CN109020488A - 一种环保透水砖及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保透水砖，包含以下重量份的成分：废瓷粒75～85份、CaCO3 2～6份、疏浚泥和废玻璃粉10～20份。本发明环保透水砖，在原料上大多采用现有的工业废料，成本低廉，更好的体现了环保的理念；在性能上，优于现在市面上的透水砖，其透水率好、强度高、抗冻性能好，并且能够一定程度上抵御外界污染。相对于水泥透水砖，其不需要很长的养护期，时间成本大大降低；可以应用到公园、校园、住宅区等场所，可以有效缓解现有的城市内涝、热岛效应等负面现象。同时，本发明还公开一种所述环保透水砖的制备方法。

Description

一种环保透水砖及其制备方法
技术领域
本发明属于生态园林透水砖的技术领域，尤其是一种环保透水砖及其制备方法。
背景技术
由于水泥、沥青等硬化路面的大面积铺设，一系列的城市问题日益突出。例如，每逢大雨天气，因为硬化路面会阻隔雨水渗透到地下，所以会使路面有大面积的积水，严重时会造成“城市内涝”现象。再则，硬化路面对太阳辐射吸收的很快，但是没有转化热能的机制。因此，城市中心的温度会比城郊普遍高6～8℃，使得城市出现“热岛效应”，并逐年加剧。因此，环保型路面、地砖的研究备受关注。若是能够制备出一种高气孔率、优异透水性能的透水砖，不仅能缓解城市热岛效应和城市内涝现象，还能一定程度上增加地下水的含量和路面的安全性。现有的透水砖仍然多以水泥作为原材料，形式单一，而且存在透水性差、强度低、抗污染能力差等缺点。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种透水性良好、强度较高、成本低、环保的新型透水砖。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种环保透水砖，包含以下重量份的成分：废瓷粒75～85份、CaCO3 2～6份、疏浚泥和废玻璃粉10～20份。
在烧成过程中，烧结助剂不仅能降低制品的烧成温度，还能提高陶瓷的强度、抗热震性等。CaCO3是一种低温熔剂，在900℃时会分解成CaO，且升温至1000～1100℃，CaO能和高岭土矿物等反应生成以钙长石为主的晶相，使固相反应能够在较低的温度下进行，实现物质之间的扩散、迁移。含有钙的玻璃相在烧成阶段，随着烧成温度的增加其黏度会呈现指数下降的趋势，而低黏度的玻璃相也有利于以扩散机理和粘滞流动机理为主的烧结反应进行。同时含钙硅酸盐容易与其他物质形成低共熔体，促使各晶相在更低的温度下就可以熔融，从而降低烧成温度，实现低温快烧。此外，CaCO3还能够提高制品的机械强度，因为熔融形成的钙质玻璃的机械强度均高于钠质、钾质玻璃。
本申请发明人在研究添加烧结助剂CaCO3的含量对透水环保砖性能的影响时，在相同的制备工艺下，分别添加等量的滑石粉、CaCO3进行实验，实验证明添加CaCO3的透水环保砖更加能够提高透水环保砖的抗压强度与透水性能。若添加硼酸，制备的透水环保砖性能也可符合标准，但由于硼酸的价格较贵，会提高透水环保砖的制备成本，不适合工厂大规模生产。
优选地，所述废瓷粒的粒径为2.36～3.35mm。
粒径的选择主要是为了形成连贯的通孔，可以使得水自然流出，不会蓄积在透水砖中。经过实验证明，此粒径范围的废瓷粒制备的透水砖。形成的孔隙更好，透水效果更佳。
优选地，所述疏浚泥和废玻璃粉的重量比为：疏浚泥：废玻璃粉＝(3～9)：(1～3)。疏浚泥和废玻璃粉的比例的选择依据主要有两点：①疏浚泥是透水砖的主要原料之一，它在成型过程中起到可塑性的作用，用量太少会使成型困难。②废玻璃粉主要起到降低烧结温度和高温粘结的作用，若玻璃粉用量过多，则会导致高温下制品的崩塌。
更优选地，所述疏浚泥和废玻璃粉的重量比为：疏浚泥：废玻璃粉＝3：1。
优选地，所述的环保透水砖，包含以下重量份的成分：废瓷粒80份、CaCO34份、疏浚泥和废玻璃粉16份。
同时，本发明还提供一种所述环保透水砖的制备方法，包括如下步骤：
(1)将废瓷粒、CaCO3、疏浚泥、废玻璃粉进行预处理；
(2)将经步骤(1)预处理后的各成分混合，得到混合料；将混合料、水加入球磨机中进行球磨，混合均匀后，干燥至含水率为20％～25％，得到骨料；
(3)将步骤(2)得到骨料放入模具中，压制成型、干燥、烧制，得到所述环保透水砖。
