一种利用多源固废制备功能型透水材料的方法与流程

1.本发明属于多孔的砂浆、混凝土、人造石或陶瓷制品技术领域，涉及一种利用 多源固废制备功能型透水材料的方法。


背景技术：

2.我国城市化发展过程中，淤泥、铁尾矿等废弃物排放量很大。我国大部分地区 淤泥通常集中堆存，待自然蒸发和固结沉降形成土地后恢复使用，这一过程所需时 间久，且用地量大，还会因雨水冲刷及淋洗导致土壤及地下水的二次污染。同样对 铁尾矿的堆存处理不仅占用大量土地资源，而且破坏当地生态环境。
3.对淤泥和铁尾矿进行资源化利用，制备透水混凝土等材料，可用于建设自然积 存、自然渗透、自然净化的“海绵城市”，解决暴雨内涝和热岛效应等问题。目前 相关研究已经很多，例如：刘荣等利用60～80％的淤泥、1～10％的石膏和15～30％ 的水泥制备出筒压强度大于2mpa的免烧轻骨料。易龙生等利用铁尾矿制备发泡水 泥，利用55％的铁尾矿、45％的普通硅酸盐水泥、8％的发泡剂等制备出抗压强度 达1.65mpa的发泡水泥。蒋佑松等利用水泥、砂石等原材料制备出表观密度为 1900kg/m3、透水系数大于1.5mm/s的透水混凝土，且透水系数随着骨料的粒径增 加而增加。以上研究还存在些许问题，例如：淤泥基制备的免烧陶粒所用胶凝材料 量大，成本高，且没有考虑淤泥中有机质的溶出，有机质溶出会影响免烧陶粒强度。 铁尾矿资源化利用所用胶凝材料量大、强度较低，资源化利用率低，且利用代价高。 上述透水材料集料原材料多为天然砂石，破坏环境，且制备的透水材料堆积密度较 高，不利于施工，透水系数较低，透水材料堵塞率高。
4.本发明利用有机无机耦合方式固化淤泥，降低有机质溶出对免烧集料强度产生 影响的风险，利用强碱和水玻璃与细度≤48μm的铁尾矿混合，制成活性较高的 混合相以替代成本较高的胶凝材料，添加少量碳酸氢铵作为发泡剂以及麦饭石粉， 制备出具备净水、吸水和蓄水功能的免烧集料，再利用免烧集料制备出高透水率和 耐磨性的功能型透水材料。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种利 用多源固废制备功能型透水材料的方法。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
7.提供一种利用多源固废制备功能型透水材料的方法，具体步骤如下：
8.1)用聚丙烯酸钾和水性环氧树脂对淤泥进行预处理，得到高活性淤泥；
9.2)将铁尾矿球磨处理后所得铁尾矿粉末与强碱溶液均匀混合得到高活性铁尾 矿粉末；
10.3)将煤矸石煅烧后球磨成煤矸石粉末；
11.4)将步骤1)所得高活性淤泥、步骤2)所得高活性铁尾矿粉末、步骤3) 所得煤矸石
粉末、高炉矿渣、石膏、碳酸氢铵以及麦饭石粉充分搅拌均匀，然后利 用造粒机制成粒径为4.75～9.5mm的球形，养护得到免烧集料；
12.5)将步骤4)所得免烧集料和总水量50～80％的水(质量百分比)加入搅拌 机中搅拌混合均匀，再加入水泥、氟硅酸镁和硅酸钠进行充分搅拌，最后投入减水 剂、可再分散乳胶粉和剩余水混合均匀，将得到的拌合物取出并压实，养护得到功 能型透水材料。
13.按上述方案，步骤1)所述聚丙烯酸钾密度≤0.6g/ml，所述水性环氧树脂为 非离子型水性环氧树脂，固含量为50～52％，环氧值为0.23～0.25mol/100g。
14.按上述方案，步骤1)所述聚丙烯酸钾、水性环氧树脂和淤泥的质量份比例 为：聚丙烯酸钾50～100份，水性环氧树脂30～80份，淤泥1100～1600份，其中淤 泥的含水率≤80％(质量百分含量)。
15.按上述方案，步骤1)所述预处理方法为：将聚丙烯酸钾、水性环氧树脂和 淤泥混合均匀。预处理能够使淤泥脱水，并改变淤泥颗粒间的接触状态。
16.按上述方案，步骤2)所述铁尾矿中sio2＞40％(质量百分含量)；所述铁 尾矿粉末粒径≤48μm。
