CN114716193A - 一种再生渣土砖的制备方法 - Google Patents

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Abstract

发明涉及建筑材料加工技术领域，尤其涉及一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：（S.1）向城市渣土粉中加入钙质添加剂，混合均匀后加水得到浆料；（S.2）将浆料装入模具中，并对其施加压力，得到成型试件；（S.3）将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应；（S.4）水热反应结束后，向其中通入二氧化碳气体，进行碳化反应，得到水热试件；（S.5）将水热试件烘干至恒重，得到成品。本发明针对城市渣土化学成分的不稳定性和强度低的问题，分别采用固定配比确定掺量和蒸压碳化提供强度的方法，并运用压制成型技术替代了高耗能的烧结成型工艺，降低了生产成本，实现了大掺量使用城市渣土制备绿色建材产品。

Description

一种再生渣土砖的制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料加工技术领域，尤其涉及一种再生渣土砖的制备方法。
背景技术
随着工业化和城镇化的快速发展，建筑垃圾等固体废物产生量巨大，建筑渣土和废弃泥是产生量最大的城镇固体废弃物。建筑渣土和废弃泥附加值低，特别是我省沿海沿江城市建设产生建筑渣土具有含泥量大、含水率高的特点，难以直接利用。目前多采用简易填埋的处置方式，这不仅是资源的浪费，而且是对生态环境的伤害。现存的建筑固废资源化利用方式多为制砖，但传统制造过程中会产生大量温室气体，造成全球变暖。因此，急需研发新的绿色建筑固废资源化利用技术，促进人与自然和谐发展。
例如申请号为CN201610934806.7的发明公开了一种环保建材砖，由以下成分制成：改性渣土、砖碎块、瓦碎块、铝矾土、废旧陶瓷粉、碳酸镁、麦饭石、高岭土、煤矸石、河砂。该发明环保建材砖机械性能好，强度高，避免了现在用砖的易断、易变形、承受压力小和造价高的缺点，但是其在制备过程中需要用到高温烧结过程，使得其能耗较大，且环保性较差。
申请号为CN202110380207.6的一种渣土砖及其制备方法，渣土砖包括如下质量比的组分：2100~2400份渣土、500~600份水泥、200~300份细砂、50~60份复合增强剂、55~70份复合胶凝剂、20~45份减水剂，其制备方法包括如下步骤：取建筑生产后的渣土原料，将其置入破碎机进行初步破碎；将破碎后的渣土材料放入球磨机进行简单球磨，形成粉末；将粉末置于搅拌机中，并添加复合增强剂、水泥、细砂、减水剂后，进行搅拌；再置入密闭的容器中，向内部进行洒水并同时加热持续20~30分钟后，自然冷却，得到成型颗粒；将成型颗粒与复合胶凝剂进行搅拌并压制成型。这种渣土砖在制备过程中需要加入水泥等粘结材料，导致其制备成本较高，同时成型后的渣土砖的力学性能较差。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的渣土砖在制备过程中能耗较大，环保性不佳，同时力学性能较差的缺陷，提供了一种再生渣土砖的制备方法以克服上述缺陷。
为实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）向城市渣土粉中加入钙质添加剂，混合均匀后加水得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，并对其施加压力，得到成型试件；
（S.3）将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应；
（S.4）水热反应结束后，向其中通入二氧化碳气体，进行碳化反应，得到水热试件；
（S.5）将水热试件烘干至恒重，得到成品。
如背景技术中所述，通常情况下对城市渣土粉的利用可以采用对其再次烧结的方式对其进行二次利用。但是，二次烧结过程中所需要的能源消耗较大，同时还会产生较大的污染，这显而与绿色建筑固废资源化利用技术的初衷相违背。
经过本申请发明人的研究后发现，城市渣土粉中通常含有含量较高的二氧化硅，当其与钙质添加剂中的钙元素相复配后在水热条件下，二氧化硅与钙质添加剂能够反应形成强度较高的托勃莫来石。
相较于现有技术中的而言，通过这种方式制备得到的渣土砖其具有以下优势：（1）水热反应消耗能量较少，同时在反应过程中不会排放污染环境的物质；（2）通过水热反应后的渣土砖其结构强度更高，同时内部缺陷更少；（3）在渣土砖制备过程中二氧化硅与钙质添加剂结合形成托勃莫来石的效率更好。
同时，本发明申请人还在水热反应结束后，向反应釜中通入二氧化碳气体，其可与水热反应后的渣土砖中含钙活性成分一起反应，从而形成强度更高的石灰石，因此能够进一步提升制备得到的渣土砖的力学性能。同时，在与二氧化碳反应过后，还能够有效降低渣土砖的反应活性，使得制备得到的渣土砖的稳定性能够得到有效提升。
作为优选，所述步骤（S.1）中城市渣土粉中加入钙质添加剂后，钙元素与硅元素物质的量之比为0.5-0.9。
理论上当添加钙质添加剂后，钙元素与硅元素的物质的量之比在0.83时两者能够形成托勃莫来石结构，但是考虑到城市渣土粉中的硅元素的反应活性较低，所以我们掺入钙元素使得两者物质的量之比为0.5-0.9之间时，参与反应的部分物质的量之比已经接近0.8左右，从而在水热条件下会生成托勃莫来石，从而减少了不必要的低结构强度的产物的生成。
作为优选，所述步骤（S.1）中城市渣土粉中加入钙质添加剂后，钙元素与硅元素物质的量之比为0.5。
作为优选，所述步骤（S.1）中固化剂为钙质添加剂包括氧化钙、氢氧化钙、高钙电石渣、矿渣中的一种或多种的组合物。
本发明中所选择的钙质添加剂为具有反应活性的含钙化合物，从而其能够与二氧化硅更好的形成托勃莫来石结构。
作为优选，所述步骤（S.1）中还需要加入固化剂；