优选地，所述步骤(2)中，所述混合料、球磨子、水的重量比为：混合料：球磨子：水＝1：(0.6～0.8)：(0.8～1)，所述球磨机的转速为280～300rad/min，所述球磨时间为2～3h。
优选地，所述步骤(2)中，将浆料在80～100℃干燥60～90min。
优选地，所述步骤(3)中，所述压制成型的压力为10～20MPa，所述加压时间为1～3min。
更优选地，所述步骤(3)中，所述压制成型的压力为15MPa，所述加压时间为2min。
优选地，所述步骤(3)中，所述干燥后的样品含水率小于3％。主要是在烧结过程中避免产生大量的水蒸气，以免对炉膛造成损害。
更优选地，所述步骤(3)中，将样品在120℃下干燥90min。
优选地，所述步骤(3)中，所述烧制的过程为：将样品先以4～6℃/min的升温速率加热至500℃，再以3～4℃/min的升温速率加热至1120～1160℃，然后保温15～45min，最后自然冷却。烧成制度是根据原料的TG-DSC曲线最终制定的，500℃以前主要是残留水分的蒸发和有机物的烧失，所以升温速率可以快一点；500℃以后主要是玻璃熔融，以及疏浚泥中物质之间的反应，此过程升温速率减慢是为了反应更加充分。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明环保透水砖，在原料上大多采用现有的工业废料，成本低廉，更好的体现了环保的理念；在性能上，优于现在市面上的透水砖，其透水率好、强度高、抗冻性能好，并且能够一定程度上抵御外界污染。相对于水泥透水砖，其不需要很长的养护期，时间成本大大降低；可以应用到公园、校园、住宅区等场所，可以有效缓解现有的城市内涝、热岛效应等负面现象。
附图说明
图1为本发明骨料含量对气孔率的影响规律图；
图2为骨料含量对透水性、抗压强度的影响规律图；
图3不同粒径颗粒堆积的孔隙状态图；
其中，(a)为间断粒径；(b)为单粒径；(c)为连续粒径。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述环保透水砖的一种实施例，本实施例所述环保透水砖包含以下重量份的成分：
废瓷粒80份、CaCO3 4份、疏浚泥和废玻璃粉16份；所述疏浚泥和废玻璃粉的重量比为：疏浚泥：废玻璃粉＝3：1；所述废瓷粒的粒径为2.36～3.35mm。
本实施例所述环保透水砖通过以下方法制备所得：
(1)将废瓷粒、CaCO3、疏浚泥、废玻璃粉进行预处理；由于原料大多为工业废料，所以需要提前经过破碎、单种原料球磨、过筛等工艺处理；
(2)将经步骤(1)预处理后的各成分混合，得到混合料；将混合料、水加入球磨机中进行球磨，混合均匀后，在80℃干燥90min，得到浆料；所述混合料、球磨子、水的重量比为：混合料：球磨子：水＝1：0.8：0.8，所述球磨机的转速为290rad/min，所述球磨时间为2.5h；
(3)将步骤(2)得到浆料放入模具中，压制成型、干燥、烧制，得到所述环保透水砖；所述压制成型的压力为15MPa，所述加压时间为2min；所述干燥后的样品含水率小于3％；所述烧制的过程为：将样品先以5℃/min的升温速率加热至500℃，再以3℃/min的升温速率加热至1140℃，然后保温30min，最后自然冷却。
实施例2
本发明所述环保透水砖的一种实施例，本实施例所述环保透水砖包含以下重量份的成分：
废瓷粒75份、CaCO3 2份、疏浚泥和废玻璃粉10份；所述疏浚泥和废玻璃粉的重量比为：疏浚泥：废玻璃粉＝1：1；所述废瓷粒的粒径为2.36～3.35mm。
本实施例所述环保透水砖通过以下方法制备所得：
(1)将废瓷粒、CaCO3、疏浚泥、废玻璃粉进行预处理；由于原料大多为工业废料，所以需要提前经过破碎、单种原料球磨、过筛等工艺处理；
(2)将经步骤(1)预处理后的各成分混合，得到混合料；将混合料、水加入球磨机中进行球磨，混合均匀后，在90℃干燥75min，得到浆料；所述混合料、球磨子、水的重量比为：混合料：球磨子：水＝1：0.6：0.8，所述球磨机的转速为280rad/min，所述球磨时间为3h；
(3)将步骤(2)得到浆料放入模具中，压制成型、干燥、烧制，得到所述环保透水砖；所述压制成型的压力为10MPa，所述加压时间为3min；所述干燥后的样品含水率小于3％；所述烧制的过程为：将样品先以4℃/min的升温速率加热至500℃，再以3℃/min的升温速率加热至1120℃，然后保温45min，最后自然冷却。
实施例3
本发明所述环保透水砖的一种实施例，本实施例所述环保透水砖包含以下重量份的成分：
