本发明属于工业固体废弃物处理和建筑材料生产领域，具体涉及利用煤矸石赤泥制备的环保节能透水砖及其制备方法。
技术背景
随着我国城市化进程的不断推进，越来越多的城市地面被建筑物和混凝土所覆盖，随之而来的是逐年愈发严重的城市内涝和城市热岛效应。而这一现象的主要成因是由于城市硬化路面过多，使得降雨时雨水无法下渗，路面的径流系数过大，加剧城市地表水形成的洪峰叠加，城市排水系统不堪重负，从而形成城市内涝；另一方面，由于雨水下渗量少，地表水大量流失，地下水得不到有效的补充，从而造成城市地下水位下降，地表空气和水分交换减少，城市地表温度上升，形成城市热岛效应。透水砖具有良好的透水性，能够快速使大量的地表水渗入地下，一方面能够缓解城市排水系统的压力，降低内涝对人民生命健康及财产的威胁；另外一方面能够补充地下水，缓解地下水位下降，避免因过渡开采地下水而引起地陷和房屋地基下沉。透水砖作为路面材料有利于地表上下空气流通和水份交换，有效调节空气温度、湿度和缓解城市热岛效应。因此，开发高渗透率的透水砖具有重要的社会效益和经济价值。
煤矸石是我国煤炭生产产生的一种工业固体废弃物，而赤泥则是国内利用拜耳法进行铝工业加工产生的大宗固体废弃物、而且其利用率很低，二者目前常以露天堆积的形式大量存放，不仅占用大量的土地，还会造成地下水污染和空气污染，对人类社会的可持续发展构成了重大的威胁。透水砖一般以废弃工业料、生活垃圾和建筑垃圾等为主要原料，如城市污泥、黄金尾矿、粉煤灰和废弃陶瓷。国内以赤泥和煤矸石为主要原料研发透水砖相对较少、而且主要集中在免烧透水砖，少有对烧结透水砖的相关专利文献报道。烧结透水砖同免烧砖相比，在抗腐蚀性，抗冻性，使用寿命等指标上均要优于免烧砖。因此，为了缓解固体废弃物堆积造成的环境压力，实现废物的资源化利用，有效地利用煤矸石和赤泥来制备透水砖从而促进煤矿业与铝业的良性发展，显得尤为重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种利用煤矸石赤泥制备的环保节能透水砖及其制备方法，以赤泥和煤矸石为主要原料，采用传统工艺技术，制备出强度高、孔隙率大、渗透力强、成本低、适宜工业化大规模生产的新型环保节能透水砖。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
<制备方法>
本发明提供一种利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.按质量百分含量配料：赤泥16～32，煤矸石32～48，黏土8～16，造孔剂5～16，坯体增强剂1～4；步骤2.加水混合：在上述物料中加入20～30wt.％的水，充分搅拌均匀；步骤3.陈腐：在常温环境密封存放24小时以上；步骤4.挤出成型：将陈腐后的物料加入到挤出成型机中挤出成型；步骤5.干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h以上；步骤6.烧制：升温到850℃，保温一段时间，再升温到1000～1080℃保温一定时间；步骤7.冷却：自然冷却至室温，即得透水砖成品。
进一步地，本发明提供的利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法还可以具有以下特征：在步骤1中，造孔剂为煤粉、木屑和秸秆中的任意一种或多种。通过造孔剂使得透水砖具有多孔结构。
进一步地，本发明提供的利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法还可以具有以下特征：木屑为过20目筛的任意种类的木屑颗粒，秸秆为经粉碎而制成的过20目筛的物料，赤泥、煤矸石和黏土都为过60目筛的物料。
进一步地，本发明提供的利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法还可以具有以下特征：煤粉为洗煤企业精煤生产所产生的固体废料，过60目筛。
进一步地，本发明提供的利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法还可以具有以下特征：在步骤1中，坯体增强剂为可溶性淀粉，过100目筛。
优选地，本发明提供的利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法还可以具有以下特征：在步骤1中，将物料配好后通过球磨混合均匀。
优选地，本发明提供的利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法还可以具有以下特征：在步骤6中，升温到850℃，保温20min，升温到1000～1080℃，并保温30～60min。
优选地，本发明提供的利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法还可以具有以下特征：在步骤6中，是从室温开始以5℃/min的速率升温到300℃。
优选地，本发明提供的利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法还可以具有以下特征：在步骤6中，是以3℃/min的速率升温到850℃。
<透水砖>
本发明还提供了一种利用煤矸石赤泥制备的环保节能透水砖，其特征在于：采用上述<制备方法>中描述的方法制得。
发明的作用与效果
1.本发明中使用了大量低品质的煤矸石，可以有效利用煤矸石中的热量，每立方米透水砖节能可以500kw·h以上，大幅度减少陶瓷透水砖烧结过程所需要的能源。
