本发明属于透水铺装材料领域，具体为一种烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖及其制备方法。由该方法制备的烧结煤矸石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：
“海绵城市”是我国解决城市内涝、水资源缺乏等生态环境问题的重要理念和方法。透水性铺装结构和路面作为“海绵城市”建设的重要组成部分，它在对城市雨水径流进行源头控制的同时，大幅提高了地面排水、蓄水和净水能力。而透水砖作为透水性铺装结构的组成单元，在“海绵城市”的建设过程中拥有越来越大的需求量。
透水砖的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。但孔隙的存在使得砖体强度降低，因此，生产透水砖不仅要在砖体内构建丰富的孔隙结构和透水通道，还要寻求透水性能和砖体力学性能的平衡，保证砖体满足强度要求。
固体废弃物煤矸石与黏土化学成分和矿物组成具有近乎相同，并且具有可塑性，可以部分或全部替代黏土而大量地应用于烧结制品中。另外，煤矸石含碳量高，发热量大，应用于烧结制品具有内燃料的功能，实际焙烧时基本可以不用外投燃料，利用煤矸石自身的发热量即可完成焙烧。但是，在传统煤矸石烧结制品中，对煤矸石的含碳量提出了一定的限制要求，过高的碳含量反而会使烧结时间变长，烧结困难，砖体出现黑心等问题出现，这在一定程度上限制了煤矸石，尤其是高含碳量煤矸石在烧结制品中的资源化利用。
但是从透水砖的生产角度看，煤矸石所含的碳能够为透水砖提供丰富的孔隙结构。当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包裹，在烧结制品中形成大量的孔隙和气泡。因此，煤矸石中所含的碳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，利用煤矸石为原料制作透水砖，可以少用或不用外加发泡剂就可使透水砖制品具有较好的吸水、保水和透水性，同时也可降低透水砖的生产成本。
但是，利用煤矸石中的碳做高温发泡剂，会由于砖坯高温烧结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，将磨粉后的煤矸石粉末包裹于膨胀珍珠岩表面，焙烧过程中煤矸石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《煤矸石砖及其制备方法》（申请号201610053467.1）公开了一种煤矸石砖及其制备方法。但是该专利申请所采用的煤矸石要求发热量在1800kJ/mol~2000kJ/mol，这无疑限制了高含碳量、高发热量煤矸石的资源化利用。该专利申请采用珍珠岩为造孔剂，利用了珍珠岩多孔、质轻的特点来降低煤矸石砖的传热系数和重量，但并未形成孔隙和透水通道。此外，该专利申请所述煤矸石砖也不具备透水功能。
专利申请《一种添加煤矸石的节能型烧结透水砖》（申请号201510723343.5）公开了一种添加煤矸石的节能型烧结透水砖，使用的原材料为污水厂污泥、稻壳、钾长石粉、粉煤灰、水玻璃、氟化钙、甘油、页岩、煤矸石、焦炭粉、石蜡、铝铬渣、碳酸钙。该专利申请使用的原材料多，导致工艺复杂，成品性能不稳定，生产成本提高，并且添加稻壳在烧结过程中增加了烟气排放量，污染环境。
技术实现要素：
本发明目的是基于“海绵城市”建设对透水铺装材料的需求，以及固体废弃物煤矸石的资源化利用，提供了一种烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖及其制备方法。该方法制备的透水砖不含或少含黏土，充分利用煤矸石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：
一种烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖，以煤矸石、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：
煤矸石 30%~100%，
黏土 0%~70%，
硅微粉 0~5%，
铝矾土 0~5%；
膨胀珍珠岩 50%~120%；
其中，所述煤矸石、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煤矸石、黏土、硅微粉、铝矾土混合料体积的百分比。
上述烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖的制备方法如下：
（1）、将煤矸石破碎、磨细，过60目筛，获得煤矸石粉，备用；
（2）、将煤矸石粉与黏土、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%；
（3）、将膨胀珍珠岩按相应体积比加入到步骤（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~72h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力15MPa~30MPa，获得砖坯；
（5）、砖坯干燥，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℃~1100℃，烧结时间1h~3h，然后炉内自然降温至常温即可。
优选的，上述透水砖的制备原料中，膨胀珍珠岩可以由外表包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩进行替换，膨胀珍珠岩的粒径范围5目~200目。
所述膨胀珍珠岩为外表包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩，其制备工艺为：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，然后将煤矸石粉与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中煤矸石粉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煤矸石粉所完全包裹。
所述黏土还可以是高岭土、膨润土、页岩或者岩浆土中的一种。
本发明所述的烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖的有益之处主要表现在以下几方面：
第一、充分利用煤矸石的黏土矿物特点，本发明所述透水砖少用或不用黏土，减少了黏土、高岭土、膨润土等矿物资源的用量，增加煤矸石的固废利用率。
第二、利用煤矸石自身发热量高的特点，减少了烧结过程中外加燃料量。
第三、不用外加高温发泡剂，直接将煤矸石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。
第四、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。
第五、膨胀珍珠岩包裹煤矸石粉，将磨粉后的煤矸石粉末包裹于膨胀珍珠岩表面，焙烧过程中煤矸石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。
第六、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。
本发明以工业废弃物煤矸石部分或全部代替黏土制备烧结透水砖，充分利用煤矸石中所含的碳作为高温发泡剂以及砖体烧结和膨胀珍珠岩熔化的内燃料，并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，生产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
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
煤矸石 100%，
黏土 0%，
硅微粉 0%，
铝矾土 0%，
外表包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩 50%；
上述配方所述煤矸石为质量百分比；
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩体积占煤矸石体积的百分比。
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）、将煤矸石破碎、磨细，过60目筛，获得煤矸石粉，备用；
（2）、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，然后将煤矸石粉与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中煤矸石粉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煤矸石粉所完全包裹，获得包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩；
（3）、当煤矸石粉塑性指数＞7，按照质量百分比煤矸石100%，不掺加黏土、硅微粉和铝矾土，煤矸石粉直接加水搅拌，水的用量为煤矸石粉总质量的10%；
（4）、将步骤（2）获得的包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩按体积比50%加入到步骤（3）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（5）将步骤（4）获得的混合料陈化72h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力30MPa，获得砖坯；
（6）将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分≤6%；
（7）将干燥后的砖坯入窑炉分进行烧结，烧结温度1100℃，烧结时间3h，然后炉内自然降温至常温。
由以上配方和生产方法制得的烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥1.0×10-2cm/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。
注：本实施例中，步骤（2）可以省略，直接将粒径为5~10目的膨胀珍珠岩加入到煤矸石粉中，其它步骤参数相同，制备的烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥1.1×10-2cm/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2