17.按上述方案，步骤2)所述强碱溶液为50～100份氢氧化钠溶液与100～180份 水玻璃的混合液，其中氢氧化钠溶液浓度为1～2mol/l，水玻璃为钠水玻璃(na2o
18.·
msio2·
nh2o)，模数m为1.2～1.8。
19.按上述方案，步骤2)所述铁尾矿粉末与强碱溶液的质量比为2.5～7：1。
20.按上述方案，步骤3)煤矸石煅烧工艺条件为：置于马弗炉中，以5～10℃/min 的升温速率升温至650～750℃，保温1.5～2.5h，随后自然冷却。
21.按上述方案，步骤3)所述煤矸石粉末粒径≤17.05μm，比表面积 350～450m2/kg。
22.按上述方案，步骤4)所述高炉矿渣粒径≤10.03μm，比表面积380～480m2/kg。
23.按上述方案，步骤4)所述石膏为白色粉末，标准稠度为60～80％，细度＜ 0.3mm，石膏中caso4·
2h2o含量≥95％。
24.按上述方案，步骤4)所述麦饭石粉为天然麦饭石原矿经过筛选、粉碎、分 级加工而成的粉末，粒径≤75μm。
25.按上述方案，步骤4)所述高活性淤泥、高活性铁尾矿粉末、煤矸石粉末、 高炉矿渣、碳酸氢铵、石膏以及麦饭石粉的质量份配比为：高活性淤泥(按淤泥质 量份计)1100～1600份，高活性铁尾矿粉末(按铁尾矿质量份计)800～1000份， 煤矸石粉末(按煤矸石质量份计)180～230份，高炉矿渣30～80份，碳酸氢铵10～30 份，石膏100～150份，麦饭石粉100～200份。
26.按上述方案，步骤4)所述养护条件为：室温(15～35℃)、湿度≥90％条件 下养护7d。养护的目的在于使免烧集料强度≥5mpa。
27.按上述方案，步骤5)所述硅酸钠中na2o含量为25.0～29.0％，sio2的含量 为49.0～53.0％，模数为2.00
±
0.10。这里的含量指的是质量百分含量。
28.按上述方案，步骤5)所述减水剂为粉状聚羧酸高效减水剂，减水率为 20～30％。
29.按上述方案，步骤5)所述可再分散乳胶粉为醋酸乙烯酯和乙烯共聚胶粉， 平均粒径为125～140μm，灰分为5～15％，固含量≥98％，ph值为7.0，堆密度≤ 500kg/m3。
30.按上述方案，步骤5)所述功能型透水材料各原料组分及其质量份配比为： 免烧集
料2400份，水泥350～450份，氟硅酸镁50～100份，硅酸钠50～100份，减 水剂1～6份，可再分散乳胶粉50～100份，水100～150份。
31.按上述方案，步骤5)养护工艺条件为：室温下养护28d。
32.本发明还包括根据上述方法制备得到的功能型透水材料，其28天抗压强度为 13.1～18.5mpa，透水系数为6.1～6.6mm/s。
33.本发明的原理为：
34.1)淤泥具有高含水率、低强度、高有机质、高压缩性和低渗透等特性，很难 制成强度可以使用的免烧集料，本发明选用聚丙烯酸钾和水性环氧树脂作为改性剂 对淤泥进行预处理，有脱水、改变淤泥颗粒间粘结状态以及固化淤泥的作用，利用 氢氧化钠与水玻璃配制的强碱溶液与细度≤48μm的铁尾矿粉末混合，铁尾矿用量 较大，且掺入煤矸石粉末、高炉矿渣、石膏等多种添加物，以生成水化铝酸钙、水 化硅酸钙、水化硫铝酸钙和氢氧化钙等高强度相含量大、种类多且相互交织的多元 水化相，可产生强度较高的混合相，提高免烧集料的强度，制备的透水材料的强度 符合使用标准；
35.2)本发明利用大量生成的高强度相作为免烧集料的骨架支撑物，在此基础之 上加入碳酸氢铵和麦饭石粉，碳酸氢铵可在低温环境下反应产气，在免烧集料内部 发泡产生孔隙，让免烧集料具备吸水和蓄水的功能，利用麦饭石粉内部微孔结构对 水净化的能力，使制成的免烧集料具备净水功能；
36.3)本发明制备功能型透水材料过程中加入的氟硅酸镁和硅酸钠能够渗入到免 烧集料和水泥等混合物的浆体表面孔隙和微裂缝中，填充浆料内部水泥颗粒与其它 颗粒间的孔隙，起到改善孔结构的作用，还能有效提高浆体表面的强度和硬度，在 表面形成致密的面层，提高透水材料的强度和耐磨性能。
