利用尾礦和陶瓷廢料制備燒結型透水磚的技術現狀

鐘艷梅，張國濤，楊景琪，李光偉

（1.廣東金意陶陶瓷集團有限公司，佛山 528031；2.佛山金意綠能新材科技有限公司，佛山 528031；3.佛山三水金意陶陶瓷有限公司，佛山 528031）

1 前言

建筑物和水凝混凝土等材料具有較強的阻水性，地表水（降水等）無法滲入地表且排水性能差，遇到強降水天氣，會出現“城市看?！本跋?。為此，全國多個城市均有建設“海綿城市”的計劃和方案，未來通過海綿城市建設提升城市功能將逐步成為現實。在深圳舉行的低碳城市與區(qū)域發(fā)展科技論壇中提出，城市能夠像海綿一樣，在適應環(huán)境變化和應對自然災害等方面具有良好的“彈性”，下雨時其吸水、蓄水、滲水、凈水等功能可以將存儲的水“釋放”并利用[1]。國務院印發(fā)的《關于推進海綿城市建設的指導意見》提出，建設海綿城市，統籌發(fā)揮自然生態(tài)功能和人工干預、涵養(yǎng)水資源，增強城市防澇能力，提升新型城鎮(zhèn)化質量，促進人與自然可持續(xù)、和諧發(fā)展。

2 燒結型透水磚原料及國內外技術開發(fā)現狀

2.1 燒結型透水磚的定義和工作原理

燒結型透水磚是一種以無機非金屬材料為主要原料，經成型、高溫燒制等工藝制成的滲水性能較好的鋪地磚。新型燒結透水磚不僅具有良好的透氣透水性能，而且可以有效滲透水分從而達到調節(jié)濕度的作用。與廣場磚、水泥磚相比，燒結透水磚最大區(qū)別在于能迅速吸納表面積水，磚體被浸濕后，水可以在磚與磚之間的空隙流動，最后流入地下排水管道。如果在城市的街道鋪設透水磚，即使強降雨時，也能減少市政排水量，防止積水洪澇等災害。此外，透水磚還可吸收熱量，調節(jié)地表局部空間的溫濕度，對緩解城市熱島效應[2]有重大作用。

2.2 燒結型透水磚固廢及其技術開發(fā)現狀

燒結型透水磚[3-6]主要選用各種尾礦、廢陶瓷、污泥、粉煤灰等為主要原料，摻人適量的粘結劑以提高坯體強度，經攪拌后壓制成型，進入窯爐（多以輥道窯或者隧道窯為主）高溫燒制，隨爐冷卻后即制得透水磚。透水磚原料既可以是石英、長石、高嶺土、黏土等陶瓷原料，也可以是自燃過的工業(yè)垃圾煤矸石、廢瓷磚。配方主要由骨料、結合劑、助熔劑組成，因此，對配方中的骨料、結合劑、助熔劑的選擇研究將影響透水磚的性能。

早期，佛山市樂華陶瓷有限公司（中外合資）發(fā)明了一種陶瓷透水磚的制造方法并申請了專利[7]，利用固體廢棄物制備透水磚不僅可以大幅提高透水磚的功能附加值，而且可以發(fā)展循環(huán)經濟。李國昌[8]等以黃金尾礦為主要原料，以煤矸石為成孔劑，制備出了性能良好的多孔透水磚，并分析了壓制成型和擠出成型工藝的原料適宜配比。李如林[9]采用偉晶石為主要原料，先將偉晶石燒制成高強輕質的陶粒，然后將高強陶粒二次燒結成陶瓷透水磚，所制成的陶瓷透水磚的抗壓強度和透水性遠高于JC/T945-2005《透水磚》標準要求。郭泰民[10]等以磷石膏為主要原料，配以天然陶瓷原料，通過對磷石膏用量、顆粒級配、燒成溫度的研究，制備出了透水系數為（1.92～2.01）×10-2cm/s、抗壓強度為40.6～45.3MPa的磷石膏陶瓷透水磚。張雪峰[11]等利用煤矸石、陶瓷廢料、粉煤灰制備了性能優(yōu)異的陶瓷透水磚。以給水廠污泥等為主要原料制備透水磚，所得成品抗壓強度36.53 MPa，能滿足JC/T945-2005《透水磚》中強度等級和透水性標準要求[12]。以山東鋁業(yè)公司赤泥為主要原料，配以適量的助熔劑和粘結劑等組分，按一定工藝制成性能良好透水磚樣品，合適配方為赤泥55%，粉煤灰35%，膨潤土10%，骨料的燒結溫度以1150℃為宜。以廢陶瓷為主要原料制備的透水磚透水性能良好，強度較高，廢陶瓷質量含量高達60%，廢陶瓷加入量為60%時，透水磚樣品抗壓強度為48.9 MPa，抗折強度為 7.8MPa，透水系數為 3.12×10-2cm/s。以粉煤灰、粉煤灰提鋁后殘渣等工業(yè)廢棄物為主要原料制備燒結透水磚，固體廢棄物利用率達70%以上，同時對重金屬、有機污染物具有較好的吸附性[13]。

