CN117303842A - 基于疏浚淤泥的制砖配方、工艺及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了基于疏浚淤泥的制砖配方、工艺及应用，配方主要选用疏浚淤泥，添加水泥、粉煤灰、矿渣、石膏、石灰、减水剂及早强剂构成了特定配方体系，不但可以节约能源，还能疏通河道、变废为宝，为工业废料的合理化处理及利用探寻了合适的途径，经济效益、社会效益及环境效益都十分显著。通过自主研发的特定配方和工艺，提高了淤泥砖制品的抗压强度和抗折强度，并优化其抗渗抗侵蚀性能。而且，通过本发明的工艺制备淤泥砖，养护7～14天即可满足行业内的高标准要求，打破了传统的28天养护期标准，减少了养护时间和生产周期，大大提高了工艺效率，具有极好的市场化推广应用前景。

Description

基于疏浚淤泥的制砖配方、工艺及应用
技术领域
本发明涉及一种制砖配方和工艺，具体涉及基于疏浚淤泥的制砖配方、工艺及应用；属于固废应用技术领域。
背景技术
疏浚淤泥是一种传统的交通水运工程固体废弃物，随着技术的发展，逐步开发出一些有效利用手段将其转化为生产工程用材料，一般有两种应用方式：
(1)热处理法：将疏浚淤泥通过高温处理，使疏浚淤泥中的水分脱离、有机成分分解、土颗粒之间粘结、无机物产生熔解，最后再经过冷却的过程，使得淤泥熔合成具有一定强度的固化颗粒；
(2)疏浚淤泥固化处理：向待处理的淤泥中掺入固化剂，搅拌混合，淤泥与固化剂之间发生一系列的化学反应，使得强度很低的疏浚淤泥转化成为具有一定强度的固化土。
其中，热处理法处理淤泥是一种附加值高的处理方法，需要消耗大量的能源才能达到1200-1500℃，从而完成熔融过程，煅烧过程还产生了大量的固体和气体废弃物，造成空气污染和固体废弃物污染。同时，煅烧过程复杂，温度很难控制，处理设备为固定式的，在投入社会实际生产时，需要一次性投入大量资金，且淤泥处理规模较小。因此，热处理方法无法从根本上解决较大疏浚工程产生的淤泥问题。基于上述原因，疏浚淤泥固化技术是目前更为热门的研究方向。
疏浚淤泥具有高含水率、高压缩性、高孔隙率、高细粒含量、低强度、低渗透性等特点，有的还富有重金属及有机质，无法直接作为建筑材料使用。若能因地制宜，将疏浚淤泥作为主要原料，生产各种生态护坡及景观砌块，在强度满足要求的情况下，既能保证护坡能正常发挥防洪的作用，又符合生态护坡的要求，同时还能解决大量疏浚淤泥的出路问题，可谓是一举多得。
淤泥制砖是一种变废为宝的新型处理方式。疏浚淤泥的传统制砖工艺，大多是采用烧结的方法，张云升等针对用疏浚淤泥生产烧结砖，工艺复杂、能耗高、生产过程造成大量污染的问题，在低能耗条件下科学、有效的处理淤泥废弃物，制备出新型绿色环保建筑材料的要求下，对南京秦淮河疏浚淤泥，提出利用石灰激发淤泥中SiO2和Al2O3活性组分以产生胶凝产物的原理，在蒸养条件下制备了一种免烧淤泥砖。结果表明：石灰的最佳掺量为30％、水泥掺量为20％时砖坯强度较纯砖坯(不掺加外掺料)提高约50％；单掺粉煤灰可显著改善免烧淤泥砖坯体的力学性能、细化孔径，提高坯体密实度。除烧结砖和蒸压砖外，还有压制砖，压制砖要求淤泥的含水率比较低。
但是，现有技术中的淤泥固化制品尚不尽人意，所得制品的抗压强度、抗折强度等综合性能都有待提升；同时，淤泥制砖工艺也亟需优化和简化，以使其在工业生产中具有更可行的应用前景。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于疏浚淤泥的制砖配方；目的之二在于提供基于上述配方的制砖工艺，研发出一种免烧结、免蒸压、免压制的适用于工业化生产的淤泥制砖工艺；目的之三在于保护由该配方和工艺所制得的淤泥砖制品。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
本发明首先要求保护基于疏浚淤泥的制砖配方，其包括如下质量百分含量的各组分：
疏浚淤泥：50％～80％；
水泥：5％～20％；
粉煤灰：0～15％；
矿渣：5％～15％；
石膏：2％～6％；
石灰：1％～5％；
减水剂：1％～8％；
早强剂：0.5～3％。
优选地，前述疏浚淤泥的含水率为1～1.8倍液限，该液限可采用锥式液塑限联合测定仪进行测定；若含水率未达到或超出既定要求，则根据需求进行预先调节。
