以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖及其制备方法

1.本发明涉及建筑材料技术领域，具体是一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖及其制备方法。


背景技术：

2.透水砖具有多孔结构，它能使降水迅速通过地表，从而补充地下水资源，能够降低城市水污染和噪音，在市政、重要工程和居民区人行道、广场、停车场等场所应用广泛。但是目前的透水砖的抗压，抗折强度低，耐磨强度低，容易损坏，修理维护周期短，在生产过程中的环境的负担过大。
3.偏高岭土是一种高活性矿物掺合料，是超细高岭土经过低温煅烧而形成的无定型硅酸铝，具有很高的火山灰活性，能为透水砖提供较好的胶凝效果。同时，锆溶胶颗粒细小、分散性能较好，通过充分搅拌后可以均匀分散填充透水砖微小孔隙，经过高温烧结后形成均匀分散的氧化锆微晶，可以进一步提高透水砖的抗压强度与透水性能。


技术实现要素：

4.本发明提供一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖及其制备方法。本发明以偏高岭土为主要胶凝材料，一方面可以拓展偏高岭土的利用途径，提高固废利用率，减轻对环境的负面影响，另一方面偏高岭土激发后具有优秀的胶凝活性，可以降低透水砖中水泥用量。
5.本发明是通过如下技术方案实现的：一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，由下列重量份数的各原料制成：偏高岭土30~50份、粉煤灰5~10份、水泥5~10份、锆溶胶1~5重量份、骨料90~100份、水玻璃26~30份、萘系减水剂5~6份、水7~10份。
6.优选的，偏高岭土的细度为500~600目，煅烧温度为850℃。
7.优选的，粉煤灰的活性指数为75~83%。
8.优选的，水玻璃的模数为1.8~3.0。
9.优选的，锆溶胶的粒径为10-30nm，浓度为10-20%。
10.优选的，骨料为粗骨料，粒径为5~10mm。
11.本发明主要利用偏高岭土大比例替代水泥，并利用微量锆溶胶形成的氧化锆微晶填充微孔隙提高强度。偏高岭土是高岭土低温煅烧后，层状结构脱水形成的结晶度较差的过渡相，主要成分是无定形硅酸铝，在适当激发下具有较好的胶凝活性。本发明选择850℃煅烧生成的偏高岭土，其结晶度较差、无定形程度较高，潜在胶凝活性较好。超细偏高岭土具有高活性、低需水量比的优点，对透水砖后期强度贡献较大，因此细度选择500~600目的超细偏高岭土。透水砖中的水泥、粉煤灰、偏高岭土等胶凝物质在水化反应后，均会形成大小不一的孔隙结构，降低透水砖后期强度，因此在透水砖体系中引入纳米锆溶胶。纳米锆溶胶是由纳米级锆粒子和溶胶体系组成的,具有高比表面积、高孔隙度、高化学稳定性和良好
的热稳定性等特点。锆溶胶在高温烧结后可形成二氧化锆晶体。本发明利用纳米锆溶胶形成的二氧化锆微晶体填充透水砖微小孔隙，要求锆溶胶分散性和填充性较好，因此选择锆溶胶的粒径为10-30nm，浓度为10-20%。
12.进一步的，本发明还提供了上述以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，包括如下步骤：1）称取规定量的偏高岭土、粉煤灰、水泥、锆溶胶、骨料、水玻璃、萘系减水剂和水，待用；2）将萘系减水剂和水混合，配置成萘系减水剂溶液；3）将骨料、偏高岭土、粉煤灰、水泥倒入卧式搅拌机内干搅拌3min，之后加入水玻璃继续搅拌5min，之后加入萘系减水剂溶液继续搅拌5min，之后加入锆溶胶继续搅拌15min，最后将得到的混凝土置于湿润的不锈钢钢板上，待用；4）将混凝土装入模具中加压成型，保压时间15秒，成型压力25mpa；5）在105～110℃温度下干燥36小时，之后再在1100～1150℃温度下烧结30分钟，自然冷却，最后即得到所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖。
13.优选的，步骤1）中，称取原状水玻璃于铁皮桶内，冷却后待用；称取骨料于浅铁锅内，待用；称取偏高岭土、粉煤灰、水泥于铁皮桶内，待用。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过以偏高岭土为主要胶凝材料制备透水砖，通过活化反应，偏高岭土具有较好的胶凝活性，可以大幅度降低透水砖中水泥用量，提高透水砖抗压强度。同时，利用锆溶胶分散性能较好的特点，高温烧结形成均匀分散的氧化锆，进一步地提高了透水砖的抗压强度与透水性能。
具体实施方式
15.以下结合具体实施例对本发明作进一步的描述：
实施例1
