免烧路面砖及其制备方法与流程

本发明属建材材料技术和固废处理领域，具体涉及一种免烧路面砖及其制备方法。

背景技术：

现有的处理盾构渣土的方式一般是将渣土运输至指定的渣土消纳场露天堆放或者在项目回填区进行填埋。由于盾构渣土含水率高、危害性大，露天堆放极易产生滑坡等事故，存在极大地安全隐患，同时会占用大量土地资源且污染周边水土环境。

高炉矿渣是冶炼行业最主要的一种废渣，目前还有进一步充分资源化利用的空间。钢渣由于其处理工艺不同，导致钢渣的成分、性能有很大的差别，如游离氧化钙含量多导致稳定性不良，金属铁含量高导致不易粉磨等，制约了钢渣的大规模应用，使得其综合利用率不足30％。因此，其综合利用率还有待提高。

传统的路面砖都是由水泥等胶凝材料，石子、沙子等集料为主要原料，经加工、振动加压或其他成型工艺制成。而每生产1kg水泥约产生1kg二氧化碳排放，同时还会产生有害气体、粉尘、污水排放，给环境造成很大的危害。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：如何以盾构渣土为主要原料得到具有优良抗压强度，抗冻性和抗折性能以及耐磨性能的免烧路面砖。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种免烧路面砖及其制备方法。

本发明提出一种免烧路面砖，包括底层和面层，所述面层覆盖于所述底层上，所述底层与所述面层的厚度比为2-6:1；

所述底层由盾构渣土，第一粒化高炉矿渣以及第一碱性激发剂构成，所述盾构渣土与所述第一粒化高炉矿渣的质量比为7-8:2-3，所述盾构渣土和所述第一粒化高炉矿渣的总质量与所述第一碱性激发剂的质量比为1:0.13-0.17；

所述面层由碎石、砂和钢渣中的一种或多种，第二粒化高炉矿渣以及第二碱性激发剂构成，所述碎石、砂和钢渣中的一种或多种与所述第二粒化高炉矿渣的质量比为7-8:2-3，所述碎石、砂和钢渣中的一种或多种与所述第二粒化高炉矿渣的总质量与所述第二碱性激发剂的质量比为1:0.10-0.12。

优选地，所述盾构渣土的粒径为0-2mm；和/或，所述第一粒化高炉矿渣或所述第二粒化高炉矿渣的目数为200-400目。

优选地，所述钢渣的粒径为0-5mm，所述碎石、砂的粒径为0.5mm-9.5mm。

优选地，所述钢渣为电炉钢渣、平炉钢渣和转炉钢渣中的一种或多种。

优选地，所述第一碱性激发剂或第二碱性激发剂包括氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液中的一种或两种、以及水玻璃。

优选地，所述氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液的物质的量浓度为8-10mol/l，所述水玻璃与所述氢氧化钾溶液或所述氢氧化钠溶液中的一种或两种的质量比为1-1.8:1，水玻璃模数为3.1-3.4。

优选地，所述盾构渣土为中风化砾岩或泥质粉砂岩土石混合物类渣土；所述盾构渣土包括碎石、砂、粉土和黏土中的一种或多种。

本发明还提出一种上述免烧路面砖的制备方法，包括以下步骤：

1)按比例将盾构渣土、第一粒化高炉矿渣混合均匀，再加入第一碱性激发剂搅拌，得底层原料；

2)将碎石、砂或钢渣中的一种或多种与第二粒化高炉矿渣混合均匀，再加入第二碱性激发剂混合液搅拌，得面层原料；

3)将所述底层原料填装压制，之后将所述面层原料平铺于底层之上压制成型，脱模养护得到所述免烧路面砖。

优选地，在步骤3)中，将所述底层原料填装压制之后还包括将底层的上表面凿毛，之后将所述面层原料平铺于底层之上压制成型。

优选地，在步骤1)中，加入所述第一碱性激发剂搅拌10-15min；和/或，在步骤2)中，加入所述第二碱性激发剂搅拌5-10min。

本发明与现有技术对比的有益效果包括：构成免烧路面砖的底层中盾构渣土与第一粒化高炉矿渣的质量比为7-8:2-3，按照该质量比加入粒化高炉矿渣改善了盾构渣土的粒径分布，减少了网状结构的盾构渣土的之间的孔隙，使得免烧路面砖的底层结构更加致密，盾构渣土和第一粒化高炉矿渣的总质量与第一碱性激发剂的质量比为1:0.13-0.17，按照该质量比加入碱性激发剂，使得粒化高炉矿渣产生胶凝物质实现颗粒之间的连接的同时不影响免烧路面砖底层的骨架结构，从而确保了底层结构的蓄水功能；构成免烧路面砖的面层中所述碎石、砂和钢渣中的一种或多种与所述第二粒化高炉矿渣的质量比为7-8:2-3，该组分的面层各组分的配合使得面层具有一定的透水功能且具有耐磨性能，所述碎石、砂和钢渣中的一种或多种与所述第二粒化高炉矿渣的总质量与所述第二碱性激发剂的质量比为1:0.10-0.12，实现面层颗粒连接，底层和面层厚度比为2-6:1，在确保路面砖的透水性和蓄水性的同时，提高了路面砖的抗压强度和抗冻性，确保了其抗折性能以及耐磨性能。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明路面砖底层原料粒径累计分布曲线。

