一种多功能无机聚合土砖

1.本发明是一种多功能无机聚合土砖，以底碴、炉碴、焚化飞灰、燃煤飞灰等以及现场或就近可取用的淤泥、污泥、开挖土、弃土等工业或民生固态废弃物为原料，整合无机聚合技术，用以取代传统烧结高耗能土砖或高碳排放水泥制砖。本发明通过回收与利用率的量化指标：泥质添加率以及液固比、硅钠比、碱当量等的配比，于常温下调配出可控的孔隙率与相关工程性质，借此达到多功能应用及多元转化，并使土砖的多项功效特征可控，这些特征包含抗压强度、渗透系数、冲击消能率、减振率、减噪率、耐燃性等。因此，本发明可多功能应用于地下基础工程支撑，房屋砖墙结构，轻质楼板及屋顶，具有防火、防水、减振、减噪、隔热等特性的构件，以及边坡防护工程消能构件等。本发明的无机聚合土砖实为能多元转化、环保低耗生产、快速简易施工、可多功能应用并可循环永续再利用的创新绿色建材。


背景技术：

2.随着建设与科技的发展，固态废弃物大量产出，据资料显示，中国台湾于2018年的废弃物产出总量约3,207万公吨，其中大部分工业产出的废弃物可通过厂内系统回收再利用，然而民生产出的废弃物如民生垃圾、下水道污泥，因其成分复杂，处理成本高，正面临严峻的处理问题。
3.此外，目前中国台湾的固态废弃物多以焚化、掩埋处理。然而据相关报告指出，截至2016年底，全台378个垃圾掩埋场剩余容量平均剩下12％，各地掩埋场将在5年内陆续届龄，多数焚化厂更是超龄使用，而焚化后过程的碳排量以及产出的底碴更造成延伸的环境问题。另一方面，民生营建工程在材料端具有大量需求，尤其是水泥基质材料为主要原料，然而根据英国伦敦皇家国际事务研究所估算，全球每年水泥生产超过40亿吨，占全球的碳排放量8％，间接造成严重的气候变迁。
4.若可使固态废弃物取代水泥基质材料，创造大量且有功效进步性的供需平衡转化方案，则可在创造永续环境的同时，转变既有的工程技术，将可落实产业链自发驱动的循环经济。根据2015巴黎协议订定的目标，至2050年，与前工业时代(1850-1900)相比气温的上升幅度需控制在1.5℃内(至多2℃)，循环经济、气候行动亦为联合国17项永续发展目标 (sdgs)的要项，足见此议题的重要性。然而既有的转化策略与产品，常具有以下的困境：(1) 仅考虑如何将废弃物转化为可用资源，而忽略了转换过程的能源需求，如焚化、烧结；(2) 仅考虑既有的粒料、混凝土等高强度应用取代，而忽略了废弃物机械性质弱的特性，导致性价比差，无法有效驱动循环经济。
5.综合上述，将现今难以处理的固态废弃物多功能利用、多元转化，以达成营建产业、民生工程的转变，即是本发明迫切实现的目标。