16.一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，由下列配比的各原料制成：偏高岭土3.0kg、粉煤灰1.0kg、水泥0.7kg、锆溶胶0.3kg，骨料9.5kg、水玻璃2.6kg、萘系减水剂0.5kg、水0.7kg。
17.其中，偏高岭土的细度为500目，煅烧温度为850℃；粉煤灰的活性指数为80%；水玻璃的模数为2.2；锆溶胶的粒径为20nm，浓度为20%；骨料为粗骨料，粒径为7mm。
18.上述以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，包括如下步骤：1）称取2.6kg的原状水玻璃于铁皮桶内，冷却后待用；2）称取9.5kg的骨料于浅铁锅内，待用；再称取3.0kg的偏高岭土、1.0kg的粉煤灰、0.7kg的水泥于铁皮桶内，待用；再称取0.7kg的水，加入0.5kg的萘系减水剂，搅拌溶解均匀，得到萘系减水剂溶液；3）将骨料、偏高岭土、粉煤灰、水泥倒入卧式搅拌机干搅拌3min，之后再加入水玻璃溶液继续搅拌5min，之后再加入萘系减水剂溶液继续搅拌5min，之后再加入锆溶胶继续搅拌15min，最后将得到的混凝土置于湿润的不锈钢钢板上，观察混凝土状态；
4）将混凝土装入模具中加压成型，保压时间15秒，成型压力25mpa；5）在105℃温度下干燥36小时后，再在1100℃温度下烧结30分钟，自然冷却，即得到所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖。
实施例2
19.一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，由下列配比的各原料制成：偏高岭土5.0kg、粉煤灰0.5kg、水泥0.7kg、锆溶胶0.5kg，骨料9.5kg、水玻璃2.6kg、萘系减水剂0.5kg、水0.7kg。
20.其中，偏高岭土的细度为500目，煅烧温度为850℃；粉煤灰的活性指数为80%；水玻璃的模数为2.2；锆溶胶的粒径为20nm，浓度为20%；骨料为粗骨料，粒径为7mm。
21.上述以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，包括如下步骤：1）称取2.6kg的原状水玻璃于铁皮桶内，冷却后待用；2）称取9.5kg的骨料于浅铁锅内，待用；再称取5.0kg的偏高岭土、0.5kg的粉煤灰、0.7kg的水泥于铁皮桶内，待用；再称取0.7kg的水，加入0.5kg的萘系减水剂，搅拌溶解均匀，得到萘系减水剂溶液；3）将骨料、偏高岭土、粉煤灰、水泥倒入卧式搅拌机干搅拌3min，之后再加入水玻璃溶液继续搅拌5min，之后再加入萘系减水剂溶液继续搅拌5min，之后再加入锆溶胶继续搅拌15min，最后将得到的混凝土置于湿润的不锈钢钢板上，观察混凝土状态；4）将混凝土装入模具中加压成型，保压时间15秒，成型压力25mpa；5）在110℃温度下干燥36小时后，再在1150℃温度下烧结30分钟，自然冷却，即得到所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖。
实施例3
22.一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，由下列配比的各原料制成：偏高岭土3.0kg、粉煤灰0.5kg、水泥0.7kg、锆溶胶0.1kg、骨料9.5kg、水玻璃2.6kg、萘系减水剂0.5kg、水0.7kg。
23.其中，偏高岭土的细度为500目，煅烧温度为850℃；粉煤灰的活性指数为80%；水玻璃的模数为2.2；锆溶胶的粒径为20nm，浓度为20%；骨料为粗骨料，粒径为7mm。
24.上述以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，包括如下步骤：1）称取2.6kg的原状水玻璃于铁皮桶内，冷却后待用；2）称取9.5kg的骨料于浅铁锅内，待用；再称取3.0kg的偏高岭土、0.5kg粉煤灰、0.7kg的水泥于铁皮桶内，待用；再称取0.7kg水，加入0.5kg的萘系减水剂，搅拌溶解均匀，得到萘系减水剂溶液；3）将骨料、偏高岭土、粉煤灰、水泥倒入卧式搅拌机干搅拌3min，之后再加入水玻璃溶液继续搅拌5min，之后再加入萘系减水剂溶液继续搅拌5min，之后再加入锆溶胶继续搅拌15min，最后将得到的混凝土置于湿润的不锈钢钢板上，观察混凝土状态；4）将混凝土装入模具中加压成型，保压时间15秒，成型压力25mpa；5）在107℃温度下干燥36小时后，再在1130℃温度下烧结30分钟，自然冷却，即得到所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖。
实施例4