图2是本发明实施例1路面砖单轴压缩应力-应变曲线图。

图3是本发明实施例1路面砖抗折应力-位移曲线图。

图4是本发明实施例1路面砖冻融25次循环后单轴压缩应力-应变曲线图。

图5是本发明实施例2免烧路面砖实物图。

图6是本发明实施例2路面砖磨坑测试图,其中，(a)为进行磨坑测试状态图；(b)为磨坑测试后的路面砖。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本具体实施方式提出一种免烧路面砖，包括底层和面层，所述面层覆盖于所述底层上，所述底层与所述面层的厚度比为2-6:1；

所述底层由粒径为0-2mm的盾构渣土，目数为200-400目的第一粒化高炉矿渣以及第一碱性激发剂构成，所述盾构渣土与所述第一粒化高炉矿渣的质量比为7-8:2-3，所述盾构渣土和所述第一粒化高炉矿渣的总质量与所述第一碱性激发剂的质量比为1:0.13-0.17；

所述面层由粒径为0.5mm-9.5m的碎石、砂和粒径为0-5mm的钢渣中的一种或多种，200-400目的第二粒化高炉矿渣以及第二碱性激发剂构成，所述碎石、砂和钢渣中的一种或多种与所述第二粒化高炉矿渣的质量比为7-8:2-3，所述碎石、砂和钢渣中的一种或多种与所述第二粒化高炉矿渣的总质量与所述第二碱性激发剂的质量比为1:0.10-0.12。

在本具体实施方式中，所述钢渣为电炉钢渣、平炉钢渣和转炉钢渣中的一种或多种；所述第一碱性激发剂或第二碱性激发剂包括氢氧化钾溶液和氢氧化钠溶液中的一种或两种、以及水玻璃。

在本具体实施方式中，所述氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液的物质的量浓度为8-10mol/l，所述水玻璃与所述氢氧化钾溶液或所述氢氧化钠溶液中的一种或两种的质量比为1-1.8:1，水玻璃模数为3.1-3.4。

在本具体实施方式中，所述盾构渣土为中风化砾岩或泥质粉砂岩土石混合物类渣土；所述盾构渣土包括碎石、砂、粉土和黏土中的一种或多种。

在本具体实施方式中，所述路面砖可根据需要选择添加颜料或着色层。

在本具体实施方式中，所述路面砖可以制作成不同尺寸或不同的结构形式，广泛应用于城市道路、住宅小区、市政广场、公园等。

本具体实施方式还提出了上述任一项所述免烧路面砖的制备方法，包括以下步骤：

1)将原状盾构渣土自然晾干或烘干，破碎、筛分出2mm以下的盾构渣土，以及0.5mm-9.5mm的碎石、砂备用；

2)按比例将盾构渣土、第一粒化高炉矿渣混合均匀，再加入第一碱性激发剂搅拌10-15min，得底层原料；

3)将碎石、砂或钢渣中的一种或多种与第二粒化高炉矿渣混合均匀，再加入第二碱性激发剂混合液搅拌5-10min，得面层原料；

4)将底层原料分2-3层填装至模具压制成型，将底层原料的上表面凿毛，之后将面层原料平铺于底层之上压制成型，采用单向加压或双向加压的方式压制成型，成型压力8mpa-10mpa，将成型后的试件自然养护6h-24h后脱模，然后覆膜自然养护至28d，得最终的路面砖成品。将底层原料的上表面凿毛为了使面层和底层更好的贴合从而压实；可采用刀具之类的凿出一些缝出来。

本具体实施方式中，所述碎石、砂，与粒化高炉矿渣拌和之前用水清洗干净表层的粉粒、黏粒，然后晾干或烘干备用；氢氧化钠溶液优选固体片状分析纯提前24h加水配制以备用。

下面结合具体实施例，对本发明提出的免烧路面砖及其制备方法作进一步具体的说明，但不作为对本发明的限制。

下述实施例中，盾构渣土取自长沙地铁某区间的中风化砾岩渣土样，晾干或烘干，破碎、筛分出2mm以下的渣土，以及0.5mm-9.5mm的碎石、砂，并用水清洗干净后晾干或烘干备用；粒化高炉矿渣目数为200，钢渣粒径为5mm以下，氢氧化钠溶液物质的量浓度10mol/l，水玻璃模数3.26，均为市售。路面砖经备料、配料、搅拌、成型、脱模等过程制备而成。

