本发明涉及海绵城市建筑材料技术领域，更具体地，涉及一种利用污泥制备的透水砖及其制备方法。
背景技术：
近年来备受关注的城市内涝问题，传统的城市建设模式理念中雨水主要是通过排水设施排走，路面上积水无法渗透到地下，雨水资源得不到充分利用，往往造成逢雨必涝、热岛效应等负面环境影响。而目前我国对上述问题的解决方案主要有加大排水管径、在线蓄水、修建蓄水池等，而这些措施不仅普遍存在投资大、占用空间大等诸多缺点，而且施工时间长、效率低。海绵城市建设能够更好解决城市内涝问题。
随着电子技术的广泛应用，人为电磁能量迅速增长，城市电磁辐射污染产生原因有广播发射塔、通讯工具和移动通信站。世界卫生组织最新公布：电磁波辐射已成为21世纪继水污染、空气污染和噪声污染之后的第四大全球性环境问题。海绵城市讲究环保性，电磁波辐射的污染亟待解决。
在建设海绵城市的过程中，透水砖得到大量使用，但是，现有的透水砖无法解决电磁波辐射的问题，另外，现有的透水砖的韧性、抗折性能不足，导致透水砖在使用过程中容易破碎，不够耐用。
技术实现要素：
本发明为克服上述现有技术所述的缺陷，提供一种利用污泥制备的透水砖。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种利用污泥制备的透水砖，包括如下按重量份计算的原料：污泥40~45份，普通石子20~23份，钢渣15~18份，粉煤灰8~10份，陶粒10~15份，水玻璃12~15份，石英砂10~12份，吸波材料10~15份，棕榈纤维6~7份，海泡石纤维2~3份。
在制备透水砖的过程中，污泥、粉煤灰作为细骨料；钢渣、普通石子、陶粒作为粗骨料；水玻璃粘结力强、强度较高，耐酸性、耐热性好；石英砂坚硬、耐磨、化学性能稳定；污泥可以采用市政污泥、工业污泥等，一般脱水至含水量70wt%~80wt%。
吸波材料是能够吸收电磁波的材料，在本领域中，吸波材料一般选择能够在透水砖的烧结过程中保持稳定的吸波材料，处于成本考虑，一般选择传统吸波材料，其中，常见的有铁氧体、钛酸钡、石墨、碳化硅。
棕榈纤维和海泡石纤维引入到透水砖中，能够增加透水砖的孔隙率。由于传统吸波材料一般密度大、孔隙率低，加入到透水砖中使得透水砖的透水性能下降，通过棕榈纤维和海泡石纤维的作用，增大孔隙率，使得采用吸波材料制备的透水砖在具备吸收电磁波性能的同时，还能保持优良的透水性能。
陶粒采用废弃的陶瓷渣制成，钢渣和粉煤灰均为工业废弃物，废物利用，进行了资源化利用。制备上述透水砖的原料还可以根据现有技术添加其他材料，保证透水砖的整体性能，同时具备吸收电磁波的能力。
优选地，所述吸波材料为铁氧体、钛酸钡、石墨、碳化硅中的一种或几种的混合物。
优选地，所述吸波材料为还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料。四氧化三铁与还原氧化石墨复合，避免四氧化三铁颗粒聚集，具有更大的表面，吸收电磁波的效果更好。另一方面，还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料含有还原氧化石墨，还原氧化石墨能够增加透水砖的韧性和抗裂性能。
优选地，所述还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁的含量为80wt%~90wt%。还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁的含量超过90wt%时，会导致四氧化三铁颗粒聚集、分布不够均匀，影响制备得到的透水砖的吸收电磁波的性能；还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁的含量低于80wt%时，虽然也能制备得到具有吸收电磁波的透水砖，但由于四氧化三铁含量降低，添加同样重量的吸波材料时，制备得到的透水砖吸收电磁波的性能降低，如果增加吸波材料的添加量，则可能会影响制备得到的透水砖的透水性能。
优选地，所述还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料的制备方法包括如下步骤：
s1.制备氧化石墨；
s2.将氧化石墨、氯化铁、醋酸钠和乙二胺分散在乙二醇中，水热反应后，洗涤、干燥得到还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料。
优选地，所述污泥为市政污泥。污泥是水处理过程中形成的以有机物为主要成分的泥状物质；其有机物含量高，容易腐化发臭，颗粒较细，密度较小，含水率高且不易脱水，是呈胶状结构的亲水性物质。市政污泥主要指污水厂的污泥，还包括自来水厂的污泥；市政污泥是污水处理后的副产品，是一种由有机残片、无机颗粒、胶体等组成的极其复杂的非均质体。市政污泥是城市生活过程中，大量产生的废物，通过利用市政污泥制备透水砖，废物利用，有效地节约了资源。市政污泥制备透水砖时，一般经脱水处理至含水率为70wt%~80wt%。
