CN117964343A - 一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖及其制备方法。本发明提供的烧结多孔砖以镁渣与污泥作为主要原料,再辅以高温黏结剂、增强纤维,经过陈化、成型、焙烧等步骤,最终制得一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖。本发明充分利用了镁渣与污泥两种固体废弃物的潜在资源特性,既减少了固体废弃物对土地、空气等环境的污染,又获得了一种轻质、多孔、高强的烧结多孔砖,具备良好的经济社会效益。本发明提供的烧结多孔砖可应用于工业、建筑等多项领域。

Description

一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖及其制备方法
技术领域
本发明属于固体废弃物综合再利用的新型材料领域,具体涉及一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖及其制备方法。
背景技术
资源的综合利用化程度是反映人类文明程度和科技发展水平的重要指标,它影响着人类健康、生态平衡以及国家的发展建设。加快构建废弃物循环利用体系,开展工业资源综合利用,提高资源利用效率对于缓解资源环境对经济社会发展约束具有重要现实意义,也是我国目前面临的一个重大问题。
城市化、工业化的迅猛发展,大量的固体废弃物无处处置,如镁渣、污泥。
如果无法及时有效的处置镁渣、污泥等固体废弃物,不仅会造成环境的污染,也是一种严重的资源浪费。利用镁渣、污泥等固体废弃物单独作为主要原料制备产品已有诸多研究成果。但利用两者特性,联合制备烧结多孔砖尚未有相关报道,本发明提供了一种以镁渣、污泥为主要原料制备的烧结多孔砖及其制备方法,本发明提供的烧结多孔砖具备良好的生态价值和经济效益。
发明内容
针对现有技术中的不足,本发明的目的在于提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖及其制备方法。
本发明的技术方案如下:
本发明第一方面提供一种烧结多孔砖,主要由下述质量份的原料制备而成:镁渣30~50份、污泥45~60份、高温黏结剂4.5~9份、增强纤维0.5~1份。
优选地,所述烧结多孔砖主要由下述质量份的原料制备而成:镁渣40份、污泥50份、高温黏结剂6.3份、增强纤维0.7份。
其中,所述镁渣按粒径分为镁渣细集料和镁渣粗集料;所述镁渣细集料粒径为2.36~4.75 mm;所述镁渣粗集料粒径为4.75~9.50 mm。
优选地,所述镁渣为皮江法炼镁产生的还原渣。
优选地,所述污泥包括污水处理厂沉淀污泥、排水管道污泥、疏浚淤泥、给水厂污泥。
优选地,所述高温黏结剂为废玻璃粉。
优选地,所述增强纤维为氮化硼纤维、氧化铝纤维、碳纤维中的至少一种。
本发明第二方面提供上述第一方面所述烧结多孔砖的制备方法,包括以下步骤:
S1:将镁渣细集料、镁渣粗集料、污泥颗粒、高温黏结剂和增强纤维混合均匀,得到混合物料;
S2:将混合物料陈化后加工成型,得到砖坯;
S3:对经干燥处理的砖坯进行焙烧,即得一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖。
优选地,S1中所述镁渣细集料与镁渣粗集料的质量比为(2~4):1。
优选地,S1中所述污泥颗粒由污泥经消化、压滤、烘干、破碎、筛分处理后制成。
优选地,S1中所述污泥颗粒的主要制备步骤如下:
(1)对所述污泥进行消化、压滤、烘干处理,制得块状污泥;
(2)所述块状污泥经颚式破碎机破碎、机械筛分,即得污泥颗粒。
优选地,所述块状污泥的含水量为10%~15%;所述污泥颗粒粒径不大于2.36 mm。
优选地,S2中所述陈化时间为12~48 h。
优选地,S2中所述加工成型为在压力作用下将陈化后的混合物料压制成型;所述压力大小为3~8 MPa。
优选地,S2中所述陈化在密封环境中完成。
优选地,S3中所述干燥温度为105±5℃,待砖坯干燥至恒重即可进行焙烧。
优选地,S3中所述焙烧在高温窑中进行;所述焙烧条件为:第一阶段:以3~8℃/min的速率升温至100~140℃后保温30~60 min;第二阶段:以3~5℃/min的速率升温至450~600℃后保温45~90 min;第三阶段:以5~10℃/min的速率升温至1100~1500℃后保温60~90 min。
更加优选地,所述焙烧条件为:第一阶段:以3~8℃/min的速率升温至120℃后保温45 min;第二阶段:以3~5℃/min的速率升温至500℃后保温60 min;第三阶段:以5~10℃/min的速率升温至1300℃后保温75 min。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下所述:
(1)镁渣中的主要矿物成分包括γ型硅酸二钙(γ-C2S)、β型硅酸二钙(β-C2S)、氧化镁(MgO)和游离氧化钙(f-CaO)。这些矿物成分与空气中的水分、二氧化碳发生反应致使镁渣体积膨胀,进而逐渐粉化。但部分镁渣由于表层生成了致密结构,无法进一步反应,以粒状形式存在。在镁渣综合利用中,镁渣粉体可直接应用于各种建材领域,但粒状镁渣需破碎粉磨后再加以利用,以避免产品的体积稳定性不良等问题。本发明将粒状镁渣作为原料应用于烧结多孔砖的制备中,粒状镁渣可在砖坯内部形成骨架,为烧结多孔砖预留孔隙结构。本发明采用了镁渣中较为难以处理的粒状镁渣,避免了粒状镁渣在传统应用中破碎粉磨等工序的能源消耗。
(2)本发明采用污泥作为主要原料之一。一方面,可充分利用污泥内部的有机组分,不仅可以在高温烧制时减少能源消耗,也可在砖坯内部形成多孔结构;另一方面,污泥中的无机成分中含有50%以上的二氧化硅(SiO2),其在烧制过程中会产生液相,吸附在镁渣颗粒表面,与镁渣中的矿物成分发生固相反应,生成稳定的反应产物,进而解决了镁渣自膨胀的问题,提高了烧结多孔砖的体积稳定性。
(3)本发明将镁渣与污泥联合作为烧结多孔砖制备的原料,充分利用了两种固体废弃物的潜在资源特性,既减少了固体废弃物对土地、空气等环境的污染,同时又获得了一种性能优良的烧结多孔砖,具备良好的经济社会效益,符合资源节约、废物回收再利用、保护环境的理念。
具体实施方式
以下将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。应理解,下述实施例仅为本发明的部分实施例,仅用于解释本发明的技术方案,不用于限定本发明的保护范围。应理解,基于本发明实施例,本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例均属于本发明保护的范围。
实施例1:镁渣、污泥用量对烧结多孔砖性能的影响
实施例1.1
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,由下述质量份的原料烧制而成:镁渣40份、污泥53份、高温黏结剂6.3份、增强纤维0.7份。
所述烧结多孔砖的制备方法,包括以下步骤:
S1:污水处理厂沉淀的污泥经消化、压滤、烘干,制得含水量为10%~15%的块状污泥,将块状污泥经颚式破碎机破碎、筛分处理,得到所需的粒径不大于2.36 mm的污泥颗粒;
S2:将镁渣细集料、镁渣粗集料、污泥颗粒、废玻璃粉、氮化硼纤维混合均匀,得到混合物料;将混合物料置于密封环境中,陈化48 h;其中,镁渣细集料的粒径为2.36~4.75mm,镁渣粗集料的粒径为4.75~9.50 mm,镁渣细集料与镁渣粗集料的质量比为3:1;
S3:利用3~8 MPa的压力将陈化后的混合物料压制成型,得到砖坯;
S4:将砖坯置于105±5℃的高温环境中,使其干燥至恒重;随后,将干燥后的砖坯送入高温窑烧制,烧制共分为三个阶段。第一阶段:以6℃/min的速率升温至120℃后保温45min;第二阶段:以4℃/min的速率升温至500℃后保温60 min;第三阶段:以7℃/min的速率升温至1300℃后保温75 min。
S5:将烧制完成后的砖坯自然冷却至室温,即得一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖。
实施例1.2
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于镁渣用量为40质量份、污泥用量为45质量份。
实施例1.3
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于镁渣用量为40质量份、污泥用量为60质量份。
实施例1.4
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于镁渣用量为30质量份、污泥用量为53质量份。
实施例1.5
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于镁渣用量为50质量份、污泥用量为53质量份。
对比例1:一种基于镁渣的烧结多孔砖
本对比例提供一种基于镁渣的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于镁渣用量为93质量份、污泥用量为0,即不添加污泥。
对比例2:一种基于污泥的烧结多孔砖
本对比例提供一种基于污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于污泥用量为93质量份、镁渣用量为0,即不添加镁渣。
对实施例1、对比例1、对比例2中制得的烧结多孔砖参照GB/T 13544-2011《烧结多孔砖和多孔砌块》所述试验方法,测试其抗压强度、密度、饱和系数。抗压强度是烧结多孔砖力学性能的重要指标;表观密度则与其热工性能直接相关,表观密度越小,烧结多孔砖的保温隔热性能越好;饱和系数指烧结多孔砖的吸水率与5 h煮沸后吸水率之比,该指标与烧结多孔砖的开口孔隙率与总体孔隙率之比呈正相关,饱和系数越大,砖的开口孔隙率越大,抗风化性能越差。测试结果如表1所示。
由表1可知,不添加污泥时,烧结多孔砖的抗压强度较小,表观密度最大,且由于单独镁渣与水发生反应,无法检测其饱和系数。
