本发明属于建筑材料技术领域，具体为一种轻质透水混凝土人行路面砖及其制备方法。
背景技术：
“海绵城市”是国家近年来提出的一种新型城市雨洪管理概念，要求在城市排水防涝的基础上保证雨水在城市内部渗透、滞留和净化，使雨水可以得到充分利用，实现城市良性水循环，达到提高生态保护的目的。透水混凝土以其高效的透水性能与“海绵城市”的建设理念高度契合，现已逐渐发展成为“海绵城市”建设的主要基础材料。但是目前透水混凝土主要是通过内部骨料相互嵌锁形成孔隙来达到透水的目的，材料本身的储水能力有限，而泡沫混凝土内部含有大量均匀、封闭的气泡，具有极强的储水性能，若能通过技术手段对其进行开孔处理，泡沫混凝土势必会成为一种理想的透水铺装材料。
中国专利cn201611207725公开了一种透水性泡沫混凝土，由以下重量份的原料制成：水泥160-420份，发泡剂0.2-0.4份，减水剂2-5份，膨化剂1-5份，塑化剂1-5份和水90-150份。该发明采取的技术手段是通过添加一些破坏孔结构的絮凝剂，将形成的泡沫絮凝起来，拉坏泡孔结构，从而实现连孔的目的。需要指出的是，在上述专利文件中，絮凝剂为一些有机高分子材料，这些有机高分子在发泡剂中极难分散均匀，且在后期极易析出沉淀，因此仅靠絮凝剂达到连孔目的的效果极为有限。
中国专利cn201710257565公开了一种透水泡沫混凝土及其制备方法，由以下重量份原料组成：水泥45-55份，特细砂5-8份，水20-35份，掺合料8-15份，泡沫3-8份，纤维0.1-0.5份，纤维素醚0.01-0.05份，减水剂0.1-0.4份。该发明采取的技术手段是在泡沫混凝土基体中掺入具有较大尺寸的粗纤维，使得泡沫混凝土的泡孔形成以纤维为导管的连通孔道。但是，在上述专利文件中，纤维在泡沫混凝土基体内部的陈列方向会极大的影响泡沫混凝土气泡的开孔率，从而导致泡沫混凝土的透水性能低于预期效果。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种轻质透水混凝土人行路面砖及其制备方法，本发明所述的透水混凝土人行路面砖具有轻质高强、透水及储水性能好的优点。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种轻质透水混凝土人行路面砖，包括以下质量百分比的各组分：磨细矿渣20～30％、水泥5～10％、粉煤灰5～10％、陶砂15～30％、江砂0～10％、激发剂2～4％、泛碱抑制剂3～5％、物理发泡剂0.1～0.3％、化学发泡剂2～4％、二氧化锰1～3％、碳酸钾2～4％、减水剂1～3％、水15～25％。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的一个具体实施例，包括以下质量百分比的各组分：磨细矿渣23～27％、水泥7～9％、粉煤灰6～8％、陶砂20～25％、江砂4～7％、激发剂3～4％、泛碱抑制剂4～5％、物理发泡剂0.2～0.25％、化学发泡剂3～3.5％、二氧化锰2～3％、碳酸钾3～4％、减水剂2～3％、水20～25％。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的一个具体实施例，所述磨细矿渣为s95级矿粉，比表面积420～450m2/kg，28d活性指数不小于98％；所述粉煤灰为ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量不超过10％，需水量比不大于93％，所述陶砂为页岩陶砂，堆积密度700～800kg/m3，最大粒径2.36mm；所述江砂最大粒径0.6mm，细度模数0.8～1.0，含泥量不超过1.0％。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的一个具体实施例，按质量百分比计，所述激发剂包括水玻璃70～80％，熟石膏20～30％，各组分之和为100％。进一步，所述水玻璃的模数为1.2～1.5。