优选地，所述钢渣过10目筛，所述石英砂过10目筛，所述粉煤灰的粒径小于等于0.15mm，所述陶粒的粒径为1.5~7.0mm。本领中，粉煤灰的粒径为5μm以上，本发明中粉煤灰的粒径小于等于0.15mm即可。
本发明的另一目的在于，提供一种制备透水砖的方法。
一种制备上述透水砖的方法，包括如下步骤：
s1.将吸波材料与污泥、普通石子、钢渣、粉煤灰、陶粒、水玻璃、石英砂、棕榈纤维、海泡石纤维混合搅拌成泥料；
s2.将s1.的泥料干压成型制成砖坯，然后将进行干燥；
s3.将s2.的砖坯烧结，得到透水砖。
优选地，所述泥料的含水率为15wt%~18wt%。
优选地，所述干燥的温度为105~108℃，所述砖坯干燥后的含水率小于等于6wt%。砖坯干燥后含水率小于等于6wt%即可，一般为了提高工作效率，减少能耗，无需将含水率降低到4wt%及以下。
优选地，所述烧结的条件为：升温速率为3.5~4.0℃/min，升温至1025-1150℃并保温2.5-3h后降温。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过吸波材料与污泥、普通石子、钢渣、粉煤灰、陶粒、水玻璃、石英砂、棕榈纤维、海泡石纤维制备得到了透水砖，该透水砖具有吸收电磁波的性能，还保持了良好的透水性能，透水砖的整体性能满足要求。
在海绵城市建设过程中，需要大量使用透水砖，采用污泥和建筑垃圾制备透水砖，增加透水砖的环保性能，可以废物利用，减少废物排放，大大提高城市的资源利用率。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明的实施例中，采用的污泥为市政污泥，一般采用带式压滤机经过常规脱水后使用，脱水后的市政污泥含水率为70wt%~80wt%，ph值为7.0~8.5、碳氮比为(20~35):1、有机物含量为40％~60％。
普通石子、水玻璃、石英砂、棕榈纤维、海泡石纤维均为常见的市售产品；陶粒的粒径介于1.5mm和7mm之间；钢渣过10目筛，所述粉煤灰的粒径小于等于0.15mm。
作为吸波材料的钛酸钡、石墨、碳化硅均通过市售得到，钛酸钡采用市售的钛酸钡粉末，石墨采用市售的导电石墨粉，碳化硅采用市售碳化硅微粉；
作为吸波材料的还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料采用如下方法制备，另外，作为对照，还制备了没有复合还原氧化石墨的四氧化三铁粉末。
实施例中使用的还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料采用如下制备方法得到：
s1.在冰水浴中将9:1的浓h2so4/h3po4（270ml：30ml）倒入装有3g石墨粉的烧瓶中混合均匀后，缓慢加入18g高锰酸钾，将反应温度控制在35~40℃；
s2.在50℃水浴条件下继续搅拌20h。反应结束，待反应液冷却至室温后倒入装有200ml冰的烧杯中，然后缓慢滴加30%过氧化氢至溶液颜色变成黄色；
s3.将所得溶液在1000rpm下离心1min除去未充分氧化的石墨，之后在4000rpm离心1h。去除上清液后，依次用蒸馏水，30%的盐酸和无水乙醇洗涤2次；
s4.离心的产物溶于正己烷中，用特氟龙膜过滤，滤饼在60℃下真空干燥12h，研磨得到氧化石墨；
s5.取0.6g氧化石墨超声溶解在150ml乙二醇中，然后加入6.0gfecl3•6h2o，18.0g醋酸钠和60ml乙二胺，超声2h使其溶解。然后将混合物转移到200ml水热釜中，在200℃下反应9h。将产物抽滤并用水和乙醇洗涤数次，干燥后得到还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料（rgo-fe3o4），制备得到的还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为85wt%。通过调整氧化石墨与fecl3•6h2o的投料比，还制备得到四氧化三铁含量为76wt%、80wt%、90wt%、95wt%的还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料。
本发明中，透水砖的测试方法，
（1）透水砖的透水系数测试，采用《透水砖》（cj/t945-2005）的方法进行；
（2）透水砖的吸收电磁波性能测试：采用场强仪进行空间场强的测试，在同一建筑空间、同一发射源等相同情况下，测试不同实施例或对比例制备的透水砖对空间各点的场强的影响，选择其中一点的数据进行比较。由于空间存在的电磁辐射的频率各不相同，所以采用空间电磁能量值进行记录，换算成分贝值。通过测试同一空间的同一位置中，空白值减去经过本发明中的透水砖吸收后的测试值得到吸收值，空白值是没有使用本发明的透水砖时测试的结果。虽然关于透水砖的吸收电磁波性能测试还没有相关标准，相关研究工作还处于初级阶段，但是上述方法能够证明本发明的透水砖具备吸收电磁波辐射波的性能，具有实用性和可行性；