废瓷粒85份、CaCO3 6份、疏浚泥和废玻璃粉20份；所述疏浚泥和废玻璃粉的重量比为：疏浚泥：废玻璃粉＝9：1；所述废瓷粒的粒径为2.36～3.35mm。
本实施例所述环保透水砖通过以下方法制备所得：
(1)将废瓷粒、CaCO3、疏浚泥、废玻璃粉进行预处理；由于原料大多为工业废料，所以需要提前经过破碎、单种原料球磨、过筛等工艺处理；
(2)将经步骤(1)预处理后的各成分混合，得到混合料；将混合料、水加入球磨机中进行球磨，混合均匀后，在100℃干燥60min，得到浆料；所述混合料、球磨子、水的重量比为：混合料：球磨子：水＝1：0.7：1，所述球磨机的转速为300rad/min，所述球磨时间为2h；
(3)将步骤(2)得到浆料放入模具中，压制成型、干燥、烧制，得到所述环保透水砖；所述压制成型的压力为20MPa，所述加压时间为1min；所述干燥后的样品含水率小于3％；所述烧制的过程为：将样品先以6℃/min的升温速率加热至500℃，再以4℃/min的升温速率加热至1160℃，然后保温15min，最后自然冷却。
实施例4
本实施例通过单因素实验考察了废瓷粒粒径、废瓷粒含量、疏浚泥和玻璃粉的含量比例、烧成温度、保温时间、成型压力，这6种因素分别对透水砖性能的影响。利用实验所得到的最佳数据，探索6种因素之间的相互作用对其性能的影响。
在单因素实验中确定了单种原料的最佳用量。在此基础上，设计正交试验以探究各种原料的最佳配比和制备工艺的最佳选取。正交试验水平及因素如下：疏浚泥和玻璃粉的配比为3:1、2:2、1:3，废瓷粒径0.70～1.18mm、1.18～2.36mm以及2.36～3.35mm，废瓷粒含量为60份、70份、80份，成型压力为10、15、20MPa，烧成温度1120℃、1140℃、1160℃，保温时间为15min、30min、45min；如下表1及表2中选择了两个正交表格L9(34)以及L9(34)，不同废瓷量下透水环保砖配方如表3所示，具体实验结果如表4所示。
表1正交实验因素水平表
表2正交因素水平表
表3不同废瓷量下透水环保砖配方
表4正交试验表结果
本实验中透水性能和抗压强度这两个指标同等重要；透水性和抗压强度的权重都取0.5，于是每组实验的综合分数＝透水性隶属度*0.5+抗压强度隶属度*0.5，满分为1。其中，Ki代表的是各因素i下，根据综合评分法得出的综合分数。根据正交实验的特性，极差R越大说明这个因素对样品的影响最大。由实验结果得知因素A、B、C主次为：C(MG比例)>B(骨料含量)>A(粒径)，对于各因素有：A因素列：K1>K2>K3；B因素列：K1>K2>K3；C因素列：K2>K3>K1。因素E、F、G主次为：G(成型压力)>F(保温时间)>E(烧成温度)。其中对于各因素有：E因素列：K2>K3>K1；F因素列：K2>K3>K1；G因素列：K2>K3>K1。综上优化工艺为C2B1A1G2F2E2，即最佳透水环保砖配方以及制备工艺为：MG比例为3:1，废瓷粒含量80份，废瓷粒粒径2.36～3.35mm，成型压力15MPa，保温时间30min，烧成温度1140℃。制得透水环保砖样品抗压强度33.26MPa、透水系数0.121cm/s。
本实验中，整个实验的结果并不是靠一种性能来评判样品的综合性能的，透水性能以及抗压强度这两个指标在本次实验中最为重要。往往在实验期间或者科学研究当中，仅仅依靠一个指标去评判实验制备样品的性能是不科学，所以在实验设计中利用多指标的很常见。从而在多指标的实验中，设置指标的重要程度取决于该指标在实验当中是否是主要的性能，通常在多指标的实验中分析过程较复杂，需考虑的较多。在设计正交实验中一般采用综合平衡法和综合评分法两种。综合平衡法需要对每个指标都单独进行分析会使得计算分析的工作量大，并且透水性和抗压强度是两种此消彼长的性能利用综合平衡法不太合适。因此，在本次正交实验中采用综合评分法，即给每组实验得到的性能根据指标的隶属度计算每组的综合分，综合分是每组实验的指标，计算出每组实验的综合分，之后利用单指标实验结果分析并进行下一阶段的研究。在本实验中有两个指标：透水率和抗压强度，这里将两个指标换成相应的隶属度，用隶属度来表示分数。隶属度的计算方法如下公式：指标隶属度＝(指标值-指标最小值)/(指标最大值-指标最小值)。
