夏 溢，程寒飛，劉克權，樊傳剛，孔祥法，張 毅

(1.中冶華天工程技術有限公司，江蘇南京 210019；2.中冶生態(tài)環(huán)保集團，江蘇南京 210019；3.魯中礦業(yè)有限公司，山東萊蕪 271100；4.安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山 243032)

近年來，隨著國家海綿城市建設的開展，透水磚材料以其良好的透水透氣性能、蓄水保水能力和耐磨防滑性能在緩解城市熱島效應、減輕城市排水壓力等方面起到不可替代的作用。相對于免燒透水磚，燒結透水磚具有較高的力學性能和耐磨性能，表現(xiàn)出更優(yōu)良的耐久性和抗凍性。李珠等以煤矸石、黏土為主要原料，以膨脹珍珠巖為造孔劑制備燒結透水磚，其劈裂強度可達3.75 MPa；周忠華以黏土和污泥為主要原料制備的高強燒結透水磚具有良好的抗彎強度和保水性能；王能健以高碳粉煤灰、膨潤土、膨脹珍珠巖和碳酸鈣為原料制備透水磚，其劈裂抗拉強度為3.35 MPa、透水系數(shù)為0.03 cm/s；張飛等以污泥和秸稈粉為造孔劑，高爐礦渣顆粒為骨料，渣土為高溫黏結劑制備出抗折強度和透水性能均較理想的燒結透水磚。

利用工業(yè)固體廢棄物制備的燒結透水磚材料可降低黏土等資源的消耗，且可降低透水磚的生產(chǎn)成本。鐵尾礦粉作為鐵礦石選礦后排放的大宗工業(yè)固體廢棄物，其成分和黏土顆粒近似。隨著選礦技術的發(fā)展，鐵尾礦顆粒粒度越來越細，大多在70μm以下，很難得到資源化綜合利用，但利用鐵尾礦制備燒結透水磚具有良好的應用前景。羅立群等采用粗鐵尾礦和煤矸石為主要原料，利用污泥和頁巖為膠結料，制備了抗壓強度為15 MPa 以上的燒結磚。目前，以鐵尾礦粉為燒結原料，通過壓制成型制備透水磚的研究較少。鑒于此，綜合利用鐵尾礦制備透水磚材料，分析影響鐵尾礦燒結透水磚力學性能和透水性能的主要因素，以期為細鐵尾礦粉燒結透水磚的制備提供技術支持。

1 實驗原料與方法

1.1 原料

鐵尾礦，山東魯中礦業(yè)，顆粒分布如圖1。由圖1可看出，鐵尾礦中位粒徑

D

為32.64 μm，顆粒粒徑主要分布在2.2～194.3 μm 之間。膨脹珍珠巖造孔劑，粒徑區(qū)間0.5～1.0 mm；助熔劑，NaCO(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)；竹炭顆粒增孔劑，粒徑區(qū)間0.3～0.6 mm；玻璃粉，平均粒徑40 μm 左右；采用質(zhì)量分數(shù)為0.3%的羧甲基纖維素鈉(CMC)溶液為黏結劑。

圖1 鐵尾礦的顆粒分布Fig.1 Particle size distribution of iron tailings

1.2 樣品制備

固定鐵尾礦和膨脹珍珠巖的質(zhì)量比，其余各組分摻量以占鐵尾礦和膨脹珍珠巖總質(zhì)量的百分比計算。按設定的配比稱量各組分，然后將其在實驗室攪拌機中混合，再加入質(zhì)量分數(shù)為10%的CMC 水溶液混合攪拌，密封陳化24 h，在20 MPa 成型壓力下將混合物壓制成型，即得測試試件。將測試試件于105 ℃烘箱中充分干燥后放入馬弗爐中，升溫至450 ℃、保溫1 h，將樣品燒結至指定溫度1 130 ℃下保溫2 h，關閉馬弗爐，待其自然冷卻至室溫，取出樣品用于力學性能和透水性能測試。

1.3 性能測試

采用TYE-300 壓力試驗機測定透水磚的抗壓強度，采用MTS-E44 電子萬能試驗機測定透水磚的抗折強度。透水系數(shù)測定裝置示意圖如圖2。將樣品放入塑料圓筒并密封，在其上方緩慢加入蒸餾水，待溢流口穩(wěn)定后開始計時，記錄5 min 流入量筒的水量。透水系數(shù)

K

計算公式如下

圖2 透水系數(shù)測定裝置示意圖Fig.2 Schematic illustration of the apparatus for measuring the permeability coefficient

