一种煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖及其制备方法

本发明属于透水砖技术领域，涉及一种煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖及其制备方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

透水砖是为解决城市地表硬化，营造高质量的自然生活环境，维护城市生态平衡而隆重诞生的世纪环保建材产品。

透水砖从材质上分为烧结透水砖和免烧透水砖，烧结透水砖制作工艺较复杂且能耗高，污染环境，产品成本高昂，逐渐失去市场竞争力，而免烧砖工艺相对简单，成本低。但发明人研究发现，目前免烧透水砖普遍采用硅酸盐水泥，依然存在成本高、强度低、耐久性不佳的问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖及其制备方法，本发明制备的免烧透水砖透水性能好、强度较高、成本较低、耐久性更好。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖，由上至下依次为面层和基层；

面层中，原料以质量份数计包括掘进矸石骨料60～70份、铁尾矿砂15～25份、固废基硫铝酸盐胶凝材料15～20份、减水剂0.16～0.24份、固化剂2～4份及颜料1～2份；面层中的掘进矸石骨料的粒径为1.25～2.5mm，铁尾矿砂的粒径为0.5mm～1.5mm；

基层中，原料以质量份数计包括掘进矸石骨料65～75份、固废基硫铝酸盐胶凝材料15～20份、废石粉5～15份、粘合剂0.16～0.24份、减水剂0.26～0.34份；基层中掘进矸石骨料的粒径为2.5～5mm。

本发明以固废基硫铝酸盐胶凝材料代替硅酸盐水泥，强度更好，同时无需蒸压养护，降低能耗。透水砖主要以普通碎石、花岗岩石、大理石等作为骨料，成本较高。为了降低成本，本发明采用掘进矸石作为骨料，按来源及最终状态，煤矸石可分为掘进矸石、选煤矸石和自然矸石三大类。煤矸石排放量根据煤层条件、开采条件和洗选工艺的不同有较大差异，一般掘进矸石占原煤产量的10％左右，选煤矸石占入选原煤量的12％～18％。露天开采剥离及采煤巷道掘进排出的白矸即为掘进矸石，掘进矸石一般含碳量低、热值较低、硬度较大，为砂岩类矸石，可用来生产混凝土骨料，相对其他矸石质地较疏松的特点，掘进矸石硬度更高作为骨料使用不存在易粉化的问题。但是经过研究发现，采用掘进矸石作为骨料时，骨料与基体间结合性较差，导致透水砖的强度下降。本发明采用铁尾矿砂，能够与固废基硫铝酸盐胶凝材料、掘进矸石配合，骨架与基体更牢固，从而增加透水砖的强度。另外，由于透水砖主要用于城市路面改造，因而，本发明采用铁尾矿砂与固化剂的结合，能够增加透水砖的耐磨性能，增加透水砖的路面改造性能。

本发明采用粒径为1.25～2.5mm的掘进矸石骨料与铁尾矿砂的粒径为0.5mm～1.5mm进行配合，在保证透水砖的透水率的前提下，进一步增加透水砖的强度和耐磨性能，以保证透水砖的路面改造性能。

为了进一步降低透水砖的成本，同时使透水砖与路基进行配合，本发明透水砖为面层和基层，采用基层设置的目的是不仅降低成本，而且使面层能够与城市路基更好配合。由于对于基层的要求不高，因而对于基层的材料选择较面层有所不同，但是由于材料不同，选择粒径更大的掘进矸石骨料，增加透水性，使得面层透过的水能够更容易透过基层，然而，材料的不同导致面层与基层界面难以致密结合，本发明采用在基层中采用废石粉，不仅能够协同固废基硫铝酸盐胶凝材料胶凝剂、掘进矸石骨料，增加基层的强度，而且通过固废基硫铝酸盐胶凝材料胶凝剂与铁尾矿砂及石粉相互协同作用，能够使面层与基层界面结合更紧密，从而进一步降低透水砖的制备成本。

另一方面，一种上述煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖的制备方法，包括如下步骤：

制备面层拌合料：将掘进矸石骨料、铁尾矿砂、固废基硫铝酸盐胶凝材料、减水剂、颜料混合均匀获得混合料，将固化剂溶于水，将固化剂水溶液加入混合料中搅拌获得面层拌合料；

制备基层拌合料：将掘进矸石骨料、固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉、减水剂以及粘合剂进行混合，然后添加水混合获得基层拌合料；

