本發明屬于建筑材料和固體廢物利用領域，涉及一種新型生態透水磚及其制備方法。
背景技術：
隨著城市化進程加快，城市地面硬化帶來的問題日益增多，尤為突出的是城市排水功能下降的問題。由于城市中大多數路面不透水，形成的積水難以下排滲透到地表下，導致城市內澇，給人民安全及交通帶來極大困擾。另外，雨水在路面四處橫流會帶走大量城市污染物，排入自然水系，造成河流污染。同時硬化路面不能使雨水、雪水有效滲入地下，使得地下水減少，地面下沉，土壤含水量降低，加重了城市的干旱、缺水問題。最后，硬化路面還阻斷了地上與地下之間的水汽、熱能交換，使城市局部溫度升高，形成“熱島效應”。
為了解決這些問題，透水磚作為一種具有透水性，能夠緩解城市環境惡化壓力的新型生態建筑材料被廣泛鋪設于城市廣場、人行道、停車場等的地面上。目前透水磚的主要分為陶瓷透水磚和水泥混凝土透水磚兩種。陶瓷透水磚以工業廢料、生活垃圾和建筑垃圾為主要原料，通過粉碎、成形、高溫煅燒而制成，陶瓷透水磚生產工藝復雜，在生產過程中需要燒結成型，消耗大量能源，成本高且不利于環保。水泥混凝土透水磚，成本較低，利用有機或無機黏結劑通過成形、固化而制成，無需煅燒，可是水泥屬于高耗能材料，在其生產的過程中同樣有高污染的問題。
因此為了避免因解決一種環境問題而造成更大的環境污染的情況出現，如今利用固體廢料制備透水磚成為透水磚研究的主要趨勢。如《一種采用原位生成高溫粘結劑制備的陶瓷透水磚及其制備方法》(CN103771864 A)公開了采用原位生成高溫粘結劑制備的陶瓷透水磚，該透水磚主要創新是在透水磚骨料中引入可溶性鹽，利用其在燒結過程中與骨料顆粒發生反應原位生成高溫粘結劑，從而將透水磚骨料粘結在一起。該專利雖然解決了陶瓷透水磚制備過程中高溫粘結劑與骨料難以均勻混合的缺點，但在其制備過程中仍需要燒結成形，需要消耗能量，成本較高不利于節約環保。貴州省建筑材料科學研究設計院《一種高爐粒化礦渣透水磚的制備方法》(CN104341133A)公開了以高爐粒化礦渣、礦渣微粉、粉煤灰、水泥、激發劑為透水磚原料，加水攪拌均勻后用振動加壓成型，經蒸汽養護或自然澆水養護后得成品透水磚的方法。東北大學《一種免燒透水磚及其制備方法》公開了免燒結透水磚，該透水磚以脫硫渣為骨料，水泥為增強劑和粘結劑，Na2SiO3·9H2O和NaOH為激發劑，各組分按照一定比例混合均勻后放置在模型中常溫下即可固結成形。在上述兩項專利中雖然骨料均使用工業固體廢料，且在常溫下即可固結成形不需高溫煅燒，但膠凝材料采用的是傳統高能耗建材—水泥，因此資源綜合利用程度不高。
技術實現要素：
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種既能解決城市路面積水問題，還能有效消納工業副產物，節能環保的透水磚。
為了實現上述目的，實現工業副產資源的綜合利用，本發明提供了一種新型生態透水磚，其是以脫硫石膏、磷石膏、氟石膏、鋼渣、建筑廢料、尾礦制砂石等工業副產品為主要原料的新型生態透水磚，該新型透水磚骨料及膠凝材料均使用工業廢料，實現資源綜合利用，克服傳統透水磚生產能耗高的缺點。該透水磚包括以質量百分數計的如下組分：
改性石膏膠凝材料 10–35％
骨料 60–85％
水 5–8％；
其中，所述改性石膏膠凝材料包括主料和建筑外加劑，所述主料包括以質量百分比計的如下組分：
所述建筑外加劑，以相對于主料質量的千分比計算，包括：
所述新型生態透水磚組分中，礦粉可通過水泥水化的氫氧化鈣激發，一方面生成C-S-H膠凝，一方面與二水石膏生成一定量的鈣礬石，同時還生成少量的硬硅酸鈣石，使得復合膠凝材料的后期抗壓強度和耐水性大幅度提高。磨細礦粉的化學成分更穩定，與普通硅酸鹽水泥非常相近，具有很好的水化活性，在堿性激發下可以很快水化從而提高材料的早期強度，同時利用了冶金廠生產產生的廢棄物。優選地，所述礦粉為S95粒化高爐礦粉。
鋼渣粉是煉鋼的廢渣，具有較高的硬度。磨細鋼渣粉在堿性條件下可以水化，本發明利用水泥熟料水化后的Ca(OH)2或其他堿性激發劑，降低材料早期的水化熱并進一步提高材料的后期硬度，提高材料的耐磨性。優選地，所述磨細鋼渣粉為滿足國家相關標準的一級鋼渣粉。
所述新型生態透水磚組分中的水泥可大幅度提高膠凝材料抗壓強度性能，同時提高材料的耐水性能；優選地，所述水泥為P.O425或525普通硅酸鹽水泥。
所述緩凝劑和減水劑為建筑外加劑，建筑外加劑可以顯著改善新型生態透水磚的力學性和穩定性，是不可或缺的組成部分。
所述纖維素醚可提高材料的保水性能，防止材料中的水分過早的蒸發或吸收，從而改善材料的力學性能。