所述固化剂的添加量为城市渣土粉与钙质添加剂质量总和的0.01~0.2%wt。
本申请的发明在日常试验过程中发现，二氧化硅与钙质添加剂两者在水热条件下虽然能够形成托勃莫来石结构，但是整体的反应效率较低。而当相渣土砖中继续添加有一定的固化剂之后，能够有效提高托勃莫来石结构的生成速率。
作为优选，固化剂为脂肪族类固化剂。
经过本申请发明人不断的试验发现，当选择固化剂为脂肪族类固化剂后，其可以在一定程度上促进硅氧键以及铝氧键的断裂，使得钙离子更容易与其发生反应生成托勃莫来石。
作为优选，所述脂肪族类固化剂包括二乙烯基三胺、氨乙基哌嗪、1,2-二氨基环己烷、异佛尔酮二胺、亚甲基双环己烷胺中的一种或多种的组合物。
作为优选，所述步骤（S.1）中加水量为渣土粉与钙质添加剂总和的10%wt，搅拌2分钟得到浆料。
作为优选，所述步骤（S.2）中施加压力15~30MPa，加压持续时间为2~10分钟。
作为优选，所述步骤（S.3）中高温高压反应釜内温度为150~250℃、蒸汽压为1~2MPa、水热时间18~36h。
作为优选，所述步骤（S.4）中高温高压反应釜中温度为50~80℃，二氧化碳气体压力为0.35MPa，碳化时间8~16h。
作为优选，所述步骤（S5）中烘干温度为50~80℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
该种环保可再生渣土砖的制备工艺，针对城市渣土化学成分的不稳定性和强度低的问题，分别采用固定配比确定掺量和蒸压碳化提供强度的方法，并运用压制成型技术替代了高耗能的烧结成型工艺，降低了生产成本，实现了大掺量使用城市渣土制备绿色建材产品。
附图说明
图1 为本发明再生渣土砖的XRD图。
图2 为本发明再生渣土砖的电镜图。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入氧化钙，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.5，混合均匀后加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加20MPa的压力，加压持续时间5分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为200℃、蒸汽压为1.5MPa、水热时间24h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至65℃，向其中通入0.35MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应12h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在60℃下烘干至恒重，得到成品。
实施例2
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入氧化钙，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.6，混合均匀后加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加20MPa的压力，加压持续时间5分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为200℃、蒸汽压为1.5MPa、水热时间24h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至65℃，向其中通入0.35MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应12h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在60℃下烘干至恒重，得到成品。
实施例3
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入氧化钙，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.83，混合均匀后加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加20MPa的压力，加压持续时间5分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为200℃、蒸汽压为1.5MPa、水热时间24h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至65℃，向其中通入0.35MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应12h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在60℃下烘干至恒重，得到成品。
实施例4
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入氧化钙，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.5，混合均匀后再加入城市渣土粉与氧化钙质量总和的0.01wt的氨乙基哌嗪，然后加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加20MPa的压力，加压持续时间5分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为200℃、蒸汽压为1.5MPa、水热时间24h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至65℃，向其中通入0.35MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应12h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在60℃下烘干至恒重，得到成品。