先在模具中摊铺面层拌合料，再添加基层拌合料，然后静压成型获得透水砖生坯，透水砖生坯养护获得透水砖。

第三方面，一种上述煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖在城市道路改造中的应用。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用固废基硫铝酸盐胶凝材料，固化速率较快，能够实现免烧结、能耗低、工艺简单。

2.本发明采用掘进矸石、铁尾矿砂、固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉的协同处置，保证了透水砖的透水率、强度，使得透水砖的成本大大降低。

3.本发明采用固废基硫铝酸盐胶凝材料，与硅酸盐水泥相比，制备温度更低，低碳节能。

4.本发明对于主要采用工业固废进行生产，对于自然资源使用较少，绿色环保。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例制备免烧透水砖的工艺流程图；

图2为本发明实施例采用的掘进矸石的xrd图谱。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

鉴于现有免烧透水砖存在成本高、强度低、耐久性不佳等问题，本发明提出了一种煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖及其制备方法。

本发明的一种典型实施方式，提供了一种煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖，由上至下依次为面层和基层；

面层中，原料以质量份数计包括掘进矸石骨料60～70份、铁尾矿砂15～25份、固废基硫铝酸盐胶凝材料15～20份、减水剂0.16～0.24份、固化剂2～4份及颜料1～2份；面层中的掘进矸石骨料的粒径为1.25～2.5mm，铁尾矿砂的粒径为0.5mm～1.5mm；

基层中，原料以质量份数计包括掘进矸石骨料65～75份、固废基硫铝酸盐胶凝材料15～20份、废石粉5～15份、粘合剂0.16～0.24份、减水剂0.26～0.34份；基层中掘进矸石骨料的粒径为2.5～5mm。

本发明以固废基硫铝酸盐胶凝材料代替硅酸盐水泥，强度更好，同时无需蒸压养护，降低能耗。本发明采用掘进矸石、铁尾矿砂、固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉的协同处置，保证了透水砖的高透水率、高强度的同时，大大降低透水砖的成本。

本发明固废基硫铝酸盐胶凝材料以工业固废为原料制备形成，该实施方式的一些实施例中，固废基硫铝酸盐胶凝材料由废石粉、脱硫石膏、钢渣、铝渣四种固废原材料协同制备。

在一种或多种实施例中，废石粉、脱硫石膏、钢渣、铝渣混合均匀，在1200～1300℃的温度下煅烧，煅烧后的中间体加入脱硫石膏粉磨制备。制备的固废基硫铝酸盐胶凝材料具有早强、快硬、高强、成本低、环保等特点。

该实施方式的一些实施例中，面层中的水胶比为0.226～0.234。

该实施方式的一些实施例中，基层中的水胶比为0.216～0.224。

该实施方式的一些实施例中，所述铁尾矿砂为铁矿选矿厂产生的固体废弃物。

在一种或多种实施例中，铁尾矿砂的主要成分为二氧化硅、三氧化铁、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁、三氧化硫。其质量比为72～73:11～12:5～6:3～4:2～3:0.5～1.0。

该实施方式的一些实施例中，所述固化剂为改性脂肪胺类环氧固化剂。该类固化剂对砂的粘接强度高，亲和性、渗透性好，方便混合，具有较好的耐水性和透水性。

该实施方式的一些实施例中，所述减水剂为聚羧酸减水剂。其在本发明体系中的减水率可达35％。

该实施方式的一些实施例中，所述粘合剂为可分散性乳胶粉。由醋酸乙烯酯的共聚物和聚乙烯醇粉末组成。

本发明的另一种实施方式，提供了一种上述煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖的制备方法，包括如下步骤：

制备面层拌合料：将掘进矸石骨料、铁尾矿砂、固废基硫铝酸盐胶凝材料、减水剂、颜料混合均匀获得混合料，将固化剂溶于水，将固化剂水溶液加入混合料中搅拌获得面层拌合料；

制备基层拌合料：将掘进矸石骨料、固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉、减水剂以及粘合剂进行混合，然后添加水混合获得基层拌合料；