由表1可知,不添加镁渣时,烧结多孔砖的抗压强度最小,表观密度最小,饱和系数最大,这是由于污泥中有机质烧失后,烧结多孔砖内部缺少足够的骨架支撑,力学性能表现较差。
由实施例1.1~实施例1.3测试结果可知,在镁渣质量份不变的情况下,随着烧结多孔砖中污泥质量份的增大,其抗压强度而先缓慢下降后快速下降,表观密度则表现为先快速下降后缓慢下降,饱和系数逐渐下降。随着污泥用量增大,烧结后污泥中有机质烧失,相应的多孔砖中闭口孔隙率逐渐增大,相应的其抗压强度与表观密度下降,饱和系数减小。
由实施例1.1、实施例1.4、实施例1.5测试结果可知,在污泥质量份不变的情况下,随着烧结多孔砖中镁渣质量份的增大,其抗压强度先快速增大,后趋于平缓;表观密度则表现为先慢后快的上升趋势,饱和系数逐渐提高。随着镁渣用量增大,原料中有机质整体含量下降,煅烧后多孔砖孔隙率减少、闭口孔隙率含量相对下降,表现为抗压强度、密度均有所上升,饱和系数增大。
综合考虑,烧结多孔砖的力学性能、热工性能以及抗风化性能,实施例1.1中镁渣用量为40质量份、污泥用量为53质量份时烧结多孔砖的综合性能优于其他实施例。
实施例2:镁渣细集料与粗集料质量比对烧结多孔砖性能的影响
实施例2.1
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于镁渣细集料与粗集料质量比为2:1。
实施例2.2
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于镁渣细集料与粗集料质量比为4:1。
对实施例2中制得的烧结多孔砖参照GB/T 13544-2011《烧结多孔砖和多孔砌块》所述试验方法,测试其抗压强度、密度、饱和系数。测试结果如表2所示。
由表2可知,在镁渣细集料与粗集料质量比由2:1逐渐增大至4:1的条件下,抗压强度呈现先快速上升后趋于平缓的变化趋势,表观密度则表现为先缓慢后快速的上升趋势,饱和系数不断减小。考虑烧结多孔砖的综合性能,实施例1.1中镁渣细集料与粗集料质量比为3:1时,烧结多孔砖性能优于其他实施例。
实施例3:高温黏结剂用量对烧结多孔砖性能的影响
实施例3.1
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于高温黏结剂(废玻璃粉)用量为4.5质量份。
实施例3.2
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于高温黏结剂(废玻璃粉)用量为9质量份。
对比例3
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于高温黏结剂(废玻璃粉)用量为0。
对实施例3、对比例3中制得的烧结多孔砖参照GB/T 13544-2011《烧结多孔砖和多孔砌块》所述试验方法,测试其抗压强度、密度、饱和系数。测试结果如表3所示。
由表3可知,对比例3中高温黏结剂用量为0时,烧结多孔砖的抗压强度较小、饱和系数较大,即力学性能、抗风化性能均表现较差。实施例1.1、实施例3.1、实施例3.2中高温黏结剂用量逐渐增加时,抗压强度呈现先快速后缓慢的上升趋势,表观密度则表现为较为均匀上升趋势,饱和系数则不断减小。考虑烧结多孔砖的综合性能,实施例1.1中高温黏结剂用量为6.3质量份时,烧结多孔砖性能优于其他实施例。
实施例4:增强纤维用量对烧结多孔砖性能的影响
实施例4.1
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于增强纤维(氮化硼纤维)用量为0.5质量份。
实施例4.2
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于增强纤维(氮化硼纤维)用量为1质量份。
对比例4
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于增强纤维(氮化硼纤维)用量为0。
对实施例4、对比例4中制得的烧结多孔砖参照GB/T 13544-2011《烧结多孔砖和多孔砌块》所述试验方法,测试其抗压强度、密度、饱和系数。测试结果如表4所示。
由表3可知,对比例4中增强纤维用量为0时,烧结多孔砖的抗压强度为最小值,即力学性能表现最差。实施例1.1、实施例4.1、实施例4.2中增强纤维用量逐渐增加时,抗压强度呈现先快速后缓慢的上升趋势,表观密度与饱和系数变化则不明显。考虑烧结多孔砖的综合性能以及产品经济性,实施例1.1中增强纤维用量为0.7质量份时为优选用量。
实施例5:烧制工艺对烧结多孔砖性能的影响
实施例5.1
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于:烧结多孔砖的制备步骤S4中烧制工艺,第一阶段:以3℃/min的速率升温至100℃后保温60 min;第二阶段:以3℃/min的速率升温至450℃后保温90min;第三阶段:以5℃/min的速率升温至1100℃后保温60 min。
实施例5.2