采用水玻璃作为激发剂，通过调整水玻璃中的sio2/na2o的摩尔数比(即模数),可使磨细矿渣中的si-o键快速发生断裂，并在浆体中形成大量的活性≡si-o-基团,从而显著提高磨细矿渣的水化活性，复合掺入一定量的熟石膏，不仅可以与磨细矿渣和水泥水化产生的水化硅酸钙凝胶反应生成适量的钙矾石晶体，这些晶相的存在可起到微集料的作用，有效缓解浆体的收缩开裂问题，另外掺入熟石膏，还可以增加浆体中的游离钙离子含量，从而提高水泥和磨细矿渣早期的水化速度。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的一个具体实施例，按质量百分比计，所述泛碱抑制剂包括沸石50～100％、膨润土0～40％、硅藻土0～50％，各组分之和为100％。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的一个具体实施例，所述沸石为5a沸石，孔径
5a沸石、钙基膨润土和硅藻土都是一些多孔或层状类物质，具有极强的吸附能力或离子交换能力。其中5a沸石中的钙离子可与浆体中因激发剂引入的游离碱金属钠离子进行离子交换反应而将其固定，而钙基膨润土和硅藻土由于其具有极强的吸附能力可大量吸附游离钠离子，三者按一定比例加入，可有效抑制砖体表面泛碱起霜的现象发生，改善其表观效果。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的一个具体实施例，按质量百分比计，所述物理发泡剂包括月桂酰谷氨酸钠0～100％、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠0～100％、十二烷基硫酸钠0～100％，各组分之和为100％。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的一个具体实施例，所述化学发泡剂为双氧水；所述减水剂为聚羧酸高效减水剂，固含量12.5～14.0％，减水率不小于25％。
加入碳酸钾，不仅可以与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应生成难溶性的碳酸钙，显著缩短水泥的凝结时间外，还能降低水的冰点及促进水泥的低温水化，从而提高砖体的早期强度及抗冻性能。
本发明还提供一种轻质透水混凝土人行路面砖的制备方法，包括以下步骤：
1)按原料所占质量百分比称取各原料；
2)将水泥、磨细矿渣、粉煤灰、陶砂、江砂、激发剂、泛碱抑制剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂、水混合搅拌直至形成均匀料浆；
3)将物理发泡剂制成泡沫，并在发泡过程中直接将泡沫注入步骤2)所得的均匀料浆中搅拌均匀，直至物理发泡剂发泡完毕；
4)将化学发泡剂加入到步骤3)所得泡沫混凝土中搅拌均匀，使化学发泡剂均匀分散于泡沫混凝土中，将拌合均匀后的泡沫混凝土注入型模，静置脱模，即得轻质透水混凝土人行路面砖。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的制备方法的一个具体实施例，所述物理发泡剂采用压缩空气法制成泡沫。
作为本发明所述一种轻质透水混凝土人行路面砖的制备方法的一个具体实施例，步骤2)中，所述搅拌速率为100～200r/min；步骤3)中，所述搅拌速率为60～80r/min；步骤4)中，所述搅拌速率为40～60r/min，搅拌时间25～40s。
根据上述方案制备的轻质透水混凝土人行路面砖，可根据工程需要，通过调整各组分的相对含量实现砖体的密度、强度可调，满足路面不同路用性能的要求。
本发明首次采用了阶段式物理与化学协同发泡的方法。先通过月桂酰谷氨酸盐、烷基硫酸盐等阴离子型表面活性剂在基体内部形成大量的匀质气泡，由于这类表面活性剂所产生的气泡膜壁薄，泡沫的稳定性差，尤其是在本发明的强碱环境中，气泡极易破灭形成部分连孔。再加入双氧水，使其在二氧化锰的催化作用下持续分解产生氧气，并在氧气的压力作用下进一步将气孔打通，从而在混凝土内部形成了大量的连通孔隙，使得泡沫混凝土表现出较佳的透水及储水性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、节能环保。本发明采用了碱-矿渣的胶材体系，主要以工业固体废弃物矿渣作为胶凝材料，水泥用量低，节能环保。掺入沸石、膨润土及硅藻土等物质后，利用其离子交换特性及吸附性能，可有效抑制砖体表面泛碱起霜的现象发生，改善其表观效果。
