一种烧结煤矸石透水砖及其制备方法与流程

1.本发明属于绿色建筑材料技术和工业固废循环利用技术领域，具体涉及一种烧结煤矸石透水砖及其制备方法。


背景技术：

2.随着城镇化建设的推进，城市路面硬化范围扩大，到处都是非透水材料铺装，改变了自然生态的原有特征。而“海绵城市”是新一代城市雨洪管理概念，是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害方面表现出良好的“弹性”。渗、滞、蓄、净、用、排是海绵城市建设的内涵，其中“渗”尤为重要。良好的渗透性，不仅能够避免形成地表径流，减少地面积水从硬化非透水路面汇集到市政管网，而且能够涵养地下水源。而透水砖作为路面透水铺装材料，依靠砖体内部丰富的连通孔隙通道，达到城市路面雨水自然渗透的要求，真正做到从源头将雨水“渗”下去。
3.海绵城市建设的重点是城市路面和道路的建设，因此透水砖路面铺装材料首当其冲要达到透水性能和抗压强度兼顾的要求，同时其实质性应用应表现出良好的渗水、抗压、耐磨、防滑以及环保美观等特点。
4.煤矸石中含有与黏土相似的矿物成分，因此在制备烧结砖和烧结瓦的过程中可以大量替代传统的黏土，从而达到节约资源，保护耕地的作用。由于煤矸石本身也属于一种低热值煤炭，在烧结过程中自身燃烧产生的热量可以维持烧结温度，因此在煤矸石砖烧结过程中可以少投放甚至不投放外部燃料。而且煤矸石中炭质矿物在高温下的燃烧过程也会排出co2和co，有助于煤矸石砖体连通孔的形成，因此煤矸石可以作为一种高效的天然发泡剂。
5.但是，在煤矸石自身燃烧发泡产生大量连通孔隙之前，由于砖体内部孔隙中预留的氧气非常少，外部的氧气也无法及时到达，煤矸石中的炭燃烧不充分，产生大量的co。这在一方面导致高温炉产生的尾气中含有大量co有毒气体，不利于后期的尾气收集和提纯；另一方面炭的不充分燃烧会造成煤矸石中部分燃料化学能的损失。
6.而且煤矸石燃烧产生的部分气体会被高温条件下已经脱水固结的固相所包裹，形成气孔。如果孔内气压较低，就会形成封闭孔，最终大量封闭孔的存在会影响透水砖的透水性能；如果孔内气压较高，过高的孔内气压会冲破气孔，虽然会为砖体带来连通的孔隙，但是所形成的孔隙呈爆炸状反而会影响透水砖的抗压强度。因此，研究发明一种兼顾绿色节能和材料特性优化的煤矸石透水砖是很有必要的。


技术实现要素：

7.本发明克服现有技术的不足，立足于“海绵城市”和可持续理念，综合透水铺装绿色建材技术和固体废弃物循环利用技术，提供一种烧结煤矸石透水砖及其制备方法。本发明烧结煤矸石透水砖采用煤矸石大量替代黏土，利用高温下煤矸石中的炭燃烧为整个烧结过程提供热源和天然发泡剂，同时采用十二烷基磺酸钠引气剂和石灰粉作为辅助发泡剂，
采用膨胀聚苯颗粒作为造孔剂，在满足透水砖透水性能的同时达到引导孔隙的作用，一方面促使炭的充分燃烧，另一方面防止砖体在凝结过程中的孔隙崩坏而对强度产生的不利影响。因此，本发明所涉及的组分都有互相协同作用的效果，并非单独可以分开使用。总之，本发明方法所制备的透水砖能够在兼顾透水性和强度的前提下，拥有更均匀的连通孔和更节能清洁的生产工艺。
8.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种烧结煤矸石透水砖，包括以下配比的原料制成：煤矸石50%~100%，黏土0~50%且不为0，膨胀聚苯颗粒100%~150%，石灰粉0~5%且不为0，十二烷基磺酸钠5~10%，聚丙烯酰胺5~10%；其中煤矸石、黏土、石灰粉的掺量为质量百分比，这三种原料质量总计为100%；十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺的掺量为占煤矸石、黏土和石灰粉混合料的质量百分比；所述膨胀聚苯颗粒的掺量为体积百分比，即膨胀聚苯颗粒体积占煤矸石、黏土、石灰粉混合料总体积的百分比。