优选地，前述疏浚淤泥在使用前经过预处理，所述预处理方法为：将10份疏浚淤泥、5份钙粉、3份纳米二氧化硅粉同时加入搅拌机内，升温至50～70℃持续搅拌处理1～5h；所述份数均为重量份。通过预处理可将疏浚淤泥中的小孔和微孔进行封堵，从而优化抗渗性能。
优选地，所述纳米二氧化硅是粒径为10～50nm的球形纳米二氧化硅。
再优选地，前述水泥为普通硅酸盐水泥，比如可采用海螺牌32.5复合硅酸盐水泥，富裕系数rc＝1.1；所述粉煤灰为SiO2和Al2O3的混合物，其为一种工业固体废弃物，本身略有或没有水硬胶凝性能，但当以粉状及水存在时，能在常温特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种提高强度和耐久性的材料，不但能够实现废料利用，还能优化产品的机械性能。
进一步优选地，前述矿渣为以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，是水泥的活性混合材料，有潜在的水硬胶凝性能，在石灰和石膏等激发剂作用下，显示出水硬胶凝性能，可作为保温材科、土壤改良材料。
更优选地，所述减水剂为聚羧酸减水剂，为灰白色粉末，含水率小于3％，20℃时的PH值为6～8，氯离子含量小于0.03％。所述早强剂为甲酸钙，可选择上海影佳实业发展有限公司生产的甲酸钙YJ-6010，白色粉末，分子式为C2H2CaO4，固体含量大于等于98％，甲酸根含量为67％，固含量≥98％。
本发明还公布了基于前述制砖配方的制砖工艺，包括如下步骤：
S1、配制预定含水率的淤泥，并对其进行预处理；所述预处理方法为：将疏浚淤泥、钙粉及纳米二氧化硅粉同时加入搅拌机内，升温至50～70℃持续搅拌处理1～3h；
S2、根据前述的试验配比计算各原料组分用量，取料备用；所述各组分包括：水泥、粉煤灰、矿渣、石膏、石灰、减水剂及早强剂；
S3、将步骤S1得到的预处理淤泥和步骤S2称取的各组分混合搅拌均匀，形成混合料；
S4、将所述混合料装入标准砖模，振动成型，硬化后拆模；
S5、切割养护至预定龄期，得淤泥砖。
优选地，前述养护为自然养护，养护时间为7～14天。
更优选地，前述所制得的淤泥砖经过14天养护期后，抗压强度高于16.0MPa，抗折强度高于5.8MPa。
本发明还要求保护由前述的制砖工艺得到的标准砖、空心六角护坡砖或路沿砖。
本发明的有益之处在于：
(1)本发明提供了一种基于疏浚淤泥的制砖配方，主要原料选用疏浚淤泥，添加水泥、粉煤灰、矿渣、石膏、石灰、减水剂及早强剂构成了特定配方体系，不但可以节约能源，还能疏通河道、变废为宝，为淤泥、粉煤灰、矿渣等工业废料的合理化处理及利用探寻了合适的途径，经济效益、社会效益及环境效益都十分显著。
(2)本发明以疏浚淤泥作为主要原料，并且在使用前采用钙粉和纳米二氧化硅粉对疏浚淤泥进行升温搅拌预处理，出乎意料地提高了制品的密实度，抗压强度和抗折强度均得到显著提升，吸水率下降，软化系数得到大幅提高，进而优化了产品的抗渗抗侵蚀性能，在最大水压1.2MPa下，可将24h渗水高度降至1.5cm以下。
(3)本发明的制砖工艺通过免烧结、免蒸压、免压制技术制得淤泥砖，制备方法简单高效、成本低且条件温和，通过原料组分改进及工艺优化，使初凝时间和凝结时间均得到有效缩短，养护7天所得到的制品性能基本近似于养护14天的制品性能，满足行业内的高标准产品要求。最重要的是，打破了传统工艺的28天养护期标准，减少了养护时间和生产周期，大大提高了工艺效率，具有极好的市场化推广应用前景。
附图说明
图1所示为实施例1所制得淤泥砖的实物图；
图2所示为实施例2所制得淤泥砖的实物图；
图3所示为本发明的制砖工艺的流程图；
图4所示为抗压强度检测试验机的实物图；
图5所示为抗折强度检测试验机的实物图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
本发明中若无特殊说明，所用原料均为市购。
实施例1
本实施例的基于疏浚淤泥的制砖配方，包括如下质量百分含量的各组分：疏浚淤泥50％，水泥20％，矿渣12％，石膏6％，石灰4％，减水剂5％，早强剂3％。其中，疏浚淤泥的含水率为1倍液限，水泥为普通硅酸盐水泥，矿渣为以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，减水剂为聚羧酸减水剂，早强剂为甲酸钙。
