本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种白泥基透水砖及其制备方法。
背景技术
全球范围内，随着铝土矿资源的日益减少和对铝材料需求的增长，从粉煤灰中提取氧化铝的技术日渐被关注。神华准能资源综合开发有限公司利用“一步酸溶法”技术实现了从粉煤灰中提取氧化铝，对中国这样一个粉煤灰排放大国而言，有着重大而深远的意义，粉煤灰提铝的工业化前景不言而喻。伴随酸溶法提铝工艺的环境问题日益凸显，粉煤灰酸法提取氧化铝残渣(白泥)的性状为酸性污泥，具有环境危害性，其妥善处理是酸溶法提铝这一技术应用中必须解决的现实问题，为解决这一环保问题，实现白泥资源高效综合利用，对白泥的深度加工利用迫在眉睫。
透水砖是一种内部具有大量连通孔隙的路面砖，由于其具有很高的孔隙率，降水可以通过本身与地下铺垫层相通的渗水路径渗入下部土壤，对于地下水资源的补充具有重要的作用；另外，透水砖能通过自身性能接近天然草坪和土壤地面的生态优势，减轻城市硬化地面对大自然的破坏程度，可以提高土壤的透水、透气性，改善地面植物的生长环境，调整生态平衡；同时，透水砖及下部土壤中丰富的微生物可以针对雨水中的有机杂质进行生物净化，可以保证渗透雨水的清洁要求，使地下动植物及微生物的生存空间得到有效保护；而且透水砖的多孔性，可以保证大地与大气之间水气和热能的交换，能够减小城市的“热岛效应”。
目前，常见的路面透水砖主要包括烧结型的陶瓷类透水砖、聚合物类透水砖和水泥透水砖，烧结型陶瓷透水砖存在成本高、能耗大、排放温室气体等问题；聚合物类透水砖成本较高，且添加树脂类材料等有机物质作为粘结剂，经过长时间的日晒雨淋，会发生老化，不仅影响性能，而且污染环境；水泥基透水砖需要加压成型，工艺流程较为复杂。因此，现在亟需一种具有高强度、高透水性、抗冻、抗老化，且无需加压成型，的低成本透水砖。
技术实现要素：
为弥补现有技术中存在的不足，本发明提供一种白泥基透水砖，以及上述白泥基透水砖的制备方法。
为了实现上述的一个发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明第一方面提供了一种白泥基透水砖，所述透水砖包含透水砖基层和透水砖饰面层，所述透水砖基层由包含骨料a、胶凝材料a和水的原料制得，所述胶凝材料a包含白泥、水泥、粉煤灰、矿渣和偏高岭土，所述白泥在所述胶凝材料a中的质量分数为50％-60％；所述骨料a为粒径2.36-9.5mm的碎石；
所述透水砖饰面层由包含骨料b、胶凝材料b和水，所述胶凝材料b包含白泥、水泥、粉煤灰和矿渣，所述白泥在所述胶凝材料b中的质量分数为50％-60％；所述骨料b为粒径1-2mm的河砂。
优选地，白泥在所述胶凝材料a或胶凝材料b中的质量分数优选为52-56％，比如，55％。
本发明中采用了粉煤灰酸法提取的氧化铝残渣白泥作为胶凝材料中的原料之一，白泥为粒径细小的粉体，其中非晶态物质的含量大于90％，其颗粒表面存在多种活性反应位点，比如-oh、-si-o-。高的化学活性是白泥与其他组分之间发生化学反应作为胶凝材料的基础。
所述白泥为本领域所熟知，为粉煤灰“一步酸溶法”提取氧化铝后剩余的高硅尾渣，由于经过粉碎和酸溶，活性高、并且比表面积大。粉煤灰“一步酸溶法”提取氧化铝的工艺可以参见专利文献cn102145905a，其通过引用的方式并入到本申请中。具体地，所述白泥的制备方法包括以下步骤：
1)、粉煤灰磁选除铁:粉煤灰经粉碎达到100目以下，加水配成固含量为20-40wt％的浆料，在立环式磁选机上进行磁选，磁选场强1.0-2.0万gs；磁选后的浆料经固液分离后得到固含量为25-50wt％的滤饼；
2)、酸溶：将磁选后的滤饼置于耐酸反应釜中进行盐酸酸溶，盐酸浓度为20-35wt％，盐酸中hcl与粉煤灰中氧化铝的摩尔比为4：1-9：1，溶出温度为100℃-200℃，溶出压力0.1-2.5mpa，溶出时间为0.5h-4h；优选地，盐酸浓度为20-30wt％，盐酸中hcl与粉煤灰中氧化铝的摩尔比为4.5：1-9：1，溶出温度为130℃-150℃，溶出压力0.3-1.0mpa，溶出时间为1.5h-2.5h；酸溶后产物经固液分离、干燥，得到所述白泥。
