本发明属于资源再利用技术领域，尤其涉及一种免烧透水砖及其制备方法。
背景技术：
透水砖是指具备一定孔隙率、保水性能、渗水性能和透气性能的砖头，可用于城市绿化铺面、人行道和广场的地面铺装等，能够在下雨时实现雨水的下渗防止雨水在地表形成径流或内涝。透水砖在海绵城市设施中很关键，因而制备透水砖具有很大的经济和社会效益。
目前我国在透水砖领域研究和商用都比较多，专利公布号cn101956357a公开了一种双层免烧透水砖及其制造方法，透水砖由面层和基层构成，面层主要由3～5份石粉、2.2～4.4份粘接剂组成；基层主要由石粉、水泥、聚合剂、水、颜料组成，经过常温养护10～20天制造双层免烧透水砖，在原材料上主要依赖于水泥和粘结剂的作用，且养护天数太长，容易造成堆积。专利公布号cn205617180u公开了一种复合型免烧陶瓷透水砖，透水砖的制造方法为将废旧陶瓷破碎成颗粒直径为0.01-20mm的陶瓷碎粒，然后通过聚合物制作成具有聚合物包覆层的颗粒，再通过胶粘剂将具有聚合物包覆层的陶瓷碎粒进行混合粘接并固化后形成透水性良好的陶瓷透水砖，原材料为陶瓷碎粒，工艺核心是粘结剂。专利公布号cn105601254a公开了一种烧结透水砖及其制备方法，原材料有粉煤灰55～65份、粘土20～30份和菱镁矿粉5～25份，利用固体废弃物粉煤灰作为主要原料，采用少量粘土结合，利用菱镁矿粉作为造孔剂，通过压制成型、高温煅烧得到烧结透水砖，需要1000℃以上高温烧结5h以上，不节能。
因此，现有透水砖的制备存在较多问题，在原材料方面，主要原材料为水泥、粉煤灰、黏土和粘结剂等，不够环保；在制作工艺上，大多数透水砖需要经过添加粘结剂和高温烧结环节，依赖于化学粘结剂和1000℃以上高温烧结，导致制作过程存在能耗高、碳排量大和不环保的问题，使得透水砖的制备很不环保。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种免烧透水砖及其制备方法，用于解决现有透水砖原料主要为水泥、粉煤灰、黏土和粘结剂，制作工艺依赖粘结剂和高温烧结，碳排量大、不环保的问题。
本发明的具体技术方案如下：
一种免烧透水砖，由以下组分制备得到：
地聚物基复合物污泥固化剂、建筑垃圾粗骨料和污泥；
所述地聚物基复合物污泥固化剂由偏高岭土和骨架材料进行混合后加入碱激发剂制备得到，所述骨架材料为火山石、河沙或煤渣。
优选的，所述地聚物基复合物污泥固化剂的制备原料中，所述碱激发剂为硅酸盐与碱性氢氧化物；
所述硅酸盐为液体硅酸钠或硅酸钾；
所述碱性氢氧化物为naoh或koh。
优选的，所述骨架材料为火山石；
所述硅酸盐为液体硅酸钠，所述液体硅酸钠的模数为2.0～3.5，所述液体硅酸钠的波美度为40°～48°；
所述碱性氢氧化物为koh。
优选的，所述偏高岭土、所述火山石、所述液体硅酸钠和所述koh的质量比为(3～6)：(1～2)：(3～4)：(0.3～0.6)。
优选的，所述建筑垃圾粗骨料为废弃混凝土块、废水泥砂浆、碎石块、废渣土、废砖头和废瓦的一种或多种，所述建筑垃圾粗骨料的尺寸为5mm～15mm；
所述污泥为河流湖泊污泥、生活污泥和工业污泥的一种或多种，所述污泥的含水率为50％～95％。
优选的，所述地聚物基复合物污泥固化剂、所述建筑垃圾粗骨料和所述污泥的质量比为(3～7)：(1～3)：(3～6)。
本发明还提供了上述技术方案所述免烧透水砖的制备方法，包括以下步骤：
a)将建筑垃圾粗骨料和地聚物基复合物污泥固化剂置于污泥中，混合搅拌，养护，再压模得到砖坯；
b)将所述砖坯进行固化，得到免烧透水砖。
优选的，步骤a)所述压模采用机械加压，所述机械加压的压力为30mpa～50mpa；
所述压模的压制时间为20min～30min。
优选的，步骤b)所述固化为蒸汽固化；