制备工艺如图3所示，包括如下步骤：
S1、配制预定含水率的淤泥，并搅拌均匀；
S2、根据试验配比计算各组分用量，取料备用；所述各组分包括：水泥、矿渣、石膏、石灰、减水剂及早强剂；
S3、将步骤S1得到的预处理淤泥和步骤S2称取的各组分混合搅拌均匀，形成混合料；
S4、将所述混合料调制至合适稠度，装入标准砖模，振动成型，硬化后拆模；
S5、切割养护14天，得异型淤泥砖，如图1所示。
实施例2
本实施例的基于疏浚淤泥的制砖配方，包括如下质量百分含量的各组分：疏浚淤泥80％，水泥5％，粉煤灰3％，矿渣5％，石膏3％，石灰1％，减水剂1％，早强剂2％。其中，疏浚淤泥的含水率为1.5倍液限，水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为SiO2和Al2O3的混合物，矿渣为以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，减水剂为聚羧酸减水剂，早强剂为甲酸钙。
制备工艺包括如下步骤：
S1、配制预定含水率的淤泥，并搅拌均匀；
S2、根据上述的组分用量取料备用；
S3、将步骤S1得到的预处理淤泥和步骤S2称取的各组分混合搅拌均匀，形成混合料；
S4、将所述混合料调制至合适稠度，装入标准砖模，振动成型，硬化后拆模；
S5、切割养护14天，得路沿淤泥砖，如图2所示。
实施例3
本实施例的基于疏浚淤泥的制砖配方，包括如下质量百分含量的各组分：疏浚淤泥65％，水泥20％，粉煤灰3％，矿渣5％，石膏2％，石灰1％，减水剂2％，早强剂2％。其中，疏浚淤泥的含水率为1.5倍液限，水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为SiO2和Al2O3的混合物，矿渣为以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，减水剂为聚羧酸减水剂，早强剂为甲酸钙。
制备工艺包括如下步骤：
S1、配制预定含水率的淤泥，并对其进行预处理；所述预处理方法为：将10份(重量份)疏浚淤泥、5份钙粉(重量份)、3份纳米二氧化硅粉(重量份)同时加入搅拌机内，升温至50～70℃持续搅拌处理1～3h；
S2、根据上述的组分用量取料备用；
S3、将步骤S1得到的预处理淤泥和步骤S2称取的各组分混合搅拌均匀，形成混合料；
S4、将所述混合料调制至合适稠度，装入标准砖模，振动成型，硬化后拆模；
S5、切割养护14天，得路沿淤泥砖，形状结构类似图2。
实施例4
本实施例的基于疏浚淤泥的制砖配方，包括如下质量百分含量的各组分：疏浚淤泥50％，水泥10％，粉煤灰15％，矿渣10％，石膏3％，石灰5％，减水剂6％，早强剂1％。其中，疏浚淤泥的含水率为1.8倍液限，水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为SiO2和Al2O3的混合物，矿渣为以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，减水剂为聚羧酸减水剂，早强剂为甲酸钙。
制备工艺包括如下步骤：
S1、配制预定含水率的淤泥，并对其进行预处理；所述预处理方法为：将10份(重量份)疏浚淤泥、5份钙粉(重量份)、3份纳米二氧化硅粉(重量份)同时加入搅拌机内，升温至50～70℃持续搅拌处理1～3h；
S2、根据上述的组分用量取料备用；
S3、将步骤S1得到的预处理淤泥和步骤S2称取的各组分混合搅拌均匀，形成混合料；
S4、将所述混合料调制至合适稠度，装入标准砖模，振动成型，硬化后拆模；
S5、切割养护14天，得路沿淤泥砖，形状结构类似图1。
实施例5
本实施例的基于疏浚淤泥的制砖配方，包括如下质量百分含量的各组分：疏浚淤泥80％，水泥5％，粉煤灰3％，矿渣5％，石膏2％，石灰2％，减水剂1％，早强剂2％。其中，疏浚淤泥的含水率为1.5倍液限，水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为SiO2和Al2O3的混合物，矿渣为以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，减水剂为聚羧酸减水剂，早强剂为甲酸钙。
