一种净水型透水砖及其制备方法与流程

本发明涉及透水砖制备技术领域，具体涉及一种净水型透水砖及其制备方法。

背景技术：

随着城市化进程的快速发展，我国城市环境问题越来越受到关注，其中城市水环境问题尤为突出，严重影响了我国城市的可持续发展。造成城市水环境污染的主要原因之一是城市面源污染。城市面源污染是指在降雨情况下，城市地面形成的降雨径流，冲刷污染物，使受纳水体受降雨径流污染引起的环境问题。同时，不透水地面的面积比例急剧增大导致雨水下渗减少，径流大幅增加，导致城市内涝风险增大。另一方面，雨水的快速流失也加重了国内部分水资源匮乏城市雨水利用的困难。这些问题的出现，催生了“海绵城市”概念的产生。

“海绵城市”是指城市能像海绵一样，在适应环境变化及应对自然灾害等方面拥有良好的“弹性”，下雨时能吸水、蓄水、渗水、净水，需要时再将蓄存的水“释放”并利用。其本质是利用“渗、滞、蓄、净、用、排”等手段措施对城市降雨径流进行水量控制、峰值削减、污染削减和资源化利用。

透水砖是海绵城市建设的重要材料之一，主要用于各类人行道，如公园、绿化景观、市政道路、小区、学校、商业广场、机动车停车场等的人行道。透水砖是以无机非金属材料为主要原料，经成型等工艺处理后制成，具有较大水渗透性能的铺地砖。透水砖在具备一定的透水性的同时，还应具备良好的防滑功能和装饰效果，透水地面的透水性取决于砖体透水和砖缝透水两种，在实际使用过程中还应考虑其透气性、防滑性和装饰效果。

现有的海绵城市透水砖还存在着一些不足的地方，例如：现有的海绵城市透水砖使用过程中的减水性和黏性比较差，透水砖在使用时的出现容易松散的现象，提高了透水砖在使用时出现的损坏机率，缩短了透水砖使用时的寿命，减弱了透水砖使用过程中坍落度保持性。

近年来，国内外对透水砖做了大量的研究。cn110885210a公开了一种海绵城市透水砖及其施工工艺，该专利提供的透水砖包括以下原料及其重量分数：混凝土助剂为5-15质量份；粗沙石为40-60质量份；细沙石为30-50质量份；改色涂料为10-30质量份；水泥15-25质量份；网格布长为30-60cm。cn110981300a公开了一种再生骨料透水砖，包括基层结构和面层结构，基层结构占透水砖整体厚度比例的91％，面层结构占透水砖的厚度的9％；基层结构按照质量百分比计，由旧道路混凝土层破除废弃物再生骨料50-60％、水泥5-10％、土凝岩dht5-10％、水5-15％、砂子20-30％和含量1％的复合增强剂a构成；面层结构按质量百分比计为：由胶结增强剂b1-5％，热反射材料3-5％，石英砂10-20％，水泥50-60％和水10-30％构成。国内透水砖的性能指标均在一定程度上有较强透水性和抗压性的作用，但对初期雨水等地表径流水质净化的作用明显不足，尤其是对氮和磷的去除作用很小。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种净水型透水砖及其制备方法，能高效去除水中污染物，可同步脱氮除磷。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种净水型透水砖，包括以下重量份组分：粉煤灰35～45份，大颗粒骨料95～125份，石膏10～15份，粉剂聚合氯化铝15～20份，水泥35～46份，铝粉0.3～0.5份，钢纤维0.1～0.3份，纳米二氧化钛涂料5～10份，水15～30份；所述的大颗粒骨料包括以下重量份组分：粗砂40～55份，沸石25～35份，颗粒活性炭25～35份。

所述的骨料粒径为5～20mm，为透水砖内产生空隙奠定基础，其中，颗粒活性炭粒径为5mm～15mm，能吸附雨水中的污染物以净化水质，沸石对氨氮有很强的吸附作用。

所述的粉剂聚合氯化铝中al2o3的含量不低于25％，粉剂聚合氯化铝是一种无机高分子混凝剂，它通过压缩双电层、吸附架桥、沉淀物网捕等机理作用可达到去除磷等净化处理效果。铝粉反应后产生的铝盐及聚合氯化铝可以共同去除磷，但由于聚合氯化铝溶液水解偏酸性，粉剂聚合氯化铝的添加重量为15～20份，不可过量。

