本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种水泥结合透水路面砖及其制备方法。
背景技术：
透水砖按生产工艺可分为烧结型透水砖和免烧型透水砖两大类，烧结型透水砖虽然强度高、耐磨性好，但是生产工艺复杂，需要高温煅烧，资源能源消耗大，售价高达200多元/m2。免烧型透水砖分为树脂结合透水砖和水泥结合透水砖两种基本类型，相对于树脂结合透水砖而言，水泥结合透水砖不使用有机聚合物，生产成本和环保性能更具优势，但水泥结合透水砖存在后期强度倒缩的问题，一定程度上限制了该类透水砖的推广应用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种水泥结合透水路面砖及其制备方法，本发明以钢渣作为掺合料和骨料，还通过级配设计，降低水泥结合透水路面砖的孔隙，改善水泥结合透水路面砖后期强度倒缩的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种水泥结合透水路面砖，由包括以下质量份的原料制备得到：胶凝材料14～22份、骨料74～82份、水4～6份和外加剂，所述外加剂占胶凝材料质量的0.5～2％；
以质量含量计，所述胶凝材料包括钢渣粉20～40％、矿渣粉30～50％和余量的水泥；
所述骨料包括细钢渣和粗钢渣；所述细钢渣的粒径为[2.36mm，4.75mm]，所述粗钢渣的粒径为(4.75mm，16mm]。
优选的，所述胶凝材料中，钢渣粉的比表面积为350～450m2/kg，矿渣粉的比表面积为400～500m2/kg。
优选的，所述外加剂包括聚羧酸盐高效减水剂。
优选的，水与胶凝材料的质量比为0.19～0.42：1。
优选的，所述水泥结合透水路面砖的孔隙率为11.9～15.6％，透水系数为7.6×10-2～13.2×10-2cm/s。
本发明提供了上述技术方案所述水泥结合透水路面砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)将胶凝材料和骨料混合，得到干混料；
(2)将所述步骤(1)得到的干混料与外加剂和部分水混合，得到湿混料；
(3)将步骤(2)得到的湿混料与剩余水混合，所得混合物料依次进行浇筑、振动加压成型和养护，得到水泥结合透水路面砖。
优选的，所述步骤(2)中部分水占水总质量的80～85％。
优选的，所述步骤(3)中振动加压成型的频率为50±5hz，振幅为0.45～0.55mm。
优选的，所述步骤(3)中振动加压成型的压强为(4～10)×103pa，保压时间为5～10s。
优选的，所述步骤(3)中养护的温度为18～22℃，湿度为85～95％，时间为7～28天。
本发明利用钢渣作为胶凝材料和骨料，改善胶凝材料与骨料之间的粘结性能，使二者融为一体，结构更致密，可有效降低水泥结合透水路面砖的孔隙，改善水泥结合透水路面砖后期强度倒缩的问题。实施例结果表明，利用上述材料制备得到的水泥结合透水路面砖在28天的劈裂抗拉强度达到3.1mpa以上，且透水性能较好。
具体实施方式
本发明提供了一种水泥结合透水路面砖，由包括以下质量份的原料制备得到：胶凝材料14～22份、骨料74～82份、水4～6份和外加剂，所述外加剂占胶凝材料质量的0.5～2％；
以质量含量计，所述胶凝材料包括钢渣粉20～40％、矿渣粉30～50％和余量的水泥；
所述骨料包括细钢渣和粗钢渣，所述细钢渣的粒径为[2.36mm，4.75]mm，所述粗钢渣的粒径为(4.75mm，16mm]。
以质量份计，本发明提供的水泥结合透水路面砖的制备原料包括胶凝材料14～22份，优选为15～20份，再优选为17～19份。以质量含量计，所述胶凝材料包括钢渣粉20～40％、矿渣粉30～50％和余量的水泥。
在本发明中，所述胶凝材料中钢渣粉的含量为20～40％，优选为22～37％，再优选为24～35％，更优选为25～32％；所述钢渣粉的比表面积优选为350～450m2/kg，更优选为375～425m2/kg，再优选为385～415m2/kg。本发明对所述钢渣粉的来源没有特殊要求，优选采用转炉热闷钢渣，以消除钢渣安定性的影响。
在本发明中，所述胶凝材料中矿渣粉的含量为30～50％，优选为35～45％，再优选为37～43，更优选为40％；所述矿渣粉的比表面积优选为400～500m2/kg，再优选为415～485m2/kg，更优选为425～475m2/kg。本发明对所述矿渣粉的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的固体废弃料即可。
在本发明中，所述胶凝材料还包括水泥；所述水泥优选为强度不低于po42.5的水泥。本发明对所述水泥的含量没有特殊要求，能使胶凝材料中各组分的质量含量总和达到100％即可。
