CN106145858A - 一种生态透水砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生态透水砖，以脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、钢渣、建筑废料、尾矿制砂石等工业副产品为主要原料，该新型透水砖骨料及胶凝材料均使用工业废料，不使用硫铝水泥、高铝水泥、α高强石膏、天然硬石膏等稀缺资源，原料供应稳定可靠，成本更低，实现了资源综合利用，获得的透水砖具有优良的抗折强度、抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数、抗冻性和耐磨性。

Description

一种生态透水砖及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料和固体废物利用领域，涉及一种新型生态透水砖及其制备方法。
背景技术
随着城市化进程加快，城市地面硬化带来的问题日益增多，尤为突出的是城市排水功能下降的问题。由于城市中大多数路面不透水，形成的积水难以下排渗透到地表下，导致城市内涝，给人民安全及交通带来极大困扰。另外，雨水在路面四处横流会带走大量城市污染物，排入自然水系，造成河流污染。同时硬化路面不能使雨水、雪水有效渗入地下，使得地下水减少，地面下沉，土壤含水量降低，加重了城市的干旱、缺水问题。最后，硬化路面还阻断了地上与地下之间的水汽、热能交换，使城市局部温度升高，形成“热岛效应”。
为了解决这些问题，透水砖作为一种具有透水性，能够缓解城市环境恶化压力的新型生态建筑材料被广泛铺设于城市广场、人行道、停车场等的地面上。目前透水砖的主要分为陶瓷透水砖和水泥混凝土透水砖两种。陶瓷透水砖以工业废料、生活垃圾和建筑垃圾为主要原料，通过粉碎、成形、高温煅烧而制成，陶瓷透水砖生产工艺复杂，在生产过程中需要烧结成型，消耗大量能源，成本高且不利于环保。水泥混凝土透水砖，成本较低，利用有机或无机黏结剂通过成形、固化而制成，无需煅烧，可是水泥属于高耗能材料，在其生产的过程中同样有高污染的问题。
因此为了避免因解决一种环境问题而造成更大的环境污染的情况出现，如今利用固体废料制备透水砖成为透水砖研究的主要趋势。如《一种采用原位生成高温粘结剂制备的陶瓷透水砖及其制备方法》(CN103771864 A)公开了采用原位生成高温粘结剂制备的陶瓷透水砖，该透水砖主要创新是在透水砖骨料中引入可溶性盐，利用其在烧结过程中与骨料颗粒发生反应原位生成高温粘结剂，从而将透水砖骨料粘结在一起。该专利虽然解决了陶瓷透水砖制备过程中高温粘结剂与骨料难以均匀混合的缺点，但在其制备过程中仍需要烧结成形，需要消耗能量，成本较高不利于节约环保。贵州省建筑材料科学研究设计院《一种高炉粒化矿渣透水砖的制备方法》(CN104341133A)公开了以高炉粒化矿渣、矿渣微粉、粉煤灰、水泥、激发剂为透水砖原料，加水搅拌均匀后用振动加压成型，经蒸汽养护或自然浇水养护后得成品透水砖的方法。东北大学《一种免烧透水砖及其制备方法》公开了免烧结透水砖，该透水砖以脱硫渣为骨料，水泥为增强剂和粘结剂，Na2SiO3·9H2O和NaOH为激发剂，各组分按照一定比例混合均匀后放置在模型中常温下即可固结成形。在上述两项专利中虽然骨料均使用工业固体废料，且在常温下即可固结成形不需高温煅烧，但胶凝材料采用的是传统高能耗建材—水泥，因此资源综合利用程度不高。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种既能解决城市路面积水问题，还能有效消纳工业副产物，节能环保的透水砖。
为了实现上述目的，实现工业副产资源的综合利用，本发明提供了一种新型生态透水砖，其是以脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、钢渣、建筑废料、尾矿制砂石等工业副产品为主要原料的新型生态透水砖，该新型透水砖骨料及胶凝材料均使用工业废料，实现资源综合利用，克服传统透水砖生产能耗高的缺点。该透水砖包括以质量百分数计的如下组分：
改性石膏胶凝材料 10–35％
骨料 60–85％
水 5–8％；
其中，所述改性石膏胶凝材料包括主料和建筑外加剂，所述主料包括以质量百分比计的如下组分：
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
