自潔式煤矸石燒結(jié)透水磚制備試驗(yàn)分

吳春梅 韓祖麗 陳羽玲

【摘 要】本文論述自潔式煤矸石燒結(jié)透水磚制備試驗(yàn)，闡述將煤矸石與粘土按照質(zhì)量比7∶3配比，造孔劑膨脹珍珠巖按照煤矸石和黏土總體積的80%配比，燒成溫度為1050℃，制成透水磚，然后再將納米TiO2乳液按照7.5mL/dm2的用量均勻地從透水磚表面的孔隙中噴入，通過(guò)滲透均勻分布在磚體內(nèi);通過(guò)二次煅燒，使納米TiO2乳液形成具有較高光催化降解效率的銳鈦礦型納米TiO2，形成自潔式透水磚，并測(cè)試其光催化性、透水系數(shù)、劈裂抗拉強(qiáng)度。

【關(guān)鍵詞】煤矸石? 自潔式? 燒結(jié)透水磚? TiO2? 試驗(yàn)? 制備

【中圖分類號(hào)】G? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2019）01C-0190-03

一、問(wèn)題的提出

近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，城市中心區(qū)被大量鋼筋混凝土、花崗巖等密封材料覆蓋，雨水不能迅速滲入地下，導(dǎo)致地表氣溫升高，形成“熱島效應(yīng)”，若城市排水設(shè)施不到位，暴雨時(shí)易引發(fā)內(nèi)澇，給人民生活帶來(lái)極大不便。為了滿足社會(huì)發(fā)展的需要，有助于推動(dòng)海綿城市建設(shè)與發(fā)展的透水材料應(yīng)運(yùn)而生。透水磚是海綿城市建設(shè)重要的透水材料之一，它具有強(qiáng)度高、透水性能良好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)發(fā)展迅速。但普通透水磚的孔隙容易被雨水中的泥沙、污泥等雜質(zhì)堵塞，從而大大降低透水磚的透水壽命。為此，研究具有自清潔功能的自潔式透水磚是亟須攻克的難題。

自潔式透水磚是將光觸媒技術(shù)應(yīng)用于透水地磚研制成的一種光催化建材。自潔式透水磚的“自清潔”是利用透水磚中的光觸媒在特定光的照射下，發(fā)生光催化反應(yīng)，釋放出氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基，將透水磚表面和孔隙中的有機(jī)物和部分無(wú)機(jī)物降解而實(shí)現(xiàn)的。

納米TiO2是目前應(yīng)用較廣泛的光觸媒材料之一，是一種無(wú)毒、耐腐蝕、價(jià)格低的半導(dǎo)體材料，具有光催化降解活性高、反應(yīng)條件溫和、覆蓋能力強(qiáng)等特性。國(guó)內(nèi)學(xué)者利用納米TiO2的光催化特性，即納米光催化劑在特定波長(zhǎng)紫外光線照射下，生成電子—空穴對(duì)，并與周圍的水分子、氧分子發(fā)生作用，結(jié)合生成具有極強(qiáng)氧化能力的羥基自由基，能將附著的有機(jī)物降解。將TiO2用于陶瓷、玻璃、混凝土等基材表面，開發(fā)出一系列具有抗菌、表面自清潔、防污的綠色建筑材料，對(duì)改善人類生存環(huán)境，提高生活品質(zhì)，具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。

國(guó)內(nèi)關(guān)于自潔式透水磚的研究成果較少，南京優(yōu)凝舒布洛克公司將爐渣水泥和納米TiO2按一定比例混合制成一種自潔式透水磚，具有一定自清潔功能，但分布在透水磚底部的納米TiO2利用率較低。劉家樂(lè)等人針對(duì)煤矸石透水磚的基本性能，以煤矸石、黏土為骨料，以膨脹珍珠巖為造孔劑制備陶瓷透水磚的工藝進(jìn)行試驗(yàn)研究。徐德高等人從配合比設(shè)計(jì)、自密實(shí)性能和力學(xué)性能等方面通過(guò)試驗(yàn)研究了混凝土的表面清潔性能及其色彩藝術(shù)效果的保持性。沈衛(wèi)國(guó)等人利用水泥水化產(chǎn)物凝膠和納米TiO2成功制備具有超平表面的光催化混凝土。田浩采用溶膠—凝膠法和光還原法制備了高光催化活性的Ag-TiO2光催化納米顆粒，進(jìn)而成功制備了Ag-TiO2光催化混凝土。然而，在目前的公開文獻(xiàn)中尚未涉及自潔式煤矸石燒結(jié)透水磚的制備試驗(yàn)研究。

本研究擬探討以煤矸石為骨料，黏土為輔料，膨脹珍珠巖為造孔劑，制備透水磚;再將制備好的納米TiO2乳液注入透水磚的孔隙中，通過(guò)二次煅燒使納米TiO2乳液形成具有較高光催化降解效率的銳鈦礦型納米TiO2，制備出具有光催化降解性能的自潔式透水磚，為工業(yè)固體廢棄物綜合利用和自潔式透水磚研究提供參考。