37.本发明的有益效果在于：1、本发明提供的免烧集料强度高，可使制备的透水 材料骨料内部孔隙均匀，具备透水、净水、吸水的功能，能够对雨水等被污染的水 体进行有效净化和储存；2、本发明利用低碳的免烧集料制备功能型透水材料，固 废资源化利用率高，淤泥、铁尾矿、石膏、煤矸石以及高炉矿渣等综合固废利用率 最高可达82.5％(固废原料占所有的原材料的质量分数)，制备成本低廉，制备过 程能源消耗低，制备工艺简单，对建设海绵城市具有重大的应用前景。
具体实施方式
38.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发 明作进一步详细描述。
39.本发明实施例所用原料指示如下：
40.淤泥为河道疏浚后的淤泥，原生于河道底部，后经疏浚机器挖出，其含水率 为41.24％，有机质含量为7.6％，细度≤80μm。
41.铁尾矿取自铁矿选矿厂，其中主要矿物相为角闪石、石英、长石以及部分未 被选出的磁铁矿和黄铁矿，sio2＞40％。
42.煤矸石为南方煤矸石，其煅烧、球磨后所得煤矸石粉末细度≤17.05μm，比 表面积350～450m2/kg。
43.高炉矿渣为工业s95级粒化高炉矿渣，其细度≤10.03μm，比表面积 405m2/kg。
44.石膏由二水石膏在120℃、1.3个大气压下，经过脱水磨细而成的粉末物质， 其标准稠度为75％，细度＜0.3mm，石膏中caso4·
2h2o含量≥95％。
45.水玻璃为市售水玻璃，其模数为1.2～1.8。
46.聚丙烯酸钾和水性环氧树脂为市售产品，其中聚丙烯酸钾密度≤0.6g/ml，水 性环氧树脂是一种非离子型水性环氧树脂，固含量为50～52％，环氧值为0.23～0.25 mol/100g。
47.麦饭石粉购于灵寿县佳祺矿产品加工厂，细度≤75μm。
48.水泥为江华海螺水泥有限公司生产，其规格为p
·
o 42.5r普通硅酸盐水泥。
49.可再分散乳胶粉、氟硅酸镁和硅酸钠为市售产品，其中可再分散乳胶粉为醋 酸乙烯酯和乙烯共聚胶粉，平均粒径为125～140μm，灰分为5～15％，固含量≥98％， ph为7.0，堆密度≤500kg/m3，氟硅酸镁为白色晶体，易溶于水，密度≤1.9g/cm3， 硅酸钠为白色粉末，其中na2o含量为25.0～29.0％、sio2的含量为49.0～53.0％、 模数为2.00
±
0.10。
50.减水剂为市售粉状聚羧酸高效减水剂，其减水率为24％。
51.实施例1
52.一种利用多源固废制备功能型透水材料的方法(下述用量均为质量份)，具 体步骤如下：
53.1)利用70份聚丙烯酸钾和60份水性环氧树脂对1500份淤泥进行预处理， 混合均匀得到高活性淤泥；
54.2)将900份铁尾矿进行球磨处理至粒径≤48μm，然后与70份氢氧化钠溶 液(1mol/l)和120份水玻璃混合制备的强碱溶液均匀混合得到高活性铁尾矿粉末；
55.3)将200份煤矸石在马弗炉中以10℃/min的升温速率升温至700℃，保温 2h进行煅烧，随后自然冷却，再球磨成细度≤17.05μm的煤矸石粉末；
56.4)将上述所得的高活性淤泥、高活性铁尾矿粉末、煤矸石粉以及60份高炉 矿渣、碳酸氢铵20份、120份石膏、150份麦饭石粉加入搅拌器内进行充分搅拌混 合，然后利用造粒机进行成球，制成粒径为4.75～9.5mm的球体，在室温、湿度≥ 90％条件下养护7d得到免烧集料；
57.5)取2400份上述制备的免烧集料和120份水加入到搅拌机中进行搅拌混合， 再加入380份水泥、60份氟硅酸镁和60份硅酸钠进行充分搅拌，最后投入30份 水、2份减水剂和70份可再分散乳胶粉，将混合均匀的拌合物取出并压实，在室 温下养护28d，得到多源固废功能型透水材料。
58.实施例2
59.一种利用多源固废制备功能型透水材料的方法(下述用量均为质量份)，具 体步骤如下：