石膏、聚合氯化铝溶液呈酸性，铝粉与石膏、聚合氯化铝和水等原料反应，即在酸性条件下铝与酸反应产生氢气，氢气逐步释放产生气体通道，在透水砖内形成大量均匀而有细小气孔。

所述的水泥为标号不低于42.5等级的高强度硅酸盐水泥，水泥的添加重量为骨料添加重量的20～25％。

所述的纳米二氧化钛为市售，如广东源磊牌、江苏沪申牌等。所需颜色涂料(添加3-6％的纳米二级氧化钛)均匀分布于透水砖表面。纳米二氧化钛在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，化学性能稳定，能将雨水中有害有机物彻底分解以去除污染物，同时防止灰尘阻塞透水砖孔隙。

所述的水的添加量使有效水灰比为0.25～0.35。固体颗粒等添加剂会有3～5％左右的吸水量，有效水灰比为扣除骨料等吸水量后的水量与水泥的实际比值。水灰比需根据固体颗粒和粉剂等不同配比调整水灰比。当水灰比较小时，原料之间反应不充分；当水灰比过大时，透水砖密度分布不均及气孔分布不均。

所述的粉煤灰、粗砂、石膏、沸石、颗粒活性炭、粉剂聚合氯化铝、水泥、铝粉、钢纤维、纳米二氧化钛涂料中固体颗粒的粒径均不大于20mm，透水砖的透水系数≥0.4mm/s，可同步脱氮除磷净化水质，其它条件均满足透水砖行业标准。

本发明添加的钢纤维有利于提高透水砖的硬度，使得透水砖的抗压强度提高，从而使得透水砖成型后不容易开裂。

一种上述净水型透水砖的制备方法，包括以下步骤：

(1)按重量份称取各组分，将粉煤灰、粗砂、石膏、沸石、颗粒活性炭、粉剂聚合氯化铝、水泥、钢纤维和水投入搅拌机料斗，搅拌均匀制成浆料；

(2)向浆料中加入铝粉，搅拌均匀后进行浇注，得到坯体；

(3)将坯体进行常压蒸汽预养护；

(4)对经常压蒸汽预养护的坯体进行切割，将纳米二氧化钛涂料均匀喷涂于切割后的坯体表面，继续对坯体养护，得到净水型透水砖。

进一步地，步骤(1)中，先向搅拌机料斗中投入一半所述的粉煤灰、粗砂、石膏、沸石、颗粒活性炭、粉剂聚合氯化铝和钢纤维，再投入水泥，然后再投放另一半粉煤灰、粗砂、石膏、沸石、颗粒活性炭、粉剂聚合氯化铝和钢纤维；水在搅拌过程中分多次加入，在5～15min内将搅拌机内物料搅拌均匀制成浆料。

步骤(3)中，所述的常压蒸汽预养护温度为70～80℃，时间为1～2h，此过程中，原料里的材料会进行一些物理和化学反应，如铝粉经反应产生氢气等；步骤(4)中，所述的继续养护的温度为180～200℃，时间为8～12h。

本发明透水砖的砖体形状可以选用不同制砖模具而不同，颜色也可以通过选择不同涂料进行搭配。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明所用的原料含沸石、颗粒活性炭和粉末pac等，沸石对氨氮有很强的吸附作用，颗粒活性炭能吸附雨水中的溶解性污染物，pac及铝粉反应后产生的铝盐为絮凝材料可以除磷，同时含纳米二氧化钛涂料，可利用太阳能光解有害有机物，本发明高效去除污染物的净化水质功能明显强于常规的透水砖；

2、本发明添加了粉剂的聚合氯化铝，聚合氯化铝是一种无机高分子混凝剂，可高效去除磷等污染物以净化水质，石膏和聚合氯化铝等溶液偏酸性，与铝反应后透水砖ph偏中性，有较好的除磷作用，区别于加气砖所用的原料含石灰等碱性原料，致使加气砖如用于水处理时出水ph很高；

3、本发明参数设置时有效水灰比为0.25～0.35，同时可结合在180～200℃条件下，养护8～12h时铝粉与酸反应逐步释放氢气和多余水汽，产生气体通道，形成大量均匀而有细小气孔的透水砖，区别于烧结透水砖需要800～1500℃高温，免烧透水砖成型后容易开裂，本发明所制透水砖强度完全符合要求且透水性更强，生产工艺更简单便于实际工程应用；