实施例5
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入氧化钙，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.5，混合均匀后再加入城市渣土粉与氧化钙质量总和的0.1%wt的氨乙基哌嗪，然后加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加20MPa的压力，加压持续时间5分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为200℃、蒸汽压为1.5MPa、水热时间24h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至65℃，向其中通入0.35MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应12h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在60℃下烘干至恒重，得到成品。
实施例6
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入氧化钙，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.5，混合均匀后再加入城市渣土粉与氧化钙质量总和的0.15%wt的氨乙基哌嗪加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加20MPa的压力，加压持续时间5分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为200℃、蒸汽压为1.5MPa、水热时间24h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至65℃，向其中通入0.35MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应12h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在60℃下烘干至恒重，得到成品。
实施例7
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入氧化钙，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.5，混合均匀后再加入城市渣土粉与氧化钙质量总和的0.2%wt的氨乙基哌嗪加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加20MPa的压力，加压持续时间5分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为200℃、蒸汽压为1.5MPa、水热时间24h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至65℃，向其中通入0.35MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应12h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在60℃下烘干至恒重，得到成品。
实施例8
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入氢氧化钙，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.5，混合均匀后再加入城市渣土粉与氢氧化钙质量总和的0.1%wt的异佛尔酮二胺，然后加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加15MPa的压力，加压持续时间10分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为150℃、蒸汽压为2MPa、水热时间36h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至50℃，向其中通入0.5MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应16h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在50℃下烘干至恒重，得到成品。
实施例9
一种再生渣土砖的制备方法，包括以下步骤：
（S.1）将需要处理的城市渣土送入60℃烘箱烘至恒重，将上述烘干的城市渣土送入破碎机内进行破碎，将上述破碎的城市渣土粉末进行XRD分析，得出城市渣土粉末中硅质成分合钙质成分含量，按重量份数，取100份上述城市渣土，向城市渣土粉中加入高钙电石渣，使得钙元素与硅元素物质的量之比为0.5，混合均匀后再加入城市渣土粉与高钙电石渣质量总和的0.1%wt的亚甲基双环己烷胺加水10%wt搅拌2分钟得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，用液压机对上述装有浆料的模具施加30MPa的压力，加压持续时间2分钟；
（S.3）拆除上述模具得到成型试件，并将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应，反应釜内温度为250℃、蒸汽压为1MPa、水热时间18h；
（S.4）水热反应结束后，降低反应釜中温度至80℃，向其中通入0.2MPa的二氧化碳气体，进行碳化反应8h，得到水热试件；
（S.5）将水热试件在80℃下烘干至恒重，得到成品。
