CN117185733A - 一种水库底泥免烧砖及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水库底泥免烧砖及其制备方法；本发明的免烧砖以水库底泥和贝壳为基料，还包括主固化剂、辅固化剂和芦苇纤维。免烧砖的制备方法如下：准备原材料、样品预处理（破碎研磨、过100目标准筛网、行星球磨）、加水搅拌混合均匀、压制成型和水库底泥免烧砖养护；本发明制成的水库底泥免烧砖的强度等级达到国标《普通混凝土小型砌块》（GB/T 8239‑2014）中的MU10标准。本发明方法无需使用高温焙烧设备，节能减耗，并且能够有效解决底泥处理过程中占用大量土地的问题，实现废弃物的“变废为宝”，循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种水库底泥免烧砖及其制备方法，属于环境保护和工程建设技术领域。
背景技术
水库作为人们日常生活用水的主要来源之一，为保证水库水质的质量及水库蓄水储水的能力，水库中的底泥需进行定期的清理，底泥的合理处置成为一个急需解决的难题。底泥处置过程中常用的方法有卫生填埋、土地利用、建材资源化利用等，由于水库底泥的来源较为干净，相较于城镇污水处理厂的污泥及河道中的淤泥，水库底泥中有毒有害成分含量极低，天然含水率不高且没有恶臭，因此可以进行二次使用，上述建材资源化利用符合资源循环利用的理念，实现废弃物“变废为宝”，高效利用。
发明内容
基于上述背景技术，本发明的目的在于提供一种水库底泥免烧砖及其制备方法，本发明将水库底泥在低能耗低污染的情况下制成成型砖块，制砖成本低廉，同时制成的成型砖块拥有一定的抗压强度，实现了水库底泥“变废为宝”。
本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种水库底泥免烧砖的制备方法，水库底泥免烧砖的配方如下：
基料100份，主固化剂18-22份，辅固化剂2～4份，芦苇纤维8～20份，骨料47-49份，水3～5份；其中：
所述基料由水库底泥和贝壳组成，所述主固化剂由活性氧化铝和石英粉组成，所述辅固化剂为氢氧化钙，所述骨料由碎石子和人工砂组成；
水库底泥免烧砖通过如下方法制备：
(1)将水库底泥和贝壳，分别用破碎机破碎，之后过100目标准筛网；
(2)将过筛后的水库底泥和贝壳混合装入行星式球磨机中进行球磨处理；将活性氧化铝和石英粉混合装入行星式球磨机中进行球磨处理；
(3)将球磨后的基料和主固化剂，辅固化剂、芦苇纤维、骨料、水加入至搅拌机中，搅拌均匀，形成混合物料；
(4)将混合物料装入全自动恒应力压力机的模具中，压制成型；
(5)将成型样品放入恒温恒湿养护箱中养护，得到水库底泥免烧砖。
本发明中，水库底泥和贝壳的质量比为1：0.25～1：0.55；优选的，质量比为1:0.4～1:0.5。
本发明中，石英粉在主固化剂中所占质量比为25％～49％。优选的，质量比为40％-48％。
本发明中，步骤(2)中，行星式球磨机运行的转速为400～600r/min，运行时间为1～3h。优选的，转速为480～512r/min，运行时间为2～2.5h。
本发明中，步骤(3)中，辅固化剂氢氧化钙粒径为0.033～0.053mm，骨料中碎石子和人工砂的质量比为5:7，骨料中碎石子的粒径为9～12mm，人工砂的粒径在5mm以下，碎石子和人工砂均进行了预湿处理。
本发明中，步骤(3)中，芦苇纤维为烘干后的芦苇，芦苇纤维的长度为1～2cm。
本发明中，步骤(4)中，压制混合物料时，全自动恒应力压力机以1kN/s的速度匀速施加压力，并在压强值达到5～6MPa时静置100～130s。
本发明中，步骤(5)中，恒温恒湿养护箱中的温度为21℃±1，湿度为95％±3，养护时间为80～100h。
本发明还提供一种水库底泥免烧砖，其通过上述的水库底泥免烧砖的制备方法进行制备获得。
采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明利用水库底泥制备底泥免烧砖，通过全自动恒应力压力机压制出成型的水库底泥免烧砖试块且无需高温烧制，能耗低。