李德忠[14]等人以鐵尾礦作為透水磚的骨料，成功地制備了高強度、高透水率的尾礦透水磚。結果表明：鐵尾礦摻量82%，膠凝材料摻量18%，尾礦粒級在1.25～5 mm，成型壓力為20 MPa時，制備的尾礦透水磚28d抗壓強度高達54.8 MPa，透水系數為3.3×10-2cm/s，性能指標符合JC/T945-2005《透水磚》標準要求。景德鎮(zhèn)陶瓷學院汪永清[15]等人利用贛南稀土尾砂制備陶瓷透水磚，以贛南離子型稀土尾砂提取高嶺土后的二次尾砂為骨料，以適量低溫砂、中溫砂、黑滑石、石灰石和粘土等為高溫粘結劑制備陶瓷透水磚，研究了二次尾砂含量和制備工藝對陶瓷透水磚的抗折強度和透水性能的影響。結果表明，陶瓷透水磚的抗折強度隨著尾砂含量的增加而降低，透水系數則先增后降。當二次尾砂用量為75 wt%，在成型壓力為12 MPa、煅燒溫度為1240℃、保溫30 min條件下，所得陶瓷透水磚的抗折強度為5.5 MPa，透水系數最大，為3.0×10-2cm/s。林蔚[16]等人以廢玻璃、廢陶瓷為主要原料，以粘土為結合劑制備環(huán)保型陶瓷透水磚。透水磚經1000℃保溫3 h燒成，透水系數＞1.0×10-2cm/s，保水性＞0.6 g/cm，抗壓強度＞l2.1 MPa，產品符合JC/T945-2005《透水磚》標準。太原理工大學李珠[17]等人采用高碳粉煤制備燒結型透水磚，通過研究以高碳粉煤灰作為主要材料制備燒結型透水磚，高碳粉煤灰摻入量達到50%，成型壓力控制在20 MPa，燒結溫度1065℃，保溫1.5 h，制備的透水抓劈裂抗拉強度5.36MPa，透水系數1.51×10-2cm/s，做到了粉煤灰的資源化利用。華南理工大學周超群[18]等人以廢瓷、玻璃粉、疏浚泥為主要原料，制備出性能良好的透水磚且提出透水磚的性能與工藝條件有很大關系。環(huán)保型陶瓷透水磚[19-20]中將廢棄物的利用率可達到了100%。其不僅可以變廢為寶，節(jié)約資源，還可以避免廢瓷等固廢對環(huán)境的污染，具有一定的經濟效益和社會效益。以上研究為工業(yè)固體廢棄物在發(fā)展循環(huán)經濟方面提供了新的途徑。

3 燒結型透水磚的生產工藝及技術難點

3.1 燒結型透水磚生產工藝

3.2 燒結型透水磚的生產技術難點

陶瓷透水磚要求具有良好的透水性、防滑性能、抗凍性能及較高的強度，以滿足不同路面鋪設的使用要求，最大的技術難點是透水系數和強度的關系，透水系數大，強度較低，透水系數小，強度較高。因此選擇合適的陶瓷原料、顆粒級配以及混料、成形方式是生產合格透水磚的關鍵。

（1）高溫粘結劑的作用：高溫粘結劑均勻包裹透水磚廢陶瓷顆粒表面，在高溫作用下出現玻璃相，在廢陶瓷顆粒表面形成液相，使得磚體中各廢陶瓷骨架顆粒相互牢固粘結，確保透水磚燒結后具備足夠的強度。

（2）骨架料顆粒級配：透水磚采用底層與面層骨架料分別布料再壓制成型的工藝，面層骨架料選用顆粒較細的顆粒，使得透水磚表面顆粒間孔徑整體小于底層顆?？讖?，鋪設使用過程中，面層骨架結構對集聚在磚面的大顆粒雜質進行過濾，避免因大顆粒堵塞孔洞而影響透水性能。面層使用細顆粒可以使得產品外觀和應用更加人性化，在磚面舒適度的前提下確保產品具有防滑效果。

