焙燒鐵尾礦制備透水磚試驗研究

趙禮兵 王 帥 梁艷濤 李國峰 王 鵬

（1.華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北唐山063210；2.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計研究總院有限公司，河北秦皇島066000；3.河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司，河北唐山063701）

據(jù)統(tǒng)計，我國鐵尾礦排放量超過90億t，僅有少部分得到有效利用，而剩余大部分鐵尾礦只能進行堆積，導致環(huán)境污染、資源浪費和水體污染等［1］。目前，鐵尾礦的綜合利用領(lǐng)域主要集中在尾礦再選、生產(chǎn)建筑材料、充填礦山采空區(qū)和土地復墾等方面［2］。其中，制備免燒磚體具有尾礦摻量大、成本低、綠色環(huán)保等優(yōu)勢。馮學遠等［3］將鐵尾礦作為研究對象，通過探究鐵尾礦、水泥和水的添加量以及化學添加劑對尾礦磚抗壓強度的影響，最終得到MU10的免燒磚。由于尾礦磚的力學性能較差，Li等［4］對焙燒尾礦進行研究，結(jié)果表明在焙燒鐵尾礦代替30%原材料時，其力學性能達到國家42.5普通硅酸鹽水泥標準。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷加快，天然植被與裸露土壤不斷被各種建筑物及不透水硬化路面所取代［5］，影響了降雨、蒸發(fā)、雨水匯流等水文過程。水文條件的改變導致“熱島效應”、“雨島效應”以及“城市看?！钡葐栴}，給城市建設(shè)和人們的生活帶來不便。透水磚作為一種綠色建材，可以起到補充地下水資源、降低人們生活熱環(huán)境和改善植被生存環(huán)境的作用。時浩等［6］對尾礦透水路面磚進行研究，發(fā)現(xiàn)骨料粒徑7～10 mm，砂灰比為3.5的條件下，透水磚透水系數(shù)達到2.44×10-2cm/s。

本研究采用焙燒鐵尾礦、水泥和粉煤灰為膠凝材料，2.36～4.75 mm粒級鐵尾礦為粗骨料，通過攪拌、成型和養(yǎng)護工藝制備透水磚，探究焙燒鐵尾礦用量、水膠比、目標孔隙率和振動時間對透水磚性能的影響，以獲得最佳的工藝參數(shù)；同時對比未焙燒尾礦制備透水磚的性能，為尾礦大量利用制備透水磚提供參考。

1 試樣及方法

1.1 試樣

（1）焙燒鐵尾礦。本試驗所用焙燒鐵尾礦為某地半工業(yè)試驗經(jīng)過焙燒和磁選后最終尾礦，其化學成分分析結(jié)果見表1，XRD分析見圖1。

由表1和圖1可知，焙燒鐵尾礦TFe的含量為9.12%，SiO2含量為67.80%，屬于高硅鐵尾礦，滿足建材原料的要求；焙燒尾礦中SiO2、Fe主要以石英和赤鐵礦的形式存在。

（2）水泥。試驗所用水泥為市售普通硅酸鹽水泥P·O42.5R，其主要化學成分分析結(jié)果見表2。

由表2可知，水泥中主要成分為CaO和SiO2，含量分別為59.80%、14.60%。

（3）粉煤灰。粉煤灰選自鞏義市豫聯(lián)電廠，呈灰色，密度為2.1 g/cm3，其主要化學成分分析結(jié)果見表3。

由表3可知，粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，含量分別為59.75%、25.22%。

（4）骨料。本試驗采用研山原生礦濕式預選磁選機尾礦和一磁尾礦的綜合礦樣，這兩部分尾礦通過旋流器濃縮及高頻細篩隔粗后泵送到尾礦庫，本次試驗選取隔粗后篩上粗粒級部分，經(jīng)篩選采用2.36～4.75 mm粒級充當骨料，堆積密度和表觀密度分別為1 400 kg/m3、2 720 kg/m3，堆積孔隙率為48.53%。

（5）未焙燒鐵尾礦。試驗采用的未焙燒鐵尾礦取自研山鐵礦，其主要化學成分分析結(jié)果見表4。

由表4可知，未焙燒鐵尾礦主要成分為SiO2、TFe和Al2O3，與表1焙燒鐵尾礦的主要成分和含量大致相同，可用于對比試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 攪拌工藝