对比例1
对比例1与实施例5相比，其余条件相同，区别在于钙元素与硅元素物质的量之比为0.4。
对比例2
对比例2与实施例5相比，其余条件相同，区别在于钙元素与硅元素物质的量之比为0.9。
对比例3
对比例3与实施例5相比，其余条件相同，区别在于未进行碳化步骤。
实施例1~9以及对比例1~3中的关键步骤条件如下表1所示。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE001
对比例4
以授权公告号为CN110002844B，发明名称为一种城市污泥保温烧结砖及其制备方法中的实施例2作为对比例4。
具体如下：
干燥污泥的制备：将污泥放置于干燥箱中，在105℃下干燥6小时，取出后粉碎打磨，在球磨机中球磨10-15min，然后分别过0.3mm筛和1mm筛，按质量百分比计，称取干燥的污泥，0.3mm以下粉体占85％，0.3-1mm粉体占15％。
烧结保温砖内核材料制备：取粒径0.3mm以下渣土0.25份，干燥污泥0.45份，粉煤灰0.1份，硅灰0.1份，煤矸石0.1份，硼砂0.04份，聚羧酸减水剂0.008份，将粉体材料搅拌均匀后加入水搅拌4-5min。
烧结保温砖外壳材料制备：取粒径0.3mm以下渣土0.35份，干燥污泥0.45 份，粉煤灰0.1份，硅灰0.1份，硼砂0.04份，聚羧酸减水剂0.008份，将粉体材料搅拌均匀后加入水搅拌4-5min。
模压成型：在成型模具底部铺5-10mm厚外壳材料，中部利用框架隔板，将内核原料和外壳原料分开填充，填充后至内核材料与外壳材料高度一致，取出框架隔板，在顶部铺5-10mm厚外壳原料，在14Mpa压力下保压30s压制成型，得到180mm×240mm×53mm的样品砖坯体。
干燥：成型后的坯体，自然干燥24h后，放入干燥箱中105℃干燥2h。
烧结：将干燥后的坯体，放入马弗炉中，从105℃升温至1050℃，升温曲线 1℃/min，在1050℃温度下烧结，保温2小时，即得到本发明所述的城市污泥保温烧结砖。
【性能测试】
对实施例1~9以及对比例1~4中制备得到的再生渣土砖进行测试，测试结果如下表2所示：
表2
Figure 917248DEST_PATH_IMAGE002
从上表中数据可知，通过本发明中的方法制备得到的渣土砖与通过常规的烧结法制备得到的渣土砖相比，其性能更加优异，表明通过本发明能够有效替代高耗能的烧结成型工艺，降低了生产成本。
同时，我们发还发现，在配制渣土砖的过程中，钙元素与硅元素的比例对于渣土砖的性能有着明显的影响，当钙元素与硅元素的物质的量的比例在0.5~0.9之间时，其综合性能更佳，推测原因在于，在此配比条件下，能够形成更加稳定的托勃莫来石结构，从而提升了渣土砖的力学性能。图1 为通过本发明中的方法制备得到的渣土砖的XRD图，从图中可以看出，当钙元素与硅元素的物质的量的比例在0.5开始生成托勃莫来石，在0.9时开始消失。从图2的电镜图中也能对应找到针状托勃莫来石。
此外，我们还发现，在配制渣土砖的过程中加入一定量的固化剂，能够一定量的提升渣土砖的各项性能。表明固化剂的加入确实可以在一定程度上促进硅氧键以及铝氧键的断裂，使得钙离子更容易与其发生反应生成托勃莫来石结构。

Claims (10)

1.一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
包括以下步骤：
（S.1）向城市渣土粉中加入钙质添加剂，混合均匀后加水得到浆料；
（S.2）将浆料装入模具中，并对其施加压力，得到成型试件；
（S.3）将成型试件放入高温高压反应釜中，进行水热反应；
（S.4）水热反应结束后，向其中通入二氧化碳气体，进行碳化反应，得到水热试件；
（S.5）将水热试件烘干至恒重，得到成品。
2.根据权利要求1所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.1）中城市渣土粉中加入钙质添加剂后，钙元素与硅元素物质的量之比为0.5-0.9。
3.根据权利要求1或2所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.1）中固化剂为钙质添加剂包括氧化钙、氢氧化钙、高钙电石渣、矿渣中的一种或多种的组合物。
4.根据权利要求3所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.1）中还需要加入固化剂；
所述固化剂的添加量为城市渣土粉与钙质添加剂质量总和的0.01~0.2%wt。
5.根据权利要求4所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
固化剂为脂肪族类固化剂。
6.根据权利要求5所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
所述脂肪族类固化剂包括二乙烯基三胺、氨乙基哌嗪、1,2-二氨基环己烷、异佛尔酮二胺、亚甲基双环己烷胺中的一种或多种的组合物。
7.根据权利要求1所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.2）中施加压力15~30MPa，加压持续时间为2~10分钟。
8.根据权利要求1所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.3）中高温高压反应釜内温度为150~250℃、蒸汽压为1~2MPa、水热时间18~36h。
9.根据权利要求1所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S.4）中高温高压反应釜中温度为50~80℃，二氧化碳气体压力为0.2~0.5MPa，碳化时间8~16h。
10.根据权利要求1所述的一种再生渣土砖的制备方法，其特征在于，
所述步骤（S5）中烘干温度为50~80℃。
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