制备工艺包括如下步骤：
S1、配制预定含水率的淤泥，并对其进行预处理；所述预处理方法为：将10份(重量份)疏浚淤泥、5份钙粉(重量份)、3份纳米二氧化硅粉(重量份)同时加入搅拌机内，升温至50～70℃持续搅拌处理1～3h；
S2、根据上述的组分用量取料备用；
S3、将步骤S1得到的预处理淤泥和步骤S2称取的各组分混合搅拌均匀，形成混合料；
S4、将所述混合料调制至合适稠度，装入标准砖模，振动成型，硬化后拆模；
S5、切割养护14天，得路沿淤泥砖，形状结构类似图2。
实施例6
本实施例的基于疏浚淤泥的制砖配方，包括如下质量百分含量的各组分：疏浚淤泥65％，水泥20％，粉煤灰3％，矿渣5％，石膏2％，石灰1％，减水剂2％，早强剂2％。其中，疏浚淤泥的含水率为1.5倍液限，水泥为普通硅酸盐水泥，粉煤灰为SiO2和Al2O3的混合物，矿渣为以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，减水剂为聚羧酸减水剂，早强剂为甲酸钙。
制备工艺包括如下步骤：
S1、配制预定含水率的淤泥，并对其进行预处理；所述预处理方法为：将10份(重量份)疏浚淤泥、5份钙粉(重量份)、3份纳米二氧化硅粉(重量份)同时加入搅拌机内，升温至50～70℃持续搅拌处理1～3h；
S2、根据上述的组分用量取料备用；
S3、将步骤S1得到的预处理淤泥和步骤S2称取的各组分混合搅拌均匀，形成混合料；
S4、将所述混合料调制至合适稠度，装入标准砖模，振动成型，硬化后拆模；
S5、切割养护7天，得路沿淤泥砖，形状结构类似图2。
对比例
本对比例采用市售的28天养护期的疏浚淤泥砖，直接进行性能检测对比。
性能检测
(1)抗压强度
采用如图4所示的万能试验机对淤泥砖(试样)进行抗压强度检测，其上下加压板至少应有一个为球铰支座，预期的最大破坏荷载应在量程的20％～80％之间。
检测方法为：将试样平放在加压板中间，垂直于受压面加荷，应均匀平稳，不得发生冲击或振动，加荷速度为10mm/min，直到试样破坏为止，记录破坏荷载P。
每块试样的抗压强度Rp按照下式计算：
式中，Rp为抗压强度，单位MPa；P为最大破坏荷载，单位N；L为受压面(连接面)的长度，单位mm；B为受压面(连接面)的宽度，单位mm；
每个实施例的试验数量至少为5块，试验结果以试样抗压强度的标准值表示并记录。
(2)抗折强度
采用如图5所示的万能试验机测定淤泥砖(试样)的抗折强度，其下加压板为球铰支座，加荷形式为三点加荷，其上压辊和下支辊的曲率半径为15mm，预期最大破坏荷载为量程的20％～80％之间。
检测方法为：测量试样多处的宽度和高度，取算术平均值，精确至1mm，得到宽度B和高度H；调整抗折夹具下支辊的跨距为砖规格长度减去40mm，将试样大面平放在下支辊上，试样两端面与下支辊的距离应该相同，当试样有裂缝或者凹陷时，应使有裂缝或凹陷的大面朝上，以(50-150)N/s的速度均匀加荷，直至试样断裂，记录最大破坏荷载P。
每块试样的抗折强度Rc按照下式计算：
式中，Rc为抗折强度，单位MPa；P为最大破坏荷载，单位N；L为跨距；B为试样宽度，单位mm；H为试样高度，单位mm。
同上，试样数量为5块，试验结果以试样抗折强度的算术平均值表示。
(3)吸水率
检测方法：将试样表面清理干净，称量质量m0；再将试样浸入水中24h，水温为10～30℃，取出试样，用湿毛巾拭去表面水分，立即称重，称量时试样表面毛细孔渗出于秤盘中的水的质量也应计入吸水质量中，所得质量为浸泡24h的湿重量m24。
常温水浸泡24h后试样的吸水率w24按照下式计算：
式中，w24为常温水浸泡24h试样吸水率，％；m0为试样质量，单位为kg；m24为试样浸水24h的湿质量，单位为kg。
(4)抗渗性能
采用渗透实验法对各实施例制得的淤泥砖进行抗渗性能检测。
检测方法为：将试样放在一个封闭的水箱中，施加压力，使水从试样中渗透出来，通过测量渗透的水量和时间，从而判断抗渗性能(本发明中固定渗透时间为24h)。
(5)软化试验
检测方法：将用于软化试验的试样浸入(20±5)℃的水中，水面高出试样20mm以上，浸泡4d后取出，在铁丝网架上滴水1min，再用拧干的湿抹布拭去表面的水，即为饱和面干状态试样。在不低于10℃的不通风室内，放置72h的试样即为气干状态试样。将软化后的试样和未经软化对比试样，按照前述抗压强度检测所用方法，分别进行抗压强度试验，所得强度分别为Rf和R0。
