建筑固废掺烧污泥制备透水砖及性能研究.pdf

-88-第46卷第3期 非金属矿 Vol.46 No.32023年5月 Non-Metallic Mines May,2023建筑固废掺烧污泥制备透水砖及性能研究南 宁1,2,3 刘明宝1,2,3*崔孝炜1,2,3 李 峰1,2,3*刘 璇1,2,3 王之宇1,2,3 郑晓宇1（1 商洛学院 化学工程与现代材料学院，陕西 商洛 726000；2 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西 商洛 726000；3 商洛学院商洛市石墨烯技术与应用研究中心，陕西 商洛 726000)摘 要 以废弃碎砖、废弃陶瓷砖和废弃混凝土块破碎的混合料为主要骨料，以污泥、石英砂和废玻璃混合料为黏结剂，研制环保型高性能透水砖。研究了骨料配比、黏结剂掺量、生坯成型压力、焙烧温度等因素对透水砖性能的影响。结果表明，当粗细骨料配比为 454510，黏结剂掺量为 14%，成型压力为 20 MPa，焙烧温度为 1 140 时，制得的透水砖性能最佳，透水系数为 3.210-2 cm/s，抗压强度为 45.6 MPa，透水系数和抗压强度达到透水砖 GB/T 25993-2010 相关指标要求。关键词 建筑固废；污泥；透水砖；透水系数；抗压强度中图分类号：TU522.1;X799.1文献标志码：A文章编号：1000-8098(2023)03-0088-04Research on Preparation and Performance of Permeable Brick Using Building Solid Waste with SludgeNan Ning1,2,3 Liu Mingbao1,2,3*Cui Xiaowei1,2,3 Li Feng1,2,3*Liu Xuan1,2,3 Wang Zhiyu1,2,3 Zheng Xiaoyu1(1 College of Chemical Engineering and Modern Materials,Shangluo University,Shangluo,Shaanxi 726000;2 Shaanxi Key Laboratory of Com-prehensive Utilization of Tailings Resources,Shangluo,Shaanxi 726000;3 Research Centre of Graphene Technology and Application,Shangluo University,Shangluo,Shaanxi 726000)Abstract Permeable brick with environmental protection and high performance was developed in this paper.The main aggregate was mixture of waste broken brick,waste ceramic brick and waste concrete block,and the binder was mixture of sludge,quartz sand and waste glass.The effects of aggregate ratio,binder content,blank molding pressure and roasting temperature on the properties of permeable brick were studied.The results showed that the best permeable brick could be prepared when the ratio of coarse and fine aggregate was 454510,binder content was 14%,molding pressure was 20 MPa and roasting temperature was 1 140,and its permeability coefficient was 3.210-2 cm/s,the compressive strength was 45.6 MPa.The permeability coefficient and compressive strength of permeable brick met the requirements of GB/T 25993-2010.Key words building solid waste;sludge;permeable brick;permeability coefficient;compressive strength随着我国城镇化建设和经济发展明显加快，城市相关建设施工项目增多，产生的建筑固废不断增加，每年产生约 35 亿吨建筑固废。