(2)主固化剂共球磨
活性Al2O3可与Ca(OH)2反应生成具有水硬胶凝性能的水化铝酸钙，并且活性Al2O3可与碱溶液反应，降低pH值，防止混合物料的碱性太高，有利于砖体内部环境的稳定。
石英粉主要成分为SiO2，经球磨后的活性SiO2在碱激发剂Ca(OH)2的作用下发生火山灰反应，生成更多的具有水硬胶凝性能的水化硅酸钙，反应生成的胶凝物质无毒无害且具有良好的水化性能，表现较好的固化效果。
石英粉、活性氧化铝共球磨，显露出更多的活性SiO2及活性Al2O3，更细的粒径促使活性成分混合更均匀，在碱激发剂Ca(OH)2的作用下发生火山灰反应，产生的胶凝物质发挥良好的固化效果。
(3)辅固化剂的作用
添加Ca(OH)2可提高基料的pH值，从而保证基料孔隙的溶液Ca(OH)2饱和，可与活性SiO2、活性Al2O3等发生火山灰反应，生成大量的胶凝物质水化硅酸钙、水化铝酸钙等，增强底泥基砖坯的早期及后期强度，同时可提高砖坯的耐久性，减少渗透性，防止底泥基砖坯剥落；其中的Ca2+可发生离子交换反应，与底泥颗粒表面带正电荷的Na+、K+等进行当量吸附交换，提高水库底泥初期被固化的稳定效果。
SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O
Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O
(4)芦苇纤维的作用
廉价、来源丰富的天然芦苇纤维是一种新型的环保建筑材料，掺入制砖混合物料中的芦苇纤维可通过减少水库底泥免烧砖的塑性收缩，以防止水库底泥免烧砖中塑性微裂纹的产生，同时它们在砖体结构中吸收和储存水分，这种水分后期释放有助于裂缝愈合，增强砖体的韧性强度及抗弯曲抗冲击的能力。
(5)贝壳粉与水库底泥共球磨：
贝壳作为天然的钙源主要成分为CaCO3，破碎研磨后的贝壳粉与水库底泥共球磨，更细粒径的贝壳粉具有较强的活性和固化效果，同时Ca2+与水库底泥颗粒表面带正电荷的Na+、K+等进行当量吸附交换，水库底泥中的细小粘粒、粉粒被贝壳粉包裹，以利于后续进一步的稳定固化。
水库底泥中的主要成分SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等在机械力的作用下被活化，活性SiO2、活性Al2O3等显露出来，在碱激发剂Ca(OH)2的作用下可发生火山灰反应，生成大量的胶凝产物水化硅酸钙、水化铝酸钙等，增强固化效果。
(6)本发明制备成型的水库底泥免烧砖的抗压强度达到国标《普通混凝土小型砌块》(GB/T8239-2014)中的MU10标准，可用于非承重结构的使用；同时其浸出毒性远低于国家标准《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中的浸出毒性鉴别标准值，制成的水库底泥免烧砖可以应用于水库周围的堤堰、山间小道的铺设等使用。
具体实施方式
根据本发明的总体构思，提供一种水库底泥免烧砖的制备方法，由基料混合物、主固化剂、辅固化剂构成，另外掺加骨料、芦苇纤维。所述基料为水库底泥和贝壳。行星式球磨机对基料和主固化剂分别进行机械活化，制砖物料在立体式旋转搅拌机中进行混合、搅拌均匀，利用全自动恒应力压力机将混合物料压制成型。所述主固化剂和辅固化剂按照以下质量分数进行配比：主固化剂20份，辅固化剂2～4份。其中，所述主固化剂为活性氧化铝、石英粉，所述辅固化剂为氢氧化钙。进一步的，所述石英粉在主固化剂中所占质量比为20％～49％，所述水库底泥与贝壳在基料中所占质量份数比为1：0.25～0.55，所述芦苇纤维8～20份，以上三项作为优选。
将从水库中抽出的底泥装入压力脱水机中进行预脱水，再放入烘箱中烘干，得到水库底泥。