同时，本发明还分析正交实验的结果后添加烧结助剂CaCO3，经球磨、造粒、成型、干燥后，将坯体在低温下烧成。研究了添加烧结助剂CaCO3的含量，对样品的性能(体积密度、气孔率、气孔形貌、抗压强度、透水率)的影响，在保证透水环保砖的主要性能(抗压强度≥10MPa，透水系数≥0.01cm/s)前提下，尽可能降低烧成温度。
实验表明：当CaCO3的添加量为4份时，透水砖的透水率和抗压强度达到最佳的平衡点。并且，CaCO3的添加对其抗冻性能(单块质量损失率≤5％)的影响较小，均符合国家标准。随着CaCO3含量的增加，透水环保砖的磨坑长度呈现先减小后增大的趋势。当CaCO3的含量为4份时，抗磨性能达到最佳，这也符合抗压实验中的实验结果。
此外，本发明骨料含量对气孔率的影响规律图如图1所示；骨料含量对透水性、抗压强度的影响规律图如图2所示；不同粒径颗粒堆积的孔隙状态图如图3所示；
从图1可以看出，随着废瓷粒含量的增加，开孔气孔率先降低再升高。在含量为40～60％时，由于废瓷粒含量较少，彼此之间相互接触也较少，所以易形成开孔气孔，随着含量增加，接触点变多，开孔气孔减少。废瓷粒含量进一步增加时，由于颗粒级配的作用，使得气孔连通，开孔气孔增多(如图3(c)所示)。
从图2可以看出，废瓷粒含量由60～80％增加时，由图1的结论知，开孔气孔增多，因此，透水率增加；相反，开孔气孔增多，会导致样品整体强度下降，故抗压强度呈现下降趋势。
从图3可以看出，不同颗粒级配，对样品形成的孔的类型和数量均有影响。(a)图中，颗粒级配处于两个极端状态(大颗粒和小颗粒)，样品在球磨成型过程中小的颗粒容易堵塞大颗粒形成的孔隙，最终导致孔隙率较小；(b)图中，颗粒级配单一，只有大颗粒，这会导致样品在成型过程中颗粒间的接触点增多，易形成闭气孔，降低样品的透水率；(c)图中，颗粒级配比较均匀，在成型过程中，不同粒径的颗粒会互相支撑，从而形成连通的开气孔，使得透水率提高。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种环保透水砖，其特征在于，包含以下重量份的成分：废瓷粒75～85份、CaCO3 2～6份、疏浚泥和废玻璃粉10～20份。
2.如权利要求1所述的环保透水砖，其特征在于，所述疏浚泥和废玻璃粉的重量比为：疏浚泥：废玻璃粉＝(3～9)：(1～3)。
3.如权利要求2所述的环保透水砖，其特征在于，所述疏浚泥和废玻璃粉的重量比为：疏浚泥：废玻璃粉＝3：1。
4.如权利要求3所述的环保透水砖，其特征在于，包含以下重量份的成分：废瓷粒80份、CaCO3 4份、疏浚泥和废玻璃粉16份。
5.一种如权利要求1～4任一项所述环保透水砖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将废瓷粒、CaCO3、疏浚泥、废玻璃粉进行预处理；
(2)将经步骤(1)预处理后的各成分混合，得到混合料；将混合料、水加入球磨机中进行球磨，混合均匀后，干燥至含水率为20％～25％，得到浆料；
(3)将步骤(2)得到浆料放入模具中，压制成型、干燥、烧制，得到所述环保透水砖。
6.如权利要求5所述的环保透水砖的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述混合料、球磨子、水的重量比为：混合料：球磨子：水＝1：(0.6～0.8)：(0.8～1)，所述球磨机的转速为280～300rad/min，所述球磨时间为2～3h。
7.如权利要求5所述的环保透水砖的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将浆料在80～100℃干燥60～90min。
8.如权利要求5所述的环保透水砖的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述压制成型的压力为10～20MPa，所述加压时间为1～3min。
9.如权利要求5所述的环保透水砖的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述干燥后的样品含水率小于3％。
10.如权利要求5所述的环保透水砖的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述烧制的过程为：将样品先以4～6℃/min的升温速率加热至500℃，再以3～4℃/min的升温速率加热至1120～1160℃，然后保温15～45min，最后自然冷却。
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