本发明属于透水铺装材料领域，具体为一种烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖及其制备方法。由该方法制备的烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖适用于人行道、广场、小区道路等需要透水的铺装结构和路面。
背景技术：
透水性铺装结构和路面具有缓解城市内涝，调节城市水资源和生态系统的功能，是“海绵城市”建设的重要组成部分。透水砖作为透水性铺装结构的组成单元，其透水性来源于砖体所包含的孔隙及其形成的透水通道。透水砖的孔隙率越高，透水通道越丰富，透水性能越好。
工业固体废弃物粉煤灰在水泥混合料、混凝土掺合料、烧结粉煤灰砖中应用广泛。但是对于高含碳量粉煤灰（烧失量≥15%的粉煤灰）由于含碳量高，烧失量大，无法直接应用于水泥和混凝土。此外，高含碳量粉煤灰应用于普通烧结粉煤灰砖，导致烧结时间变长，烧结困难，砖体出现黑心，强度过低等问题，这在一定程度上限制了高含碳量粉煤灰的资源化利用效率。
但是，从透水砖的生产角度看，高含碳量粉煤灰中所含的碳不仅能够作为内燃料提供一部分热量之外，还能够为透水砖提供丰富的孔隙结构。碳在高温下燃烧氧化产生CO2和CO，随着这些气体在高温烧结过程中的逸出或者被高温烧结过程中产生的液相所包裹，在烧结制品中形成大量的孔隙和气泡。因此，高含碳量粉煤灰中所含的碳还是一种天然的高温发泡剂，并且碳含量越高，烧结制品的孔隙率越高。因此，利用高含碳量粉煤灰为原料制作透水砖，可以少用或不用外加发泡剂就可使透水砖制品具有一定的吸水、保水和透水性，同时也可降低透水砖的生产成本。
但是，利用高含碳量粉煤灰中的碳做高温发泡剂，由于砖坯烧结过程中产生的液相包裹部分气体，导致这部分气孔封闭而无法与外界连通，影响透水砖透水性能。膨胀珍珠岩是珍珠岩矿砂高温焙烧膨胀后制成的一种玻璃质白色颗粒状多孔材料，在较低焙烧温度下即发生熔融生成液相，并在其所在位置留下孔洞。因此，膨胀珍珠岩可作为透水砖的造孔剂，并通过改变其粒径大小和级配来调整透水砖孔隙结构，以此增加透水砖的孔隙率和通孔数量。此外，由于膨胀珍珠岩的主要化学成分为SiO2、Al2O3，所以这也增加了透水砖的烧结强度。
为了促进加入透水砖中的膨胀珍珠岩在烧制过程中充分熔融并获得最佳的造孔效果，将高含碳量粉煤灰包裹于膨胀珍珠岩表面，焙烧过程中高含碳量粉煤灰中碳的燃烧可以提供很大一部分热量，加速膨胀珍珠岩熔化，具有助熔剂的效果。同时由于砖体中液相的增多可以进一步提高透水砖的强度。
专利申请《利用城市污泥和湿排粉煤灰生产烧结透水砖的方法》（申请号200810106946.0）公开了一种利用城市污泥和湿排粉煤灰生产烧结透水砖的方法。该专利申请采用了较多有机质造孔剂，如稻壳、稻糠、锯末、纸浆废液、啤酒渣的等，在烧结过程中有机质材料会排放大量烟气，污染环境。
技术实现要素：
本发明目的是提供一种烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖及其制备方法，该方法充分利用高含碳量粉煤灰中的碳作为高温发泡剂、膨胀珍珠岩的助熔剂和内燃料功能，使得该透水砖具有透水性能好、强度高、节能环保的突出特点。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖，以高含碳量粉煤灰、黏土、硅微粉、铝矾土、膨胀珍珠岩为原料，按以下配方烧制而成：
高含碳量粉煤灰 30%~50%，
黏土 50%~70%，
硅微粉 0~5%，
铝矾土 0~5%；
膨胀珍珠岩 50%~120%；
上述配方中，所述高含碳量粉煤灰、黏土、硅微粉、铝矾土为质量百分比，四种原料质量总计为100%；
所述膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩体积占高含碳量粉煤灰、黏土、硅微粉、铝矾土混合料体积的百分比。
其中，所述高含碳量粉煤灰为烧失量≥15%的粉煤灰。
所述黏土还可以是高岭土、膨润土、页岩、岩浆土中的一种。
所述膨胀珍珠岩的粒径范围5目~200目。
上述的烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖的制备方法如下：
（1）、将高含碳量粉煤灰与黏土、硅微粉、铝矾土进行混合，待混合均匀后加水搅拌，水的用量为混合料总质量的10%~20%；
（2）、将膨胀珍珠岩按相应体积比加入到步骤（1）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（3）、将步骤（2）获得的混合料陈化24h~72h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力15MPa~30MPa，获得砖坯；
（4）、砖坯干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分≤6%；
（5）、将干燥后的砖坯入窑炉进行烧结，烧结温度1000℃~1100℃，烧结时间1h~3h，然后炉内自然降温至常温。
优选的，所述膨胀珍珠岩可以由外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩替换。
外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩的制备方法如下：
将膨胀珍珠岩喷水预湿，使膨胀珍珠岩处于饱和但不泌水的状态，然后将高含碳量粉煤灰与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中高含碳量碳粉煤灰的用量为预湿之前的膨胀珍珠岩质量的1.1~1.5倍，确保膨胀珍珠岩能够被高含碳量粉煤灰所完全包裹。
本发明烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖及其制备方法的有益之处主要表现在以下几方面：
第一、不用外加高温发泡剂，直接将高含碳量粉煤灰中所含的碳作为高温发泡剂，充分利用烧结过程中碳燃烧、氧化产生的孔隙和气泡，增加透水砖的孔隙率，提高了透水砖的吸水、保水和透水性，同时降低了透水砖的生产成本。