水库底泥中重金属含量的测定：取干重0.1～0.2g上海市金泽水库底泥经微波高压消解后，通过使用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)，测得的重金属浓度远低于《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》(GB/T 25031-2010)中污染物浓度限值的规定，见表1：
表1 单位：mg/kg
本发明提供一种水库底泥免烧砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照质量份数准备以下原料：
基料：100份；
水：3～5份；
如前所述的主固化剂：18-22份；
如前所述的辅固化剂：2～4份；
芦苇纤维：8～20份；
骨料：47-49份，碎石子和人工砂质量比为5:7；
所述基料为水库底泥和贝壳，所述水库底泥与贝壳的质量份数比为1：0.25～0.55；
(2)将从水库中抽出的底泥装入压力脱水机中进行预脱水，再放入烘箱中烘干，经破碎机破碎，研磨后过100目标准筛网；从水库及周边收集的贝壳经破碎机破碎，研磨后过100目标准筛网；
(3)将基料混合装入行星式球磨机中进行球磨处理；主固化剂两种成分混合装入行星式球磨机中进行球磨处理；
(4)将分别球磨后的基料和主固化剂，辅固化剂、芦苇纤维、骨料、水加入至立体式旋转搅拌机中，搅拌均匀，形成制备水库底泥免烧砖所需的混合物料；
(5)将所述混合物料装入全自动恒应力压力机的模具中，压制成型；
(6)将水库底泥免烧砖放入恒温恒湿养护箱中养护80～100h。
作为优选，在所述步骤(1)中，主固化剂活性氧化铝粒径为0.063～0.090mm，纯度≥99％，石英粉粒径为0.075～0.106mm，纯度≥99％；辅固化剂氢氧化钙粒径为0.033～0.053mm，纯度≥99％。
作为优选，在所述步骤(1)中，所述碎石子的粒径为9～12mm，人工砂的粒径在5mm以下，碎石子和人工砂均进行了预湿处理；所述芦苇经烘干处理，芦苇纤维的长度为1～2cm。
作为优选，在所述步骤(2)中，所述破碎后贝壳的粒径在0.15mm以下；
作为优选，在所述步骤(3)中，行星式球磨机运行的转速为400～600r/min，运行时间为1～3h。
作为优选，在所述步骤(5)中，压制混合物料时全自动恒应力压力机以1kN/s的速度匀速施加压力，并在压强值达到5～6MPa时静置100～130s；从全自动恒应力压力机中取出膜具及水库底泥免烧砖，静置10～15min后拆卸模具。
为了实现本发明的目的，使技术方案和有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步阐述。其中，固化剂、骨料、芦苇纤维各自的添加量以基料的干基重量为基准。
实施例1：称取基料水库底泥和贝壳，分别破碎研磨后过100目标准筛网，以基料干基重量720～730g为例，所述基料中水库底泥与贝壳的质量份数比为1：0.45，置于行星式球磨机中进行球磨处理。以基料的干基重量为基准，称取3～5％重量的水，称取15％重量的芦苇纤维，称取48％重量的骨料，称取20％重量的主固化剂，其中主固化剂中活性氧化铝、石英粉的质量份数比为13：12并置于行星式球磨机中进行球磨处理，称取2～4％重量的辅固化剂。行星式球磨机进行球磨活化处理的球料质量比为5.5：1，立体式旋转搅拌机的转速为55～65r/min，搅拌时间8～10min，混合物料得以充分搅拌均匀，全自动恒应力压力机在压强值达到5～6MPa时静置100～130s，压制出成型的水库底泥免烧砖试块。
对比例1：同实施例1，区别仅在水库底泥与贝壳的质量份数比为1：0，且不添加主固化剂、芦苇纤维。
对比例1＇：同实施例1，区别仅在主固化剂不进行球磨处理。
实施例2：同实施例1，区别仅在主固化剂中组成组分含量的变化，以基料的干基重量为基准，其中基料中水库底泥与贝壳的质量份数比为1：0.45，分别破碎研磨后过100目标准筛网，称取3～5％重量的水，称取15％重量的芦苇纤维，称取48％重量的骨料，称取20％重量的主固化剂，其中主固化剂中活性氧化铝、石英粉的质量份数比为3：2，称取2～4％重量的辅固化剂。行星式球磨机进行球磨活化处理的球料质量比为5.5：1，立体式旋转搅拌机的转速为55～65r/min，搅拌时间8～10min，混合物料得以充分搅拌均匀，全自动恒应力压力机在压强值达到5～6MPa时静置100～130s，压制出成型的水库底泥免烧砖试块。