先在模具中摊铺面层拌合料，再添加基层拌合料，然后静压成型获得透水砖生坯，透水砖生坯养护获得透水砖。

该实施方式的一些实施例中，制备面层拌合料中，掘进矸石骨料、铁尾矿砂的添加质量比为2:0.9～1.1。

该实施方式的一些实施例中，制备面层拌合料中，固化剂溶于一部分水，将固化剂水溶液加入混合料中进行慢速搅拌，再加入剩余水进行快速搅拌。

慢速搅拌的搅拌速率为60～70r/min。在一种或多种实施例中，慢速搅拌的时间为40～50s。

快速搅拌的搅拌速率为120～140r/min。在一种或多种实施例中，快速搅拌的时间为85～95s。

该实施方式的一些实施例中，制备基层拌合料中，将掘进矸石骨料、固废基硫铝酸盐胶凝材料、废石粉、减水剂以及粘合剂进行混合的时间为25～35s。

该实施方式的一些实施例中，制备基层拌合料中，先添加75～85％的水进行混合，然后添加剩余的水进行混合。

在一种或多种实施例中，加水搅拌的总时间为3.0～3.5min。

该实施方式的一些实施例中，摊铺面层拌合料的厚度为4.5～5.5mm。

该实施方式的一些实施例中，静压成型的压力为10～15mpa。

该实施方式的一些实施例中，养护的温度为15～25℃。

该实施方式的一些实施例中，养护的湿度为97～99％。

该实施方式的一些实施例中，养护的时间为7～10天。

本发明的第三种实施方式，提供了一种上述煤矸石协同铁尾矿免烧透水砖在城市道路改造中的应用。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

以下实施例中采用的固废基硫铝酸盐胶凝材料的制备过程为：将采石场废石粉、电厂脱硫石膏、钢厂钢渣及铝材厂铝渣分别按照质量分数为38％、17％、12％、33％混合，于回转窑中1250℃煅烧保温30min后的固废基硫铝酸盐水泥熟料95％与5％脱硫石膏混合磨细制得。

以下实施例采用煤矸石(掘进矸石)与铁尾矿砂化学成分，如表1和图2所示。

表1煤矸石与铁尾矿砂化学成分分析

实施例1

一种煤矸石协同铁尾矿透水砖及其制备方法，如图1所示，包括面层制备和基层制备。

面层制备：面层包括以下重量分组分：粒径1.25～2.5mm的掘进矸石骨料60份、粒径0.5～1.5mm的铁尾矿砂20份、固废基硫铝酸盐胶凝材料20份、聚羧酸减水剂0.2份，改性脂肪胺类环氧固化剂3份，颜料2份；水胶比0.23。

将破碎机粉碎筛分后1.25～2.5mm的掘进矸石骨料和0.5～1.5mm的铁尾矿砂质量比2:1和固废基硫铝酸盐胶凝材料、减水剂、颜料置入搅拌机干拌60s，固化剂溶于水中，先加入总用水量的一半慢搅(62r/min)45s，最后加入剩余的水快搅(125r/min)90s得面层混合料。

基层制备：基层材料包括粒径2.5～5mm的掘进矸石骨料75份，固废基硫铝酸盐胶凝材料15份，废石粉10份，水胶比0.22，可分散性乳胶粉0.2份，聚羧酸减水剂0.3份。

采用强制式单卧轴混凝土搅拌机，将掘进矸石骨料与固废基硫铝酸盐胶凝材料、减水剂以及粘合剂干拌30s，在加入总用水量的80％左右搅拌，观察拌合物情况加入剩余水，总的搅拌时间在3min左右得基层混合料。

采用静压成型模具中先放面层拌合料厚度为5mm摊平，然后再装面层拌合料，成型压力为10mpa，制成透水砖生坯，脱模后的透水砖生坯在温度20℃，湿度98％标准条件下养护7天即得成品透水砖。

性能测试：免烧透水砖透水系数0.58mm/s，3天抗压强度35.6mpa，28天抗压强度38.8mpa，满足c35标准(标准要求大于c15)。耐磨性：磨坑长度25.6mm(要求磨坑长度不大于35mm)，抗冻性：25次冻融循环质量损失率2.35％(要求不超过5％)，抗压强度损失率8.9％(标准要求不超过20％)。