25.一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，由下列配比的各原料制成：偏高岭土5.0kg、粉煤灰1.0kg、水泥0.7kg、锆溶胶0.4kg、骨料9.5kg、水玻璃2.6kg、萘系减水剂0.5kg、水0.7kg。
26.其中，偏高岭土的细度为600目，煅烧温度为850℃；粉煤灰的活性指数为78%；水玻璃的模数为2.2；锆溶胶的粒径为20nm，浓度为10%；骨料为粗骨料，粒径为10mm。
27.上述以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，包括如下步骤：1）称取2.6kg的原状水玻璃于铁皮桶内，冷却后待用；2）称取9.5kg的骨料于浅铁锅内，待用；再称取5.0kg的偏高岭土、1.0kg的粉煤灰、0.7kg的水泥于铁皮桶内，待用；再称取0.7kg水，加入0.5kg的萘系减水剂，搅拌溶解均匀，得到萘系减水剂溶液；3）将骨料、偏高岭土、粉煤灰、水泥倒入卧式搅拌机干搅拌3min，之后再加入水玻璃溶液继续搅拌5min，之后再加入萘系减水剂溶液继续搅拌5min，之后再加入锆溶胶继续搅拌15min，最后将得到的混凝土置于湿润的不锈钢钢板上，观察混凝土状态；4）将混凝土装入模具中加压成型，保压时间15秒，成型压力25mpa；5）在108℃温度下干燥36小时后，再在1120℃温度下烧结30分钟，自然冷却，即得到所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖。
实施例5
28.一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，由下列配比的各原料制成：偏高岭土5.0kg、粉煤灰1.0kg、水泥0.7kg、锆溶胶0.2kg、骨料9.0kg、水玻璃3.0kg、萘系减水剂0.6kg、水1.0kg。
29.其中，偏高岭土的细度为550目，煅烧温度为850℃；粉煤灰的活性指数为75%；水玻璃的模数为1.8；锆溶胶的粒径为30nm，浓度为15%；骨料为粗骨料，粒径为5mm。
30.上述以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，包括如下步骤：1）称取3.0kg的原状水玻璃于铁皮桶内，冷却后待用；2）称取9.0kg的骨料于浅铁锅内，待用；再称取5.0kg的偏高岭土、1.0kg的粉煤灰、0.7kg的水泥于铁皮桶内，待用；再称取1.0kg水，加入0.6kg的萘系减水剂，搅拌溶解均匀，得到萘系减水剂溶液；3）将骨料、偏高岭土、粉煤灰、水泥倒入卧式搅拌机干搅拌3min，之后再加入水玻璃溶液继续搅拌5min，之后再加入萘系减水剂溶液继续搅拌5min，之后再加入锆溶胶继续搅拌15min，最后将得到的混凝土置于湿润的不锈钢钢板上，观察混凝土状态；4）将混凝土装入模具中加压成型，保压时间15秒，成型压力25mpa；5）在109℃温度下干燥36小时后，再在1140℃温度下烧结30分钟，自然冷却，即得到所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖。
实施例6
31.一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，由下列配比的各原料制成：偏高岭土4.0kg、粉煤灰0.8kg、水泥0.5kg、锆溶胶0.1kg、骨料10.0kg、水玻璃2.8kg、萘系减水剂
0.6kg、水0.8kg。
32.其中，偏高岭土的细度为550目，煅烧温度为850℃；粉煤灰的活性指数为83%；水玻璃的模数为3.0；锆溶胶的粒径为10nm，浓度为10%；骨料为粗骨料，粒径为9mm。
33.上述以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，包括如下步骤：1）称取2.8kg的原状水玻璃于铁皮桶内，冷却后待用；2）称取10.0kg的骨料于浅铁锅内，待用；再称取4.0kg的偏高岭土、0.8kg的粉煤灰、0.5kg的水泥于铁皮桶内，待用；再称取0.8kg水，加入0.6kg的萘系减水剂，搅拌溶解均匀，得到萘系减水剂溶液；3）将骨料、偏高岭土、粉煤灰、水泥倒入卧式搅拌机干搅拌3min，之后再加入水玻璃溶液继续搅拌5min，之后再加入萘系减水剂溶液继续搅拌5min，之后再加入锆溶胶继续搅拌15min，最后将得到的混凝土置于湿润的不锈钢钢板上，观察混凝土状态；4）将混凝土装入模具中加压成型，保压时间15秒，成型压力25mpa；5）在105℃温度下干燥36小时后，再在1150℃温度下烧结30分钟，自然冷却，即得到所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖。
34.以下通过具体的实验数据，对本发明具体实施例作进一步的说明：透水砖的抗压强度，抗折强度，磨坑长度和透水系数根据jc/t945-2005的方法进行测试。