实施例1

本实施例提出一种免烧路面砖的制备方法，包括以下步骤：

1)将粒化高炉矿渣、2mm以下盾构渣土、碱性激发剂按比例称重，粒化高炉矿渣与2mm以下盾构渣土质量比3:7，2mm以下盾构渣土和粒化高炉矿渣的总质量与碱性激发剂的质量比1:0.15，其中碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠溶液按1.2:1比例混合配制，将粒化高炉矿渣、2mm以下盾构渣土、碱性激发剂按上述比例称量并搅拌10min至均匀，得底层物料；

2)将粒化高炉矿渣、0.5mm-5mm碎石或砂、转炉钢渣、碱性激发剂按比例称重，粒化高炉矿渣与0.5mm-5mm碎石或砂和转炉钢渣的质量比为3:7，0.5mm-5mm碎石或砂、转炉钢渣和粒化高炉矿渣的总质量与碱性激发剂的质量比为1:0.12，其中碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠溶液按1.2:1比例混合配制，将粒化高炉矿渣、0.5mm-5mm碎石或砂、钢渣、碱性激发剂按上述比例称量并搅拌5min至均匀，得面层物料；

3)按照底层和面层的厚度比5:1将底层物料分2层填装于模具中，每层填装完即采用压力机单向加压至9mpa并凿毛，最后将面层物料平铺于底层之上，采用压力机单向加压至9mpa即得成型试件。将成型后的试件自然养护12h后脱模，然后覆膜自然养护至28d，得最终的路面砖成品。

本实施例制备三个试件，经测试，如图2所示所得路面砖的平均抗压强度为51.8mpa；如图3所示平均抗折强度为9.1mpa；如图4所示平均25次冻融循环后的平均抗压强度为46.4mpa，平均强度损失为10.4％，平均质量损失为0.8％；平均磨坑长度为22mm。

实施例2

本实施例提出一种免烧路面砖的制备方法，包括以下步骤：

1)将粒化高炉矿渣、2mm以下盾构渣土、碱性激发剂按比例称重，粒化高炉矿渣与2mm以下盾构渣土质量比3:7，2mm以下盾构渣土和粒化高炉矿渣的总质量与碱性激发剂的质量比1:0.14，其中碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠溶液按1.2:1比例混合配制，将粒化高炉矿渣、2mm以下盾构渣土、碱性激发剂按上述比例称量并搅拌10min至均匀，得底层物料；

2)将粒化高炉矿渣、2mm-5mm碎石或砂、碱性激发剂按比例称重，粒化高炉矿渣与2mm-5mm碎石或砂的质量比为3:7，2mm-5mm碎石或砂和粒化高炉矿渣的总质量与碱性激发剂的质量比为1:0.12，其中碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠溶液按1.2:1比例混合配制，将粒化高炉矿渣、2mm-5mm碎石或砂、碱性激发剂按上述比例称量并搅拌5min至均匀，得面层物料；

3)按照底层与面层的厚度比5:1将底层物料分2层填装于模具中，每层填装完即采用压力机单向加压至8mpa并凿毛，最后将面层物料平铺于底层之上，采用压力机单向加压至8mpa即得成型试件。将成型后的试件自然养护24h后脱模，然后覆膜自然养护至28d，得最终的路面砖成品，图5示出了该路面砖的实物图，该路面砖的大小为240*115*60mm。

经测试，所得路面砖的抗压强度为31mpa；抗折强度为6.9mpa；25次冻融循环后的抗压强度为30mpa，强度损失为3.2％，质量损失为0.5％；结合图6，测得的磨坑长度为50mm。

实施例3

本实施例提出一种免烧路面砖的制备方法，包括以下步骤：

1)将粒化高炉矿渣、2mm以下盾构渣土、碱性激发剂按质量比比例称重，粒化高炉矿渣与2mm以下盾构渣土质量比3:7，2mm以下盾构渣土和粒化高炉矿渣的总质量与碱性激发剂的质量比1:0.15，其中碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠溶液按质量比1.2:1比例混合配制，将粒化高炉矿渣、2mm以下盾构渣土、碱性激发剂按上述比例称量并搅拌10min至均匀，得底层物料；