根据本发明提供的白泥基透水砖，优选地，所述白泥包括60-70wt％的sio2、10-25wt％的al2o3、1-4wt％的tio2、1-4wt％的mgo和2-6wt％的cao，所述sio2、al2o3、tio2、mgo、cao的质量之和占白泥总量的97wt％以上，余量为杂质，这里其它物质为白泥中不可避免的杂质，比如：极少量的氧化锆、氧化锶和氧化磷等，经发明人研究，这些余量的杂质并不会影响白泥作为本发明添加剂的使用。进一步优选地，所述白泥包括62-68wt％的sio2、14-21wt％的al2o3、1.5-3.5wt％的tio2、1.5-3.5wt％的mgo和3-5.5wt％的cao，所述sio2、al2o3、tio2、mgo、cao的质量之和占白泥总量的98wt％以上。
白泥为无定形活性粉体材料，其粗糙表面及细小微粒形态在用作透水砖胶凝材料组分时，胶凝材料a或b中的水泥在水化过程中所提供的碱性条件下能够激发形成高强度凝胶体，有利于高强度、高耐久性能透水砖的制备。白泥作为酸性污泥，内部残存有hcl，水泥水化过程为放热反应，所提供的热量促使残存的hcl挥发形成一定气孔，增大胶凝材料孔隙率，有利于提高透水砖的透水能力。
优选地，以胶凝材料b的质量为计，水泥的质量分数为10％-25％，粉煤灰的质量分数为3％-15％，矿渣的质量分数为0-37％；进一步优选地，水泥的质量分数为20％-25％，比如，22％、24％；粉煤灰的质量分数为3％-10％，比如，5％、8％；矿渣的的质量分数为10％-25％，比如，13％、15％。
所述矿渣为粒化高炉矿渣，例如，包头钢铁(集团)有限责任公司生产的s95级粒化高炉矿渣，其组成成分包括：sio2占32％-37％，al2o3占11％-15％，cao占33％-40％。
本发明中，当某组分的质量分数为0％，即表示不含该组分。例如，当矿渣的质量分数为0％时，制备得到的透水砖强度与透水性能已经可以达到国家标准要求，更节省成本。
优选地，以胶凝材料a的质量为计，水泥的质量分数为10％-25％，粉煤灰的质量分数为3％-15％，矿渣的质量分数为0-37％，偏高岭土的质量分数为0-12％；进一步优选地，水泥的质量分数为20-25％，比如，22％、24％；粉煤灰的质量分数为3％-10％，比如，5％、8％；矿渣的质量分数为0％-15％，比如，7％、9％；偏高岭土的质量分数为8％-10％，比如，9％。
在本发明提供的透水砖中作为胶凝材料一部分的偏高岭土，如本领域技术人员所熟知，偏高岭土具有火山灰活性；同时，粉煤灰中存在的部分微细矿物质粉料也能起到微集料填充作用，增强透水砖强度及耐久性能。本发明中采用的偏高岭土可以采用商购得到，比如：云南天鸿高岭土有限公司生产的偏高岭土，或者，也可以将高岭土经高温煅烧后使用，比如：将高岭土在800℃条件下煅烧2小时后经磨细后得到。
优选地，用于制备所述透水砖基层材料的原料还包含缓凝剂，所述缓凝剂的质量占胶凝材料a的1.2％-1.5％，比如，1.3％；进一步优选地，所述缓凝剂为磷酸、硼砂或磷酸二氢钠中的一种或多种。
优选地，所述骨料a与胶凝材料a的质量之比为4.5-6.0，所述骨料b与胶凝材料b的质量之比为4.5-6.0；进一步优选地，所述骨料a与胶凝材料a的质量之比为4.5-5.5，比如，5.0；进一步优选地，所述骨料b与胶凝材料b的质量之比为4.5-5.5，比如，5.0。
优选地，所述透水砖基层中水的质量与胶凝材料a的质量之比为0.25-0.35，所述透水砖饰面层中水的质量与胶凝材料b的质量之比为0.25-0.35；进一步优选地，透水砖基层中水的质量与胶凝材料a的质量之比为0.25-0.30，比如，0.27，0.29；进一步优选地，透水砖饰面层中水的质量与胶凝材料b的质量之比为0.25-0.30，比如，0.27，0.29。
优选地，所述骨料a包含两种粒径的玄武岩碎石，其中，一种玄武岩碎石的粒径为2.36-4.75mm，进一步优选为2.5-4mm；质量分数为40％-80％，进一步优选为50％-80％，比如，70％；另一种玄武岩碎石的粒径为4.75-9.5mm，进一步优选为5-8mm；质量分数为20％-60％，进一步优选为20％-40％，比如，30％。需要说明的是，包含两种粒径范围的骨料a不同时选取粒径均为4.75mm的玄武岩碎石。
优选地，所述骨料b包含两种粒径的河砂，其中，一种河砂的粒径为1-1.4mm，进一步优选为1-1.18mm；质量分数为0-40％，进一步优选为20％-35％，比如，30％；另一种河砂的粒径为1.4-2mm，进一步优选为1.6-2mm；质量分数为60％-100％，进一步优选为65％-80％，比如，70％。需要说明的是，包含两种粒径范围的骨料b不同时选取粒径均为1.4mm的河砂。