（3）坯體增強劑的應用：透水磚干壓粉料塑性極差，在坯料中加入坯體增強劑，如CMC等，來改善產品生坯在生產前端運行過程中的破損，確保原料在倉儲陳腐過程中保證水分均勻，產品壓制成型后干燥，讓生坯具備足夠強度。

（4）成形壓力：生坯強度隨成型壓力增大而增大。增大成型壓力可以使骨料顆粒之間結構緊密，燒成過程中顆粒表面的物相反應更充分，形成更牢固的骨架結構，從而提升產品強度，但透水系數可能會受到影響。

綜合來看，透水磚的抗壓強度的變化與骨料量、級配有關?？箟簭姸入S骨料粒徑的減小而增大，隨燒成溫度增大而增大，隨骨料含量增加而減小。透水磚的透水率隨骨料粒徑的減小而減小，隨燒成溫度增大而減小，隨骨料含量增多而增大。另外，透水磚的性能需要透水性能與抗壓強度性能達到平衡點，綜合考慮兩者的性能來選擇最佳的方案。

4 透水磚的應用鋪貼及標準

4.1 透水磚的鋪貼應用

透水磚鋪裝基層好比房屋的地基，地基是整個建筑最重要的一部分，地基不穩(wěn)，房屋的安全系數就沒有保障，而透水磚基層也是一樣的，必須要給予重視。首先，路基土層，根據設計和規(guī)范要求，挖除舊路，清理土方，并達到要求深度；檢查縱坡、橫坡及邊線，是否符合設計要求；修整路基，找平碾壓，壓實度應控制在重型擊實標準最大密實度的92%以上；碾壓過程中，應注意下方各種管線、路沿陰井周邊；其次，墊層材料應符合市政工程技術規(guī)范要求，除要求一定的強度、耐久性外，還應具有一定的透水性和蓄水性，材料可用天然級配砂礫料、無砂混凝土等。砂石材料應堅硬，最大顆粒應小于0.7倍墊層厚度，且不應大于10 cm；無砂混凝土的石子粒徑在5～10 mm之間，5mm以下顆粒含量不應大于35%（體積比）。

4.2 透水磚應用場合的選擇

根據不同用途的道路，應該選擇不同產品規(guī)格和滲水率系數的透水磚。為了降低工程成本，做到既符合道路的使用又經濟的原則，人行道應選擇規(guī)格在300×300 mm范圍內的產品。因為透水磚的表面都不是特別細膩，選擇規(guī)格太小的產品會影響整體鋪裝的美觀，最好選擇300×300 mm、300×150 mm或連鎖式的磚進行鋪裝，厚度選擇50～60 mm之間即可；在車行道、停車場的使用產品方面，因為車行道、停車場載荷較重，使用面積較大，應選擇規(guī)格和厚度都大一些的產品。

4.2 透水磚標準制定現狀

咸陽陶瓷研究設計院研發(fā)出陶瓷透水磚并展開了陶瓷透水磚產品標準的起草工作，2005年2月國家發(fā)改委發(fā)布JC/T945-2005《透水磚》標準，同年7月1日實施。該標準對透水磚的類別進行分類，對透水磚類產品的外觀、尺寸、抗壓強度和折破壞荷載、物理性能做了要求，如透水系數（15℃）：1.0×10-2cm/s，抗凍性能達到25次凍融循環(huán)后外觀質量應符合標準，且抗壓強度損失率不得大于20.0%。國家住房和城鄉(xiāng)建設部在2012年發(fā)布CJJ/T188-2012《透水磚路面技術規(guī)程》，該技術規(guī)程針對透水磚的防滑性能提出要求，防滑性能（BPN）不小于60；對結構層中的原材料提出了規(guī)范要求；對透水磚面層的強度、接縫寬度、接縫砂級配做了規(guī)定；對找平層、基層、墊層、土基、排水設計等也做詳細的要求，該技術規(guī)程的發(fā)布促進了透水磚的發(fā)展，使得產品有施工規(guī)程。