实施例2

一种煤矸石协同铁尾矿透水砖及其制备方法，包括面层制备和基层制备。

面层制备：面层包括以下重量分组分：粒径1.25～2.5mm的掘进矸石骨料70份、粒径0.5～1.5mm的铁尾矿砂15份、固废基硫铝酸盐胶凝材料15份、聚羧酸减水剂0.2份，改性脂肪胺类环氧固化剂2份，颜料1份；水胶比0.23。

将破碎机粉碎筛分后1.25～2.5mm的掘进矸石骨料和0.5～1.5mm的铁尾矿砂质量比2:1和固废基硫铝酸盐胶凝材料、减水剂、颜料置入搅拌机干拌60s，固化剂溶于水中，先加入总用水量的一半慢搅(62r/min)45s，最后加入剩余的水快搅(125r/min)90s得面层混合料。

基层制备：基层材料包括粒径2.5～5mm的掘进矸石骨料70份，固废基硫铝酸盐胶凝材料18份，废石粉12份，水胶比0.22，可分散性乳胶粉0.2份，聚羧酸减水剂0.3份。

采用强制式单卧轴混凝土搅拌机，将掘进矸石骨料与固废基硫铝酸盐胶凝材料、减水剂以及粘合剂干拌30s，在加入总用水量的80％左右搅拌，观察拌合物情况加入剩余水，总的搅拌时间在3min左右得基层混合料。

采用静压成型模具中先放面层拌合料厚度为5mm摊平，然后再装面层拌合料，成型压力为10mpa，制成透水砖生坯，脱模后的透水砖生坯在温度20℃，湿度98％标准条件下养护7天以上即得成品透水砖。

性能测试：免烧透水砖透水系数0.69mm/s，3天抗压强度32.5mpa，28天抗压强度35.2mpa,满足c30标准(标准要求大于c15)。耐磨性：磨坑长度27.5mm(要求磨坑长度不大于35mm)，抗冻性：25次冻融循环质量损失率2.48％(要求不超过5％)，抗压强度损失率9.3％(标准要求不超过20％)。

实施例3

一种煤矸石协同铁尾矿透水砖及其制备方法，包括面层制备和基层制备。

面层制备：面层包括以下重量分组分：粒径1.25～2.5mm的掘进矸石骨料60份、粒径0.5～1.5mm的铁尾矿砂20份、固废基硫铝酸盐胶凝材料20份、聚羧酸减水剂0.2份，改性脂肪胺类环氧固化剂3份，颜料2份；水胶比0.23。

将破碎机粉碎筛分后1.25～2.5mm的掘进矸石骨料和0.5～1.5mm的铁尾矿砂质量比2:1和固废基硫铝酸盐胶凝材料、减水剂、颜料置入搅拌机干拌60s，固化剂溶于水中，先加入总用水量的一半慢搅(62r/min)45s，最后加入剩余的水快搅(125r/min)90s得面层混合料。

基层制备：基层材料包括粒径2.5～5mm的掘进矸石骨料65份，固废基硫铝酸盐胶凝材料20份，废石粉15份，水胶比0.22，可分散性乳胶粉0.2份，聚羧酸减水剂0.3份。

采用强制式单卧轴混凝土搅拌机，将掘进矸石骨料与固废基硫铝酸盐胶凝材料、减水剂以及粘合剂干拌30s，在加入总用水量的80％左右搅拌，观察拌合物情况加入剩余水，总的搅拌时间在3min左右得基层混合料。

采用静压成型模具中先放面层拌合料厚度约为5mm摊平，然后再装面层拌合料，成型压力为10mpa，制成透水砖生坯，脱模后的透水砖生坯在温度20℃，湿度98％标准条件下养护7天以上即得成品透水砖。

性能测试：免烧透水砖透水系数0.55mm/s，3天抗压强度37.4mpa，28天抗压强度41.8mpa,满足c35标准(标准要求大于c15)。耐磨性：磨坑长度23.7mm(要求磨坑长度不大于35mm)，抗冻性：25次冻融循环质量损失率1.95％(要求不超过5％)，抗压强度损失率8.3％(标准要求不超过20％)。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。