鐵尾礦制備高強(qiáng)高性能透水磚

李德忠，倪文，劉杰，劉風(fēng)華，仇夏杰

（1.中節(jié)能工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100082；

2.北京市工業(yè)典型污染物資源化處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

鐵尾礦制備高強(qiáng)高性能透水磚

李德忠1，倪文2，劉杰1，劉風(fēng)華1，仇夏杰1

（1.中節(jié)能工程技術(shù)研究院有限公司，北京 100082；

2.北京市工業(yè)典型污染物資源化處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

以鐵尾礦作為透水磚的骨料，成功地制備了高強(qiáng)度、高透水率的尾礦透水磚。結(jié)果表明：鐵尾礦摻量82%，膠凝材料摻量18%，尾礦粒級(jí)在1.25～5 mm，成型壓力為20 MPa時(shí)，制備的尾礦透水磚28 d抗壓強(qiáng)度高達(dá)54.8 MPa，透水系數(shù)為3.3×10-2cm/s，性能指標(biāo)符合JC/T 945—2005中Cc50級(jí)的要求。

鐵尾礦；透水磚；抗壓強(qiáng)度；透水系數(shù)

尾礦是選礦中分選作業(yè)過(guò)程中的產(chǎn)物，是對(duì)礦石破碎、磨細(xì)后將有用的礦物成分選出后排出的細(xì)粒狀固體廢棄物，是工業(yè)固體廢棄物的主要組成部分[1]。2013年，我國(guó)尾礦產(chǎn)生量16.49億t，同比增長(zhǎng)1.73%，其中鐵尾礦8.39億t，銅尾礦3.19億t，黃金尾礦2.14億t，其它有色及稀貴金屬尾礦1.38億t，非金屬礦尾礦1.39億t。尾礦綜合利用量為3.12億t，同比增長(zhǎng)7.96%，綜合利用率為18.9%。截至2013年底，我國(guó)尾礦累積堆存量達(dá)146億t，廢石堆存量達(dá)438億t[2]。

透水磚是一種具有高孔隙率的透水性路面鋪裝材料，較高的孔隙率使它具有其它磚所不具有的一些特性，主要是良好的透水性、透氣性及保濕性[3-4]。透水磚以其優(yōu)異的透水性能，能夠把雨水滲透到地下，遇到暴雨無(wú)明顯徑流，達(dá)到雨停即干的效果。這對(duì)土壤水和地下水資源的補(bǔ)給起到了積極的作用，有效地緩解了硬化路面對(duì)城市地下水資源的負(fù)面影響。此外，透水磚的多孔性對(duì)調(diào)節(jié)地表局部空間的溫度和濕度，緩解城市熱島效應(yīng)有較大的促進(jìn)作用[5-7]。而透水材料又是海綿城市建設(shè)的重要組成部分，能夠從源頭緩解現(xiàn)階段我國(guó)面臨的城市雨水疏解和利用問(wèn)題[8-9]。透水磚的研究及推廣將成為有效利用雨水資源的重要途徑。

隨著汽車(chē)總量的迅猛增加，在各種民用建筑前后的透水地面和小區(qū)內(nèi)的透水路面、透水性停車(chē)區(qū)域等，都要求能經(jīng)受住機(jī)動(dòng)車(chē)的長(zhǎng)期碾壓，因此對(duì)高強(qiáng)高性能透水地面材料的需要快速增長(zhǎng)。本文研究了鐵尾礦摻量、粒級(jí)分布及成型壓力對(duì)尾礦透水磚抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響，利用鐵尾礦制備出高強(qiáng)性能透水磚，為實(shí)現(xiàn)鐵尾礦的高摻量和高附加值利用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）鐵尾礦：取自北京首鋼密云鐵礦，主要礦物成分為石英、斜長(zhǎng)石、輝石及云母等，其化學(xué)成分見(jiàn)表1?？梢钥闯?，密云鐵尾礦SiO2含量達(dá)到69.52%，屬高硅型鐵尾礦。