所述蒸汽固化的温度为105℃～180℃，所述蒸汽固化的相对湿度90％～100％。
优选的，所述蒸汽固化包括升温阶段、恒温阶段和降温阶段；
所述升温阶段的升温速率为5℃/h～10℃/h，所述恒温阶段的温度为105℃～180℃，所述降温阶段的降温速率为3℃/h～10℃/h。
综上所述，本发明提供了一种免烧透水砖，由以下组分制备得到：地聚物基复合物污泥固化剂、建筑垃圾粗骨料和污泥；所述地聚物基复合物污泥固化剂由偏高岭土和骨架材料进行混合后加入碱激发剂制备得到，所述骨架材料为火山石、河沙或煤渣。本发明中，透水砖的原料为地聚物基复合物污泥固化剂、建筑垃圾粗骨料和污泥，以地聚物基复合物污泥固化剂为胶凝材料，配合建筑垃圾粗骨料和污泥即可制备免烧透水砖，资源化利用建筑垃圾和污泥，提高废物利用率，不需使用水泥、粉煤灰、黏土和粘结剂，无需进行高温烧结，环保，具有很大的经济和社会效益。
具体实施方式
本发明提供了一种免烧透水砖及其制备方法，用于解决现有透水砖原料主要为水泥、粉煤灰、黏土和粘结剂，制作工艺依赖粘结剂和高温烧结，碳排量大、不环保的问题。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种免烧透水砖，由以下组分制备得到：
地聚物基复合物污泥固化剂、建筑垃圾粗骨料和污泥；
地聚物基复合物污泥固化剂由偏高岭土和骨架材料进行混合后加入碱激发剂制备得到，骨架材料为火山石、河沙或煤渣。
我国每年外排干污泥130万吨，且每年以10％的速率增长，污泥含量很少但是含水率极高，由于污泥脱水困难导致处理费用和难度都增加。而且，若不经过无害化处理势必会对土壤、空气和水源产生巨大污染而危及人体健康，污泥必须得到合理处置。建筑和建设工程在近年来不断在各地开展，但是建筑垃圾的产生速率和数量也在飞速提高。我国城市建筑垃圾总量为城市垃圾总量的30％～40％，建设每万平方建筑便会产生500～600吨的建筑垃圾。建筑垃圾也必须得到合理处置。
本发明实施例中，透水砖的原料为地聚物基复合物污泥固化剂、建筑垃圾粗骨料和污泥，以地聚物基复合物污泥固化剂为胶凝材料，配合建筑垃圾粗骨料和污泥即可制备免烧透水砖，资源化利用建筑垃圾和污泥，提高废物利用率，将建筑垃圾和污泥变废为宝，不仅能够消耗污泥和建筑垃圾，还能够为人类创造价值，不需使用水泥、粉煤灰、黏土和粘结剂，无需进行高温烧结，环保，具有很大的经济和社会效益。
本发明实施例中，地聚物基复合物污泥固化剂的制备还可添加第一添加剂和第二添加剂，第一添加剂为二氧化硅、二氧化钛或竹炭，第二添加剂为硅酸钙、氧化钙、硫酸钡、硫酸钙、氯化镁、聚合氯化铝、聚合氯化铁、硫酸铝和聚合氯化铝铁中的一种或多种。
优选地，二氧化硅为亲水性纳米二氧化硅；
二氧化钛为亲水性纳米二氧化钛；
竹炭为亲水性纳米竹炭。
本发明实施例中，亲水性纳米二氧化硅的粒径为1～100nm，更优选为50～80nm。纳米材料的介入可使得免烧透水砖后期孔隙变小，使得免烧透水砖更加密实，在水蒸气蒸发的过程中，免烧透水砖不容易开裂。
本发明实施例中，地聚物基复合物污泥固化剂的制备原料中，碱激发剂为硅酸盐与碱性氢氧化物；
硅酸盐为液体硅酸钠或硅酸钾；
碱性氢氧化物为naoh或koh。
本发明实施例中，骨架材料为火山石；
硅酸盐为液体硅酸钠，液体硅酸钠的模数为2.0～3.5，液体硅酸钠的波美度为40°～48°；
碱性氢氧化物为koh。
本发明实施例中，偏高岭土、火山石、液体硅酸钠和koh的质量比为(3～6)：(1～2)：(3～4)：(0.3～0.6)，优选为5：1.5：3：0.5。
本发明实施例中，偏高岭土的煅烧温度为700℃～1600℃，目数为400目～5000目，任何地方高岭土矿藏产出的均可适用，其中，偏高岭土(活性高岭土)sio2含量为40％～70％，al2o3含量为30％～50％。