这些固废大多被施工单位露天堆放或填埋，造成严重的生态危机1-2。因此，开展大宗建筑固废综合利用研究已迫在眉睫。现有文献报道建筑固废主要用来做混凝土掺和料3-4、砌块5-6、免烧砖7-8、透水砖9-11等，但均未实现大规模应用。污泥来自污水处理厂，其中含有大量有机质，有机质可在高温焙烧过程中分解产生气孔，无机质成分以硅铝为主，硅铝是高温黏结剂所需成分，以上两点使得污泥符合研制透水砖过程中黏结剂的需求。本研究以建筑固废（废弃碎砖、废弃陶瓷砖、废弃混凝土块的混合物）为主要骨料，以污泥、石英砂和废玻璃混合料为黏结剂，研制环保型高性能透水砖。以透水系数和抗压强度为主要指标衡量透水砖的整体性能，探究骨料配比、黏结剂掺量、生坯成型压力和焙烧温度等因素对透水砖性能的影响，以期为建筑固废、污泥和废玻璃协同综合利用探索出一条新途径。1 试验部分1.1 原料 为了使试验结果适用于大宗建筑固废，综合当下堆存建筑固废的实际情况，将商洛某建筑工地废弃碎砖、废弃陶瓷砖、废弃混凝土块按 112 质量比混合。经破碎后过筛、选取其中粒径 0.71 mm的物料为细骨料，11.7 mm 的物料为中骨料，1.73.35 mm 的物料为粗骨料。城市污泥取自陕西环保集团水环境(镇安)有限公司，石英砂购自厦门艾思欧标准砂有限公司，废玻璃取自商洛市垃圾回收站。将污泥置于干燥箱内 100 干燥 24 h，冷却至室温破碎磨细后得到干污泥备用。将干污泥、石英砂和废玻璃以质量分数85%、10%和5%混合粉碎过200目（74 m）筛，收稿日期：2023-04-06基金项目：陕西省科技惠民计划项目（2018ZY-HM-01）；陕西省重点研发计划（2023YF-YBSF-0879）；横向项目（22HKY416）。*通信作者，E-mail：；。-89-制成混合黏结剂。各原料的化学成分，见表 1。表 1 主要原料化学组成（w/%）原料SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OTiO2建筑固废 47.3610.372.0628.954.123.623.230.10石英砂93.583.150.820.350.080.820.650废玻璃67.66.780.458.252.646.786.850干污泥40.2635.755.654.23.820.860.950.451.2 仪器设备 YP10001 型电子天平，上海衡际科学仪器有限公司；NBD-M1500-16TI 型箱式电阻炉，河南诺巴迪材料科技有限公司；101 型鼓风干燥箱，北京科伟仪器有限公司；Quanta 400F 型扫描电子显微镜（SEM），日本电子株式会社；Agilent 715 型电感耦合等离子体发射光谱仪，安捷伦科技有限公司；GJE200-45型破碎制样机，江西通用化验制造；WDW-50 型万能试验机，济南恒瑞金试验机有限公司。1.3 试样制备 将破碎研磨筛分后的建筑固废作为骨料，加入制备的混合黏结剂和适量水，骨料和黏结剂用量为 100%，充分混合均匀，倒入尺寸为 10 cm10 cm2.7 cm 模具中，在压力试验机上以1040 MPa 压力压制成型，制得透水砖生坯。将透水砖生坯放入烘箱在 100 下干燥 15 h，再置于马弗炉在 1 1101 170 烧成温度下烧制得到透水砖试样。1.4 性能测试 按照 JC/T 945-2005透水砖行业标准，采用万能试验机进行抗压强度检测；按照 GB/T 25993-2010透水路面砖和透水路面板 要求自制透水系数测试设备测定试样透水系数，透水系数测试设备示意图，见图 1。1-进水系统；2-溢流口；3-溢流水槽；4-试样；5-支架；6-塑料圆筒；7-量筒图1 透水系数测试设备示意图透水系数计算公式，见下式。K=QL/(AHt)式中：K 为透水系数，cm/s；Q 为出水体积，mL；L 为样品的厚度，cm；A 为样品的上表面积，cm2；H 为水位差，cm；t 为出水体积 Q 所对应的时间，s。透水系数结果以 3 块试样测试结果的平均值表示。2 结果与讨论2.1 骨料配比对透水砖性能的影响 骨料配比决定了骨料的粒径与级配，在烧制过程中直接影响透水砖的透水性能和力学强度。控制成型压力为 20 MPa，黏结剂掺量为 14%，焙烧温度为 1 140，保温时间为30 min，探究不同骨料配比对烧结透水砖性能的影响。骨料配比见表 2，结果见图 2。