表1 原材料的化學(xué)成分 %

（2）水泥：北京琉璃河水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

（3）礦渣：北京首鋼股份有限公司的水淬高爐礦渣，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

（4）脫硫石膏：取自北京石景山電廠(chǎng)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

（5）減水劑：采用北京幕湖外加劑有限公司生產(chǎn)的PC型聚羧酸高效減水劑，含固量為40%，減水率可達(dá)35%以上。

1.2 試樣制備

首先將鐵尾礦進(jìn)行人工篩分，分成2.5～5 mm、1.25～5 mm、1.25～2.5 mm 3種級(jí)配作為尾礦透水磚的骨料；分別將3種不同顆粒級(jí)配的鐵尾礦與膠凝材料、外加劑等按照一定的配合比進(jìn)行稱(chēng)量。采取基層和面層分開(kāi)布料的方式。（1）基層混凝土的攪拌：將鐵尾礦、膠凝材料、外加劑等原材料混合均勻，再加入一定量的水后繼續(xù)攪拌均勻；（2）面層混凝土的攪拌：將膠凝材料、顏料、面砂（也可以是尾礦）等原材料攪拌均勻后，再加入一定量的水?dāng)嚢杈鶆颉Ｍㄟ^(guò)輸送帶將攪拌好的基層混凝土送入振動(dòng)臺(tái)上的模具中，開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái)振壓成型，然后再將面層混凝土送入模具中，再次開(kāi)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)振壓成型，成型后的尾礦透水磚用抹刀修平表面，通過(guò)軌道送入養(yǎng)護(hù)車(chē)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)24 h后，對(duì)尾礦透水磚進(jìn)行碼垛，在室外環(huán)境下繼續(xù)人工養(yǎng)護(hù)，每天澆水1次，直至養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期（28 d），經(jīng)檢驗(yàn)合格后出廠(chǎng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 尾礦透水磚專(zhuān)用膠凝材料的研究

根據(jù)“微磨球效應(yīng)”的原理，采取“梯級(jí)混磨”的方式對(duì)各種原材料進(jìn)行混磨。經(jīng)過(guò)前期的初步工作，優(yōu)化了梯級(jí)混磨的磨礦時(shí)間。即首先將鐵尾礦單獨(dú)粉磨40 min，然后再將粉磨后的鐵尾礦粉與礦渣按照一定的比例進(jìn)行混磨，混磨時(shí)間為40 min，最后將混磨后的鐵尾礦與礦渣粉體與水泥熟料、脫硫石膏按照一定的比例進(jìn)行二次混磨，混磨時(shí)間為50 min。

膠凝材料配比為：m（鐵尾礦）∶m（礦渣）∶m（水泥）∶m（石膏）=40∶26∶26∶8，減水劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的1%，水膠比為0.16，在標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量的條件下，采取梯級(jí)混磨的磨礦方式。制備的尾礦透水磚專(zhuān)用膠凝材料的3、7和28 d的抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了46.8、63.0和76.0 MPa。

2.2 鐵尾礦摻量對(duì)尾礦透水磚性能的影響

在鐵尾礦的粒徑為2.5～5 mm，水膠比為0.30，減水劑摻量為膠凝材料用量的4%，成型壓力為15 MPa的條件下，用鐵尾礦全部替代天然砂石，鐵尾礦摻量對(duì)尾礦透水磚性能的影響見(jiàn)表2。