2、透水及储水性能好。采用本发明中的阶段式物理与化学协同发泡的方法，可大幅度的提高泡沫混凝土的连通孔率，增大泡沫混凝土的平均孔径，与普通透水混凝土相比，本发明在具有透水性能的同时，兼具储水性能。
3、密度和强度可调。本发明可根据路面的路用性能调整各组分的相对含量，实现砖体的密度在600～1500kg/m3、强度2～18mpa内可调。
4、应用前景广阔。本发明的人行路面砖的透水系数最高可达1.4mm/s，保水性最高可达2.8g/cm2，透水性和储水性能均远高于透水砖的标准要求，是目前人行道透水砖理想的替代材料，具有广阔的推广应用前景。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种轻质透水混凝土人行路面砖，由磨细矿渣、水泥、粉煤灰、陶砂、江砂、激发剂、泛碱抑制剂、物理发泡剂、化学发泡剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂和水复合而成，具体配方见表1。各原料组分均能从市场购买获得，或者采用相应的制备方法获得原料组分也可以，各组分的制备方法对于本领域技术人员也是常规的。
表1轻质透水混凝土人行路面砖配比(以质量百分比计)
备注：shg—月桂酰谷氨酸钠；saes—脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠；sds—十二烷基硫酸钠。
本发明的实施例需按配比准确称量各种原料，称量误差须小于1％；以下实施例中如无具体说明，所述的试剂或原料均为市售试剂或工业产品。
以下实施例中，所述水泥为重庆璧山冀东p.o42.5r水泥，所述磨细矿渣为重庆长寿钰宏s95级矿粉，比表面积420～450m2/kg、28d活性指数98％，所述粉煤灰为重庆江津珞璜ⅰ级粉煤灰，45μm筛余量8％、需水量比91％，所述陶砂堆积密度为800kg/m3、最大粒径2.36mm，所述江砂最大粒径0.6mm、细度模数0.9、含泥量0.8％，所述5a沸石孔径为
实施例1
本实施例轻质透水混凝土人行路面砖中，碱性激发剂由水玻璃(模数为1.3)和熟石膏按质量比4:1调拌而成，泛碱抑制剂为100％5a沸石，物理发泡剂为100％shg，并且使用前须将按比例称取的shg粉末配成浓度为0.3％的发泡剂溶液待用；称取的陶砂需润湿达到饱和面干状态。
本实施例轻质透水混凝土人行路面砖的制备过程如下：
1)原料称取，各原料所占质量百分比为：磨细矿渣25％、水泥10％、粉煤灰10％、陶砂15％、江砂5％、碱性激发剂2％、泛碱抑制剂5％、物理发泡剂0.2％、化学发泡剂2％、二氧化锰1％、碳酸钾4％、减水剂1％、水19.8％。
2)将磨细矿渣、水泥、粉煤灰、陶砂、江砂、碱性激发剂、泛碱抑制剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂和水置于搅拌锅中搅拌均匀，得均匀浆料，搅拌速率为150r/min。
3)将物理发泡剂(shg)溶液采用压缩空气法发泡，在发泡过程中直接将泡沫注入步骤2)所得均匀浆料中搅拌均匀，搅拌速率为60r/min，直至物理发泡剂发泡完毕。
4)将称取的化学发泡剂加入到步骤3)所得泡沫混凝土中搅拌均匀，搅拌速率为50r/min，搅拌时间30s，将拌合均匀后的泡沫混凝土注入型模，静置脱模，即得本发明所述轻质透水混凝土人行路面砖。
本实施例中，制备的轻质透水混凝土人行路面砖绝干密度为1000kg/m3，28d抗压强度为11.6mpa，透水系数为0.98mm/s，保水性1.8g/cm2。
实施例2
本实施例轻质透水混凝土人行路面砖中，碱性激发剂由水玻璃(模数为1.2)和熟石膏按质量比3:1调拌而成，泛碱抑制剂由5a沸石和钙基膨润土按质量比3:2调拌而成，物理发泡剂为100％saes，并且使用前须将按比例称取的saes粉末配成浓度为0.3％的发泡剂溶液待用；称取的陶砂需润湿达到饱和面干状态。
本实施例轻质透水混凝土人行路面砖的制备过程如下：