表 2 骨料配比序号粗、中、细骨料配比190 0 10275 15 10360 30 10445 45 10530 60 10615 75 1070 90 10图2 骨料配比对透水砖性能的影响由图 2 可知，骨料配比中粗骨料（1.73.35 mm）占比越大，透水砖试样的透水系数越大，抗压强度越小。其原因是粗骨料占比越大，在压制生坯过程中骨料间形成的空隙就越大，致使烧结后透水砖内的孔径变大，表现出良好的透水性能，但同时导致抗压强度较低。随着中骨料（11.7 mm）占比的增大，透水砖试样的透水系数逐渐减小，抗压强度则逐渐增大。其原因是中骨料占比的越大，骨料粒径整体逐渐变小，骨料间形成的孔隙随之变小，骨料间有更多的接触点，致使烧结后透水砖内的孔径变小，透水砖整体致密度增大，表现出良好的力学性能，但同时导致透水性能减弱。综合考察透水砖整体性能，选择最优骨料配比为 4545 10。2.2 黏结剂掺量对透水砖性能的影响 控制成型压力为 20 MPa，骨料配比为 454510，焙烧温度为 1 140，保温时间为 30 min 的条件下，探究黏结剂掺量比例对透水砖性能的影响，结果见图 3。从图 3 可看出，随着黏结剂掺量比例增大，透水砖抗压强度先增大后减小，透水系数先减小后增大。建筑固废掺烧污泥制备透水砖及性能研究南 宁，刘明宝，崔孝炜，等-90-第46卷第3期 非金属矿 2023年5月黏结剂掺量比例为 6%14%，随着黏结剂掺量比例增大，骨料含量减小，试样透水系数逐渐减小，抗压强度逐渐增大。当黏结剂掺量比例为 14%30%，随着黏结剂掺量比例增大，试样透水系数逐渐增大，抗压强度逐渐减小。其原因是黏结剂掺量达到一定比例后，黏结剂中污泥烧失代替骨料堆积成为主要造孔来源，在高温焙烧条件下污泥烧失使骨料间形成孔隙。黏结剂掺量比例越大，焙烧后骨料间形成的孔隙越大，相应透水砖的透水系数增大，而抗压强度减小。黏结剂掺量比例为 14%，制得的透水砖透水系数为3.210-2 cm/s，抗压强度为 45.6 MPa，透水砖整体性能最佳，选择最优黏结剂掺量为 14%。最优配比中黏结剂掺量为 14%，其中石英砂占黏结剂和骨料总体比为1.4%，故此条件下固废占比为 98.6%，探究试验中黏结剂掺量最大到 30%，可得固废占比为 97%，因此本研究固废综合利用率达到 96%以上。图3 黏结剂添加量对透水砖性能的影响2.3 成型压力对透水砖性能的影响 控制黏结剂掺量为 14%，骨料配比为 4545 10，焙烧温度为 1 140，保温时间为 30 min，探究不同成型压力条件对透水砖性能的影响，结果见图 4。图4 成型压力对透水砖性能的影响从图 4 可看出，随着成型压力的增大，透水砖试样透水系数不断减小，抗压强度不断增大。成型压力为 1020 MPa，随着成型压力增大，透水砖试样透水系数快速降低，抗压强度快速升高。成型压力为2040 MPa，随着成型压力增大，透水砖试样透水系数缓慢降低，抗压强度缓慢升高。其原因是成型压力增大会使透水砖生坯的致密度增大，经焙烧后透水砖内孔隙减少，试样的透水性能降低，抗压强度增大。当成型压力为 20 MPa 时，制得的透水砖透水系数为3.210-2 cm/s，抗压强度为 45.6 MPa，整体性能最佳。故选择最优成型压力为 20 MPa。2.4 焙烧温度对透水砖性能的影响 控制成型压力为 20 MPa，黏结剂掺量为 14%，骨料配比为454510，保温时间为 30 min，探究不同焙烧温度对透水砖性能的影响，结果见图 5。图5 焙烧温度对透水砖性能的影响从图 5 可看出，随焙烧温度升高，透水砖透水系数先升高后降低再升高，抗压强度先增大后减小。焙烧温度在较低温度段，焙烧透水砖内部小颗粒未完全熔化填充在砖内空隙中，阻碍水流通过砖体，使透水砖透水性能较低，在 1 1101 140 范围，随着温度升高，透水砖内黏结剂会转化为更多的液相，液相量的增加使骨料间孔隙增加并使孔隙内壁更光滑，同时提高了骨料间的黏合强度。在 1 1401 160 范围，随着温度升高，过量液相会填充砖内孔隙，致使透水砖透水性能降低，致密度增大，抗压强度继续增大。在 1 1601 170 范围，透水砖透水系数急速升高，抗压强度急速降低，其原因是焙烧温度过高造成砖体局部出现裂纹。综合考察透水砖整体性能，选择最优焙烧温度为 1 140，此条件下制得透水砖透水系数为 3.210-2 cm/s，抗压强度为 45.6 MPa，达到 GB/T 25993-2010 相关指标要求。2.5 透水砖形貌分析 最佳工艺条件下制备的透水砖微观形貌图，见图 6。a-5 000；b-15 000图6 透水砖SEM图（下转第 94 页）-94-第46卷第3期 非金属矿 2023年5月从图 6a 可看出，透水砖内部分布着大量孔隙，孔隙分布较均匀，且部分孔和孔之间形成了通孔，这些孔隙为透水砖的透水性能提供了一定基础。