本发明将钢渣粉、矿渣粉取代部分水泥，形成复合胶凝材料，提高胶凝材料与骨料的结合力，进而改善透水路面砖的强度性能；而且，钢渣粉的使用，降低了矿渣粉和水泥的用量，有利于降低透水路面砖的生产成本。
以所述质量份的胶凝材料为基准，本发明所述水泥结合透水路面砖的制备原料包括骨料74～82份，优选为75～80份，再优选为76～78份。在本发明中，所述骨料包括细钢渣和粗钢渣，所述细钢渣的粒径为[2.36mm，4.75mm]，优选为[2.40mm，4.50mm]，再优选为[2.50mm，4.25mm]；所述粗钢渣的粒径为(4.75mm，16mm]，优选为[4.80mm，15mm]，再优选为[5mm，13mm]，更优选为[7mm，10mm]。在本发明中，所述细钢渣的质量优选为骨料质量的15～25％，再优选为17～23％，更优选为18～21％。本发明对骨料的来源没有特殊要求，优选采用转炉热闷钢渣。
本发明利用级配钢渣为骨料，减少骨料的孔隙，且能与胶凝材料相容，提高骨料与胶凝材料之间的结合强度，对提高水泥结合透水路面砖强度性能有利。
以所述质量份的胶凝材料为基准，本发明所述水泥结合透水路面砖的制备原料包括外加剂，所述外加剂的用量占胶凝材料质量的0.5～2％，优选为0.7～1.8％，再优选为0.9～1.5％。在本发明中，所述外加剂优选包括聚羧酸盐高效减水剂，所述聚羧酸盐高效减水剂的减水率30％以上，抗压强度比110％以上。在本发明中，所述外加剂优选西卡公司的市售产品。
以所述质量份的胶凝材料为基准，本发明所述水泥结合透水路面砖的制备原料还包括水4～6份。水胶比以水和胶凝材料的质量比计，本发明所述水胶比优选为0.19～0.42，更优选为0.20～0.40，再优选为0.22～0.37，最优选为0.25～0.30。
本发明以上述原料制备得到的水泥结合透水路面砖具有优异的孔隙结构、透水性能和强度性能；水泥结合透水路面砖的有效孔隙率为11.9～15.6％，透水系数为7.6×10-2～13.2×10-2cm/s，7天抗拉强度达到2.2mpa以上，28天劈裂抗拉强度达到3.1mpa以上。
本发明还提供了上述技术方案所述水泥结合透水路面砖的制备方法，包括以下步骤：
(1)将胶凝材料和骨料混合，得到干混料；
(2)将所述步骤(1)得到的干混料与外加剂和部分水混合，得到湿混料；
(3)将步骤(2)得到的湿混料与剩余水混合，所得混合物料依次进行浇筑、振动加压成型和养护，得到水泥结合透水路面砖。
本发明将胶凝材料和骨料混合，得到干混料。在本发明中，所述胶凝材料优选将钢渣粉和矿渣粉混合均匀，然后再与水泥混合均匀。本发明对所述胶凝材料与骨料的混合方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式。在本发明实施例中，上述混合优选在搅拌机中进行。
得到干混料后，本发明将所述干混料与外加剂和部分水混合，得到湿混料。在本发明中，所述外加剂和部分水优选同时添加至干混料中，添加时，优选在搅拌条件下进行。本发明对所述搅拌的具体实施方式没有特殊要求，能使各组分均匀混合即可。在本发明中，所述部分水优选来自于水泥结合透水路面砖制备原料中的水，所述部分水优选占水总量的80～85％，更优选为81～84％，再优选为82～83％。
得到湿混料后，本发明将所述湿混料与剩余水混合，所得混合物料依次进行浇筑、振动加压成型和养护，得到水泥结合透水路面砖。在本发明中，所述剩余水的用量与部分水的质量总和与制备原料中水的质量一致。本发明对所述混合物料的浇筑方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。本发明优选将制备原料中的水分两次添加，即可保证物料之间混合的均匀性，还能保证浇筑料的浇筑性能，改善浇筑料的成型性能，同时使所得水泥结合透水路面砖同时具有较高的强度性能和透水性能。
浇筑后，本发明将浇筑后的物料进行振动加压成型。在本发明中，所述振动加压成型的压强优选为(4～10)×103pa，再优选为(4.5～8)×103pa；保压时间优选为5～10s，再优选为6～9s，更优选为7～8s；频率优选为50±5hz，再优选为50±3hz，更优选为50hz；振幅优选为0.45～0.55mm，再优选为0.47～0.53mm，更优选为0.48～0.52mm，最优选为0.50mm。本发明优选在上述条件下进行成型，可在保证水泥结合透水路面砖孔隙率的基础上，提高水泥结合透水路面砖的强度性能。