二、試驗(yàn)過(guò)程

（一）制備納米TiO2乳液

1.納米TiO2乳液制備方法。制備納米TiO2粉體的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)有化學(xué)反應(yīng)和無(wú)化學(xué)反應(yīng)兩種情況，在制備過(guò)程產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的方法稱為化學(xué)法，而未產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的方法稱為物理法。物理法通常采用機(jī)械粉磨方式制備納米粉體，該制備方法能耗高，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用較少。化學(xué)法根據(jù)制備原料的物態(tài)分為氣相法和液相法，氣相法又包括氣相化學(xué)法、等離子法、激光化學(xué)法和濺射法四種，這些方法工藝復(fù)雜，對(duì)所使用的設(shè)備要求高，因此并未獲得推廣。而液相法主要包括微乳液法、水熱法、溶膠—凝膠法和沉淀法四種，其中，微乳液法工藝較為簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，制備的TiO2粉體粒徑易控制。微乳液法又分為油包水法、水包油法和連續(xù)雙包型三種方法，其中，微乳液是熱力學(xué)穩(wěn)定體系，其組分包括油、水、表面活性劑和助表面活性劑。在油包水（w/o）微乳液體系中，油為分散介質(zhì)，水相為分散相，水相作為納米液滴均勻的分散在油相中;在表面活性劑和助表面活性劑的作用下，納米液滴表面形成微小膠束，即在納米液滴外表面形成具有張力的界面，納米TiO2顆粒的形成被限定在納米液滴內(nèi)進(jìn)行;納米TiO2顆粒的粒徑可通過(guò)改變納米液滴的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。與其他方法相比，微乳液法制備出的納米粒子分布均勻、穩(wěn)定性好、粒徑易于控制，且該方法所需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、能耗低，是近年來(lái)制備納米粒子的新方法。

2.納米TiO2乳液制備原料。所用原料中，Tween80為江蘇省海安石油化工廠生產(chǎn)，環(huán)己烷、正丁醇為濟(jì)南世紀(jì)通達(dá)化工有限公司生產(chǎn)，硫酸氧鈦為天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)，氨水為天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)，去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制。

3.納米TiO2乳液制備工藝。將12.13g左右的Tween-80，注入50g環(huán)己烷中，拌和均勻后注入6.5ml正丁醇，攪拌30分鐘，分成等體積的試樣兩份。其中一份注入3mol/L的氨水10mL，拌和均勻標(biāo)記為溶液A;另一份試樣中加入濃度為0.8mol/L的TiOSO4水溶液10mL，拌和均勻并標(biāo)記為溶液B。

經(jīng)快速攪拌后將溶液A以緩慢速度（約3.5mL/min）滴入溶液B中，攪拌1.5小時(shí)，制成半透明的乳液，反應(yīng)原理是TiOSO4+2NH3·H2O→（NH4）2SO4+TiO2·H2O↓。將乳液分為兩份，其中一份經(jīng)過(guò)陳化后，將其置于離心機(jī)內(nèi)作離心處理20分鐘，離心速率為8500 r/min，取出沉淀物用去離子水洗滌5次后，再與去離子水混合攪拌制成懸濁液;另一份作為備用乳液。

（二）制備透水磚

1.透水磚制備原料。煤矸石取自廣西寧明縣大閘煤礦，外觀呈灰黑色，經(jīng)用球磨機(jī)粉磨處理，過(guò)0.25mm篩;黏土取自廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，經(jīng)過(guò)烘干處理后，過(guò)0.25mm篩;膨脹珍珠巖取自南寧市廣騰保溫材料廠，粒徑10～20目，密度為80 kg/m3。其化學(xué)成分見表1。

2.透水磚制備工藝。用顎式破碎機(jī)將煤矸石破碎，烘干后用球磨機(jī)研磨10分鐘;黏土烘干后用球磨機(jī)研磨5分鐘;然后分別過(guò)0.250mm篩。煤矸石與粘土按照質(zhì)量比7∶3配比，膨脹珍珠巖摻量為煤矸石和黏土總體積的80%。將配置好的原料投入攪拌機(jī)并加入水，用水量為煤矸石、黏土總量的15%，將攪拌均勻的混合物陳化72小時(shí)。將陳化后的混合物經(jīng)攪拌機(jī)攪拌均勻后，入模壓制成型，成型模具規(guī)格為200mm×100mm×50mm，成型壓力為15MPa。脫模后將磚坯置于托板上自然干燥8小時(shí)，之后置于恒溫干燥箱中，在105℃條件下烘干10小時(shí)至恒重。等磚坯完全干燥后，放入高溫爐中進(jìn)行焙燒，燒成溫度1050℃，升溫速率50℃/h，燒成時(shí)間48小時(shí)制成透水磚，留樣若干，標(biāo)記為磚樣A。