2)将粒化高炉矿渣、0.5mm-5mm碎石或砂、碱性激发剂按比例称重，粒化高炉矿渣与0.5mm-5mm碎石或砂的质量比为3:7，0.5mm-5mm碎石或砂和粒化高炉矿渣的总质量与碱性激发剂的质量比为1:0.12，其中碱性激发剂为水玻璃和氢氧化钠溶液按1.2:1比例混合配制，将粒化高炉矿渣、0.5mm-5mm碎石或砂、碱性激发剂按上述比例称量并搅拌5min至均匀，得面层物料；

3)按照底层与面层的厚度比为5:1将底层物料分2层填装于模具中，每层填装完即采用压力机单向加压至8mpa并凿毛，最后将面层物料平铺于底层之上，采用压力机单向加压至8mpa即得成型试件。将成型后的试件自然养护24h后脱模，然后覆膜自然养护至28d，得最终的路面砖成品。

经测试，所得路面砖的抗压强度为31.4mpa；抗折强度为4.8mpa；25次冻融循环后的抗压强度为30.6mpa，强度损失为2.5％，质量损失为0.5％；磨坑长度为34mm。

本发明其他有益效果：

(1)不需要使用水泥等传统胶凝材料，以及机制砂或天然砂石等骨料，无需烧结，避免了有害气体、粉尘、污水、碳排放、砂石开采等对环境的影响。所制备路面砖的抗压强度、抗折强度、磨坑长度以及抗冻性能完全满足并且优于gb28635-2012《混凝土路面砖》c50等级的要求。同时，路面砖以碎石、砂、钢渣等作为面层，具有很好的透水功能，底层主要为细粒盾构渣土，保持了优良的蓄水功能，助力海绵城市建设。

(2)结合图1，通过添加粒化高炉矿渣，改善了渣土的粒径分布，减少了渣土与粒化高炉矿渣混合物料网状结构之间的孔隙，使得物料结构更加致密。2mm以下中风化砾岩渣土的不均匀系数为cu＝10.845，曲率系数cc＝0.603(d10＝2.012um，d30＝5.144um，d60＝21.820um)，掺量30％的高炉矿渣后，混合物料的不均匀系数为cu＝6.604，曲率系数为cc＝1.060(d10＝1.885um，d30＝4.988um，d60＝12.449um)。

(3)路面砖底层强度和面层强度由碱激发高炉矿渣产生的胶凝物质和物料自身的骨架结构强度组成，底层物料由砂粒构成骨架结构作用，面层物料由碎石、砂或钢渣构成，并且在底层与面层复合处凿毛；同时，对物料分别掺量最佳液固比质量份的液体激发剂，使得粒化高炉矿渣改善粒径分布的同时获得了最多的胶凝物质，保证了路面砖整体的抗压强度和抗冻性，确保了其抗折性能。

(4)以碎石、砂和高炉矿渣作为面层，提升了路面砖的表面耐磨性能，避免了之前的起灰、掉角现象；通过进一步掺量钢渣，将钢渣作为面层骨料，提升了面层抗压强度；同时，充分利用钢渣耐磨的特点，解决了路面砖的表面耐磨问题，表现出优良的抗滑性能。

(5)根据实际情况设计底层和面层厚度比，高效协同利用盾构渣土中的碎石、砂、粉土、黏土以及钢渣和粒化高炉矿渣，渣土掺量达70％及以上，渣土掺量大，消纳了巨量盾构渣土，采用单向加压成型，无需振动加压，成型压力小(小于10mpa)，脱模时间短，模具周转快，生产工艺简单、成本低，具有显著的社会效益、环境效益和经济效益。

(6)根据中风化砾岩、泥质粉砂岩等典型盾构渣土中2mm以下颗粒占比50％-75％，0.5mm-9.5mm的碎石或砂占比20％-35％的特点，结合钢渣、高炉矿渣发明一种复合双层免烧路面砖。2mm以下渣土和高炉矿渣作为底层，底层和面层厚度比为(2-6)：1，消纳了大量渣土；碎石、砂或钢渣和高炉矿渣作为面层，解决了路面砖的耐磨性能问题，避免起灰、掉角；改变了现有的路面砖以碎石、砂作为骨料从而消耗大量砂石的现状，以及以粗骨料为底层，细集料为面层的传统路面砖模式，所发明路面砖同时具有优良的抗压、抗折力学性能，以及耐水、抗冻融、耐磨等耐久性能。

(7)盾构渣土包括碎石、砂、粉土、黏土和水，通过筛分其中的碎石、砂和2mm以下渣土，结合钢渣、高炉矿渣高效协同利用，制作绿色环保路面砖，既符合可持续发展和绿色发展的理念，又将产生巨大的经济效益和社会效益。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。