在优选的实施方式中，本发明中胶凝材料的粒径可以采用如下粒径范围的原料：水泥：小于45微米(325目)，矿渣：小于38微米(400目)，粉煤灰：小于38微米(400目)，偏高岭土：小于18微米(800目)。在本发明中胶凝材料的原料粒径越小，其反应活性越高，对应制备出的透水砖强度也越高。
本发明第二方面提供了一种上述白泥基透水砖的制备方法，包括以下步骤：
1)向骨料a中加入胶凝材料a混合搅拌得到固体混合物a，向固体混合物a中加水搅拌，得到透水砖基层原料；
2)将步骤1)所述的透水砖基层原料浇筑至模具中，将模具振平后得到透水砖基层；
3)向骨料b中加入胶凝材料b混合搅拌得到固体混合物b；向所述固体混合物b中加入水搅拌，得到透水砖饰面层原料；
4)将所述透水砖饰面层原料浇筑于步骤2)得到的透水砖基层上，并将表面压实抹平，得到透水砖饰面层；
5)将步骤2)中所述的透水砖基层和步骤4)中所述的透水砖饰面层进行养护、脱模，得到白泥基透水砖。
优选地，向步骤1)的水中加入缓凝剂，所述缓凝剂为磷酸、硼砂、磷酸二氢钠中的一种或多种。选用磷酸作为缓凝剂，与白泥中的残留酸复合，可实现胶凝材料凝结时间适中，既有利于凝结硬化，也便于注模成型，同时不影响透水砖的强度发展。
采用上述的技术方案，具有如下的技术效果：
本发明提出以白泥等工业废弃物为主要原料制备透水砖，既能大量消耗固废、节约资源，变废为宝，起到节能减排的作用，白泥基透水砖开拓了白泥等工业固废综合利用领域新方向，为其它工业废弃物的资源化利用提供借鉴。
以白泥及其他固废为主要原材料制备免烧结透水砖，不添加激发剂及其他有机成分，实现高强度、高透水性、抗冻、抗老化，且无需加压成型，是一种新型低碳、低成本透水砖。利用本发明方法制备得到的白泥基透水砖28天抗压强度为30mpa以上，28天抗折强度为3.0mpa以上，透水系数为3.0×10-2cm/s以上，透水砖50次冻融循环后质量损失率小于2.0％，强度损失率小于8.0％。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容。
下述各例中的白泥基透水砖性能采用以下方法测试：
(1)抗压强度
透水砖的抗压强度测试依照gb/t50107-2010混凝土强度检验评定标准，采用万能试验机测试。
(2)抗折强度
透水砖的抗折强度测试依照标准gb/t25993-2010透水路面砖和透水路面板，采用万能试验机测试。
(3)透水系数
透水砖的透水系数测试依照标准gb/t25993-2010透水路面砖和透水路面板，采用透水系数测定仪测试。
(4)冻融循环后质量损失率、强度损失率
透水砖的抗冻融性能测试依照标准gb/t4111-2013混凝土砌块和砖试验方法，采用万能试验机测试强度，采用称重法测试质量，计算得到冻融循环后质量损失率和强度损失率。
本发明涉及到的其他检测方法均为本领域的熟知技术。
以下结合实施例对本发明的制备方法做进一步详细地说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中所用原料来源或组成说明如下：
水泥：内蒙古蒙西水泥股份有限公司生产，po425型；
磷酸：济宁泰诺化工有限公司生产，试剂级；
矿渣：包头钢铁(集团)有限责任公司生产，粒化高炉矿渣(s95级)；
粉煤灰：内蒙神华准能资源综合开发有限公司生产，ⅱ级；
偏高岭土：云南天鸿高岭土有限公司；
河砂：内蒙准格尔旗缔华商砼有限公司生产；
玄武岩碎石：内蒙准格尔旗缔华商砼有限公司生产。
实施例1
1)将下述两种粒径的玄武岩碎石加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料a；一种是质量为121.6kg，粒径为2.5-4mm的玄武岩碎石，另一种是质量为182.4kg，粒径为4.75-9.5mm的玄武岩碎石；
然后，将质量为33.8kg的白泥，13.5kg的水泥，3.4kg的粉煤灰，10.1kg矿渣，6.8kg的偏高岭土加入到骨料a中并混合搅拌2min得到固体混合物；将0.81kg磷酸加入至23.6kg水中混合搅拌2min得到液体混合物，再将液体混合物加入固体混合物搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(2)将步骤(1)制得的基层原料浇筑于模具中，并预留8-10mm的高度，将模具置于振动台上震动2-3秒，振平，即制成透水砖基层；