3.自潔式透水磚制備。利用噴淋裝置將納米TiO2乳液按照7.5m L/dm2的用量均勻地從透水磚（磚樣A）表面的孔隙中噴入，通過(guò)滲透均勻分布在磚體內(nèi)，將透水磚干燥處理后，進(jìn)行二次煅燒，燒成溫度為500℃，保溫時(shí)間10～30分鐘，使納米TiO2微乳液轉(zhuǎn)化成銳鈦礦型納米TiO2，制成自潔式透水磚，標(biāo)記為磚樣B。

三、自潔式透水磚試樣測(cè)試

按照 GB/T25993—2010《透水路面磚和透水路面板》測(cè)定自潔式透水磚試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度、透水系數(shù)，并對(duì)比透水磚和自潔式透水磚的光催化降解性能。試驗(yàn)所用的紫外線試驗(yàn)箱為東莞正航儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)，劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)裝置、透水系數(shù)真空裝置為滄州方圓建筑公路試驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)。

（一）自潔式透水磚光催化降解性能測(cè)試

將透水磚（磚樣A）、自潔式透水磚（磚樣B）試樣分別切割成75mm×150mm×12mm規(guī)格，置于流水下沖洗30分鐘，使表面平整、干凈、不起砂;將10mg/L甲基橙水溶液作為光催化降解的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，均勻地涂刷在兩個(gè)試樣表面。

將試件置于紫外線試驗(yàn)箱的試件架上，進(jìn)行耐候?qū)嶒?yàn);實(shí)驗(yàn)溫度37℃，紫外光輻照度0.6 W/m2;紫外光照射30分鐘后噴淋水，噴淋時(shí)長(zhǎng)為30分鐘，耐候?qū)嶒?yàn)1個(gè)循環(huán)周期為1小時(shí)，循環(huán)200次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

經(jīng)過(guò)200次循環(huán)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：自潔式透水磚試樣中的亞甲基藍(lán)，隨著紫外光的照射逐漸分解，經(jīng)過(guò)200次循環(huán)后試件表面的亞甲基藍(lán)完全分解，而透水磚試件表面的亞甲基藍(lán)基本未分解。

（二）自潔式透水磚劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試

取自潔式透水磚（磚樣B），清洗使其表面平整、干凈，用劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)裝置測(cè)算劈裂抗拉強(qiáng)度，設(shè)定加載速度為0.05MPa/s，記錄5個(gè)試件的破壞荷載。通過(guò)以下公式計(jì)算試件的劈裂抗拉強(qiáng)度FU=0.637K（P/S），其中FU為劈裂抗拉強(qiáng)度，單位MPa;P為破壞荷載，單位N;K為試件厚度校正系數(shù);S為破壞面的面積，單位mm2。另外S=lt，l為試件上下表面兩段破壞長(zhǎng)度的平均值，單位mm;t為試件破壞截面處兩端所測(cè)得兩個(gè)厚度的平均值，單位mm。通過(guò)計(jì)算五個(gè)試件劈裂抗拉強(qiáng)度的平均值為3.75 MPa。

（三）透水系數(shù)測(cè)試

取自潔式透水磚（磚樣B）切割成直徑為75mm，厚度為50mm（同磚樣B的厚度）的圓柱試樣;用黃油密封圓柱試樣的四周，使水僅能從試件的上下表面滲透，待密封材料固化后，將試樣置于透水系數(shù)真空裝置中，通過(guò)測(cè)定、計(jì)算可得滲透系數(shù)為0.342×10-2cm/s。

四、結(jié)論

本研究將煤矸石與粘土按照質(zhì)量比7∶3配比，造孔劑膨脹珍珠巖按照煤矸石和黏土總體積的80%配比，燒成溫度為1050℃，制成透水磚，然后再將納米TiO2乳液按照7.5mL/dm2的用量均勻地從透水磚表面的孔隙中噴入，通過(guò)滲透均勻分布在磚體內(nèi);通過(guò)二次煅燒，使納米TiO2乳液形成具有較高光催化降解效率的銳鈦礦型納米TiO2，形成自潔式透水磚。

通過(guò)測(cè)試可知：自潔式透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度為3.75 MPa，滲透系數(shù)為0.342×10-2cm/s，達(dá)到GB/T25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的要求;自潔式透水磚具有良好的光催化性;以煤矸石為主要原料，“變廢為寶、化害為利”制備自潔式透水磚是可行的，有效降低了生產(chǎn)成本，促進(jìn)了工業(yè)固體廢棄物的綜合利用。同時(shí)，良好的光催化性能有效防止孔隙堵塞，緩解城市內(nèi)澇，具有較高推廣價(jià)值。

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【作者簡(jiǎn)介】吳春梅（1985— ），女，重慶合川人，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程師，研究生，研究方向：新型建筑材料;韓祖麗（1985— ），男，壯族，廣西河池人，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程師，研究生，研究方向：巖石斷裂力學(xué)與建筑材料;陳羽玲（1982— ），女，廣西北海人，廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，碩士，研究方向：行政管理（信息化）。

（責(zé)編 蘇 洋）