技术实现要素：

6.本发明提供一种多功能无机聚合土砖，目标在于使固态废弃物的资源再利用最大化、能源耗用最小化，并辅以孔隙、虚实、轻量等内几何的控制增益，以创造多功效、多元转
化、快速营造的可能性。
7.本发明强调因地制宜的取材性与快速工作性，根据营建工程所需，弹性调整成常温压模与注模施工；压模施工对照传统能耗高的烧结砖既有工程，降低耗时与抗侧力弱点、经济与环保功能；注模施工则对照水泥基质材如混凝土功能。
8.本发明的内几何控制是指无机聚合物的虚-实可控，虚即为孔隙、实即为无机聚合物的固相组成，通过关键因子：泥质添加率以及液固比、硅钠比、碱当量等的配比，辅以发泡技术的导入，即可控制虚/实比，即是孔隙率，进而控制其消能-能量消散与强度-机械强度提升的行为，即可达到固态废弃物因地制宜的多功能应用，包括低孔隙率可符合基础开挖支撑、房屋的墙体结构等具有强度及机械强度需求的应用；中、高孔隙可用于边坡落石冲击防护、道路护栏等冲击消能的应用；高孔隙可作为功能性轻质楼板、屋顶，兼具减振、减噪、隔热等能量阻断性能，并兼具止渗、耐燃的功效，借此达成多元转化的可能性。
9.本发明多功能无机聚合土砖，其中影响强度功能(包括承重、抗风、耐振)、消能 (包含冲击消能、减振、减噪、隔热等)以及防水、防火功效的相关应用的关键指标即为" 孔隙率"。
10.本发明提供一种多功能无机聚合土砖：以无机聚合达到毒性物质或废料的封固，以及具有良好的机械强度与消能、止渗、耐燃性能；通过泥质添加率、液固比、硅钠比、碱当量等内几何控制，辅以机械、化学或是生物发泡的方式，达到孔隙率可控，并可根据多功能应用需求，分别提供承重、抗风、耐振所需的机械强度；冲击消能、减振、减噪、隔热等所需的消能，以及止渗、耐燃等所需的功能。
11.因此本发明提供一种多功能无机聚合土砖，其包含：混合材料，包含粉体、飞灰及泥质；以及碱液，包含碱金属硅酸盐及碱金属氢氧化物溶液，其中该泥质为多样态及多种类的淤泥、污泥、开挖土、弃土、砂石粉尘等或以上任意的组合，泥质添加率介于5％～80％。
12.本发明多功能无机聚合土砖，其中该泥质添加率、以及该粉体、该飞灰占比在本发明的成分比例相加为100％。
13.在一砖墙结构构件、抗渗构件的实施例中，本发明多功能无机聚合土砖的该泥质添加率为5％～73％。
14.在另一边坡落石、道路防护消能构件的实施例中，本发明多功能无机聚合土砖的该泥质添加率为5％～35％。
15.在另一轻质减噪墙、楼板以及屋顶的实施例中，本发明多功能无机聚合土砖的该泥质添加率为15％～25％。
16.本发明多功能无机聚合土砖，作为砖墙结构构件、抗渗构件、边坡落石、道路防护消能构件、轻质减噪墙、楼板以及屋顶，其中液固比为0.20～0.70，孔隙率为10％～60％。
17.在一砖墙结构构件、抗渗构件的实施例中，本发明多功能无机聚合土砖的液固比为 0.30～0.55，孔隙率为10％～30％。
18.在另一边坡落石、道路防护消能构件的实施例中，本发明多功能无机聚合土砖的液固比为0.50～0.60，孔隙率为27％～35％。
19.在另一轻质减噪墙、楼板以及屋顶的实施例中，本发明多功能无机聚合土砖的液固比为0.50，孔隙率为33％～36％。
20.本发明多功能无机聚合土砖，作为砖墙结构构件、抗渗构件、边坡落石、道路防护
消能构件、轻质减噪墙、楼板以及屋顶，其中硅钠摩尔比为0.5～2.5。
21.本发明多功能无机聚合土砖，作为砖墙结构构件、抗渗构件、边坡落石、道路防护消能构件、轻质减噪墙、楼板以及屋顶，其中该碱当量介于1％～15％之间。
22.在一砖墙结构构件、抗渗构件的实施例中，本发明多功能无机聚合土砖的碱当量为 3％-9％之间。
23.在另一边坡落石、道路防护消能构件、轻质减噪墙、楼板以及屋顶的实施例中，本发明多功能无机聚合土砖的碱当量为9％-15％之间。
24.本发明多功能无机聚合土砖，其中该粉体为底碴、炉碴、水淬高炉石粉、气冷高炉石粉、氧化碴、还原碴或其任意的组合。
25.本发明多功能无机聚合土砖，其中飞灰指燃煤或固态废弃物经锅炉燃烧产生的粉末，该飞灰为焚化飞灰、燃煤飞灰、c级飞灰、f级飞灰或上述的任意比例混合。
26.文中所描述的混合材料是硅质或其他含硅、铝质材料，其本身稍具或不具胶结性质，但经研磨成细粒状及于碱性环境下，受碱激发产生无机聚合反应，形成含有硅-氧-铝结构、具胶结性质的无机聚合物。
27.本发明多功能无机聚合土砖，可进一步包含添加剂，其中该功能性添加剂依照需求选自界面活性剂、发泡剂、输气剂、轻质粒料、纤维、塑料、着色剂或上述的任意组合。
28.本发明所述的碱当量为碱金属氢氧化物与固成分的比值，用于调整碱金属溶液的用量，控制ph值，维持硅、铝氧化物胶体溶出量，提供良好的无机聚合环境；并控制避免白华现象。