所述新型生态透水砖组分中，矿粉可通过水泥水化的氢氧化钙激发，一方面生成C-S-H胶凝，一方面与二水石膏生成一定量的钙矾石，同时还生成少量的硬硅酸钙石，使得复合胶凝材料的后期抗压强度和耐水性大幅度提高。磨细矿粉的化学成分更稳定，与普通硅酸盐水泥非常相近，具有很好的水化活性，在碱性激发下可以很快水化从而提高材料的早期强度，同时利用了冶金厂生产产生的废弃物。优选地，所述矿粉为S95粒化高炉矿粉。
钢渣粉是炼钢的废渣，具有较高的硬度。磨细钢渣粉在碱性条件下可以水化，本发明利用水泥熟料水化后的Ca(OH)2或其他碱性激发剂，降低材料早期的水化热并进一步提高材料的后期硬度，提高材料的耐磨性。优选地，所述磨细钢渣粉为满足国家相关标准的一级钢渣粉。
所述新型生态透水砖组分中的水泥可大幅度提高胶凝材料抗压强度性能，同时提高材料的耐水性能；优选地，所述水泥为P.O425或525普通硅酸盐水泥。
所述缓凝剂和减水剂为建筑外加剂，建筑外加剂可以显著改善新型生态透水砖的力学性和稳定性，是不可或缺的组成部分。
所述纤维素醚可提高材料的保水性能，防止材料中的水分过早的蒸发或吸收，从而改善材料的力学性能。
所述PP纤维也称聚丙烯纤维，能够阻挡材料硬化初期形成的微裂缝的发展，从而提高材料的抗裂能力、防渗性能。
进一步，所述石膏是指脱硫石膏、磷石膏、氟石膏中的单一组分或混合物经煅烧加工而形成的以硫酸钙为主要成分的石膏；所述混合物是指三种组分中任意两种组分混合或三种组分混合；优选地，在任意两种组分混合物中，任一组分质量占比为0–50％；优选地，在三种组分混合物中，任一组分质量占比0–35％。
在本发明的一种较佳实施方式中，所述主料中的石膏为脱硫石膏，主料包括以质量分数计的如下组分：
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
在本发明又一种较佳的实施方式中，所述主料中的石膏为脱硫石膏和磷石膏的混合物，主料包括以质量分数计的如下组分：
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
其中，脱硫石膏进一步优选为15–25％，磷石膏进一步优选为15–25％。
在本发明另一种较佳的实施方式中，所述主料中的石膏为脱硫石膏、磷石膏、氟石膏三种组分的混合物，主料包括以质量分数计的如下组分：
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
其中，脱硫石膏进一步优选为8–13％，磷石膏进一步优选为8–12.5％，氟石膏进一步优选为8–12.5％。
本发明所述骨料可以是钢渣、建筑废料、尾矿砂石中任意一种。所述钢渣为炼钢排出的废渣，磨碎后按照不同粒径筛分后形成的颗粒；所述建筑废料为建筑垃圾中的废弃混凝土和废弃砖石经锤击或磨碎，然后按照不同粒径筛分，形成的粗、细骨料；所述尾矿砂石是指矿山开采产生的废弃物，物理化学性能稳定，尾矿石经过破碎和分选处理，形成的粒径不同的颗粒。
优选地，本发明所述生态透水砖具有面层和底层，所述面层厚度为10～15mm；面层骨料粒径为2～5mm，底层骨料粒径为5～10mm；所述面层改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:3～1:5，所述底层改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:3～1:7。
本发明通过对脱硫石膏、磷石膏、氟石膏改性，添加适量的矿渣粉和钢渣粉等无机材料和建筑添加剂的方法，制成了主料中的改性石膏胶凝材料，显著提高了材料的硬度和耐水性，同时具有很好的粘结强度，更小的收缩率，可以有效地包裹骨料，增强透水砖的力学性能。
本发明还提供了一种上述新型生态透水砖的制备方法，其包括步骤：
1)制备改性石膏胶凝材料；
2)制备烘干骨料；
3)将主料的各原料、建筑外加剂以及骨料和水按配比混合搅拌均匀；
4)将混合料倒入透水砖模具中，充分振实，养护，即可制成所述新型生态透水砖。
进一步，步骤1)中所述制备石膏胶凝材料的方法为：先将工业副产品脱硫石膏和/或磷石膏和/或氟石膏进行预处理后，直接烘干或混合后烘干，然后煅烧，研磨，最后冷却陈化。该制备方法可采用两步法石膏煅烧***来完成。