2.本发明中工业固体废弃物的利用率大，最大可以达到80％，能够有效地缓解煤矸石和赤泥对环境的压力，促进采煤业、铝业良性发展。
3.本发明选取洗煤企业产生的固体废料(煤粉)、木材加工企业产生的固体废料(木屑)与农业生产过程产生的固体废物(秸秆)为造孔剂，可以有效利用其中的热量，减少烧成过程中的能源消耗，到达节能的目的。
4本发明通过选择合适的造孔剂组成、粒径，控制升温速率和烧成温度，能够有效的增加透水砖的连通孔率，提高透水砖的透水系数。
综上，本发明所提供的方案，固体废弃物利用率高，能源消耗少，成本低，通过控制造孔剂的组成和粒度级配，获得了强度高、透水率高的新型环保节能透水砖，为煤矸石和赤泥等大宗工业固体废弃物的综合利用率提供了新的途径。
附图说明
图1为本发明实施例中利用煤矸石赤泥制备环保节能透水砖的方法的流程图；
图2为本发明实施例中煤粉与木屑的质量比例对透水砖性能的影响情况图；
图3为本发明实施例中秸秆的掺量(质量百分含量)对透水砖性能的影响情况图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的利用煤矸石赤泥制备的环保节能透水砖及其制备方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
制备方法(如图1所示)
1.本实施例的原料配比为：
赤泥：16wt.％，为拜耳法产生的赤泥，过60目筛；
煤矸石：48wt.％，过60目筛；
黏土：16wt.％，普通黏土，过60目筛；
煤粉：8wt.％，洗煤企业产生的固体废料，过60目筛；
木屑：8wt.％，经过机械破碎，过20目筛；
淀粉：4wt.％，可溶性工业淀粉，过100目筛。
2.工艺步骤
(1)搅拌：准确称取上述原料，加入26wt.％的水，在500r/min的转速下搅拌30min；
(2)陈腐：将步骤1的物料在常温环境密封存放24小时以上；
(3)挤出成型：将上述物料加入到挤出成型机中挤出成型；
(4)干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h；
(5)烧制：从室温开始，以5℃/min的升温速率升温至300℃，然后以6℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，然后以2℃/min的速率升温至1000℃，保温60min；
(6)冷却：自然冷却至室温，即得成品。
产品性能
按照上述方法所制得样品的抗折强度为8.3mpa、显气孔率为42％、吸水率为21％、透水率为2.3×10-2cm/s。
<实施例二>
制备方法(如图1所示)
1.本实施例的原料配比为：
赤泥：16wt.％；
煤矸石：48wt.％；
黏土：16wt.％；
煤粉：8wt.％；
木屑：8wt.％；
淀粉：4wt.％。
2.工艺步骤
(1)搅拌：准确称取上述原料，加入26wt.％的水，在500r/min的转速下搅拌30min；
(2)陈腐：将步骤1的物料在常温环境密封存放24小时以上；
(3)挤出成型：将上述物料加入到挤出成型机中挤出成型；
(4)干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h；
(5)烧制：从室温开始，以5℃/min的升温速率升温至300℃，然后以6℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，然后以2℃/min的速率升温至1080℃，保温30min；
(6)冷却：自然冷却至室温，即得成品。
产品性能
按照上述方法所制得样品的抗折强度为8.6mpa、显气孔率为40％、吸水率为25％、透水率为2.1×10-2cm/s。
<实施例三>
制备方法(如图1所示)
1.本实施例的原料配比为：
赤泥：32wt.％；
煤矸石：32wt.％；
黏土：16wt.％；
煤粉：8wt.％；
木屑：8wt.％；
淀粉：4wt.％。
2.工艺步骤
(1)搅拌：准确称取上述原料，加入30wt.％的水，在500r/min的转速下搅拌30min；
(2)陈腐：将步骤1的物料在常温环境密封存放24小时以上；
(3)挤出成型：将上述物料加入到挤出成型机中挤出成型；
(4)干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h；
(5)烧制：从室温开始，以5℃/min的升温速率升温至300℃，然后以6℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，然后以2℃/min的速率升温至1050℃，保温60min；
(6)冷却：自然冷却至室温，即得成品。
产品性能
按照上述方法所制得样品的抗折强度为9.5mpa、显气孔率为37.5％、吸水率为19.6％、透水率为1.8×10-2cm/s。
如图2所示，研究物料中煤粉与木屑的比例对透水砖成品性能的影响，维持物料中其它成分含量不变，发现随着木屑占比的增加，样品的透水系数增加，抗折强度下降，考虑到透水砖需要兼顾机械强度与透水性能，煤粉与木屑的比例在1：1时样品的综合性能达到最佳。
<实施例四>
制备方法(如图1所示)
1.本实施例的原料配比为：
赤泥：32wt.％；
煤矸石：48wt.％；
黏土：8wt.％；
木屑：8wt.％；
淀粉：4wt.％。
2.工艺步骤
(1)搅拌：准确称取上述原料，加入23wt.％的水，在500r/min的转速下搅拌30min；
(2)陈腐：将步骤1的物料在常温环境密封存放24小时以上；
(3)挤出成型：将上述物料加入到挤出成型机中挤出成型；
(4)干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h；