1)原料称取，各原料所占质量百分比为：磨细矿渣30％、水泥10％、粉煤灰10％、陶砂5％、江砂10％、碱性激发剂4％、泛碱抑制剂5％、物理发泡剂0.1％、化学发泡剂2％、二氧化锰1％、碳酸钾2％、减水剂3％、水17.9％。
2)将磨细矿渣、水泥、粉煤灰、陶砂、江砂、碱性激发剂、泛碱抑制剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂和水置于搅拌锅中搅拌均匀，得均匀浆料，搅拌速率为150r/min。
3)将物理发泡剂(saes)溶液采用压缩空气法发泡，在发泡过程中直接将泡沫注入所得均匀浆料中搅拌均匀，搅拌速率为80r/min，直至物理发泡剂发泡完毕。
4)将称取的化学发泡剂加入到步骤3)所得泡沫混凝土中搅拌均匀，搅拌速率为50r/min，搅拌时间30s，将拌合均匀后的泡沫混凝土注入型模，静置脱模，即得本发明所述轻质透水混凝土人行路面砖。
本实施例中，制备的轻质透水混凝土人行路面砖绝干密度为1500kg/m3，28d抗压强度为18.0mpa，透水系数为0.65mm/s，保水性1.0g/cm2。
实施例3
一种轻质透水混凝土人行路面砖，所述碱性激发剂由水玻璃(模数为1.2)和熟石膏按质量比7:3调拌而成，泛碱抑制剂由5a沸石和硅藻土按质量比1:1调拌而成，物理发泡剂为100％sds，并且使用前须将按比例称取的sds粉末配成浓度为0.3％的发泡剂溶液待用；称取的陶砂需润湿达到饱和面干状态。
本实施例轻质透水混凝土人行路面砖的制备过程如下：
1)原料称取，各原料所占质量百分比为：磨细矿渣25％、水泥5％、粉煤灰5％、陶砂25％、碱性激发剂2％、泛碱抑制剂3％、物理发泡剂0.3％、化学发泡剂4％、二氧化锰3％、碳酸钾4％、减水剂1％、水22.7％。
2)将磨细矿渣、水泥、粉煤灰、陶砂、碱性激发剂、泛碱抑制剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂和水置于搅拌锅中搅拌均匀，得均匀浆料，搅拌速率为100r/min。
3)将物理发泡剂(sds)溶液采用压缩空气法发泡，在发泡过程中直接将泡沫注入所得均匀浆料中搅拌均匀，搅拌速率为60r/min，直至物理发泡剂发泡完毕。
4)将称取的化学发泡剂加入到步骤3)所得泡沫混凝土中搅拌均匀，搅拌速率为50r/min，搅拌时间30s，将拌合均匀后的泡沫混凝土注入型模，静置脱模，即得本发明所述轻质透水混凝土人行路面砖。
本实施例中，制备的轻质透水混凝土人行路面砖绝干密度为600kg/m3，28d抗压强度为2.3mpa，透水系数为1.4mm/s，保水性2.8g/cm2。
实施例4
一种轻质透水混凝土人行路面砖，所述碱性激发剂由水玻璃(模数为1.5)和熟石膏按质量比4:1调拌而成，泛碱抑制剂由5a沸石、钙基膨润土和硅藻土按质量比5:2:3调拌而成，物理发泡剂为shg、saes和sds按质量比6:2:2调拌而成，并且使用前须将按比例称取的物理发泡剂复合粉配成浓度为0.3％的发泡剂溶液待用；称取的陶砂需润湿达到饱和面干状态。
本实施例轻质透水混凝土人行路面砖的制备过程如下：
1)原料称取，各原料所占质量百分比为：磨细矿渣25％、水泥10％、粉煤灰5％、陶砂22％、碱性激发剂3％、泛碱抑制剂4％、物理发泡剂0.2％、化学发泡剂3％、二氧化锰2％、碳酸钾4％、减水剂1％、水20.8％。
2)将磨细矿渣、水泥、粉煤灰、陶砂、碱性激发剂、泛碱抑制剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂和水置于搅拌锅中搅拌均匀，得均匀浆料，搅拌速率为100r/min。
3)将物理发泡剂溶液采用压缩空气法发泡，在发泡过程中直接将泡沫注入所得均匀浆料中搅拌均匀，搅拌速率为70r/min，直至物理发泡剂发泡完毕。
4)将称取的化学发泡剂加入到步骤3)所得泡沫混凝土中搅拌均匀，搅拌速率为40r/min，搅拌时间30s，将拌合均匀后的泡沫混凝土注入型模，静置脱模，即得本发明所述轻质透水混凝土人行路面砖。
本实施例中，制备的轻质透水混凝土人行路面砖绝干密度为800kg/m3，28d抗压强度为3.2mpa，透水系数为1.1mm/s，保水性2.2g/cm2。