其中：

Q

為一定時間內(nèi)流入量筒的水量；

L

為透水磚厚度；

A

為透水磚上表面積；

H

為水位差，取3 cm；

t

為時間。

采用X 射線熒光光譜儀(X ray fluorescence spectrometer，XRF，RL ADVANT'X Intellipower ?3600)分析原料化學成分，采用X 射線粉末衍射儀(X ray powder diffractometer，XRD，D8 Advance，Bruker)分析原料和燒結產(chǎn)物的相組成，采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM，Zeiss Sigma 300)分析燒結透水磚的微觀形貌。

2 實驗結果與討論

2.1 鐵尾礦組成

鐵尾礦原料的主要化學成分如表1。由表1 可看出：鐵尾礦主要化學成分為SiO(34.09%，質(zhì)量分數(shù)，下 同)、CaO(16.69%)、FeO(16.59%)、MgO(16.17%)、AlO(12.67%)；鐵尾礦中SiO含量小于普通黏土，但CaO 和AlO含量偏高。鐵尾礦物相組成XRD 分析如圖3。從圖3 可看出，鐵尾礦中主要礦物為方解石(CaCO)、赤鐵礦(FeO)、石英(SiO)、斜綠泥石(MgAl(SiAl)O(OH))等。

圖3 鐵尾礦物相組成XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of phase composition iron tailings

表1 鐵尾礦的主要化學組成Tab.1 Main chemical composition of iron tailings

2.2 Na2CO3摻量對燒結透水磚性能的影響

NaCO摻量對燒結透水磚試樣力學性能的影響如圖4。由圖4可看出：NaCO摻量(質(zhì)量分數(shù)，下同)在3%以內(nèi)，隨NaCO摻量增加，透水磚力學性能逐漸增強；摻量為3%時，燒結透水磚的抗壓和抗折強度最大，分別為24.8，4.4 MPa，經(jīng)測試燒結體不具透水性，透水系數(shù)為0，無法滿足透水性能要求；摻量超過3%時，透水磚力學性能明顯下降。這是由于NaCO在高溫下分解成的NaO 和CO起到造孔劑和助熔劑的作用，利于燒結過程中液相的生成，致使燒結體更易被燒結，內(nèi)部形成透水孔隙；隨NaCO摻量進一步增加，摻量超過3%時，透水磚內(nèi)部形成更多孔隙。

圖4 Na2CO3摻量對透水磚力學性能的影響Fig.4 Addition of Na2CO3 on the mechanical performance of permeable brick

2.3 竹炭粉摻量對燒結透水磚性能的影響

在

m

(鐵尾礦粉)∶

m

(膨脹珍珠巖)∶

m

(NaCO)=80∶20∶3的配比基礎上，摻入增孔劑竹炭顆粒，研究竹炭顆粒摻量對燒結透水磚力學和透水性能的影響，結果如圖5，6。

圖5 竹炭粉摻量對透水磚力學性能的影響Fig.5 Addition of bamboo charcoal powder on the mechanical property of permeable brick

由圖5 可看出：竹炭顆粒的摻入降低了透水磚力學性能，摻入質(zhì)量分數(shù)0.5%的竹炭顆粒時，燒結透水磚的抗壓和抗折強度分別為16.4，2.9 MPa；隨竹炭顆粒摻量的增加，燒結透水磚的抗折強度進一步下降，這是由于竹炭顆粒在燒結過程中產(chǎn)生CO，使透水磚氣孔率上升。從圖6 可看出，摻入竹炭顆?？捎行岣邿Y透水磚的透水性能，質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，燒結透水磚的透水系數(shù)為0.017 cm/s，達到標準要求。竹炭顆粒在燒結過程中產(chǎn)生的孔隙相互連通，形成連通孔結構，但孔隙率提高的同時也導致燒結透水磚力學性能的下降。以上結果表明，竹炭顆粒的摻入可有效提高燒結透水磚的透水性能，但降低了透水磚的力學性能。

圖6 竹炭粉摻量對透水磚透水性能的影響Fig.6 Addition of bamboo charcoal powder on the permeable property of permeable brick