对比例2：同实施例2，区别仅在不添加主固化剂。
对比例2＇：同实施例2，区别仅在主固化剂不进行球磨处理。
实施例3：同实施例1，区别仅在基料中两种成分含量的变化，以基料的干基重量为基准，其中基料中水库底泥与贝壳的质量份数比为1：0.3，分别破碎研磨后过100目标准筛网，称取3～5％重量的水，称取15％重量的芦苇纤维，称取48％重量的骨料，称取20％重量的主固化剂，其中主固化剂中活性氧化铝、石英粉的质量份数比为13：12，称取2～4％重量的辅固化剂。行星式球磨机进行球磨活化处理的球料质量比为5.5：1，立体式旋转搅拌机的转速为55～65r/min，搅拌时间8～10min，混合物料得以充分搅拌均匀，全自动恒应力压力机在压强值达到5～6MPa时静置100～130s，压制出成型的水库底泥免烧砖试块。
对比例3：同实施例3，区别仅在基料中水库底泥与贝壳的质量份数比为1：0。
对比例3＇：同实施例3，区别仅在主固化剂不进行球磨处理。
实施例4：同实施例1，区别仅在芦苇纤维添加量的变化，以基料的干基重量为基准，其中基料中水库底泥与贝壳的质量份数比为1：0.45，分别破碎研磨后过100目标准筛网，称取3～5％重量的水，称取10％重量的芦苇纤维，称取48％重量的骨料，称取20％重量的主固化剂，其中主固化剂中活性氧化铝、石英粉的质量份数比为13：12，称取2～4％重量的辅固化剂。行星式球磨机进行球磨活化处理的球料质量比为5.5：1，立体式旋转搅拌机的转速为55～65r/min，搅拌时间8～10min，混合物料得以充分搅拌均匀，全自动恒应力压力机在压强值达到5～6MPa时静置100～130s，压制出成型的水库底泥免烧砖试块。
对比例4：同实施例4，区别仅在不添加芦苇纤维。
对比例4＇：同实施例4，区别仅在主固化剂不进行球磨处理。
实施例和对比例中主固化剂各组分含量、基料中水库底泥和贝壳的质量份数比及辅固化剂质量含量、芦苇纤维质量含量，如表2所示：
表2
对成型的水库底泥免烧砖进行抗压强度测试，测得的数据对比国家标准《普通混凝土小型砌块》(GB/T 8239-2014)中强度等级的规定，得出以上实施例中水库底泥免烧砖的抗压强度等级达到MU10的结果，具体数据见表3、表4和表5：
表3
注：水库底泥免烧砖的抗压强度后期会缓慢升高并逐渐趋于稳定。
表4
注：对比例仅作为制水库底泥免烧砖中各种添加成分的对照验证，对比例中抗压强度达到MU5标准。
表5
注：表5为主固化剂不经过球磨处理，仅基料进行球磨处理，各对比例中物料掺量同各实施例，对比例中的抗压强度仅达到MU7.5标准，未达到MU10标准，因此主固化剂需经球磨处理后，应用于制砖时效果较好。
对成型的水库底泥免烧砖进行抗冻性测试，根据国家标准《普通混凝土小型砌块》(GB/T 8239-2014)中的抗冻性规定，本发明成型的砖坯经过抗冻性测试得出砖体平均质量损失率低于5％，质量损失率单块最大值低于10％，砖体的平均强度损失率低于20％，平均强度损失率单块最大值低于30％，测试结果满足国家标准《普通混凝土小型砌块》(GB/T8239-2014)中的抗冻性规定。
对成型的水库底泥免烧砖进行浸出毒性鉴别，根据国家标准《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中的规定，重金属浸出试验需要将砖体试样按国家规范《分析实验室用水规格和用水方法》(GB/T6682-2008)和《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299-2007)处理，再将处理后的试样溶液用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行重金属浓度的检测，测得的数据见表5：