表2 鐵尾礦摻量對(duì)尾礦透水磚性能的影響

由表2可知，隨著鐵尾礦摻量的增加，尾礦透水磚的強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，而尾礦透水磚的透水系數(shù)則隨之增加。鐵尾礦摻量為75%時(shí)，尾礦透水磚28d抗壓強(qiáng)度為54.7MPa，透水系數(shù)為2.11×10-2cm/s；鐵尾礦摻量為82%時(shí)，尾礦透水磚28 d抗壓強(qiáng)度為50.9 MPa，透水系數(shù)為2.91×10-2cm/s；繼續(xù)增加鐵尾礦摻量，尾礦透水磚的強(qiáng)度低于50 MPa，當(dāng)鐵尾礦摻量為88%時(shí)，尾礦透水磚28 d抗壓強(qiáng)度僅為48.8 MPa，透水系數(shù)為3.19×10-2cm/s。這是因?yàn)?，隨著尾礦用量的增加，水泥的用量逐漸減小，則透水磚中的水化產(chǎn)物總量相應(yīng)地減少，不能很好地包裹鐵尾礦顆粒，鐵尾礦顆粒之間的緊密結(jié)合程度降低，因此，尾礦透水磚的強(qiáng)度逐漸降低，而透水系數(shù)則逐漸增大。

2.3 鐵尾礦粒級(jí)對(duì)尾礦透水磚性能的影響

透水磚的強(qiáng)度和透水系數(shù)是一對(duì)相互矛盾的性能指標(biāo)，在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮二者的相互關(guān)系，根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浜媳仍O(shè)計(jì)。

在透水磚的制備過(guò)程中，骨料主要為粗骨料，有時(shí)可使用少量細(xì)骨料。粗骨料多采用單粒級(jí)或間斷級(jí)配。顆粒細(xì)度或顆粒級(jí)配的變化對(duì)透水磚的透水系數(shù)和強(qiáng)度的影響方向相反，且影響程度也不同。通過(guò)顆粒級(jí)配的合理搭配可以達(dá)到透水系數(shù)與強(qiáng)度的最佳結(jié)合點(diǎn)，這是透水磚原料制備的關(guān)鍵。

在m（鐵尾礦）∶m（膠凝材料）=82∶18，水膠比為0.30，減水劑摻量為膠凝材料用量的4%，成型壓力為15 MPa的條件下，鐵尾礦顆粒粒徑對(duì)尾礦透水磚性能的影響見(jiàn)表3。

表3 鐵尾礦顆粒粒徑對(duì)尾礦透水磚性能的影響

由表3可知，鐵尾礦顆粒粒徑越小，尾礦透水磚的抗壓強(qiáng)度越大，透水系數(shù)越??；相反，尾礦顆粒粒徑越大，尾礦透水磚的抗壓強(qiáng)度越小，透水系數(shù)越大。這是因?yàn)殍F尾礦顆粒粒徑越大，則其比表面積降低，鐵尾礦顆粒與膠凝材料之間的接觸點(diǎn)減少，結(jié)構(gòu)較疏散，導(dǎo)致強(qiáng)度較低，尾礦透水磚的孔隙率較高，故透水系數(shù)增大；反之，若尾礦顆粒粒徑較小，則其比表面積升高，尾礦顆粒與凝膠材料之間的接觸點(diǎn)增多，結(jié)構(gòu)緊密，因而尾礦透水磚的強(qiáng)度較高，孔隙率低，故尾礦透水磚的透水系數(shù)也降低。綜合考慮，確定鐵尾礦的粒徑為1.25～5.0 mm。

2.4 成型壓力對(duì)尾礦透水磚性能的影響

成型壓力是影響磚坯體質(zhì)量的重要因素之一，成型壓力的大小直接影響到生坯的強(qiáng)度、致密度等，從而導(dǎo)致制品抗壓強(qiáng)度與透水性能的變化。因此選擇合適的成型壓力有利于提高干坯強(qiáng)度和制品的透水性能。

對(duì)于同一配合比的尾礦透水磚而言，隨著成型壓力的增大，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度均有增加。而透水系數(shù)是氣孔率和孔徑分布的一個(gè)綜合反應(yīng)，氣孔率大、孔徑分布均勻，透水系數(shù)則大；氣孔率大、孔徑分布不均勻，則透水系數(shù)相對(duì)較小。成型壓力對(duì)透水磚的平均孔徑和透水系數(shù)有一定的影響，但隨著成型壓力的增大，氣孔率與透水系數(shù)減少不多。