本試驗選用集料表面包裹法制備透水磚。首先將全部的粗骨料和50%的水及減水劑（水和減水劑提前進行混勻），倒入水泥膠砂攪拌機進行混勻，時間為30 s。然后添加全部的膠凝材料，再攪拌30 s，在此過程中膠凝材料起潤滑作用，避免骨料被擠碎的現(xiàn)象的發(fā)生。最后將剩余的水及減水劑加入攪拌機中攪拌120 s。

1.2.2 成型工藝

振蕩時間是制備透水磚重要的一環(huán)，時間過長會使透水磚成品過于密實，出現(xiàn)離析現(xiàn)象［8］，時間過短會導致透水磚的強度指標達不到國家標準。本試驗選用水泥膠砂振實臺，采用振動成型。首先將混合好的物料放入模具中，再放到振實臺上進行振蕩，振實臺每秒振蕩一次。

1.2.3 養(yǎng)護工藝

本試驗采用標準養(yǎng)護的方式，選用的設(shè)備為標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱。物料裝入模具后振動成型，放入養(yǎng)護箱養(yǎng)護1 d后進行脫模，之后將試驗樣品放入養(yǎng)護箱中進行28 d的養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度和濕度分別為20℃、95%。

2 結(jié)果與討論

2.1 焙燒鐵尾礦摻量對透水磚性能的影響

固定水膠比為0.3，目標孔隙率20%，振動時間60 s，考察焙燒鐵尾礦摻量對透水磚性能的影響，結(jié)果見圖2。

由圖2（a）和（b）可知，隨著焙燒鐵尾礦摻量的增加，透水磚抗折、抗壓強度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸升高。焙燒尾礦摻量從40%增加到60%時，抗壓強度由38.07 MPa下降到17.07 MPa，抗折強度由7.3 MPa降到3.94 MPa，透水系數(shù)由0.49×10-2cm/s增加到1.89×10-2cm/s；焙燒尾礦摻量繼續(xù)增加到80%時，抗壓強度為2.4 MPa，抗折強度為0.38 MPa，透水系數(shù)達到最大為3.66×10-2cm/s。綜合透水磚的性能來看，焙燒鐵尾礦摻量為60%時為合適，此時抗折、抗壓強度分別為3.94 MPa和17.07 MPa，透水系數(shù)達到國家B級標準。

2.2 水膠比對透水磚性能的影響

固定焙燒鐵尾礦摻量為60%，目標孔隙率20%，振動時間60 s，考察水膠比對透水磚性能的影響，結(jié)果見圖3。

由圖3（a）和（b）可知，隨著水膠比的增大，透水磚抗折、抗壓強度逐漸增加，透水系數(shù)逐漸降低。水膠比由0.25增大到0.30時，抗壓強度由7.42 MPa增加到17.07 MPa，抗折強度由2.25 MPa增加到3.94 MPa，透水系數(shù)由7.12×10-2cm/s減小到1.89×10-2cm/s；水膠比繼續(xù)增加到0.4時，抗折、抗壓強度分別為4.99 MPa和23.91 MPa，透水系數(shù)達到最小，為0.22×10-2cm/s。水膠比較小時，造成漿體過于干燥，包裹在骨料表面的漿體不均勻且疏松，接觸點的粘結(jié)力較小，導致強度變低［9］；水膠比過大，漿體過于濕潤，與粗骨料不易粘結(jié)。綜上，水膠比0.3時較為合適，此時透水磚的力學性能和透水性能均達到國家標準。

2.3 目標孔隙率對透水磚性能的影響

固定焙燒鐵尾礦摻量為60%，水膠比0.3，振動時間60 s，考察目標孔隙率對透水磚性能的影響，結(jié)果見圖4。

從圖4（a）和（b）可以看出，隨著目標孔隙率的增加，透水磚抗折、抗壓強度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸上升。當目標孔隙率由10%增加到20%時，抗折強度從5.95 MPa降低到3.94 MPa，抗壓強度從28.16 MPa降低到17.07 MPa，透水系數(shù)從0.31×10-2cm/s增加到1.89×10-2cm/s，目標孔隙率繼續(xù)增加到30%時，抗折強度為1.60 MPa，抗壓強度為5.96 MPa。隨著目標孔隙率增大，磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)由較密實向較疏松轉(zhuǎn)變［10］，導致膠凝材料對粗骨料的包裹不充分，骨料間的粘結(jié)面積減小，粘結(jié)力不足，造成透水磚的抗壓、抗折強度減小。綜上所述，目標孔隙率為20%較適宜。