9.上述烧结煤矸石透水砖的制备方法，包括以下步骤：（1）将煤矸石在破碎机中破碎、磨细，取过50目筛的煤矸石粉，备用；（2）将黏土和石灰粉分别磨细，取过50目筛的细粉备用；（3）将步骤（1）和步骤（2）所得的煤矸石粉、黏土和石灰粉与膨胀聚苯颗粒、聚丙烯酰胺粉末在干燥的情况下按配比均匀混合；（4）将十二烷基磺酸钠溶入拌合水中，并倒入步骤（3）得到的混合料中进行均匀搅拌；（5）待步骤（4）所得的混合料陈化24 h后，将混合料放入模具，以20 mpa的成型压力挤压成型；（6）将步骤（5）所得砖胚自然干燥1 h后放入高温烧结炉中烧结，烧结周期为6~8 h，烧结温度为1000~1100 ℃。
10.进一步的，步骤（4）的拌合水量占总体混合料质量的15%~20%。
11.进一步的，所述膨胀聚苯颗粒的粒径分布为1~3mm、3~5mm、5~7mm、7~9mm和9~15mm，其分别对应所占的体积百分比15%、25%、20%、25%和15%。
12.进一步的，步骤（6）中高温烧结炉的烧结温度首先从以10℃/min的升温速率从室温逐渐升至800 ℃，保温1 h后，以5 ℃/min的升温速率逐渐升至设定烧结温度，烧结完成后保温1 h随炉冷却。
13.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：1.利用煤矸石具有与黏土相似的矿物成分这一特点，本发明采用煤矸石粉大量替代黏土，节约了黏土资源，有效促进了煤矸石的固废资源转化。
14.2.本发明在烧结砖胚体制作的过程中加入十二烷基磺酸钠引气剂，使砖胚内部存在很多液相包围的封闭气泡，当烧结炉升温开始时，砖胚内部的封闭气泡群开始膨胀、破裂并相容，而且因为此时砖胚尚未硬化，容易形成大量细微的连通孔，属于一次造孔。这些孔不仅可以为后续发泡开孔提供导向作用，防止孔结构崩坏，还可以使砖胚内部与空气充分接触，促进膨胀聚苯颗粒和煤矸石的完全燃烧，产物为h2o和co2，便于尾气收集和处理，对环境友好。
15.3.利用煤矸石所含有的炭元素在高温条件下燃烧放热的特点，为烧结过程提供热量，节省燃料。
16.4.利用煤矸石炭燃烧产生气体这一特性，选用煤矸石作为自身发泡剂，在烧结过程中为砖胚增加和扩大连通孔，为烧结砖带来透水性能，同时减少了外加发泡剂的使用，有效降低了生产成本。
17.5.膨胀聚苯颗粒价格低廉，在500 ℃左右可以发生灼烧，完全燃烧生成h2o和co2，在预定位置产生孔隙，燃烧放出的热量可以用于整个烧结过程。
18.6.本发明所采用的聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺单体经自由基引发聚合而成的水溶性线性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，在适宜的低浓度下，聚丙烯酰胺溶液可视为网状结构，链间机械的缠结和氢键共同形成网状节点。掺入聚丙烯酰胺的砖胚湿料具有很强的黏稠性，可以防止聚苯颗粒、黏土和水发生离析。
19.7.本发明采用石灰粉作为整个砖胚的辅助发泡剂。石灰粉的主要成分为caco3，在800℃左右分解为cao和co2，促进连通孔的增加和放大。烧结过程产生的co2便于进行尾气收集，而砖体中留存的cao可以在透水砖服役的过程中与水反应生成ca(oh)2，有助于吸收空气中的co2，达到减碳的作用。
具体实施方式
20.以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
21.实施例1烧结煤矸石透水砖按以下配方烧制而成：煤矸石80%；黏土10%；膨胀聚苯颗粒0%；石灰粉10%；十二烷基磺酸钠5%；聚丙烯酰胺0%；其中，所述煤矸石、黏土、石灰粉掺量为质量百分比，三种原料质量总计为100%；十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺掺量为占煤矸石、黏土和石灰粉混合料的质量百分比；所述膨胀聚苯颗粒掺量为体积百分比，即膨胀聚苯颗粒体积占煤矸石、黏土、石灰粉混合料总体积的百分比。
22.上述烧结煤矸石透水砖制备方法包括以下步骤：（1）将煤矸石在破碎机中破碎、磨细，取过50目筛的煤矸石粉，备用；（2）将十二烷基磺酸钠溶入拌合水中，并倒入步骤（1）得到的煤矸石粉中进行均匀搅拌，透水砖的拌合水量占总体混合料质量的16%；（3）待步骤（2）所得的混合料陈化24 h后，将混合料放入模具，以20 mpa的成型压力挤压成型；（4）将步骤（3）所得砖胚自然干燥1 h后放入高温烧结炉中烧结，烧结周期为6~8 h，烧结温度为1000~1100 ℃。