60.1)利用70份聚丙烯酸钾和60份水性环氧树脂对1500份淤泥进行混合预处 理，得到高活性淤泥；
61.2)将900份铁尾矿进行球磨处理至粒径≤48μm，然后与70份氢氧化钠溶 液(1mol/l)和120份水玻璃混合制备的强碱溶液均匀混合得到高活性铁尾矿粉末；
62.3)将190份煤矸石在室温下以10℃/min的升温速率升温至700℃，保温2h 进行煅烧，随后自然冷却，再球磨成细度≤17.05μm的煤矸石粉末；
63.4)将上述高活性淤泥、高活性铁尾矿粉末、煤矸石粉末以及50份高炉矿渣、 碳酸氢铵20份、110份石膏、140份麦饭石粉加入搅拌器内进行充分搅拌混合，然 后利用造粒机进行成球，制成粒径为4.75～9.5mm的球体，在室温、湿度≥90％条 件下养护7d得到免烧集料；
64.5)取2400份上述制备的免烧集料和120份水加入到搅拌机中进行搅拌混合， 再加入380份水泥、60份氟硅酸镁和60份硅酸钠进行充分搅拌，最后投入30份 水、2份减水剂和60份可再分散乳胶粉，将混合均匀的拌合物取出并压实，在室 温下养护28d，得到多源固废功能型透水材料。
65.实施例3
66.一种利用多源固废制备功能型透水材料的方法(下述用量均为质量份)，具 体步骤如下：
67.1)利用70份聚丙烯酸钾和60份水性环氧树脂对1500份淤泥进行混合预处 理，得到高活性淤泥；
68.2)将900份铁尾矿进行球磨处理至粒径≤48μm，然后与70份氢氧化钠溶 液(1mol/l)和120份水玻璃混合制备的强碱溶液均匀混合得到高活性铁尾矿粉末；
69.3)将180份煤矸石在室温下以10℃/min的升温速率升温至700℃，保温2h 进行煅烧，随后自然冷却，再球磨成细度≤17.05μm的煤矸石粉末；
70.4)将上述高活性淤泥、高活性铁尾矿粉末、煤矸石粉末以及50份高炉矿渣、 碳酸氢铵20份、100份石膏、130份麦饭石粉加入搅拌器内进行充分搅拌混合，然 后利用造粒机进行成球，制成粒径为4.75～9.5mm的球体，在室温、湿度≥90％条 件下养护7d得到免烧集料；
71.5)取2400份上述制备的免烧集料和120份水加入到搅拌机中进行搅拌混合， 再加入380份水泥、60份氟硅酸镁和60份硅酸钠进行充分搅拌，最后投入30份 水、2份减水剂和70份可再分散乳胶粉，将混合均匀的拌合物取出并压实，在室 温下养护28d，得到多源固废功能型透水材料。
72.实施例4
73.一种利用多源固废制备功能型透水材料的方法(下述用量均为质量份)，具 体步骤如下：
74.1)利用60份聚丙烯酸钾和50份水性环氧树脂对1500份淤泥进行混合预处 理，得到高活性淤泥；
75.2)将900份铁尾矿进行球磨处理至粒径≤48μm，然后与60份氢氧化钠溶 液(1mol/l)和110份水玻璃混合制备的强碱溶液均匀混合得到高活性铁尾矿粉末；
76.3)将200份煤矸石在室温下以10℃/min的升温速率升温至700℃，保温2h 进行煅烧，随后自然冷却，再球磨成细度≤17.05μm的煤矸石粉末；
77.4)将上述高活性淤泥、高活性铁尾矿粉末、煤矸石粉末以及60份高炉矿渣、 碳酸氢铵20份、120份石膏、140份麦饭石粉加入搅拌器内进行充分搅拌混合，然 后利用造粒机进行成球，制成粒径为4.75～9.5mm的球体，在室温、湿度≥90％条 件下养护7d得到免烧集料；
78.5)取2400份上述制备的免烧集料和120份水加入到搅拌机中进行搅拌混合， 再加
入380份水泥、60份氟硅酸镁和60份硅酸钠进行充分搅拌，最后投入30份 水、2份减水剂和70份可再分散乳胶粉，将混合均匀的拌合物取出并压实，在室 温下养护28d，得到多源固废功能型透水材料。
79.实施例5
80.一种利用多源固废制备功能型透水材料的方法(下述用量均为质量份)，具 体步骤如下：
81.1)利用50份聚丙烯酸钾和40份水性环氧树脂对1500份淤泥进行混合预处 理，得到高活性淤泥；