29.碱当量的上限可根据固成分的非晶质硅铝酸盐组分进行评估；下限则根据整体的碱浓度进行估算，硅钠摩尔比则作为硅元素补充量指针，以及控制固化时间指标，同样可根据固体成分的非晶质硅铝酸盐组分进行评估。
具体实施方式
30.本发明的一种多功能无机聚合土砖，其包含：混合材料，包含粉体、飞灰及泥质；及碱液，包含碱金属硅酸盐及碱金属氢氧化物溶液。
31.本发明的实施例以三泥为例，通过泥质添加率、液固比的设计，辅以化学发泡、硅钠摩尔比、碱当量的调配，控制低、中、高的孔隙率，进而验证其于砖墙结构物、低渗构件、轻质减噪楼板、边坡落石或道路护栏的冲击消能等的多功能应用性。
32.本发明的实施例以三泥为例，所述的三泥分别为随机取用的水库淤泥、下水道污泥以及现地开挖土与硅砂土。
33.本发明的多功能无机聚合土砖制备具两个主要步骤，第一步骤为预配碱液，使碱金属氢氧化物水溶液与碱金属硅酸盐水溶液充分混拌，强碱溶于水会剧烈放热，故需于拌合前先行配制备存，冷却时间依制备体量而不同，冷却至常温即可使用；第二步骤为无机聚合土砖制备，一般作法为泥质先与拌合水混拌，使其先吸收水分，再加入粉体、飞灰，目的在于避免土料吸收过多碱液造成碱液不足的现象。
34.粉料与拌合水混拌均匀后，再依配比加入碱液，混拌均匀后依物料特性进行注模或是压模，待其成形后脱模完成试验样本的制备，并依多功能需要进行工作性与功能性验证，包括密度量测、针入度、单轴压缩、透水、隔噪、冲击消能等试验。
35.本发明的实施例配比设计列于表1，产出的工作性能与功能性验证分列于表2至5。
36.表1为本发明根据不同种类的泥及应用需求所执行的实施例与比较例的配比设计上述表1关于应用代码的部分，相关说明为a砖墙结构构件；b抗渗构件；c边坡落石、道路防护消能构件；d轻质/减噪墙、楼板及屋顶。
37.本实施例中使用随机取用的泥种类：泥土为现地开挖土及硅砂土(抗渗实施例5)；污泥为民生下水道污泥；淤泥为水库淤泥。
38.表2为不同种类的泥在砖墙结构构件(低孔隙)的应用验证
由表2的实施例1至4可以得知，本发明实施例添加50％泥土，于常温铸造下，基本上在7 日抗压强度表现仍能符合中国台湾标准cns 382普通砖规范的二级砖(20mpa)、三级砖(15 mpa)以上的要求。
39.由表2的实施例2及4，经针入度试验测得初凝时间35～40分钟、终凝时间45～80分钟，7日抗压强度29～31mpa，显示可通过硅钠摩尔比与液固比的调整，控制生产/施工方式自高可塑性至低可塑性，并能在此控制条件下生产强度可达一级砖(30mpa)强度要求。
40.表3为不同种类的泥于抗渗构件(低孔隙)的应用验证代码泥种类抗压强度(mpa)渗透系数(cm/s)实施例5硅砂土333.24
×
10-8
以表3的实施例5为例，一般常见的材料的渗透系数(水力传导系数)：砂土为10-3
～10-5
(cm/s)、粉土为10-4
～10-6
(cm/s)、黏土则是小于10-7
(cm/s)，而本发明的防渗透功效高于黏土。
41.由表3的实施例5中得知本发明应用在抗渗漏的材料上，以泥质添加率为73％、液固比为0.55，制备低孔隙材料，可见到一般粉土质渗透系数约10-4
～10-6
(cm/s)，黏土质则小于10-7
(cm/s)，本发明可进一步达到10-8
(cm/s)，同时抗压强度可达33mpa。由此可知，本发明即以现地开挖土方为原料，现地拌合，并以浇注回填或生产构件，即可提供土壤加固或结构构件的同时，具防水止渗的功效。
42.表4为不同泥种类于边坡落石、道路防护消能构件(中、高孔隙)的应用验证以表4的实施例6～9为例，无论采用污泥或淤泥，其单位厚度冲击消能率皆能取代现有以高分子聚苯乙烯发泡材为主流的消能材料。
43.传统是以高分子发泡材料做为关键消能材料，可达70％冲击消能率(单位厚度冲击相能率10％/cm)，然化工材料生产高能耗、高碳排，且材料昂贵。本发明得以现地的土方、周边的污、淤泥，或其他潜在资源为原料，现地拌合、浇注、发泡，得绿色、高性价比的冲击消能材料。
44.表5为不同泥用于轻质/减噪墙、楼板及屋顶(高孔隙)的应用验证
以表5为例，作为高孔隙减噪使用，实施例10～11皆能达一定程度减噪效果。以砖造建物的轻量楼板、非结构减噪、耐燃(防火)构件为例，本发明得以现地的土方、周边的污、淤泥，或其他潜在资源为原料，现地拌合、浇注、发泡，可得轻质、具能量传递阻隔的减噪、耐燃轻质材。
45.如同上述表1到表5的实施例所列的不同功效成果，本发明以泥质添加率与液固比做为主要配比控制因子，辅以发泡剂添加、硅钠摩尔比、碱当量等次要指标，依不同应用需求控制低、中、高孔隙率，达砖墙结构物、低渗构件、轻质减噪楼板、边坡落石或道路护栏的冲击消能等多功能应用功能。
46.以上所述仅为举例，并非限制本发明实施的实施方式，任何未脱离本创作的精神与范畴，而对其进行等效修改或变更，均应包含于本发明的权利要求的范围。