23.所述新型烧结煤矸石透水砖制备过程中高温烧结炉的烧结温度从以10 ℃/min的升温速率从室温逐渐升至设定烧结温度，而后保温1 h随炉冷却。
24.由以上配方和制备方法制得的烧结煤矸石透水砖，透水系数≥1.7
×
10-2
cm/s，劈
裂抗拉强度≥4mpa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
25.实施例2烧结煤矸石透水砖按以下配方烧制而成：煤矸石80%；黏土10%；膨胀聚苯颗粒50%；石灰粉10%；十二烷基磺酸钠5%；聚丙烯酰胺5%；其中，所述煤矸石、黏土、石灰粉掺量为质量百分比，三种原料质量总计为100%；十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺掺量为占煤矸石、黏土和石灰粉混合料的质量百分比；所述膨胀聚苯颗粒掺量为体积百分比，即膨胀聚苯颗粒体积占煤矸石、黏土、石灰粉混合料总体积的百分比。
26.所采用的膨胀聚苯颗粒的粒径为5~7 mm。
27.上述新型烧结煤矸石透水砖制备方法包括以下步骤：（1）将煤矸石在破碎机中破碎、磨细，取过50目筛的煤矸石粉，备用；（2）将黏土磨细，取过50目筛的细粉备用；（3）将步骤（1）和步骤（2）所得的煤矸石粉、黏土与膨胀聚苯颗粒、聚丙烯酰胺粉末在干燥的情况下均匀混合；（4）将十二烷基磺酸钠溶入拌合水中，并倒入步骤（3）得到的混合料中进行均匀搅拌，拌合水量占总体混合料质量的17%；（5）待步骤（4）所得的混合料陈化24 h后，将混合料放入模具，以20 mpa的成型压力挤压成型；（6）将步骤（5）所得砖胚自然干燥1 h后放入高温烧结炉中烧结，烧结周期为6~8 h，烧结温度为1000~1100 ℃。
28.所述新型烧结煤矸石透水砖制备过程中高温烧结炉的烧结温度从以10 ℃/min的升温速率从室温逐渐升至设定烧结温度，而后保温1 h随炉冷却。
29.由以上配方和制备方法制得的烧结煤矸石透水砖，透水系数≥1.9
×
10-2
cm/s，劈裂抗拉强度≥3mpa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
30.实施例3烧结煤矸石透水砖按以下配方烧制而成：煤矸石80%；黏土15%；膨胀聚苯颗粒100%；石灰粉5%；十二烷基磺酸钠5%；聚丙烯酰胺5%；其中，所述煤矸石、黏土、石灰粉掺量为质量百分比，四种原料质量总计为100%；十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺的掺量为煤矸石、黏土和石灰粉混合料的质量百分比；所述膨胀
聚苯颗粒掺量为体积百分比，即膨胀聚苯颗粒体积占煤矸石、黏土、石灰粉混合料总体积的百分比。
31.所采用的膨胀聚苯颗粒的粒径为5~7 mm。
32.上述新型烧结煤矸石透水砖制备方法包括以下步骤：（1）将煤矸石在破碎机中破碎、磨细，取过50目筛的煤矸石粉，备用；（2）将黏土磨细，取过50目筛的细粉备用；（3）将步骤（1）和步骤（2）所得的煤矸石粉、黏土与膨胀聚苯颗粒、聚丙烯酰胺粉末在干燥的情况下均匀混合；（4）将十二烷基磺酸钠溶入拌合水中，并倒入步骤（3）得到的混合料中进行均匀搅拌，拌合水量占总体混合料质量的17%；（5）待步骤（4）所得的混合料陈化24 h后，将混合料放入模具，以20 mpa的成型压力挤压成型；（6）将步骤（5）所得砖胚自然干燥1 h后放入高温烧结炉中烧结，烧结周期为6~8 h，烧结温度为1000~1100 ℃。
33.所述新型烧结煤矸石透水砖制备过程中高温烧结炉的烧结温度从以10 ℃/min的升温速率从室温逐渐升至设定烧结温度，而后保温1 h随炉冷却。
34.由以上配方和制备方法制得的烧结煤矸石透水砖，透水系数≥2.3
×
10-2
cm/s，劈裂抗拉强度≥3mpa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