2.4 玻璃粉摻量對燒結透水磚性能的影響

玻璃粉的摻入能使燒結透水磚在高溫下產(chǎn)生更多液相，有助于提高其力學性能。為進一步提高燒結透水磚的力學性能，在

m

(鐵尾礦粉)∶

m

(膨脹珍珠巖)∶

m

(NaCO)∶

m

(竹炭粉)=80∶20∶3∶1.5 的配比基礎上，摻入質(zhì)量分數(shù)為1.0%～2.5%的玻璃粉，研究玻璃粉摻量對透水磚力學性能和透水性能的影響，結果如圖7，8。由圖7可看出：摻入玻璃粉時，燒結透水磚的力學性能總體提高，這是由于玻璃粉具有無定形特性，在融熔燒結過程中，玻璃粉中無定形的SiO能夠和鐵尾礦中的AlO反應生成莫來石，使燒結透水磚硬度增加；玻璃粉摻量(質(zhì)量分數(shù)，下同)達到2.0%，燒結透水磚抗壓和抗折強度分別為26.1，3.6 MPa，達到燒結透水磚標準要求；隨玻璃粉摻量的進一步增加，其抗壓強度輕微下降，這是由于樣品在燒結過程中受熱不均，產(chǎn)生較大內(nèi)應力使材料內(nèi)部產(chǎn)生微細裂紋所致。從圖8可看出：玻璃粉可降低燒結透水磚的透水性能，這是因為玻璃粉的摻入可提高燒結透水磚的致密度，致使其力學性能增強、透水系數(shù)下降；燒結透水磚的透水系數(shù)均大于0.010 cm/s，其透水性能滿足標準要求。

圖7 玻璃粉摻量對透水磚力學性能的影響Fig.7 Addition of glass powder on the mechanical strength of property brick

圖8 玻璃粉摻量對透水磚透水性能的影響Fig.8 Addition of glass powder on the permeable property of permeable brick

2.5 燒結透水磚的XRD分析

配比

m

(鐵尾礦粉)∶

m

(膨脹珍珠巖)∶

m

(NaCO)∶

m

(竹炭粉)∶

m

(玻璃粉)=80∶20∶3∶1.5∶2 燒結透水磚的XRD 圖譜如圖9。從圖9 可看出，1 130 ℃燒結溫度下，燒結透水磚中的晶相礦物成分主要為石英(SiO)、赤鐵礦(FeO)及燒結形成的莫來石礦物(AlSiO)。原料中斜綠泥石(MgAl(SiAl)O(OH))在高溫下晶體分解轉化為非晶態(tài)，衍射峰消失。由于原料鐵尾礦粉含赤鐵礦相，這種富鐵相在高溫過程中逐漸融熔為液相，產(chǎn)生的液相填充于固相顆粒之間的孔隙，形成致密和堅硬的陶瓷燒結體。

圖9 透水磚燒結產(chǎn)物XRD圖譜Fig.9 XRD patterns of sintering product of the permeable brick

2.6 燒結透水磚的微觀結構表征

利用SEM 對2.4章節(jié)燒結透水磚的微觀結構進行分析，結果如圖10。從圖10可看出，制備的燒結透水磚呈多孔結構，內(nèi)部孔徑大小均勻。這是由于摻入的竹炭顆粒在較低溫度下迅速分解，使透水磚內(nèi)部形成一定的貫通孔隙；同時膨脹珍珠巖在高溫融熔下產(chǎn)生較多液相，液相流動過程中燒結透水磚表面留下較多孔隙，保證了透水磚內(nèi)部的疏松多孔結構。在竹炭顆粒和膨脹珍珠巖兩者共同作用下，透水磚內(nèi)部呈相互聯(lián)系的貫通孔道，大量分布的孔隙成為透水磚良好透水性能的主要來源。因此，摻入玻璃粉可同時保證燒結透水磚具有良好的力學性能和透水性能。

圖10 燒結透水磚的微觀形貌Fig.10 Micro structure of the sintered permeable brick

3 結 論

以鐵尾礦粉為原料，膨脹珍珠巖為造孔劑，NaCO、竹炭粉和玻璃粉等為輔助材料制備燒結透水磚，研究輔助材料摻量對燒結透水磚力學性能和透水性能的影響，所得主要結論如下：

1)摻入竹炭粉可提高燒結透水磚的透水性能，但其力學性能下降，竹炭粉質(zhì)量分數(shù)為2.0%時，燒結透水磚的透水系數(shù)可達0.031 cm/s；

2)玻璃粉在熔融過程中和鐵尾礦中的AlO反應生成莫來石，復摻玻璃粉和竹炭粉可提高燒結透水磚的力學性能，摻入質(zhì)量分數(shù)為1.5%的竹炭粉和質(zhì)量分數(shù)為2.0%的玻璃粉時，燒結透水磚抗壓和抗折強度分別為26.1，3.6 MPa，透水系數(shù)可達0.014 cm/s；

3)采用

m

(鐵尾礦粉)∶

m

(膨脹珍珠巖)∶

m

(NaCO)∶

m

(竹炭粉)∶

m

(玻璃粉)=80∶20∶3∶1.5∶2 配比制備的燒結透水磚具有良好的力學性能和透水性能，該制備條件下的燒結透水磚晶相礦物成分主要為石英(SiO)、赤鐵礦(FeO)及燒結形成的莫來石礦物(AlSiO)，內(nèi)部形成相互聯(lián)系的貫通孔道保證了透水磚具有良好的透水性能。