从图 6b可看到明显的通孔和大孔结构，这些连通孔和大孔结构提高了透水砖的透水性能。3 结论1.以废弃碎砖、废弃陶瓷砖和废弃混凝土块破碎的混合料为主要骨料，以污泥、石英砂和废玻璃混合料为黏结剂，研制高性能透水砖，固废综合利用率达到 96%以上。2.综合分析透水砖整体性能，确定最优制备工艺为：成型压力为 20 MPa，黏结剂掺量为 14%，骨料配比为 4545 10，焙烧温度为 1 140，保温时间为30 min。制得的透水砖透水系数为 3.210-2 cm/s，抗压强度为 45.6 MPa。透水砖透水系数和抗压强度达到 GB/T 25993-2010 相关指标要求。参考文献：1 徐慧.城市固废现状、污染成因及治理对策 J.资源节约与环保，2022(9)：39-42.2 韦劲松.建筑垃圾资源化利用现状以及改进措施探讨 J.低碳世界，2020，10(6)：53，74.3 窦博.多元固废制备高活性超细混凝土掺合料及性能研究 D.桂林：桂林理工大学，2021.4 郭远新，孔哲，李秋义，等.建筑固废制备再生细骨料混凝土配合比优化研究 J.混凝土，2022，398(12)：176-179.5 夏志勇，夏皖.固废资源综合利用制备烧结墙板工艺与装备研究J.砖瓦，2022，418(10)：28-33.6 马荣冰.固废再生模板砌块墙体抗震性能试验研究 D.西安：西安建筑科技大学，2022.7 李春，周文博，王豪，等.GO 增强掺钼尾矿免烧砖的微结构和力学性能 J.非金属矿，2022，45(4)：45-48.8 白敏，龙广成，谢友均，等.锰渣与再生砖骨料制备免烧砖的性能及应用 J.硅酸盐通报，2022，41(10)：3533-3541.9 赵威，王之宇，周春生，等.建筑固废制备高性能透水砖的研究 J.非金属矿，2020，43(6)：101-104.10 李峰，王宏，周春生，等.钼尾矿制备陶瓷透水砖的研究 J.非金属矿，2020，43(1)：33-36.11 徐珊，王若琛，李峰，等.高掺量尾矿透水砖的制备及其性能研究J.非金属矿，2022，45(4)：88-90.1.421.54 g/cm3范围，显气孔率较高，稳定在 50.55%左右；抗折强度在 11.0129.19 MPa 范围，满足一般条件吸附和催化的使用要求，且较宽的烧结温度范围有利于工程化批量生产。参考文献：1 陈波，王伟鱼，丰雨秋，等.蒸养条件下矿粉、粉煤灰对高铁相硅酸盐水泥基材料毛细孔和抗侵蚀性能的影响 J.硅酸盐通报，2023，42(1)：162-169.2 杨泽波，刘勇，陈清蓉，等.混凝土用矿物掺合料超细化作用机理J/OL.材料导报，2023(S1)：1-92023-02-24.http:/ 崔钊玮，杨靖韬，刘荣桂，等.复掺白云石粉与粉煤灰混凝土力学性能试验研究 J.混凝土，2022(12)：96-99，109.4 韩福强，檀星，赵风清.粉煤灰-电石渣加气混凝土砌块工艺参数优化 J.混凝土，2019(7)：116-119，124.5 王悦，陈爽，曹锐，等.耐盐菌联合化学复合改良剂协同改良黄河三角洲盐碱土壤的效果 J.水土保持学报，2023，37(1)：354-360.6 吕莹，李佳，叶恒朋，等.无机改良剂对酸性重金属污染土壤的修复效果 J.环境科学与技术，2018，41(10)：1-12.7 庞建勇，姚韦靖，王凌燕.采空区超细粉煤灰注浆充填材料正交试验及回归分析 J.长江科学院院报，2018，35(9)：103-108.8 康靖雅，高立华，湛文龙，等.微波场下粉煤灰和电石渣协同脱硫脱硝性能研究 J.环境污染与防治，2022，44(5)：568-572.9 谢士兵，李猛，王友成.免烧粉煤灰陶粒的制备及在造纸废水处理中的应用 J.中国造纸，2019，38(11)：85-89.10 武飞乐，李世春.“双碳”目标下粉煤灰中有价金属回收技术研究 J/OL.中国有色冶金：1-122023-02-24.http:/ ZENG L,SUN H J,PENG T J,et al.Preparation of porous glass-ceramics from coal fly ash and asbestos tailings by high-temperature pore-formingJ.Waste Management,2020,106:184-192.12 ZHANG Z K,LI Z C,YANG Y B,et al.Preparation and characterization of fully waste-based glass-ceramics from 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