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于:烧结多孔砖的制备步骤S4中烧制工艺,第一阶段:以8℃/min的速率升温至140℃后保温30 min;第二阶段:以5℃/min的速率升温至600℃后保温45min;第三阶段:以10℃/min的速率升温至1500℃后保温60 min。
对实施例5中制得的烧结多孔砖参照GB/T 13544-2011《烧结多孔砖和多孔砌块》所述试验方法,测试其抗压强度、密度、饱和系数。测试结果如表5所示。
由表5可知,相较于其他实施例,实施例1.1的抗压强度最大,饱和系数最小,表观密度介于其他实施例两者之间。即实施例1.1中所述烧制工艺为最佳烧制工艺。
实施例6:污泥种类对烧结多孔砖性能的影响
实施例6.1
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于污泥种类为排水管道污泥。
实施例6.2
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于污泥种类为疏浚淤泥。
实施例6.3
本实施例提供一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖,其组成与制备方法与实施例1.1基本相同,其不同之处在于污泥种类为给水厂污泥。
对实施例6中制得的烧结多孔砖参照GB/T 13544-2011《烧结多孔砖和多孔砌块》所述试验方法,测试其抗压强度、密度、饱和系数。测试结果如表6所示。
由表6可知,实施例1.1中污泥种类为污水处理厂沉淀污泥时,烧结多孔砖的抗压强度高于其他实施例,表观密度则小于其他实施例,饱和系数较小。考虑烧结多孔砖的综合性能,实施例1.1中污泥种类选用污水处理厂沉淀污泥时为优选污泥种类。
由表1~6可知,本发明所制备的一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖充分利用了镁渣与污泥两种固体废弃物,制备出的烧结多孔砖满足GB/T 13544-2011《烧结多孔砖和多孔砌块》中强度等级MU10、密度等级1300的性能指标要求。
上述对本发明进行了优选的实施例描述,但应该理解发明并非局限于本文所披露内容限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的非实质改进,或将本发明的方法构思和技术方案应用于其他场合的,均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种烧结多孔砖,其特征在于,主要由下述质量份的原料制备而成:镁渣30~50份、污泥45~60份、高温黏结剂4.5~9份、增强纤维0.5~1份;
所述镁渣包括镁渣细集料和镁渣粗集料;所述镁渣细集料粒径为2.36~4.75 mm;所述镁渣粗集料粒径为4.75~9.50 mm。
2.根据权利要求1所述的烧结多孔砖,其特征在于,主要由下述质量份的原料制备而成:镁渣40份、污泥50份、高温黏结剂6.3份、增强纤维0.7份。
3.根据权利要求1或2所述的烧结多孔砖,其特征在于,所述污泥为污水处理厂沉淀污泥、排水管道污泥、疏浚淤泥、给水厂污泥中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的烧结多孔砖,其特征在于,所述高温黏结剂为废玻璃粉;所述增强纤维为氮化硼纤维、氧化铝纤维、碳纤维中的至少一种。
5.权利要求1-4任一所述烧结多孔砖的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:将镁渣细集料、镁渣粗集料、污泥颗粒、高温黏结剂和增强纤维混合,得到混合物料;
S2:将混合物料加工成型,得到砖坯;
S3:对经干燥处理后的砖坯进行焙烧,即得一种基于镁渣与污泥的烧结多孔砖。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,S1中所述镁渣细集料与镁渣粗集料的质量比为(2~4):1。
7.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,S3中所述焙烧条件为:第一阶段:以3~8℃/min的速率升温至100~140℃后保温30~60 min;第二阶段:以3~5℃/min的速率升温至450~600℃后保温45~90 min;第三阶段:以5~10℃/min的速率升温至1100~1500℃后保温60~90 min。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,S1中所述污泥颗粒由污泥经消化、压滤、烘干、破碎、筛分处理后制成;所述污泥颗粒粒径不大于2.36 mm;所述污泥颗粒含水量为10%~15%。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述混合混料经陈化处理后加工成型;所述陈化时间为12~48 h。
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