振动加压成型后，本发明对成型物料进行养护，得到水泥结合透水路面砖。在本发明中，所述养护的温度优选为18～22℃，再优选为19～21℃；湿度优选为85～95％，再优选为88～92％；时间优选为7～28天。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种水泥结合透水路面砖及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
以质量份计，胶凝材料、骨料和水的用量：19.0份、76.4份和4.6份；其中，
胶凝材料质量百分比为：po42.5r水泥40％，勃氏比表面积为400m2/kg的钢渣粉20％，矿渣粉40％，其中矿渣粉通过立磨制备，立磨矿渣粉性能满足gb/t18046-2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准中s95级技术要求；
骨料为细钢渣(粒径[2.36mm～4.75mm])占20％，粗钢渣(粒径(4.75mm～16mm])占80％；
外加剂为西卡es-500wh早强型聚羧酸盐高效减水剂，减水率35％，抗压强度比120％，掺量为胶凝材料质量的1.25％。
将钢渣粉和矿渣粉混合均匀得到复合掺合料，该掺合料再与水泥混合，即得胶凝材料；将骨料倒入搅拌机搅拌均匀，再将胶凝材料倒入搅拌机，干拌至均匀；在搅拌过程中加入大部分水和全部外加剂，用剩余水(约1/6)调整拌合物工作状态，以拌和物均匀，且出现亮面为准；将拌和物加入模中，置于振动台上成型，振动条件：振动频率(50±3)hz、振幅(0.45～0.55)mm，料层表面加压4×103pa，保压时间为6s；在温度20±2℃，湿度90±5％的条件下养护至规定龄期，得到厚度为60mm的水泥结合透水路面砖。
需要说明的是，水泥透水路面砖成型时，设备运行过程中，振动频率和振幅会存在一定浮动，因此，以范围值表示频率和振幅参数。
实施例2
胶凝材料、骨料和水的质量份数分别为：16.5份、79.5份和4.0份；其中，胶凝材料组成为：po42.5r水泥40％，钢渣粉20％，矿渣粉40％；
骨料组成为：细骨料占15％，粗骨料占85％；细骨料和粗骨料的粒径同实施例1；
外加剂同实施1，掺量为胶凝材料质量的1.25％。
将钢渣粉和矿渣粉混合均匀得到复合掺合料，该掺合料与水泥混合，即得胶凝材料。
将骨料倒入搅拌机搅拌均匀，再将胶凝材料倒入干拌至均匀；在搅拌过程中加入大部分水和全部外加剂，用剩余水(约1/6)调整拌合物工作状态，以拌和物均匀，且出现亮面为准；将新拌和物加入模中，置于振动台上成型，振动条件：振动频率(50±3)hz、振幅(0.45～0.55)mm，料层表面加压5×103pa，保压时间为8s；在温度20±2℃，湿度90±5％的条件下养护至规定龄期，得到厚度为60mm的水泥结合透水路面砖。
实施例3
胶凝材料、骨料和水的用量分别为：14.5份、82.0份和3.5份；其中，胶凝材料组成为：po42.5r水泥40％，钢渣粉20％，矿渣粉40％；
骨料组成为：细骨料15％，粗骨料占85％；细骨料和粗骨料的粒径同实施例1；
外加剂同实施例1，掺量为胶凝材料质量的1.25％。
将钢渣粉和矿渣粉混合均匀得到复合掺合料，该掺合料与水泥混合，即得胶凝材料。
将骨料倒入搅拌机搅拌均匀，再将胶凝材料倒入干拌至均匀；在搅拌过程中加入大部分水和全部外加剂，用剩余水(约1/6)调整拌合物工作状态，以拌和物均匀，且出现亮面为准；将新拌和物加入模中，置于振动台上成型，振动条件：振动频率(50±3)hz、振幅(0.45～0.55)mm；料层表面加压4×103pa，保压时间为8s；在温度20±2℃，湿度90±5％的条件下养护至规定龄期，得到厚度为60mm的水泥结合透水路面砖。
依据gb/t25993-2010《透水路面砖和透水路面板》标准，对实施例1～3所得水泥结合透水路面砖的性能进行测试，结果见表1。
表1实施例1～3水泥结合透水路面砖性能测试结果
由表1测试结果可知，本发明通过调整配合比参数，可以制备出不同级别的水泥结合透水路面砖，水泥结合透水路面砖的7天抗压强度在2.2mpa以上，28天抗拉强度达到3.1mpa以上，解决了水泥结合透水路面砖后期抗拉强度倒缩的问题。
由上述实施例可知，本发明利用钢渣骨料自身具有的胶凝活性改善其与硬化浆体界面过渡区粘结性能，使二者融为一体，结构更致密，解决了水泥水泥结合透水路面砖后期强度倒缩的问题，得到了强度和透水系数较高的水泥结合透水路面砖。
此外，由于钢渣掺量高达80％以上，降低了水泥和天然骨料的用量，具有显著的社会效益和环境效益；同时可显著提高冶金工业固废资源化利用水平；利用本发明提供的方案制备的水泥结合透水路面砖具有强度高、耐磨性好，生产成本低等优点。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。