软化系数Kf按照下式计算：
式中，Kf为软化系数；Rf为软化后抗压强度平均值，单位为MPa；R0为对比试样的抗压强度平均值，单位为MPa。
各实施例和对比例的性能测试结果参见表1。
表1实施例1～6及对比例的性能检测结果记录表
由上表可见，本发明各实施例所制得的淤泥砖制品的机械性能较优，抗压强度均为10MPa以上，抗折强度均不低于4.8MPa，尤其是进行了疏浚淤泥预处理的实施例3～6，抗压强度提升至16MPa以上，抗折强度也达到6.0左右。此外，申请人创造性地采用钙粉和纳米二氧化硅粉对疏浚淤泥进行升温搅拌预处理，出乎意料地使制品的吸水率下降，软化系数得到大幅提高(软化系数越高代表抗渗性能越好)，进而显著优化了产品的抗渗抗侵蚀性能，在最大水压1.2MPa下，可将24h渗水高度降至1.5cm以下。申请人分析后认为：这可能是因为预处理工艺将疏浚淤泥中的小孔和微孔进行了有效封堵，从而提高了制品密实度，进而优化了制品的机械性能、抗渗性能等综合性能，使其具有更好的市场化推广应用前景。
综上，本发明的制砖配方采用疏浚淤泥作为主要原料，添加水泥、粉煤灰、矿渣、石膏、石灰、减水剂及早强剂构成了特定的配方体系，整体成本较低且实现了废物利用，经济效益、社会效益及环境效益都十分显著，产品具有极好的市场化推广应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于疏浚淤泥的制砖配方，其特征在于，包括如下质量百分含量的各组分：
疏浚淤泥：50％～80％；
水泥：5％～20％；
粉煤灰：0～15％；
矿渣：5％～15％；
石膏：2％～6％；
石灰：1％～5％；
减水剂：1％～8％；
早强剂：0.5～3％。
2.根据权利要求1所述的基于疏浚淤泥的制砖配方，其特征在于，所述疏浚淤泥的含水率为1～1.8倍液限。
3.根据权利要求1所述的基于疏浚淤泥的制砖配方，其特征在于，所述疏浚淤泥在使用前经过预处理，所述预处理方法为：将10份疏浚淤泥、5份钙粉、3份纳米二氧化硅粉同时加入搅拌机内，升温至50～70℃持续搅拌处理1～5h；此处所述份数为重量份。
4.根据权利要求3所述的基于疏浚淤泥的制砖配方，其特征在于，所述疏浚淤泥在使用前经过预处理，所述纳米二氧化硅是粒径为10～50nm的球形纳米二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的基于疏浚淤泥的制砖配方，其特征在于，所述水泥为普通硅酸盐水泥，所述粉煤灰为SiO2和Al2O3的混合物；所述矿渣为以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物。
6.根据权利要求1所述的基于疏浚淤泥的制砖配方，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，所述早强剂为甲酸钙。
7.基于权利要求1～6任一项所述制砖配方的制砖工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、配制预定含水率的淤泥，并对其进行预处理；所述预处理方法为：将疏浚淤泥、钙粉及纳米二氧化硅粉同时加入搅拌机内，升温至50～70℃持续搅拌处理1～3h；
S2、根据试验配比计算各组分用量，取料备用；所述各组分包括：水泥、粉煤灰、矿渣、石膏、石灰、减水剂及早强剂；
S3、将步骤S1得到的预处理淤泥和步骤S2称取的各组分混合搅拌均匀，形成混合料；
S4、将所述混合料调制至合适装入标准砖模，振动成型，硬化后拆模；
S5、切割养护至预定龄期，得淤泥砖。
8.根据权利要求7所述的制砖工艺，其特征在于，所述养护为自然养护，养护预定龄期为7～14天。
9.根据权利要求7所述的制砖工艺，其特征在于，所制得的更优选地，前述所制得的淤泥砖经过14天养护期后，抗压强度高于16.0MPa，抗折强度高于5.8MPa。
10.由权利要求7所述的制砖工艺得到的标准砖、空心六角护坡砖或路沿砖。
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