4、本发明所选骨料严格控制了粒径大小，选用较大粒径的固体颗粒，保证了透水性能和强度等常规性能指标的基础上，提供一种可同步脱氮除磷净化水质的新型透水砖，适用于需要更多去除初期雨水等地表径流污染控制的情况，尤其是需要同步脱氮除磷净化水质时；

5、本发明制备方法简单，成本较低，无需高温烧结，节约能源，是对常规透水砖的改进和补充，适合在海绵城市建设工程中使用。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本发明提供一种用于海绵城市建设用的可脱氮除磷净化水质型透水砖。透水砖抗压强度等级分为cc30，厚度不小于60mm，适用于非机动车道、人行道、景观等透水结构硬化地面需较大水渗透性能的铺地砖等使用。

制备该透水砖所用主要原料质量配比为：粉煤灰35、粗砂55、石膏10、沸石35、颗粒活性炭25、粉剂聚合氯化铝(pac)15、水泥38、铝粉0.3、钢纤维0.1、纳米二氧化钛涂料为5。上述原料中固体颗粒粒径均不大于15mm。所选择的水泥的标号需要高于等于42.5等级的高强度硅酸盐水泥，水泥剂量一般约为骨料总量的20-25％，即骨料175kg需加水泥38kg。有效水灰比为0.25-0.35。固体颗粒等添加剂会有3-5％左右的吸水量，有效水灰比为扣除骨料等吸水量后的水量与水泥的实际比值，需根据固体颗粒和粉剂等不同配比调整水灰比。本实施例中，加水泥38kg，总加水为15kg。

搅拌机料斗中先投一半固体颗粒(除铝粉外)，再投水泥等粉剂，然后另投放一半骨料，使得水泥和其它材料混合均匀。在搅拌中需分多次加水，搅拌均匀支撑浆料，此过程应在10分钟内完成。浇注前加入铝粉，浇注成的坯体在室温70～80℃条件下进行常压蒸汽预养护，时间为1h。之后对坯体进行切剖，将所需颜色涂料(添加3-4％的纳米二级氧化钛)均匀喷布于坯体表面。然后在180-190℃条件下，铝粉与石膏、pac和水等原料反应，即在酸性条件下铝与酸反应产生氢气，养护8h形成含有大量均匀而有细小气孔的净水型透水砖。

固体原料含粗砂、沸石、颗粒活性炭等大颗粒骨料，取粒度介于5～15mm的所述骨料，为透水砖内产生空隙奠定基础。颗粒活性炭粒径5mm～10mm。

添加了粉剂的聚氯化铝(pac)。pac的al2o3含量需大于等于25％。pac是一种无机高分子混凝剂，它可去除磷。铝粉反应后产生的铝盐及pac可以共同去除磷。由于pac溶液水解偏酸性，所加粉剂pac质量份数为15。为提高透水砖的硬度添加了质量份数为0.1的钢纤维，使得透水砖成型后不容易开裂。

添加的颜色涂料(添加3-4％的纳米二氧化钛)质量份数为5，均匀分布于透水砖表面。砖体形状可因选用不同制砖模具而不同，颜色也可以通过选择不同涂料进行搭配。纳米二氧化钛在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，化学性能稳定，能将雨水中有害有机物彻底分解以去除污染物，同时防止灰尘阻塞透水砖孔隙。

本实施例透水砖的透水系数≥0.4mm/s，可满足抗压强度为平均值不小于30mpa铺地砖使用要求，同时对初期雨水有较好的净化效果，总氮和总磷去除率可分别达70％和80％，其它条件均满足透水砖行业标准。

实施例2

本发明提供一种用于海绵城市建设用的可脱氮除磷净化水质型透水砖。透水砖抗压强度等级分为cc40，厚度不小于80mm，适用于非机动车道、人行道、景观等透水结构硬化地面需较大水渗透性能的铺地砖等使用。

制备该透水砖所用主要原料质量配比为：粉煤灰45、粗砂40、石膏12、沸石25、颗粒活性炭30、粉剂聚合氯化铝(pac)20、水泥43、铝粉0.4、钢纤维0.2、纳米二氧化钛涂料为8。上述原料中固体颗粒粒径均不大于18mm。所选择的水泥的标号需要高于等于42.5等级的高强度硅酸盐水泥，水泥剂量一般约为骨料总量的20-25％，即骨料172kg需加水泥43kg。有效水灰比为0.25-0.35。固体颗粒等添加剂会有3-5％左右的吸水量，有效水灰比为扣除骨料等吸水量后的水量与水泥的实际比值，需根据固体颗粒和粉剂等不同配比调整水灰比。本实施例中，加水泥43kg，总加水为18kg。

