5份～20份粗生物炭、40份～60份垃圾焚烧飞灰、30份～70份钢渣粉 、10份～20份煅烧煤矸石粉、5～10份碱性激发剂和0.5～1.5份外加剂后混合均匀，然后倒入成球机中，按照同一重量份数计加入20份～50份水进行造粒，自动成型，自然养护10天～15天，然后筛分出1mm～5mm的骨料颗粒，得到高强骨料；
S2：按照重量份数称取20份～40份垃圾焚烧飞灰、30份～50份钢渣粉 ，2份～10份碱性激发剂和1份～4份粘合剂后混合均匀，得到复合胶结材料；
S3：按照重量分数称取2份～10份细生物炭、0.2份～0.8份外加剂、高聚物分散剂0.3份～0.6份和20份～30 份水混合，然后超声分散，得到分散溶液；
S4：将分散溶液、复合胶结材料和高强骨料按0.42：1：3重量比混合后搅拌均匀，然后装入模具内成型，得到生坯；
S5: 对生坯进行养护，制得所述铺路砖。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于S5步骤中在温度20℃ ± 2℃，相对湿度55% RH以上的条件下养护，养护龄期为28天。
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