2.4 振動時間對透水磚性能的影響

固定焙燒鐵尾礦摻量為60%，水膠比0.3，目標孔隙率20%，考察振動時間對透水磚性能的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5（a）和（b）可知，隨著振動時間增加，透水磚抗折、抗壓強度逐漸增大，透水系數(shù)逐漸降低。振動時間由30 s增加至40 s時，抗壓強度由13.74 MPa增加到15.44 MPa，抗折強度從2.97 MPa增加到3.34 MPa，透水系數(shù)由3.63×10-2cm/s降低到2.58×10-2cm/s；振動時間繼續(xù)增加到70 s時，抗折和抗壓強度分別為4.54 MPa、20.48 MPa，透水系數(shù)為1.51×10-2cm/s。在振動成型中，振動時間增加，被膠凝材料包裹的骨料之間的緊密結(jié)合，造成了孔隙率減小，透水磚整體結(jié)構(gòu)變得密實，所以導致透水系數(shù)逐漸減?。?1］。綜合考慮透水磚性能因素，振動時間為40 s時效果最佳，此時透水磚抗折強度、抗壓強度均符合國家標準，透水系數(shù)達到國家標準A級。

2.5 鐵尾礦焙燒前后對透水磚性能的影響

固定水膠比為0.3，目標孔隙率20%，振動時間40 s時，考察鐵尾礦焙燒前后對透水磚性能的影響，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)未焙燒鐵尾礦透水磚力學性能均不達標，為客觀地進行對比，選取振動時間為60 s，對比試驗結(jié)果見圖6。

由圖6（a）和（b）可知，隨著焙燒和未焙燒鐵尾礦摻量的增加，抗折和抗壓強度逐漸降低。焙燒尾礦摻量為60%時，抗壓強度為17.07 MPa，抗折強度為3.94 MPa。未焙燒尾礦摻量從40%增加到50%時，抗壓強度由25.63 MPa降低到14.54 MPa，抗折強度由5.27 MPa降低到3.38 MPa，隨著未焙燒鐵尾礦用量繼續(xù)增加到80%時，抗折、抗壓強度強度均達到最小，分別為0.28 MPa和1.2 MPa。

由6（c）可知，隨著焙燒和未焙燒尾礦摻量增加，透水系數(shù)均逐漸增大。焙燒尾礦摻量在60%時，透水系數(shù)為1.89×10-2cm/s。未焙燒尾礦摻量由40%增加到50%時，透水系數(shù)從0.74×10-2cm/s增加到2.15×10-2cm/s；隨著未焙燒鐵尾礦摻量繼續(xù)增加到80%時，透水系數(shù)達到最大為5.12×10-2cm/s。

綜合透水磚的性能指標，當焙燒尾礦摻量為60%時效果最佳，抗折、抗壓強度分別為3.94 MPa和17.07 MPa，透水系數(shù)符合國家B級標準；當未焙燒尾礦摻量為50%時效果最佳，抗折、抗壓強度分別為3.38 MPa和14.54 MPa，透水系數(shù)符合國家A級標準。由此可以看出焙燒尾礦比未焙燒尾礦多替代水泥10%的情況下，力學性能焙燒尾礦透水磚較好，而透水性能則未焙燒尾礦透水磚較好。

3 結(jié) 論

（1）焙燒尾礦制備透水磚最佳試驗條件為：焙燒尾礦摻量為60%，振動時間為40 s、水膠比0.3，目標孔隙率20%。透水磚最優(yōu)條件下的指標為：抗折強度為3.34 MPa，符合國家標準Rf3.0，抗壓強度為15.44 MPa，符合國家標準MU15，透水系數(shù)為2.58×10-2cm/s，符合國家標準A級標準，實測孔隙率為23.41%。

（3）通過焙燒尾礦和未焙燒尾礦對比可知，在滿足透水磚的透水性能和力學性能的情況下焙燒尾礦可以代替水泥60%；未焙燒尾礦替代水泥50%。