偏高岭土、硅酸钙、氧化钙和硫酸钙均为固体粉末。骨架材料均为富含sio2和al2o3矿石材料和废料。火山石为金孔性活性固体粉末或颗粒，火山石粉末的粒径没有具体限定，可以是大颗粒1-3mm，也可以是400-2000目小颗粒。
本发明实施例中，地聚物基复合物污泥固化剂采用地聚物作为主要的胶凝材料，性能上比水泥材料更加优越，固化后抗压强度、抗折强度和抗冻性高于水泥数倍，且耐高温性和抗浸出性更好。
本发明实施例中，建筑垃圾粗骨料为废弃混凝土块、废水泥砂浆、碎石块、废渣土、废砖头和废瓦的一种或多种，建筑垃圾粗骨料的尺寸为5mm～15mm；
污泥为河流湖泊污泥、生活污泥和工业污泥的一种或多种，污泥的含水率为50％～95％。
本发明实施例中，建筑垃圾粗骨料可由道路开挖、新建设工程、已有建筑改建和危旧建筑的拆除过程中所产生，经建筑垃圾粉碎机粉碎后得到尺寸为5mm～15mm的粉末状固体。
本发明实施例中，地聚物基复合物污泥固化剂、建筑垃圾粗骨料和污泥的质量比为(3～7)：(1～3)：(3～6)，优选为5：2：3。
本发明还提供了上述技术方案免烧透水砖的制备方法，包括以下步骤：
a)将建筑垃圾粗骨料和地聚物基复合物污泥固化剂置于污泥中，混合搅拌，养护，再压模得到砖坯；
b)将砖坯进行固化，得到免烧透水砖。
现有技术中，透水砖在制作工艺方法上，强度主要来源于化学粘结剂和高温烧结工艺，存在以下问题：1)水泥与粘结剂使用量大，未能直接利用材料的化学反应进行胶结；2)高温烧结工艺能耗大、碳排放量大、成本高，不绿色环保。
本发明实施例制备方法通过将建筑垃圾粗骨料和地聚物基复合物污泥固化剂置于污泥中，混合搅拌，养护，再压模得到砖坯，将砖坯进行固化，得到免烧透水砖。本发明实施例改进制备工艺方法，以地聚物基复合污泥固化剂材料为胶凝材料，该胶凝材料具备类似水泥硬化的强粘结作用，与污泥和建筑垃圾粗骨料混合后，经过养护形成半固态胶凝体，再经过加压成型，制备免烧透水砖，直接利用材料的化学反应进行胶结，无需使用粘结剂，具有很大的经济和社会效益。
本发明实施例中，步骤a)之前，优选采用建筑垃圾破碎机将建筑垃圾进行粉碎，得到粉末状固体，再经过筛选得到粒径为5mm～15mm的建筑垃圾粗骨料；优选将偏高岭土和火山石进行混合后加入液体硅酸钠和koh，混合搅拌5min～10min，转速为250rpm，得到地聚物基复合物污泥固化剂。
本发明实施例中，步骤a)混合搅拌的时间为3min～5min，转速为350rpm。
步骤a)养护具体包括：将混合搅拌得到的浆体倒入容器中，盖上保鲜膜，放入恒温恒湿养护箱中进行常温养护，养护的时间为8h～14h，得到半固体胶凝材料。
步骤a)压模采用机械加压，机械加压的压力为30mpa～50mpa；
压模的压制时间为20min～30min。
步骤a)压模具体包括：将养护得到的半固体胶凝材料根据制砖模具需要的量放入砖坯模具中，进行机械加压，压制，得到砖坯。
本发明实施例中，步骤b)固化为蒸汽固化，在蒸汽养护箱中进行；
蒸汽固化的温度为105℃～180℃，蒸汽固化的相对湿度90％～100％，蒸汽固化的时间为1～3天。
本发明实施例中，蒸汽固化包括升温阶段、恒温阶段和降温阶段；
升温阶段的升温速率为5℃/h～10℃/h，恒温阶段的温度为105℃～180℃，降温阶段的降温速率为3℃/h～10℃/h。
步骤b)固化之后，优选进行烘干，进一步优选为鼓风干燥，具体为将固化后的产物置于75℃～105℃鼓风干燥机中烘干5h～10h，再优选在常温下养护3～5天，得到免烧透水砖。
本发明实施例中，地聚物基复合物污泥固化剂与污泥和建筑垃圾粗骨料混合后，经过常温养护形成半固态胶凝体，再经过加压成型、蒸汽固化和鼓风干燥获得免烧透水砖。本发明实施例使用的污泥和建筑垃圾取材广泛，制备方法无需高温烧结，也不需要化学粘结剂，因此实现了节能降耗，降低成本。；