所述两步法是指将烘干过程和煅烧过程分开进行，烘干和煅烧在所述两步法石膏煅烧***中分室进行，该***是在石膏沸腾炉的技术基础上，采用气流干燥和流态化煅烧技术实现的。同时通过导热介质利用煅烧余热来烘干，可以进一步降低能耗。
其中，脱硫石膏和磷石膏的主要成分为二水石膏，经烘干和煅烧后制得的石膏主要成分为β-半水石膏(熟石膏)，其吸水后再次形成二水石膏(生石膏)从而达到一定的强度，半水石膏具有凝结硬化快的特性。
优选地，所述石膏胶凝材料烘干的温度为50～100℃，更优为70～80℃，最优为75℃；所述烘干的时间为1～2小时。
优选地，所述煅烧的温度为130～180℃，最优为150℃；所述煅烧的时间为1～3小时，最优为2小时。
优选地，步骤1)中采用电厂发电的尾蒸汽进行所述烘干和所述煅烧，充分利用资源，在保证石膏性能的同时做到了“零排放”。进一步优选地，可利用所述煅烧的余热进行所述烘干，从而进一步降低能耗。
优选地，步骤2)中分为制备面层骨料(粒径2～5mm)和底层骨料(粒径5～10mm)；所述面层改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:3～1:5，所述底层改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:3～1:7。
优选地，步骤3)中将主料的各原料、建筑外加剂和级配砂用专业干粉砂浆生产线混合搅拌均匀。
优选地，步骤4)中制备的透水砖具有面层和底层，所述面层厚度为10～15mm。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明循环利用了火电厂发电产生的固体废弃物石膏、钢渣、尾矿砂石等工业副产品，实现了工业副产资源的综合利用。
2、本发明提供的新型生态透水砖，抗折强度不小于6.0MPa，抗压强度不小于30MPa，劈裂抗拉强度不小于6.0MPa，透水系数不小于3.0×10-2，抗冻性能够达到D35指标，耐磨性测试磨坑长度不大于30mm。
3、本发明不使用硫铝水泥、高铝水泥、α高强石膏、天然硬石膏等稀缺资源，原料供应稳定可靠，成本更低。
具体实施方式
实施例中的石膏为上海石洞口电厂产二水石膏；水泥采用425普通硅酸盐水泥；缓凝剂采用德国TRICOSAL Retardan P；石膏用聚羧酸高效减水剂采用三瑞G15减水剂；纤维素醚采用赫克力士公司生产的MHPC 400纤维素醚；矿渣粉采用宝钢生产的S95粒化高炉矿渣粉，钢渣粉采用宝钢生产的一级钢渣粉。
实施例中试件的制作方式和测试方式按照国家标准GBT 25993-2010透水路面砖和透水路面板中相关规定进行。
实施例一：
透水砖三组分：改性石膏胶凝材料10％，骨料85％，水5％。
改性石膏胶凝材料主料的组分为：石膏40％、矿粉30％、钢渣粉20％、水泥10％，其中石膏为单一组分脱硫石膏；
建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：缓凝剂2‰、减水剂2‰、纤维素0.5‰、PP纤维2‰；
骨料为钢渣，面层厚度15mm，骨料粒径在1-3mm范围内，改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:3，骨料粒径在3-5mm范围内，改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:4；
性能如下：
实施例二：
透水砖三组分：改性石膏胶凝材料23％，骨料70％，水7％。
改性石膏胶凝材料主料的组分为：石膏40％、矿粉30％、钢渣粉20％、水泥10％，其中石膏为脱硫石膏和磷石膏按质量比1:1混合；
建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：缓凝剂4‰、减水剂4‰、纤维素0.5‰、PP纤维2‰；
骨料为钢渣，面层厚度为15mm，骨料粒径在1-3mm范围内，改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:4，底层厚度为35mm，骨料粒径在3-5mm范围内，改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:5；
性能如下：
实施例三：
透水砖三组分：改性石膏胶凝材料20％，骨料75％，水5％。