第二、膨胀珍珠岩成本低，易获得，通过改变其粒径大小和级配来调整透水砖孔隙结构，可以有效增加透水砖的孔隙率和通孔数量，提高透水砖的透水性能。
第三、将高含碳量粉煤灰包裹于膨胀珍珠岩表面，焙烧过程中粉煤灰中碳的燃烧可以提供很大一部分热量，加速膨胀珍珠岩熔化，丰富透水砖的孔结构和透水通道，透水砖透水性能大幅提高，同时由于膨胀珍珠岩产生的液相进一步提高了透水砖的强度。
第四、通过加入适量的硅微粉、铝矾土，调整烧结透水砖中SiO2、Al2O3化学成分的比例，进一步提高了透水砖的强度、韧性和耐磨性。
本发明设计合理，以高含碳量粉煤灰和膨胀珍珠岩为主要原材料，充分利用高含碳量粉煤灰中所含的碳作为高温发泡剂、膨胀珍珠岩的助熔剂及烧制过程的内燃料，通过膨胀珍珠岩粒径的大小和级配来调整透水砖孔隙结构，制备的透水砖透水性能好，强度高，环保节能，适用于人行道路、小区、广场、停车场等的透水铺装结构和路面。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
实施例1
烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
高含碳量粉煤灰 30%，
黏土 70%，
硅微粉 0%，
铝矾土 0%，
外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩 50%；
上述配方所述高含碳量粉煤灰、黏土为质量百分比，共计100%。
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩体积占高含碳量粉煤灰、黏土混合料体积的百分比。
烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖制备方法，具体步骤如下：
（1）、对粒径为5~10目的膨胀珍珠岩进行喷水预湿，使膨胀珍珠岩处于饱和但不泌水的状态，然后将高含碳量粉煤灰与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中高含碳量碳粉煤灰的用量为预湿之前的膨胀珍珠岩质量的1.1倍，确保膨胀珍珠岩能够被高含碳量粉煤灰所完全包裹，获得外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩；
（2）、按照质量百分比高含碳量粉煤灰30%，黏土70%进行混合，待混合均匀后加水搅拌，水的用量为混合料总质量的10%；；
（3）、将步骤（1）获得的外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩按体积比50%加入到步骤（2）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（4）、将步骤（3）获得的混合料陈化24h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力30MPa，获得砖坯；
（5）、将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分≤6%；
（6）、将干燥后的砖坯入窑炉进行烧结，烧结温度1000℃，烧结时间1h，然后炉内自然降温至常温。
由以上配方和制备方法制得的烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥1.3×10-2cm/s，劈裂抗拉强度≥3.0MPa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
注：本实施例中，步骤（1）可以省略，直接将粒径为5~10目的膨胀珍珠岩加入到粉煤灰和黏土的混合料中，其它步骤参数相同，制备的烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥1.0×10-2cm/s，劈裂抗拉强度≥3.0MPa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
实施例2
烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
高含碳量粉煤灰 50%，
黏土 50%，
硅微粉 0%，
铝矾土 0%，
外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩 120%；
上述配方所述高含碳量粉煤灰、黏土为质量百分比，共计100%。
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩体积占高含碳量粉煤灰、黏土混合料体积的百分比。
烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖制备方法，具体步骤如下：
（1）、对粒径为150目~200目的膨胀珍珠岩进行喷水预湿，使膨胀珍珠岩处于饱和但不泌水的状态，然后将高含碳量粉煤灰与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中高含碳量碳粉煤灰的用量为预湿之前的膨胀珍珠岩质量的1.5倍，确保膨胀珍珠岩能够被高含碳量粉煤灰所完全包裹，获得外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩；
（2）、按照质量百分比高含碳量粉煤灰50%，黏土50%进行混合，待混合均匀后加水搅拌，水的用量为混合料总质量的20%；
（3）将步骤（1）获得的包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩按体积比120%加入到步骤（2）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（4）、将步骤（3）获得的混合料陈化72h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力20MPa，获得砖坯；