为了突出本发明的创新性，特将上述实施例1进行了对比分析。
对比例1
本对比例中未添加物理发泡剂，其余各关键组分的用量与实施例1保持一致，物理发泡剂的用量用水代替。
本对比例轻质透水混凝土人行路面砖的制备过程如下：
1)原料称取，各原料所占质量百分比为：磨细矿渣25％、水泥10％、粉煤灰10％、陶砂15％、江砂5％、碱性激发剂2％、泛碱抑制剂5％、化学发泡剂2％、二氧化锰1％、碳酸钾4％、减水剂1％、水20％。
2)将磨细矿渣、水泥、粉煤灰、陶砂、江砂、碱性激发剂、泛碱抑制剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂和水置于搅拌锅中搅拌均匀，得均匀浆料，搅拌速率为150r/min。
3)将称取的化学发泡剂加入到步骤2)所得浆料中搅拌均匀，搅拌速率为50r/min，搅拌时间30s，将拌合均匀后的混凝土注入型模，静置脱模。
本对比例中，制备的轻质透水混凝土人行路面砖绝干密度为1580kg/m3，28d抗压强度为17.6mpa，透水系数为0mm/s，保水性0.3g/m2。
对比例2
本对比例中物理发泡剂是以粉体的形式掺入到胶凝材料中，即未通过压缩空气法发泡，而是通过搅拌发泡。各组分用量与实施例1保持一致。
本对比例轻质透水混凝土人行路面砖的制备过程如下：
1)原料称取，各原料所占质量百分比为：磨细矿渣25％、水泥10％、粉煤灰10％、陶砂15％、江砂5％、碱性激发剂2％、泛碱抑制剂5％、物理发泡剂0.2％、化学发泡剂2％、二氧化锰1％、碳酸钾4％、减水剂1％、水19.8％。
2)将磨细矿渣、水泥、粉煤灰、陶砂、江砂、物理发泡剂、碱性激发剂、泛碱抑制剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂和水置于搅拌锅中搅拌均匀，得泡沫混凝土浆料，搅拌速率为150r/min。
3)将称取的化学发泡剂加入到步骤2)所得泡沫混凝土中搅拌均匀，搅拌速率为50r/min，搅拌时间30s，将拌合均匀后的泡沫混凝土注入型模，静置脱模。
本对比例中，制备的轻质透水混凝土人行路面砖绝干密度为1230kg/m3，28d抗压强度为13.4mpa，透水系数为0.73mm/s，保水性1.0g/cm2。
对比例3
本对比例中先加入化学发泡剂，再加入物理发泡剂，即调换二者的加入顺序。各组分用量与实施例1保持一致。
本对比例轻质透水混凝土人行路面砖的制备过程如下：
1)原料称取，各原料所占质量百分比为：磨细矿渣25％、水泥10％、粉煤灰10％、陶砂15％、江砂5％、碱性激发剂2％、泛碱抑制剂5％、物理发泡剂0.2％、化学发泡剂2％、二氧化锰1％、碳酸钾4％、减水剂1％、水19.8％。
2)将磨细矿渣、水泥、粉煤灰、陶砂、江砂、碱性激发剂、泛碱抑制剂、二氧化锰、碳酸钾、减水剂和水置于搅拌锅中搅拌均匀，得均匀浆料，搅拌速率为150r/min。
3)将称取的化学发泡剂加入到步骤2)所得料浆中搅拌均匀，搅拌速率为50r/min，搅拌时间30s。
4)将物理发泡剂(shg)溶液采用压缩空气法发泡，在发泡过程中直接将泡沫注入步骤3)所得浆料中搅拌均匀，搅拌速率为60r/min，直至物理发泡剂发泡完毕。将拌合均匀后的泡沫混凝土注入型模，静置脱模。
本对比例中，制备的轻质透水混凝土人行路面砖绝干密度为1050kg/m3，28d抗压强度为12.1mpa，透水系数为0.87mm/s，保水性1.4g/cm2。
从对比例1～3可以看出：①当不加入物理发泡剂时(对比例1)，砖体的绝干密度远远大于实施例1，并且砖体内部几乎无连通孔，具体表现为砖体的透水系数为0(几乎不透水)，保水性极差。②当物理发泡剂以粉体的形式加入到浆料中时(对比例2)，由于此时物理发泡剂的发泡效率远低于空气压缩法发泡，砖体的绝干密度明显大于实施例1，且砖体的透水性及保水性变差。③当调换物理发泡和化学发泡的顺序后(对比例3)，虽然对砖体的绝干密度影响不大，但显著影响了砖体的连通孔率，具体表现为砖体的透水系数和保水性明显减小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。