(5)烧制：从室温开始，以5℃/min的升温速率升温至300℃，然后以6℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，然后以2℃/min的速率升温至1080℃，保温60min；
(6)冷却：自然冷却至室温，即得成品。
产品性能
按照上述方法所制得样品的抗折强度为9.8mpa、显气孔率为35％、吸水率为18.1％、透水率为1.6×10-2cm/s。
<实施例五>
制备方法(如图1所示)
1.本实施例的原料配比为：
赤泥：32wt.％；
煤矸石：35wt.％；
黏土：16wt.％；
煤粉：16％；
淀粉：1wt.％。
2.工艺步骤
(1)搅拌：准确称取上述原料，加入20wt.％的水，在500r/min的转速下搅拌30min；
(2)陈腐：将步骤1的物料在常温环境密封存放24小时以上；
(3)挤出成型：将上述物料加入到挤出成型机中挤出成型；
(4)干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h；
(5)烧制：从室温开始，以5℃/min的升温速率升温至300℃，然后以6℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，然后以2℃/min的速率升温至1050℃，保温60min；
(6)冷却：自然冷却至室温，即得成品。
产品性能
按照上述方法所制得样品的抗折强度为8.2mpa、显气孔率为38.9％、吸水率为20.9％、透水率为1.9×10-2cm/s。
<实施例六>
制备方法(如图1所示)
1.本实施例的原料配比为：
赤泥：32wt.％；
煤矸石：43wt.％；
黏土：16wt.％；
秸秆：5wt.％；
淀粉：4wt.％。
2.工艺步骤
(1)搅拌：准确称取上述原料，加入26wt.％的水，在500r/min的转速下搅拌30min；
(2)陈腐：将步骤1的物料在常温环境密封存放24小时以上；
(3)挤出成型：将上述物料加入到挤出成型机中挤出成型；
(4)干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h；
(5)烧制：从室温开始，以5℃/min的升温速率升温至300℃，然后以6℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，然后以2℃/min的速率升温至1060℃，保温60min；
(6)冷却：自然冷却至室温，即得成品。
产品性能
按照上述方法所制得样品的抗折强度为6.5mpa、显气孔率为46％、吸水率为25.9％、透水率为2.3×10-2cm/s。
如图3所示，研究物料中秸秆含量对透水砖成品性能的影响，维持物料中其它成分含量不变，发现随着秸秆掺量从0增加到7.5wt.％，样品的透水系数0增加到了0.027cm/s，而抗折强度从25mpa下降到了0.5mpa，说明秸秆的加入能够大幅度提高材料的透水系数，但是对抗折强度影响较大，考虑到透水砖使用时对性能的要求，秸秆加入量不宜超过5wt.％。
<实施例七>
制备方法(如图1所示)
1.本实施例的原料配比为：
赤泥：16wt.％；
煤矸石：48wt.％；
黏土：16wt.％；
煤粉：13wt.％；
秸秆：3wt.％；
淀粉：4wt.％。
2.工艺步骤
(7)搅拌：准确称取上述原料，加入26wt.％的水，在500r/min的转速下搅拌30min；
(8)陈腐：将步骤1的物料在常温环境密封存放24小时以上；
(9)挤出成型：将上述物料加入到挤出成型机中挤出成型；
(10)干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h；
(11)烧制：从室温开始，以5℃/min的升温速率升温至300℃，然后以6℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，然后以2℃/min的速率升温至1050℃，保温60min；
(12)冷却：自然冷却至室温，即得成品。
产品性能
按照上述方法所制得样品的抗折强度为6.8mpa、显气孔率为43.6％、吸水率为23.9％、透水率为2.3×10-2cm/s。
<实施例八>
制备方法(如图1所示)
1.本实施例的原料配比为：
赤泥：16wt.％；
煤矸石：48wt.％；
黏土：16wt.％；
煤粉：10wt.％；
木屑：4wt.％；
秸秆：2wt.％；
淀粉：4wt.％。
2.工艺步骤
(13)搅拌：准确称取上述原料，加入26wt.％的水，在500r/min的转速下搅拌30min；
(14)陈腐：将步骤1的物料在常温环境密封存放24小时以上；
(15)挤出成型：将上述物料加入到挤出成型机中挤出成型；
(16)干燥：将成型后的干坯在105～110℃的温度下干燥6h；
(17)烧制：从室温开始，以5℃/min的升温速率升温至300℃，然后以6℃/min的升温速率升温至850℃，保温20min，然后以2℃/min的速率升温至1080℃，保温60min；
(18)冷却：自然冷却至室温，即得成品。
产品性能
按照上述方法所制得样品的抗折强度为7.5mpa、显气孔率为42.3％、吸水率为22.6％、透水率为2.4×10-2cm/s。
以上仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的利用煤矸石赤泥制备的环保节能透水砖及其制备方法并不仅仅限定于在以上中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。