（5）、将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分低于6%；
（6）、将干燥后的砖坯入窑炉进行烧结，烧结温度1050℃，烧结时间2h，然后炉内自然降温至常温。
由以上配方和制备方法制得的烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥1.5×10-2cm/s，劈裂抗拉强度≥3MPa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
实施例3
烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
高含碳量粉煤灰 30%，
黏土 60%，
硅微粉 5%，
铝矾土 5%，
外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩 80%；
上述配方所述高含碳量粉煤灰、黏土、硅微粉、铝矾土为质量百分比，共计100%。
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩堆积体积占高含碳量粉煤灰、黏土、硅微粉、铝矾土混合料松散堆积体积的百分比。
烧结高含碳量粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖制备方法，具体步骤如下：
（1）、对膨胀珍珠岩粒径体积比为，（30目~40目）：（40目~60目）：（60目~120目）：（120目~200目）=10%：15%：20%：25%：15%：15%级配的膨胀珍珠岩进行喷水预湿，使膨胀珍珠岩处于饱和但不泌水的状态，然后将高含碳量粉煤灰与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中高含碳量碳粉煤灰的用量为预湿之前的膨胀珍珠岩质量的1.4倍，确保膨胀珍珠岩能够被高含碳量粉煤灰所完全包裹，获得外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩；
（2）、按照质量百分比高含碳量粉煤灰30%，黏土60%，硅微粉 5%，铝矾土5%进行混合，待混合均匀后加水搅拌，水的用量为混合料总质量的15%；
（3）、将步骤（1）获得的包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩按体积比80%加入到步骤（2）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（4）、将步骤（3）获得的混合料陈化36h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力15MPa，获得砖坯；
（5）、将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分低于6%；
（6）、将干燥后的砖坯入窑炉进行烧结，烧结温度1100℃，烧结时间2h，然后炉内自然降温至常温。
由以上配方和制备方法制得的烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥2.5×10-2cm/s，劈裂抗拉强度≥3MPa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
本实施例中，通过改变膨胀珍珠岩粒径大小和级配来调整透水砖孔隙结构，有效增加透水砖的孔隙率和通孔数量，提高透水砖的透水性能。
实施例4
烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
高含碳量粉煤灰 35%，
黏土 60%，
硅微粉 2.5%，
铝矾土 2.5%，
外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩 100%；
上述配方所述高含碳量粉煤灰、黏土、硅微粉、铝矾土为质量百分，共计100%。
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩堆积体积占高含碳量粉煤灰、黏土、硅微粉、铝矾土混合料松散堆积体积的百分比。
烧结高含碳量粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖制备方法，具体步骤如下：
（1）、对粒径为30目~40目的膨胀珍珠岩进行喷水预湿，使膨胀珍珠岩处于饱和但不泌水的状态，然后将高含碳量粉煤灰与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中高含碳量碳粉煤灰的用量为预湿之前的膨胀珍珠岩质量的1.2倍，确保膨胀珍珠岩能够被高含碳量粉煤灰所完全包裹，获得外表包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩；
（2）、按照质量百分比高含碳量粉煤灰35%，黏土60%，硅微粉 2.5%，铝矾土2.5%进行混合，待混合均匀后加水搅拌，水的用量为混合料总质量的16%；
（3）、将步骤（1）获得的包裹高含碳量粉煤灰的膨胀珍珠岩按体积比100%加入到步骤（2）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（4）、将步骤（3）获得的混合料陈化36h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力30MPa，获得砖坯；
（5）、将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分低于6%；
（6）、将干燥后的砖坯入窑炉进行烧结，烧结温度1080℃，烧结时间1.5h，然后炉内自然降温至常温。
由以上配方和制备方法制得的烧结粉煤灰膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥2.0×10-2cm/s，劈裂抗拉强度≥3MPa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。