搅拌机料斗中先投一半固体颗粒(除铝粉外)，再投水泥等粉剂，然后另投放一半骨料，使得水泥和其它材料混合均匀。在搅拌中需分多次加水，搅拌均匀支撑浆料，此过程应在12分钟内完成。浇注前加入铝粉，浇注成的坯体在室温70～80℃条件下进行常压蒸汽预养护，时间为1.5h。之后对坯体进行切剖，将所需颜色涂料(添加4-5％的纳米二级氧化钛)均匀喷布于坯体表面。然后在185-195℃条件下，铝粉与石膏、pac和水等原料反应，即在酸性条件下铝与酸反应产生氢气，养护10h形成含有大量均匀而有细小气孔的净水型透水砖。

固体原料含粗砂、沸石、颗粒活性炭等大颗粒骨料，取粒度介于10～18mm的所述骨料，为透水砖内产生空隙奠定基础。颗粒活性炭粒径10～15mm。

添加了粉剂的聚氯化铝(pac)。pac的al2o3含量需大于等于28％。pac是一种无机高分子混凝剂，它可去除磷。铝粉反应后产生的铝盐及pac可以共同去除磷。由于pac溶液水解偏酸性，所加粉剂pac质量份数为20。为提高透水砖的硬度添加了质量份数为0.2的钢纤维，使得透水砖成型后不容易开裂。

添加的颜色涂料(添加4-5％的纳米二氧化钛)质量份数为8，均匀分布于透水砖表面。砖体形状可因选用不同制砖模具而不同，颜色也可以通过选择不同涂料进行搭配。纳米二氧化钛在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，化学性能稳定，能将雨水中有害有机物彻底分解以去除污染物，同时防止灰尘阻塞透水砖孔隙。

本实施例透水砖的透水系数≥0.5mm/s，可满足抗压强度为平均值不小于40mpa铺地砖使用要求，同时对初期雨水有较好的净化效果，总氮和总磷去除率可分别达60％和70％，其它条件均满足透水砖行业标准。

实施例3

本发明提供一种用于海绵城市建设用的可脱氮除磷净化水质型透水砖。透水砖抗压强度等级分为cc50，厚度不小于120mm，适用于非机动车道、人行道、景观等透水结构硬化地面需较大水渗透性能的铺地砖等使用。

制备该透水砖所用主要原料质量配比为：粉煤灰40、粗砂50、石膏15、沸石35、颗粒活性炭35、粉剂聚合氯化铝(pac)18、水泥46、铝粉0.5、钢纤维0.3、纳米二氧化钛涂料为10。上述原料中固体颗粒粒径均不大于16mm。所选择的水泥的标号需要高于等于42.5等级的高强度硅酸盐水泥，水泥剂量一般约为骨料总量的20-25％，即骨料193kg需加水泥46kg。有效水灰比为0.25-0.35。固体颗粒等添加剂会有3-5％左右的吸水量，有效水灰比为扣除骨料等吸水量后的水量与水泥的实际比值，需根据固体颗粒和粉剂等不同配比调整水灰比。本实施例中，加水泥46kg，总加水为18kg。

搅拌机料斗中先投一半固体颗粒(除铝粉外)，再投水泥等粉剂，然后另投放一半骨料，使得水泥和其它材料混合均匀。在搅拌中需分多次加水，搅拌均匀支撑浆料，此过程应在15分钟内完成。浇注前加入铝粉，浇注成的坯体在室温70～80℃条件下进行常压蒸汽预养护，时间为2h。之后对坯体进行切剖，将所需颜色涂料(添加5-6％的纳米二级氧化钛)均匀喷布于坯体表面。然后在190-200℃条件下，铝粉与石膏、pac和水等原料反应，即在酸性条件下铝与酸反应产生氢气，养护12h形成含有大量均匀而有细小气孔的净水型透水砖。