35.实施例4烧结煤矸石透水砖按以下配方烧制而成：煤矸石80%；黏土15%；膨胀聚苯颗粒150%；石灰粉5%；十二烷基磺酸钠5%；聚丙烯酰胺5%；其中，所述煤矸石、黏土、石灰粉掺量为质量百分比，四种原料质量总计为100%；十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺掺量为煤矸石、黏土和石灰粉混合料的质量百分比；所述膨胀聚苯颗粒掺量为体积百分比，即膨胀聚苯颗粒体积占煤矸石、黏土、石灰粉混合料总体积的百分比。
36.所采用的膨胀聚苯颗粒的粒径为5~7 mm。
37.上述新型烧结煤矸石透水砖制备方法包括以下步骤：（1）将煤矸石在破碎机中破碎、磨细，取过50目筛的煤矸石粉，备用；（2）将黏土和石灰粉分别磨细，取过50目筛的细粉备用；（3）将步骤（1）和步骤（2）所得的煤矸石粉、黏土和石灰粉与膨胀聚苯颗粒、聚丙烯酰胺粉末在干燥的情况下均匀混合；（4）将十二烷基磺酸钠溶入拌合水中，并倒入步骤（3）得到的混合料中进行均匀搅拌，拌合水量占总体混合料质量的18%；（5）待步骤（4）所得的混合料陈化24 h后，将混合料放入模具，以20 mpa的成型压
力挤压成型；（6）将步骤（5）所得砖胚自然干燥1 h后放入高温烧结炉中烧结，烧结周期为6~8 h，烧结温度为1000~1100 ℃。
38.所述新型烧结煤矸石透水砖制备过程中高温烧结炉的烧结温度首先从以10 ℃/min的升温速率从室温逐渐升至800 ℃，保温1 h后，以5 ℃/min的升温速率逐渐升至设定烧结温度，而后保温1 h随炉冷却。
39.由以上配方和制备方法制得的烧结煤矸石透水砖，透水系数≥2.2
×
10-2
cm/s，劈裂抗拉强度≥3mpa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
40.实施例5新型烧结煤矸石透水砖按以下配方烧制而成：煤矸石60%；黏土35%；膨胀聚苯颗粒150%；石灰粉5%；十二烷基磺酸钠10%；聚丙烯酰胺10%；其中，所述煤矸石、黏土、石灰粉掺量为质量百分比，四种原料质量总计为100%；十二烷基磺酸钠、聚丙烯酰胺掺量为煤矸石、黏土和石灰粉混合料的质量百分比；所述膨胀聚苯颗粒掺量为体积百分比，即膨胀聚苯颗粒体积占煤矸石、黏土、石灰粉混合料总体积的百分比。
41.所采用的膨胀聚苯颗粒按体积比的颗粒级配为(1~3 mm):(3~5 mm):(5~7 mm):(7~9 mm)：(9~15 mm)=15%:25%:20%:25%:15%。
42.上述新型烧结煤矸石透水砖制备方法包括以下步骤：（1）将煤矸石在破碎机中破碎、磨细，取过50目筛的煤矸石粉，备用；（2）将黏土和石灰粉分别磨细，取过50目筛的细粉备用；（3）将步骤（1）和步骤（2）所得的煤矸石粉、黏土和石灰粉与膨胀聚苯颗粒、聚丙烯酰胺粉末在干燥的情况下均匀混合；（4）将十二烷基磺酸钠溶入拌合水中，并倒入步骤（3）得到的混合料中进行均匀搅拌，拌合水量占总体混合料质量的20%；（5）待步骤（4）所得的混合料陈化24 h后，将混合料放入模具，以20 mpa的成型压力挤压成型；（6）将步骤（5）所得砖胚自然干燥1 h后放入高温烧结炉中烧结，烧结周期为6~8 h，烧结温度为1000~1100 ℃。
43.所述新型烧结煤矸石透水砖制备过程中高温烧结炉的烧结温度首先从以10 ℃/min的升温速率从室温逐渐升至800 ℃，保温1 h后，以5 ℃/min的升温速率逐渐升至设定烧结温度，而后保温1 h随炉冷却。
44.由以上配方和制备方法制得的烧结煤矸石透水砖，透水系数≥2.7
×
10-2
cm/s，劈裂抗拉强度≥3mpa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
45.本实施例制备的新型烧结煤矸石透水砖可适用于步行街、人行道和园林道路铺
装，在兼顾透水性和强度的前提下，拥有更均匀的连通孔和更节能清洁的生产工艺。应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。