（3）透水砖的抗折破坏载荷测试，采用《透水砖》（cj/t945-2005）的方法进行。
实施例1
本实施例制备一种利用污泥制备的透水砖，制备方法包括如下步骤：
s1.将按重量份计算的市政污泥42份，普通石子21份，钢渣16份，粉煤灰9份，陶粒10份，水玻璃15份，石英砂12份，还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料12份，棕榈纤维7份，海泡石纤维2份混合后搅拌成泥料，并控制含水率为15%（重量百分数）；还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为80wt%；
s2.将s1.的泥料放入干压成型机中砌块成型，干压成型机的压力为28mpa，制得不同形状和尺寸的透水砖砖坯；将制得的透水砖砖坯通过自然干燥或放入干燥箱干燥，若放入干燥箱中干燥，则干燥温度为108℃，控制含水率为5%（重量百分数）；
s3.将s2.干燥后的透水砖砖坯烧结，烧结时以3.8℃/min的速度升温至1130℃，持续烧结3h后降至室温，即得到透水砖。
实施例2
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第二实施例，一种利用污泥制备的透水砖，制备方法包括如下步骤：
s1.将按重量份计算的市政污泥40份，普通石子23份，钢渣18份，粉煤灰8份，陶粒15份，水玻璃12份，石英砂10份，还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料10份，棕榈纤维6份，海泡石纤维3份混合后搅拌成泥料，并控制含水率为18%（重量百分数）；还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为80wt%；
s2.将s1.的泥料放入干压成型机中砌块成型，干压成型机的压力为30mpa，制得不同形状和尺寸的透水砖砖坯；将制得的透水砖砖坯通过自然干燥或放入干燥箱干燥，若放入干燥箱中干燥，则干燥温度为107℃，控制含水率为6%（重量百分数）；
s3.将s2.干燥后的透水砖砖坯烧结，烧结时以4.0℃/min的速度升温至1125℃，持续烧结2.5h后降至室温，即得到透水砖。
实施例3
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第三实施例，一种利用污泥制备的透水砖，制备方法包括如下步骤：
s1.将按重量份计算的市政污泥45份，普通石子20份，钢渣15份，粉煤灰10份，陶粒12份，水玻璃13份，石英砂11份，还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料15份，棕榈纤维6份，海泡石纤维2份混合后搅拌成泥料，并控制含水率为16%（重量百分数）；还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为80wt%；
s2.将s1.的泥料放入干压成型机中砌块成型，干压成型机的压力为35mpa，制得不同形状和尺寸的透水砖砖坯；将制得的透水砖砖坯通过自然干燥或放入干燥箱干燥，若放入干燥箱中干燥，则干燥温度为105℃，控制含水率为6%（重量百分数）；
s3.将s2.干燥后的透水砖砖坯烧结，烧结时以3.5℃/min的速度升温至1150℃，持续烧结3h后降至室温，即得到透水砖。
实施例4
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第四实施例，与实施例1不同的是，还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为76wt%。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
实施例5
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第五实施例，与实施例1不同的是，还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为85wt%。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
实施例6