35.相关实验结果如表1所示：表1
36.由表1可知，由偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，偏高岭土经过水玻璃的活化作用，能够提高透水砖的抗压、抗折强度，改善了透水砖磨损强度低的缺点，同时具有较好的透水系数。同时透水砖的性能与偏高岭土，粉煤灰用量以及水玻璃模数有关。其中，抗压强度，抗折强度和磨坑长度与偏高岭土与粉煤灰的量有关，当偏高岭土越多，粉煤灰越少时，抗压与抗折强度越高，磨坑长度越小。其中最高的是实施例2，抗压强度达到了40mpa，抗折强度达到了8.5mpa，磨坑长度为20mm。这是因为偏高岭土相较于粉煤灰具有更高的火山灰活性，会加速反应的进程。其中，水玻璃的模数对抗压强度，抗折强度和磨坑长度也有影响。水玻璃模数越大，抗压与抗折强度越高，磨坑长度越小。这是因为随着水玻璃模数的增加，引入的硅酸根阴离子增加，使透水砖的性能有所提高。
37.由表1可知，当粉煤灰越多，偏高岭土越少时，透水砖的透水系数最大。其中最大的为实施例1，为1.9cm/s。这是因为粉煤灰的火山灰活性相对较低，水化反应周期较长，且它具有“滚珠”润滑作用，使它的孔隙增多，从而提高了透水系数。
38.上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，其特征在于，由下列重量份数的各原料制成：偏高岭土30~50份、粉煤灰5~10份、水泥5~10份、锆溶胶1~5重量份、骨料90~100份、水玻璃26~30份、萘系减水剂5~6份、水7~10份。2.根据权利要求1所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，其特征在于：偏高岭土的细度为500~600目，煅烧温度为850℃。3.根据权利要求1所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，其特征在于：粉煤灰的活性指数为75~83%。4.据权利要求1所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，其特征在于：水玻璃的模数为1.8~3.0。5.据权利要求1所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，其特征在于：锆溶胶的粒径为10-30nm，浓度为10-20%。6.据权利要求1所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，其特征在于：骨料为粗骨料，粒径为5~10mm。7.如权利要求1-6任一所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）称取规定量的偏高岭土、粉煤灰、水泥、锆溶胶、骨料、水玻璃、萘系减水剂和水，待用；2）将萘系减水剂和水混合，配置成萘系减水剂溶液；3）将骨料、偏高岭土、粉煤灰、水泥倒入卧式搅拌机内干搅拌3min，之后加入水玻璃继续搅拌5min，之后加入萘系减水剂溶液继续搅拌5min，之后加入锆溶胶继续搅拌15min，最后将得到的混凝土置于湿润的不锈钢钢板上，待用；4）将混凝土装入模具中加压成型，保压时间15秒，成型压力25mpa；5）在105～110℃温度下干燥36小时，之后再在1100～1150℃温度下烧结30分钟，自然冷却，最后即得到所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖。8.根据权利要求7所述的以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖的制备方法，其特征在于：步骤1）中，称取原状水玻璃于铁皮桶内，冷却后待用；称取骨料于浅铁锅内，待用；称取偏高岭土、粉煤灰、水泥于铁皮桶内，待用。

技术总结
本发明为一种以偏高岭土为主要胶凝材料的透水砖，其由30~50重量份偏高岭土、5~10重量份粉煤灰、5~10重量份水泥、1~5重量份锆溶胶、90~100重量份骨料、26~30重量份水玻璃、5~6重量份萘系减水剂和7~10重量份水制备而成。制备时，将偏高岭土、粉煤灰、骨料和水泥放入卧式搅拌机干搅拌，加入水玻璃和萘系减水剂继续搅拌，加入锆溶胶继续搅拌；将得到的混凝土装模后，加压成型，烘干后高温烧结即可得到所述透水砖。本发明通过水玻璃对偏高岭土的活化作用，提高偏高岭土胶凝活性。同时，通过充分搅拌，锆溶胶可以均匀分散在砖体微小孔隙中，高温烧结时后形成均匀分散的氧化锆微晶，可以提高透水砖的抗压强度与透水性能。高透水砖的抗压强度与透水性能。


技术研发人员：渠永平 李文涛 焦纬洲 孙学良 李亚敏
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/9/20