82.2)将900份铁尾矿进行球磨处理至粒径≤48μm，然后与50份氢氧化钠溶 液(1mol/l)和100份水玻璃混合制备的强碱溶液均匀混合得到高活性铁尾矿粉末；
83.3)将200份煤矸石在室温下以10℃/min的升温速率升温至700℃，保温2h 进行煅烧，随后自然冷却，再球磨成细度≤17.05μm的煤矸石粉末；
84.4)将上述高活性淤泥、高活性铁尾矿粉末、煤矸石粉末以及60份高炉矿渣、 碳酸氢铵20份、120份石膏、130份麦饭石粉加入搅拌器内进行充分搅拌混合，然 后利用造粒机进行成球，制成粒径为4.75～9.5mm的球体，在室温、湿度≥90％条 件下养护7d得到免烧集料；
85.5)取2400份上述制备的免烧集料和120份水加入到搅拌机中进行搅拌混合， 再加入380份水泥、60份氟硅酸镁和60份硅酸钠进行充分搅拌，最后投入30份 水、2份减水剂和70份可再分散乳胶粉，将混合均匀的拌合物取出并压实，在室 温下养护28d，得到多源固废功能型透水材料。
86.实施例6
87.一种利用多源固废制备功能型透水材料的方法(下述用量均为质量份)，具 体步骤如下：
88.1)利用60份聚丙烯酸钾和50份水性环氧树脂对1500份淤泥进行混合预处 理，得到高活性淤泥；
89.2)将900份铁尾矿进行球磨处理至粒径≤48μm，然后与60份氢氧化钠溶 液(1mol/l)和110份水玻璃混合制备的强碱溶液均匀混合得到高活性铁尾矿粉末；
90.3)将190份煤矸石在室温下以10℃/min的升温速率升温至700℃，保温2h 进行煅烧，随后自然冷却，再球磨成细度≤17.05μm的煤矸石粉末；
91.4)将上述高活性淤泥、高活性铁尾矿粉末、煤矸石粉末以及50份高炉矿渣、 碳酸氢铵20份、110份石膏、140份麦饭石粉加入搅拌器内进行充分搅拌混合，然 后利用造粒机进行成球，制成粒径为4.75～9.5mm的球体，在室温、湿度≥90％条 件下养护7d得到免烧集料；
92.5)取2400份上述制备的免烧集料和120份水加入到搅拌机中进行搅拌混合， 再加入380份水泥、60份氟硅酸镁和60份硅酸钠进行充分搅拌，最后投入30份 水、2份减水剂和70份可再分散乳胶粉，将混合均匀的拌合物取出并压实，在室 温下养护28d，得到多源固废功能型透水材料。
93.实施例7
94.测试实施例1-6制备的功能型透水材料的性能，主要性能测试方法如下：
95.抗压强度测试：测试多源固废制备的功能型透水材料28d抗压强度。
96.免烧集料吸水率的测试：根据规范《gb2839-81粘土陶粒和陶砂》进行测试。
97.透水材料的透水系数测试：根据标准《t/zaca 001-2018透水水泥混凝土透 水系数测试方法》进行测试。
98.实施例1-6制备的功能型透水材料28天平均抗压强度测试结果见表1。
99.表1
[0100] 实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6抗压强度(mpa)18.514.615.813.115.514.9
[0101]
实施例1-6制备的免烧集料吸水率测试结果见表2。
[0102]
表2
[0103]
骨料产品粒径(mm)吸水率(％)堆积密度(kg/m3)实施例14.75～9.532.1857实施例24.75～9.530.4812实施例34.75～9.530.75835实施例44.75～9.531.22822实施例54.75～9.529.98816实施例64.75～9.530.15824
[0104]
实施例1-6制备的功能型透水材料透水系数测试结果见表3。
[0105]
表3
[0106]
透水材料产品透水系数(mm/s)实施例16.5实施例26.2实施例36.4实施例46.6实施例56.1实施例66.3
[0107]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。