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
煤矸石 90%，
黏土 0%，
硅微粉 5%，
铝矾土 5%，
外表包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩 70%；
上述配方所述煤矸石、硅微粉、铝矾土为质量百分比。
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩体积占煤矸石、硅微粉、铝矾土混合料体积的百分比。
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）、将煤矸石破碎、磨细，过60目筛，获得煤矸石粉，备用；
（2）、对粒径为10~20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，然后将煤矸石粉与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中煤矸石粉的用量为预湿之前的膨胀珍珠岩质量的1.15倍，确保膨胀珍珠岩能够被煤矸石粉所完全包裹，获得包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩；
（3）、煤矸石粉塑性指数＞7，按照质量百分比煤矸石90%，不添加黏土，添加硅微粉5%和铝矾土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17%；
（4）、将步骤（2）获得的包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩按体积比70%加入到步骤（3）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（5）、将步骤（4）获得的混合料陈化72h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力25MPa，获得砖坯；
（6）、将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分≤6%；
（7）、将干燥后的砖坯入窑炉分进行烧结，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煤矸石膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥1.0×10-2cm/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。
注：本实施例中，步骤（2）也可以省略，直接将粒径为10~20目的膨胀珍珠岩加入到煤矸石粉中，其它步骤参数相同，制备的烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥1.1×10-2cm/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
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
煤矸石 30%，
黏土 70%，
硅微粉 0%，
铝矾土 0%，
外表包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩 120%；
上述配方所述煤矸石、黏土为质量百分比；
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩体积占煤矸石、黏土混合料体积的百分比。
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）、将煤矸石破碎、磨细，过60目筛，获得煤矸石粉，备用；
（2）、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，然后将煤矸石粉与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中煤矸石粉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煤矸石粉所完全包裹，获得包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩；
（3）、煤矸石粉塑性指数＜3，按照质量百分比煤矸石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%；
（4）、将步骤（2）获得的包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩按体积比120%加入到步骤（3）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（5）、将步骤（4）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；
（6）、将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分低于6%；
（7）、将干燥后的砖坯入窑炉分进行烧结，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煤矸石膨胀珍珠岩透水砖，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。
实施例4
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
煤矸石 65%，
黏土 30%，
硅微粉 2.5%，
铝矾土 2.5%，
外表包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩 60%；
上述配方所述煤矸石、黏土、硅微粉、铝矾土为质量百分比；
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩体积占煤矸石、黏土、硅微粉、铝矾土混合料体积的百分比。
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）、将煤矸石破碎、磨细，过60目筛，获得煤矸石粉，备用；
（2）、对级配为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，然后将煤矸石粉与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中煤矸石粉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煤矸石粉所完全包裹，获得包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩；
（3）、煤矸石粉塑性指数＜6，按照质量百分比煤矸石65%，黏土30%，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20%；
（4）、将步骤（2）获得的包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩按体积比60%加入到步骤（3）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（5）、将步骤（4）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；
（6）、将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分低于6%；
（7）、将干燥后的砖坯入窑炉分进行烧结，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煤矸石膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥1.5×10-2cm/s，劈裂抗拉强度≥4MPa，抗冻性、耐磨性和防滑性均满足现行规范要求。
实施例5
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖按以下配方烧制而成：
煤矸石 60%，
黏土 30%，
硅微粉 5%，
铝矾土 5%，
外表包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩 100%；
上述配方所述煤矸石、黏土、硅微粉、铝矾土为质量百分比；
膨胀珍珠岩为体积百分比，即膨胀珍珠岩体积占煤矸石、黏土、硅微粉、铝矾土混合料体积的百分比。
烧结煤矸石膨胀珍珠岩透水砖的制备方法，具体步骤如下：
（1）、将煤矸石破碎、磨细，过60目筛，获得煤矸石粉，备用；
（2）、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，然后将煤矸石粉与预湿之后的膨胀珍珠岩进行均匀混合，其中煤矸石粉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煤矸石粉所完全包裹，获得包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩；
（3）、煤矸石粉塑性指数＜6，按照质量百分比煤矸石60%，黏土30%，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20%；
（4）、将步骤（2）获得的包裹煤矸石粉的膨胀珍珠岩按体积比100%加入到步骤（3）获得的混合料中，并搅拌均匀；
（5）、将步骤（4）获得的混合料陈化24h，然后按规定尺寸挤压成型，成型压力15MPa，获得砖坯；
（6）、将砖坯进行干燥，干燥温度110℃，干燥至砖坯残余水分低于6%；
（7）、将干燥后的砖坯入窑炉分进行烧结，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煤矸石膨胀珍珠岩透水砖，透水系数≥3×10-2cm/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，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。
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。