在鐵尾礦顆粒粒徑為1.25～5.0 mm，m（鐵尾礦）∶m（膠凝材料）=82∶18，水膠比為0.30，減水劑摻量為膠凝材料用量4%的條件下，不同成型壓力對(duì)尾礦透水磚性能的影響見(jiàn)表4。

表4 不同成型壓力對(duì)尾礦透水磚性能的影響

由表4可以看出，隨著成型壓力的增大，尾礦透水磚的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，透水系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)成型壓力為10 MPa時(shí)，尾礦透水磚28 d抗壓強(qiáng)度為49.6 MPa，此時(shí)透水系數(shù)為3.69×10-2cm/s；成型壓力到30 MPa時(shí)，尾礦透水磚的28 d抗壓強(qiáng)度為56.8 MPa，透水系數(shù)為3.07×10-2cm/s。綜合以上分析，確定成型壓力為20 MPa。

2.5 尾礦透水磚的性能檢測(cè)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，初步確定了尾礦透水磚的配合比及部分生產(chǎn)工藝參數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)條件為：鐵尾礦82%、膠凝材料18%，水膠比為0.30，成型壓力為20 MPa，鐵尾礦的顆粒粒徑為1.25～5.0mm。按照J(rèn)C/T945—2005《透水磚》中Cc50級(jí)的要求，工業(yè)化生產(chǎn)了不同規(guī)格尺寸的尾礦透水磚，并經(jīng)國(guó)家建筑材料測(cè)試中心進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表5。

從表5可以看出，制備的尾礦透水磚的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合JC/T 945—2005對(duì)Cc50級(jí)的要求。

表5 尾礦透水磚性能檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

（1）研究了鐵尾礦摻量及粒級(jí)、成型壓力對(duì)尾礦透水磚性能的影響，得出最佳實(shí)驗(yàn)條件為：m（鐵尾礦）∶m（膠凝材料）= 82∶18，減水劑摻量為膠凝材料用量的4%，水膠比為0.30，鐵尾礦粒徑1.25～5.0 mm，成型壓力20 MPa。在此條件下對(duì)制備的透水磚進(jìn)行性能檢測(cè)，28 d抗壓強(qiáng)度平均值達(dá)到了54.8 MPa，抗折破壞荷載為15 010 N，透水系數(shù)為3.3×10-2cm/s，抗凍融循環(huán)（25次）強(qiáng)度損失率≤12.1%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合JC/T 945—2005對(duì)Cc50級(jí)的要求。

（2）制備的高強(qiáng)、高透水系數(shù)的透水磚在我國(guó)北方寒冷地區(qū)具有廣泛的適用性；對(duì)于有效延長(zhǎng)有機(jī)動(dòng)車(chē)碾壓的透水路面的使用壽命，大幅度提高海綿城市透水地面材料的全生命周期綠色化水平具有重要潛力。

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High strength and performance water permeable brick prepared by iron tailings

LI Dezhong1，NI Wen2，LIU Jie1，LIU Fenghua1，QIU Xiajie1
（1.CECEP Engineering Technology Research Institute Co.Ltd.，Beijing 100082，China；
2.Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants，Beijing 100083，China）

Water permeable brick with high strength and high water permeability were successfully prepared，which were made by iron tailings as aggregate.The results showed that：the compressive strength（28 d）and water permeability coefficient is 54.8 MPa and 3.3×10-2cm/s respectively，when the content of iron tailings is 82%，the grain size of it is between 1.25～5 mm，and the molding pressure is 20 MPa.The performance of prepared water permeable brick line meets the JC/T 945—2005 standard for Cc50 level requirements.

iron tailings，water permeable brick，compressive strength，water permeability coefficient

TU522.1；TQ171

A

1001-702X（2016）11-0052-03

2016-05-13

李德忠，男，1984年生，山東德州人，博士，工程師，主要研究方向：固體廢棄物的資源化再利用。