(3)将质量为60.8kg，粒径为1.4-2mm的河砂加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料b；
然后，将质量为6.8kg的白泥，2.7kg的水泥，0.7kg的粉煤灰和3.4kg的矿渣加入到骨料b中并混合搅拌2min得到固体混合物；向固体混合物中加入3.4kg的水混合搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(4)将步骤(3)制得的白泥基透水砖的基层原料浇筑于步骤(2)制得的透水砖基层上方，并将表面压实抹平，即制得厚度为8-10mm的饰面层；
(5)将经过步骤(4)得到的透水砖(带模具)置于混凝土标准箱中养护1天，脱模，即制得白泥基透水砖。
实施例2
1)将下述两种粒径的玄武岩碎石加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料a；一种是质量为182.4kg，粒径为2.36-4.75mm的玄武岩碎石，另一种是质量为121.6kg，粒径为5-8mm的玄武岩碎石；
然后，将质量为33.4kg的白泥，15.2kg的水泥，1.8kg的粉煤灰，5.5kg矿渣，4.9kg的偏高岭土加入到骨料a中并混合搅拌2min得到固体混合物；将0.9kg的磷酸加入至18.2kg水中混合搅拌2min得到液体混合物，再将液体混合物加入固体混合物搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(2)将步骤(1)制得的基层原料浇筑于模具中，并预留8-10mm的高度，将模具置于振动台上震动2-3秒，振平，即制成透水砖基层；
(3)将下述两种粒径的河砂加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料b；一种是质量为12.2kg，粒径为1-1.18mm的河砂，另一种是质量为48.6kg，粒径为1.4-2mm的河砂，得到骨料b；
然后，将质量为6.8kg的白泥，2.7kg的水泥，0.7kg的粉煤灰和3.4kg的矿渣加入到骨料b中并混合搅拌2min得到固体混合物；向固体混合物中加入3.4kg的水混合搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(4)将步骤(3)制得的白泥基透水砖的基层原料浇筑于步骤(2)制得的透水砖基层上方，并将表面压实抹平，即制得厚度为8-10mm的饰面层；
(5)将经过步骤(4)得到的透水砖(带模具)置于混凝土标准箱中养护1天，脱模，即制得白泥基透水砖。
实施例3
1)将下述两种粒径的玄武岩碎石加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料a；一种是质量为243.2kg，粒径为2.36-4mm的玄武岩碎石，另一种是质量为60.8kg，粒径为4.75-9.5mm的玄武岩碎石；
然后，将质量为33.2kg的白泥，11.1kg的水泥，2.8kg的粉煤灰，3.9kg矿渣，4.4kg的偏高岭土加入到骨料a中并混合搅拌2min得到固体混合物；将0.7kg的磷酸加入至13.9kg水中混合搅拌2min得到液体混合物，再将液体混合物加入固体混合物搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(2)将步骤(1)制得的基层原料浇筑于模具中，并预留8-10mm的高度，将模具置于振动台上震动2-3秒，振平，即制成透水砖基层；
(3)将下述两种粒径的河砂加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料b；一种是质量为24.3kg，粒径为1-1.4mm的河砂，另一种是质量为36.5kg，粒径为1.6-2mm的河砂，得到骨料b；