所述PP纖維也稱聚丙烯纖維，能夠阻擋材料硬化初期形成的微裂縫的發展，從而提高材料的抗裂能力、防滲性能。
進一步，所述石膏是指脫硫石膏、磷石膏、氟石膏中的單一組分或混合物經煅燒加工而形成的以硫酸鈣為主要成分的石膏；所述混合物是指三種組分中任意兩種組分混合或三種組分混合；優選地，在任意兩種組分混合物中，任一組分質量占比為0–50％；優選地，在三種組分混合物中，任一組分質量占比0–35％。
在本發明的一種較佳實施方式中，所述主料中的石膏為脫硫石膏，主料包括以質量分數計的如下組分：
所述建筑外加劑，以相對于主料質量的千分比計算，包括：
在本發明又一種較佳的實施方式中，所述主料中的石膏為脫硫石膏和磷石膏的混合物，主料包括以質量分數計的如下組分：
所述建筑外加劑，以相對于主料質量的千分比計算，包括：
其中，脫硫石膏進一步優選為15–25％，磷石膏進一步優選為15–25％。
在本發明另一種較佳的實施方式中，所述主料中的石膏為脫硫石膏、磷石膏、氟石膏三種組分的混合物，主料包括以質量分數計的如下組分：
所述建筑外加劑，以相對于主料質量的千分比計算，包括：
其中，脫硫石膏進一步優選為8–13％，磷石膏進一步優選為8–12.5％，氟石膏進一步優選為8–12.5％。
本發明所述骨料可以是鋼渣、建筑廢料、尾礦砂石中任意一種。所述鋼渣為煉鋼排出的廢渣，磨碎后按照不同粒徑篩分后形成的顆粒；所述建筑廢料為建筑垃圾中的廢棄混凝土和廢棄磚石經錘擊或磨碎，然后按照不同粒徑篩分，形成的粗、細骨料；所述尾礦砂石是指礦山開采產生的廢棄物，物理化學性能穩定，尾礦石經過破碎和分選處理，形成的粒徑不同的顆粒。
優選地，本發明所述生態透水磚具有面層和底層，所述面層厚度為10～15mm；面層骨料粒徑為2～5mm，底層骨料粒徑為5～10mm；所述面層改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:3～1:5，所述底層改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:3～1:7。
本發明通過對脫硫石膏、磷石膏、氟石膏改性，添加適量的礦渣粉和鋼渣粉等無機材料和建筑添加劑的方法，制成了主料中的改性石膏膠凝材料，顯著提高了材料的硬度和耐水性，同時具有很好的粘結強度，更小的收縮率，可以有效地包裹骨料，增強透水磚的力學性能。
本發明還提供了一種上述新型生態透水磚的制備方法，其包括步驟：
1)制備改性石膏膠凝材料；
2)制備烘干骨料；
3)將主料的各原料、建筑外加劑以及骨料和水按配比混合攪拌均勻；
4)將混合料倒入透水磚模具中，充分振實，養護，即可制成所述新型生態透水磚。
進一步，步驟1)中所述制備石膏膠凝材料的方法為：先將工業副產品脫硫石膏和/或磷石膏和/或氟石膏進行預處理后，直接烘干或混合后烘干，然后煅燒，研磨，最后冷卻陳化。該制備方法可采用兩步法石膏煅燒系統來完成。
所述兩步法是指將烘干過程和煅燒過程分開進行，烘干和煅燒在所述兩步法石膏煅燒系統中分室進行，該系統是在石膏沸騰爐的技術基礎上，采用氣流干燥和流態化煅燒技術實現的。同時通過導熱介質利用煅燒余熱來烘干，可以進一步降低能耗。
其中，脫硫石膏和磷石膏的主要成分為二水石膏，經烘干和煅燒后制得的石膏主要成分為β-半水石膏(熟石膏)，其吸水后再次形成二水石膏(生石膏)從而達到一定的強度，半水石膏具有凝結硬化快的特性。
優選地，所述石膏膠凝材料烘干的溫度為50～100℃，更優為70～80℃，最優為75℃；所述烘干的時間為1～2小時。
優選地，所述煅燒的溫度為130～180℃，最優為150℃；所述煅燒的時間為1～3小時，最優為2小時。
優選地，步驟1)中采用電廠發電的尾蒸汽進行所述烘干和所述煅燒，充分利用資源，在保證石膏性能的同時做到了“零排放”。進一步優選地，可利用所述煅燒的余熱進行所述烘干，從而進一步降低能耗。
優選地，步驟2)中分為制備面層骨料(粒徑2～5mm)和底層骨料(粒徑5～10mm)；所述面層改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:3～1:5，所述底層改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:3～1:7。
優選地，步驟3)中將主料的各原料、建筑外加劑和級配砂用專業干粉砂漿生產線混合攪拌均勻。
優選地，步驟4)中制備的透水磚具有面層和底層，所述面層厚度為10～15mm。
本發明具有以下有益效果：