改性石膏胶凝材料主料的组分为：石膏30％、矿渣粉35％、钢渣粉25％、水泥10％，其中石膏为脱硫石膏、磷石膏和氟石膏按质量比1:1:1混合；
建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：缓凝剂4‰、减水剂4‰、纤维素1‰；
骨料为钢渣，面层厚度为10mm，骨料粒径在1-3mm范围内，改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:4，底层厚度为40mm，骨料粒径在3-5mm范围内，改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:5；
性能如下：
实施例四：
透水砖三组分：改性石膏胶凝材料20％，骨料75％，水5％。
改性石膏胶凝材料主料的组分为：石膏30％、矿渣粉15％、钢渣粉10％、水泥45％，其中石膏为脱硫石膏和磷石膏按质量比1:1混合；
建筑外加剂及其对主料质量的千分比为：缓凝剂4‰、减水剂4‰、纤维素2‰；
骨料为钢渣，面层厚度为10mm，骨料粒径在1-3mm范围内改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:4，底层厚度40mm，骨料粒径在3-5mm范围内，改性石膏胶凝材料与骨料的质量比为1:7；
性能如下：
从上述实施例可以得出，本发明提供的新型生态透水砖具有以下优点：
1)大量利用了脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、钢渣、建筑废料等工业副产品，加快了工业副产品和固体废弃物的消耗，实现固废资源的循环综合利用；
2)利用电厂发电产生的尾蒸汽煅烧和烘干，做到了节能减排、绿色环保；
3)抗折强度、透水系数、抗冻性等均高于国家标准，具有很好的力学性能；
4)原材料廉价，易于获得，质量稳定，产品性价比优异，有助于大面积推广使用；
因此本发明的新型生态混凝土是作为透水砖及透水路面的优良选择。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种生态透水砖，其特征在于包括以质量百分比计的如下组分：
改性石膏胶凝材料 10–35％
骨料 60–85％
水 5–8％；
其中，所述改性石膏胶凝材料包括主料和建筑外加剂，所述主料包括以质量百分比计的如下组分：
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
2.如权利要求1所述的生态透水砖，其特征在于所述主料中的石膏为脱硫石膏，主料包括以质量分数计的如下组分：
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
3.如权利要求1所述的生态透水砖，其特征在于所述主料中的石膏为脱硫石膏和磷石膏的混合物，主料包括以质量分数计的如下组分：
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
4.如权利要求1所述的生态透水砖，其特征在于所述主料中的石膏为脱硫石膏、磷石膏、氟石膏三种组分的混合物，主料包括以质量分数计的如下组分：
所述建筑外加剂，以相对于主料质量的千分比计算，包括：
5.如权利要求1所述的生态透水砖，其特征在于具有面层和底层，所述面层厚度为10～15mm。
6.如权利要求5所述的生态透水砖，其特征在于面层骨料粒径为2～5mm，底层骨料粒径为5～10mm。
7.如权利要求1所述的生态透水砖的制备方法，其特征在于包括步骤：
1)制备改性石膏胶凝材料；
2)制备烘干骨料；
3)将主料的各原料、建筑外加剂以及骨料和水按配比混合搅拌均匀；
4)将混合料倒入透水砖模具中，充分振实，养护，即可制成所述新型生态透水砖。
8.如权利要求7所述的生态透水砖的制备方法，其特征在于步骤1)中所述制备石膏胶凝材料的方法为：先将工业副产品脱硫石膏和/或磷石膏和/或氟石膏进行预处理后，直接烘干或混合后烘干，然后煅烧，研磨，最后冷却陈化。
9.如权利要求7所述的生态透水砖的制备方法，其特征在于所述石膏胶凝材料烘干的温度为50～100℃。
10.如权利要求7所述的生态透水砖的制备方法，其特征在于所述煅烧的温度为130～180℃。
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