本发明实施例制备方法具有如下优点：
(1)本发明实施例采用建筑垃圾与污泥制作免烧透水砖，所使用的任何原材料与实施过程都绿色、节能、低碳环保、无害、来源易得，同时能够实现将建筑垃圾和污泥的消耗，变废为宝，具有巨大的经济和社会价值。
(2)本发明实施例的制备方法中，采用常温养护、蒸汽固化和鼓风干燥，规避了高温焙烧的高耗能，原材料廉价，降低制作成本。
(3)本发明实施例采用建筑垃圾与污泥制作免烧透水砖，在制作过程中就能够快速吸水，实现污泥的快速处理。经过制备工艺制成免烧透水砖后，避免污泥堆积，增加工程应用价值。
(4)本发明实施例所制得的免烧透水砖能够符合透水砖的行业规范标准jc/t945-2005《透水砖》和gb/t25993-2010《透水路面砖和透水路面板》的要求，成品具有如下特征：抗压强度32～38mpa，抗折强度2.3～2.8mpa，透水系数1.15×10-2cm-2/s，25次冻融循环后强度损失率为13.9％，强酸腐蚀质量损失率为0.05％，保水性0.70～0.78g/cm-2。
(5)本发明实施例制备的免烧透水砖适用性强，能够被用于城市绿化铺面，还可用作海绵城市透水铺砖。
为了进一步理解本发明，下面结合具体实施例对本发明进行详细阐述。
实施例1
本实施例进行免烧透水砖的制备，原料为地聚物基复合物污泥固化剂、建筑垃圾粗骨料和污泥，质量比为5：2：3。其中，地聚物基复合物污泥固化剂由偏高岭土和火山石进行混合后加入碱激发剂(液体硅酸钠和氢氧化钾)制备得到，偏高岭土、火山石、液体硅酸钠和氢氧化钾的质量比为5：1.5：3：0.5。按照重量10kg来计算，5kg地聚物基复合污泥固化剂(2.5kg偏高岭土、0.75kg火山石、1.5kg液体硅酸钠、0.25kg氢氧化钾)、2kg建筑垃圾粗骨料、3kg污泥。本实施例中取广州市某建筑工地建筑垃圾，污泥取自广州市某污水处理厂，污泥的基本性质指标请参阅表1。
制备步骤如下：
(1)制备建筑垃圾粗骨料：将建筑垃圾采用建筑垃圾破碎机进行粉碎，变成粉末状固体，然后经过筛选获得粒径为5mm～15mm的建筑垃圾粗骨料。
(2)制备地聚基复合污泥固化剂材料：按照配比称取偏高岭土2.5kg、火山石材料0.75kg、液体硅酸钠1.5kg和氢氧化钾0.25kg，混合搅拌5～10min，转速250rpm。
(3)制备免烧砖浆体：将步骤(1)中制备的建筑垃圾粗骨料和步骤(2)中的地聚物基复合物污泥固化剂倒入污泥中，混合搅拌3～5min，转速350rpm。
(4)灌浆养护制备半固态胶凝材料：将步骤(3)得到的浆体倒入到容器中，盖上保鲜膜，放入恒温恒湿养护箱中常温养护8～14h。
(5)压模制砖坯：将步骤(4)得到的半固态胶凝材料根据制砖模具的需要的量放入砖坯模具中，砖坯模具本案例采用尺寸为200*100*60mm，机械加压30～50mpa，压制20～30min，获得砖坯。
(6)蒸汽固化：将步骤(5)得到的砖坯放入蒸汽养护箱中，温度105℃～180℃，相对湿度90％～100％，升温阶段升温速度5℃～10℃/h，恒温阶段105℃～180℃，降温阶段降温速度为3～10℃/h，固化1～3天。
(7)鼓风干燥：取出步骤(6)固化后的产物置于75～105℃鼓风干燥机烘干5h～10h。取出后继续常温养护3～5天，获得免烧透水砖。
本实施例制得的免烧透水砖具有如下特征：抗压强度38mpa、抗折强度2.8mpa，透水系数1.15×10-2cm-2/s，25次冻融循环后强度损失率为13.9％，强酸腐蚀质量损失率为0.05％，保水性0.78g/cm-2。
表1污泥的基本性质指标
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。