然后，将质量为6.7kg的白泥，2.2kg的水泥，0.6kg的粉煤灰和1.7kg的矿渣加入到骨料b中并混合搅拌2min得到固体混合物；向固体混合物中加入2.8kg的水混合搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(4)将步骤(3)制得的白泥基透水砖的基层原料浇筑于步骤(2)制得的透水砖基层上方，并将表面压实抹平，即制得厚度为8-10mm的饰面层；
(5)将经过步骤(4)得到的透水砖(带模具)置于混凝土标准箱中养护1天，脱模，即制得白泥基透水砖。
实施例4
1)将下述两种粒径的玄武岩碎石加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料a；一种是质量为243.2kg，粒径为2.5-4mm的玄武岩碎石，另一种是质量为60.8kg，粒径为5-8mm的玄武岩碎石；
然后，将质量为27.9kg的白泥，12.7kg的水泥，5.1kg的粉煤灰和5.1kg的偏高岭土加入到骨料a中并混合搅拌2min得到固体混合物；将0.7kg的磷酸加入至12.7kg水中混合搅拌2min得到液体混合物，再将液体混合物加入固体混合物搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(2)将步骤(1)制得的基层原料浇筑于模具中，并预留8-10mm的高度，将模具置于振动台上震动2-3秒，振平，即制成透水砖基层；
(3)将下述两种粒径的河砂加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料b；一种是质量为24.3kg，粒径为1-1.4mm的河砂，另一种是质量为36.5kg，粒径为1.6-2mm的河砂，得到骨料b；
然后，将质量为5.5kg的白泥，2.5kg的水泥，1.0kg的粉煤灰和1.0kg的矿渣加入到骨料b中并混合搅拌2min得到固体混合物；向固体混合物中加入2.5kg的水混合搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(4)将步骤(3)制得的白泥基透水砖的基层原料浇筑于步骤(2)制得的透水砖基层上方，并将表面压实抹平，即制得厚度为8-10mm的饰面层；
(5)将经过步骤(4)得到的透水砖(带模具)置于混凝土标准箱中养护1天，脱模，即制得白泥基透水砖。
实施例5
1)将下述两种粒径的玄武岩碎石加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料a；一种是质量为243.2kg，粒径为2.36-4.75mm的玄武岩碎石，另一种是质量为60.8kg，粒径为8-9.5mm的玄武岩碎石；
然后，将质量为27.9kg的白泥，12.7kg的水泥，5.1kg的粉煤灰和5.1kg的偏高岭土加入到骨料a中并混合搅拌2min得到固体混合物；并向固体混合物中加入12.7kg的水后搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(2)将步骤(1)制得的基层原料浇筑于模具中，并预留8-10mm的高度，将模具置于振动台上震动2-3秒，振平，即制成透水砖基层；
(3)将下述两种粒径的河砂加入至混凝土搅拌机中搅拌混合1min，得到骨料b；一种是质量为24.3kg，粒径为1-1.18mm的河砂，另一种是质量为36.5kg，粒径为1.4-2mm的河砂，得到骨料b；
然后，将质量为5.5kg的白泥，2.5kg的水泥，1.0kg的粉煤灰和1.0kg的矿渣加入到骨料b中并混合搅拌2min得到固体混合物；向固体混合物中加入2.5kg的水混合搅拌3min，即得到制备白泥基透水砖的基层原料；
(4)将步骤(3)制得的白泥基透水砖的基层原料浇筑于步骤(2)制得的透水砖基层上方，并将表面压实抹平，即制得厚度为8-10mm的饰面层；
(5)将经过步骤(4)得到的透水砖(带模具)置于混凝土标准箱中养护1天，脱模，即制得白泥基透水砖。
将实施例1-5中制得白泥基透水砖进行性能测测试，测试结果如表1所示；
表1
从上表中的数据中可以看出，本发明制备得到的白泥基透水砖，无需烧结、能耗低、无需压力成型、工艺简单，可大量消耗白泥、粉煤灰、矿渣等固体废弃物，不添加有机成分，抗老化性能好，是一种低碳环保型透水砖。其28天的抗压强度在30mpa以上，28天抗折强度为3.0mpa以上，透水系数为3.0×10-2cm/s以上，透水砖50次冻融循环后质量损失率小于2.0％，强度损失率小于8.0％。