中國建筑衛(wèi)生陶瓷協會于2018年在佛山組織召開《燒結瓷質透水磚》協會標準啟動會。標準起草工作小組成員廣東科達潔能股份有限公司陶瓷工藝研究所所長林智就該標準主要內容及編制說明向大會作了介紹。在啟動會上，與會專家根據標準草案內容結合行業(yè)實際情況，就標準適用范圍、主要技術指標、重點測試方法等內容進行了討論，并提出意見。該協會標準的制定旨在通過更加嚴格的標準要求，鼓勵企業(yè)加大創(chuàng)新投入，提升產品質量和品牌知名度，為行業(yè)轉型升級和結構調整發(fā)揮引領作用。

5 透水磚的發(fā)展及存在的問題

透水磚可使部分雨水滲入地下，使地下水得以補充，減少地面下沉的危害，減少城市排水和污水處理費用；高摩擦系數，使行走舒適，特別是下雨天；吸收城市噪音污染，降低路面熱污染和保護綠蔭帶等，可以形成舒適的小氣候。因此，陶瓷透水磚無論從功能上、性能上、所用原料上，還是社會經濟效益上都是非常好的，是其它路面磚所無法比擬和不可代替的。但隨著使用和研發(fā)的不斷深入，也存在一些不足：（1）透水磚鋪裝系統的水力設計、結構分析研究較少，更多的是針對透水磚單一產品的性能研究，而透水磚只有和依次鋪設的基層、墊層、土基等構成一個整體，才能形成良好的滲、滯、蓄、排等通道。（2）透水磚的日常維護和使用方面，透水磚作為一種地面節(jié)能材料，長期承受人、車輛的摩擦和荷載作用，遇到暴雨天氣時，雨水滲透在透水磚表面或縫隙時，夾雜著泥沙、油污、植物雜草等沉積物，這樣會大大降低透水磚的滲透效率。在北方地區(qū)的冬天，透水磚存在可能被凍融破壞的危害。（3）透水和保水性能的認識，透水磚要求提高透水系數或透水速率而忽略了透水磚自身的保水率或保水量，可能會對道路基層強度、穩(wěn)定性、地下水體污染、地下水體平衡產生潛在風險。（4）因地制宜地加強工業(yè)固體廢棄物、再生骨料在透水磚領域的應用研究是現階段我國循環(huán)經濟發(fā)展的重要方向。（5）應加強透水磚在吸聲降噪、地表徑流等，特別是降雨前后表面溫度、水分蒸發(fā)速率、環(huán)境溫濕度等熱濕效果的表征。

6 結語

（1）以陶瓷磚廢料、壓榨泥、廢釉料（面釉、花釉、墨水、透明保護釉等）制備燒結型透水磚可以有效利用陶瓷磚企業(yè)固廢，改善環(huán)境，真正實現陶瓷磚生產的資源化循環(huán)利用；

（2）陶瓷透水磚中陶瓷廢料的含量越多，其透水性能越好，抗壓強度波動越大，因此需要在熔劑和廢料利用量方面做一些平衡，達到使用需求；

（3）以廢玻璃作為透水磚熔劑，陶瓷磚破碎料作為骨料制備燒結透水磚，需注意冷卻裂，可以通過一些添加劑的加入改善燒結性能；

（4）利用礦山尾砂制備陶瓷透水磚，其產品符合相關標準要求，但需要在實際生產應用過程中注意放射性是否超標；

（5）透水磚表面孔隙較小，長時間使用，淤泥、生活垃圾等污染物容易堵塞其表面毛孔，透水率明顯降低。由于表面孔隙較多，其力學性能、耐久性均較差，使用幾年之后就需要重新鋪設，改善透水磚的綜合性能，需要加強技術研究和工藝改善；

（6）透水磚的鋪裝不同于傳統的硬化路面，在鋪裝透水磚時，要求路基不僅具有良好的穩(wěn)定性，還需要具有良好的透水性，這樣才能保證回收水有效的滲入地下，補充地下水資源；

（7）透水磚的透水性和抗折強度的影響通常存在一定的反向變化關系，在生產過程中找到相關影響因素最佳點，找到最佳制造參數和生產條件是生產制備優(yōu)質透水磚的關鍵點之一；

（8）透水系數及強度關系還有結構、施工工藝等方面的研究探討較少，制備的透水磚強度較低，耐久性較差，生產過程中能耗較高；

（9）透水磚在后期保養(yǎng)以及應用規(guī)程方面需要做一些更具有實際應用的規(guī)程，在城市建設方面需要合理使用，需要投入更多的精力去做后期維護，這一點需要在前期規(guī)劃使用中做好合理規(guī)劃和平衡。