1、本發明循環利用了火電廠發電產生的固體廢棄物石膏、鋼渣、尾礦砂石等工業副產品，實現了工業副產資源的綜合利用。
2、本發明提供的新型生態透水磚，抗折強度不小于6.0MPa，抗壓強度不小于30MPa，劈裂抗拉強度不小于6.0MPa，透水系數不小于3.0×10-2，抗凍性能夠達到D35指標，耐磨性測試磨坑長度不大于30mm。
3、本發明不使用硫鋁水泥、高鋁水泥、α高強石膏、天然硬石膏等稀缺資源，原料供應穩定可靠，成本更低。
具體實施方式
實施例中的石膏為上海石洞口電廠產二水石膏；水泥采用425普通硅酸鹽水泥；緩凝劑采用德國TRICOSAL Retardan P；石膏用聚羧酸高效減水劑采用三瑞G15減水劑；纖維素醚采用赫克力士公司生產的MHPC 400纖維素醚；礦渣粉采用寶鋼生產的S95粒化高爐礦渣粉，鋼渣粉采用寶鋼生產的一級鋼渣粉。
實施例中試件的制作方式和測試方式按照國家標準GBT 25993-2010透水路面磚和透水路面板中相關規定進行。
實施例一：
透水磚三組分：改性石膏膠凝材料10％，骨料85％，水5％。
改性石膏膠凝材料主料的組分為：石膏40％、礦粉30％、鋼渣粉20％、水泥10％，其中石膏為單一組分脫硫石膏；
建筑外加劑及其對主料質量的千分比為：緩凝劑2‰、減水劑2‰、纖維素0.5‰、PP纖維2‰；
骨料為鋼渣，面層厚度15mm，骨料粒徑在1-3mm范圍內，改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:3，骨料粒徑在3-5mm范圍內，改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:4；
性能如下：
實施例二：
透水磚三組分：改性石膏膠凝材料23％，骨料70％，水7％。
改性石膏膠凝材料主料的組分為：石膏40％、礦粉30％、鋼渣粉20％、水泥10％，其中石膏為脫硫石膏和磷石膏按質量比1:1混合；
建筑外加劑及其對主料質量的千分比為：緩凝劑4‰、減水劑4‰、纖維素0.5‰、PP纖維2‰；
骨料為鋼渣，面層厚度為15mm，骨料粒徑在1-3mm范圍內，改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:4，底層厚度為35mm，骨料粒徑在3-5mm范圍內，改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:5；
性能如下：
實施例三：
透水磚三組分：改性石膏膠凝材料20％，骨料75％，水5％。
改性石膏膠凝材料主料的組分為：石膏30％、礦渣粉35％、鋼渣粉25％、水泥10％，其中石膏為脫硫石膏、磷石膏和氟石膏按質量比1:1:1混合；
建筑外加劑及其對主料質量的千分比為：緩凝劑4‰、減水劑4‰、纖維素1‰；
骨料為鋼渣，面層厚度為10mm，骨料粒徑在1-3mm范圍內，改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:4，底層厚度為40mm，骨料粒徑在3-5mm范圍內，改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:5；
性能如下：
實施例四：
透水磚三組分：改性石膏膠凝材料20％，骨料75％，水5％。
改性石膏膠凝材料主料的組分為：石膏30％、礦渣粉15％、鋼渣粉10％、水泥45％，其中石膏為脫硫石膏和磷石膏按質量比1:1混合；
建筑外加劑及其對主料質量的千分比為：緩凝劑4‰、減水劑4‰、纖維素2‰；
骨料為鋼渣，面層厚度為10mm，骨料粒徑在1-3mm范圍內改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:4，底層厚度40mm，骨料粒徑在3-5mm范圍內，改性石膏膠凝材料與骨料的質量比為1:7；
性能如下：
從上述實施例可以得出，本發明提供的新型生態透水磚具有以下優點：
1)大量利用了脫硫石膏、磷石膏、氟石膏、鋼渣、建筑廢料等工業副產品，加快了工業副產品和固體廢棄物的消耗，實現固廢資源的循環綜合利用；
2)利用電廠發電產生的尾蒸汽煅燒和烘干，做到了節能減排、綠色環保；
3)抗折強度、透水系數、抗凍性等均高于國家標準，具有很好的力學性能；
4)原材料廉價，易于獲得，質量穩定，產品性價比優異，有助于大面積推廣使用；
因此本發明的新型生態混凝土是作為透水磚及透水路面的優良選擇。
以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。