表6单位：mg/L
成型的水库底泥免烧砖的浸出毒性远低于国家标准《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中的浸出毒性鉴别标准值，制成的水库底泥免烧砖可以应用于水库周围的堤堰、山间小道的铺设等使用。
以上，本发明利用水库底泥制作底泥免烧砖，同时，充分利用水库及水库周围丰富的贝壳、芦苇等资源，依靠全自动恒应力压力机将制砖混合物料压实，制成的砖坯无需高温焙烧，节能减耗，符合当今可持续发展的理念。对水库底泥进行重金属检测，检测结果符合国标《城镇污水处理厂污泥处置制砖用泥质》(GB/T 25031-2010)，制成的水库底泥免烧砖可以在水库及周边地区使用。水库底泥免烧砖的规格尺寸为190*190*190(mm)，根据水库底泥免烧砖抗压强度的测试数据，测试结果达到国标《普通混凝土小型砌块》(GB/T8239-2014)中的MU10标准，制成的水库底泥免烧砖可用于非承重结构的使用。
上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化。
Claims (9)
1.一种水库底泥免烧砖的制备方法，其特征在于，水库底泥免烧砖的配方如下：
基料100份，主固化剂 18-22份，辅固化剂 2~4份，芦苇纤维8~20份，骨料 47-49份，水3~5份；其中：
所述基料由水库底泥和贝壳组成，所述主固化剂由活性氧化铝和石英粉组成，所述辅固化剂为氢氧化钙，所述骨料由碎石子和人工砂组成；
水库底泥免烧砖通过如下方法制备：
（1）将水库底泥和贝壳，分别用破碎机破碎，之后过100目标准筛网；
（2）将过筛后的水库底泥和贝壳混合装入行星式球磨机中进行球磨处理；将活性氧化铝和石英粉混合装入行星式球磨机中进行球磨处理；
（3）将球磨后的基料和主固化剂，辅固化剂、芦苇纤维、骨料、水加入至搅拌机中，搅拌均匀，形成混合物料；
（4）将混合物料装入全自动恒应力压力机的模具中，压制成型；
（5）将成型样品放入恒温恒湿养护箱中养护，得到水库底泥免烧砖。
2.如权利要求1所述的水库底泥免烧砖的制备方法，其特征在于：水库底泥和贝壳的质量比为1：0.25~1：0.55。
3.如权利要求1所述的水库底泥免烧砖的制备方法，其特征在于：石英粉在主固化剂中所占质量比为25%~49%。
4.如权利要求1所述的水库底泥免烧砖的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，行星式球磨机运行的转速为400~600r/min，运行时间为1~3h。
5.如权利要求1所述的水库底泥免烧砖的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，辅固化剂氢氧化钙粒径为0.033~0.053mm，骨料中的碎石子和人工砂质量比为5:7，碎石子的粒径为9~12mm，人工砂的粒径在5mm以下，碎石子和人工砂均进行了预湿处理。
6.如权利要求1所述的水库底泥免烧砖的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，芦苇纤维为烘干后的芦苇，芦苇纤维的长度为1~2cm。
7.如权利要求1所述的水库底泥免烧砖的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，压制混合物料时，全自动恒应力压力机以1kN/s的速度匀速施加压力，并在压强值达到5~6MPa时静置100~130s。
8.如权利要求1所述的水库底泥免烧砖的制备方法，其特征在于：步骤（5）中，恒温恒湿养护箱中的温度为21℃±1，湿度为95%±3，养护时间为80~100h。
9.一种水库底泥免烧砖，其特征在于：通过如权利要求1-8之一所述的水库底泥免烧砖的制备方法进行制备获得。
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