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第六实施例，与实施例1不同的是，还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为90wt%。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
实施例7
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第七实施例，与实施例1不同的是，还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为95wt%。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
实施例8
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第八实施例，与实施例1不同的是，吸波材料采用四氧化三铁粉末。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
实施例9
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第九实施例，与实施例1不同的是，吸波材料采用钛酸钡。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
实施例10
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第十实施例，与实施例1不同的是，吸波材料采用石墨。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
实施例11
本实施例为本发明一种利用污泥制备的透水砖的第十一实施例，与实施例1不同的是，吸波材料采用碳化硅。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
对比例1
与实施例1不同的是，不添加吸波材料、棕榈纤维和海泡石纤维。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
对比例2
与实施例1不同的是，不添加棕榈纤维和海泡石纤维。
其他原料及制备方法与实施例1相同。
测试结果
测试了实施例1~11以及对比例1~2的透水系数和电磁波吸收值，结果如表1所示。
表1
由表1可知，本发明的实施例1~11的吸收电磁波的效果优于对比例1，对比例1为普通的透水砖，且实施例1~11的透水系数均大于1×10-2cm/s，符合透水砖的透水性能要求；
对比例2添加了还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料，没有添加棕榈纤维和海泡石纤维，对比例2的吸收电磁波的效果优于对比例1，但是对比例2透水性能不如对比例1，不符合透水砖的透水性能要求，可能是因为添加了还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料，导致透水砖孔隙率下降，透水砖的透水性能下降。因此，单纯添加吸波材料可能会影响透水砖的透水性能，需要添加棕榈纤维和海泡石纤维，保证透水砖的孔隙率，使透水砖的透水系数符合透水砖的性能要求。
实施例1~7的吸收电磁波的效果优于实施例8，可见通过还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料制备的透水砖优于四氧化三铁粉末制备的透水砖，可能是由于还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中，还原氧化石墨能够防止四氧化三铁颗粒聚集，使得四氧化三铁颗粒尺寸更小、分布更为均匀、表面积更大，制备的透水砖吸收电磁波的效果更好。
实施1、5、6的吸收电磁波的效果优于实施例4和实施例7，可见还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料中四氧化三铁含量为80wt%~90wt%时，制备得到的透水砖的吸收电磁波的性能更好，可能是由于四氧化三铁含量超过90wt%时，该还原氧化石墨-四氧化三铁复合吸波材料的四氧化三铁颗粒尺寸更大、分布不够均匀；而四氧化三铁含量低于80wt%时，四氧化三铁含量降低，导致添加同样重量的吸波材料制备得到的透水砖吸收电磁波的性能下降，为了增强吸收电磁波的性能，则需要加入更多吸波材料，可能会影响透水砖的透水性能。
实施例1~11的抗折破坏载荷均达到透水砖的性能要求，此外，实施1~7的抗折破坏载荷高于实施例8，可见四氧化三铁复合还原氧化石墨之后，抗折破坏载荷得到提高，所以还原氧化石墨能够提升透水砖的韧性、抗折性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。