固体原料含粗砂、沸石、颗粒活性炭等大颗粒骨料，取粒度介于8～16mm的所述骨料，为透水砖内产生空隙奠定基础。颗粒活性炭粒径8～12mm。

添加了粉剂的聚氯化铝(pac)。pac的al2o3含量需大于等于32％。pac是一种无机高分子混凝剂，它可去除磷。铝粉反应后产生的铝盐及pac可以共同去除磷。由于pac溶液水解偏酸性，所加粉剂pac质量分数为18。为提高透水砖的硬度添加了质量份数为0.3的钢纤维，使得透水砖成型后不容易开裂。

添加的颜色涂料(添加5-6％的纳米二氧化钛)质量份数为10，均匀分布于透水砖表面。砖体形状可因选用不同制砖模具而不同，颜色也可以通过选择不同涂料进行搭配。纳米二氧化钛在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，化学性能稳定，能将雨水中有害有机物彻底分解以去除污染物，同时防止灰尘阻塞透水砖孔隙。

本实施例透水砖的透水系数≥0.6mm/s，可满足抗压强度为平均值不小于50mpa铺地砖使用要求，同时对初期雨水有较好的净化效果，总氮和总磷去除率可分别达65％和75％，其它条件均满足透水砖行业标准。

实施例4

本发明提供一种用于海绵城市建设用的可脱氮除磷净化水质型透水砖。透水砖抗压强度等级分为cc50，厚度不小于120mm，适用于非机动车道、人行道、景观等透水结构硬化地面需较大水渗透性能的铺地砖等使用。

制备该透水砖所用主要原料质量配比为：粉煤灰45、粗砂55、石膏15、沸石35、颗粒活性炭35、粉剂聚合氯化铝(pac)18、水泥46、铝粉0.5、钢纤维0.3、纳米二氧化钛涂料为10。上述原料中固体颗粒粒径均不大于20mm。所选择的水泥的标号需要高于等于42.5等级的高强度硅酸盐水泥，水泥剂量为骨料总量的20-25％。有效水灰比为0.25～0.35，固体颗粒等添加剂会有3～5％左右的吸水量，有效水灰比为扣除骨料等吸水量后的水量与水泥的实际比值，需根据固体颗粒和粉剂等不同配比调整水灰比。本实施例中，加水泥46kg，总加水为30kg。

固体原料含粗砂、沸石、颗粒活性炭等大颗粒骨料，取粒度介于12～20mm的所述骨料，为透水砖内产生空隙奠定基础，颗粒活性炭粒径10～15mm。

添加了粉剂的聚氯化铝(pac)。pac的al2o3含量需大于等于25％。pac是一种无机高分子混凝剂，它可去除磷。铝粉反应后产生的铝盐及pac可以共同去除磷。由于pac溶液水解偏酸性，所加粉剂pac质量分数为18。为提高透水砖的硬度添加了质量份数为0.3的钢纤维，使得透水砖成型后不容易开裂。

添加的颜色涂料(添加3-6％的纳米二氧化钛)质量份数为10，均匀分布于透水砖表面。砖体形状可因选用不同制砖模具而不同，颜色也可以通过选择不同涂料进行搭配。纳米二氧化钛在可见光或紫外光的作用下具有很强的氧化还原能力，化学性能稳定，能将雨水中有害有机物彻底分解以去除污染物，同时防止灰尘阻塞透水砖孔隙。

本实施例透气砖的制备步骤为：

(1)按重量份称取各组分，先向搅拌机料斗中投入一半所述的粉煤灰、粗砂、石膏、沸石、颗粒活性炭、粉剂聚合氯化铝和钢纤维，再投入水泥，然后再投放另一半粉煤灰、粗砂、石膏、沸石、颗粒活性炭、粉剂聚合氯化铝和钢纤维；水在搅拌过程中分多次加入，在5～15min内将搅拌机内物料搅拌均匀制成浆料；

(2)向浆料中加入铝粉，搅拌均匀后进行浇注，得到坯体；

(3)将坯体进行常压蒸汽预养护，养护温度为70～80℃，时间为2h；

(4)对经常压蒸汽预养护的坯体进行切割，将纳米二氧化钛涂料均匀喷涂于切割后的坯体表面，继续对坯体养护，养护温度为180～200℃，时间为12h，得到净水型透水砖。

本实施例透水砖的透水系数≥0.6mm/s，可满足抗压强度为平均值不小于50mpa铺地砖使用要求，同时对初期雨水有较好的净化效果，总氮和总磷去除率可分别达66％和78％，其它条件均满足透水砖行业标准。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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