焙燒尾礦制備透水磚的孔隙特征研究

王恬君 ,劉立偉，李國峰,2，趙禮兵,2，王帥

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省礦產(chǎn)資源與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071051；3.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，河北 秦皇島 066000）

我國礦產(chǎn)資源豐富，隨著國家大力推展，礦物材料在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)及戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中有重要作用。此外，我國存在大量固體廢棄物堆積、城市內(nèi)澇問題[1-2]，當(dāng)前，強(qiáng)降雨天氣時(shí)有發(fā)生，深入研究路面鋪裝建材的透水性能，發(fā)揮“海綿城市”的作用顯得尤為必要。邢益強(qiáng)等[3]以85 %鋁礬土尾礦為主要原料，制備出透水系數(shù)為0.132 cm/s的透水磚；李峰等[4]以80%鉬尾礦為原料，加入石灰石和黏土等，采用模壓成型法制備出透水系數(shù)為2.6×10-2cm/s的陶瓷透水磚。目前對透水磚透水性能的研究主要集中在原料配比及制備工藝方面，對透水磚孔隙特征探究較少[5-9]。

孔隙結(jié)構(gòu)對流體滲流有重要影響，探究孔隙特征對改善透水磚透水效果具有深遠(yuǎn)意義[10]。郭利朋等[11]利用image軟件計(jì)算出再生混凝土的孔隙個(gè)數(shù)、孔隙等效孔徑，以此來分析孔隙特征對混凝土宏觀性能的影響，結(jié)果表明孔隙個(gè)數(shù)、等效孔徑對其抗壓強(qiáng)度與透水性能具有重要影響；許燕蓮等[12]分析多孔混凝土等效孔徑與透水系數(shù)之間的相關(guān)性系數(shù)，證明兩者相關(guān)性較強(qiáng)，等效孔徑可以作為衡量其滲透性能的重要指標(biāo)；張躍榮[13]對多孔介質(zhì)滲透行為進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)即使孔隙率數(shù)值相同的多孔介質(zhì)，其模型不同也會(huì)使?jié)B透系數(shù)呈較大差異，孔隙率、孔徑大小共同影響多孔材料的滲透性能。

為提高透水磚透水性能，有必要對透水磚進(jìn)行詳?shù)目紫短卣餮芯?。本課題組前期已進(jìn)行焙燒尾礦制備透水磚工藝研究，探究焙燒尾礦用量、水膠比、目標(biāo)孔隙率和振動(dòng)時(shí)間等因素對透水磚透水性能和力學(xué)性能的影響，最終確定焙燒尾礦用量為60%、水膠比為0.3、目標(biāo)孔隙率為20%、振動(dòng)時(shí)間為40 s時(shí)為較佳條件[14-15]。因力學(xué)性能和透水性能為此消彼長關(guān)系，在制備透水磚過程中需滿足其力學(xué)性能和透水性能均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，本文在總結(jié)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果的前提下，重點(diǎn)研究透水磚孔隙特征的變化規(guī)律。

1 試樣及方法

1.1 原料性質(zhì)分析

（1）焙燒尾礦。

為了解焙燒尾礦的化學(xué)成分，對其進(jìn)行多元素分析，結(jié)果見表1。

表1 焙燒尾礦多元素分析/%Table 1 Multi-element analysis of roasted tailings

由表1可知，焙燒尾礦的主要成分是SiO2，含量為67.8%，所用尾礦成分符合建材要求。通過尾礦粒級分布可知，焙燒尾礦粒度主要集中在-0.125+0.003 mm之間。

（2）水泥。本實(shí)驗(yàn)所用水泥為普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分分析見表2。

表2 水泥多元素分析/%Table 2 Multi-element analysis of cement

通過多元素分析可以看出，水泥的主要成分是CaO，含量為59.80%，F(xiàn)e、MgO和Al2O3占比較少，共占總量的9.44%。通過水泥粒度含量分布可知，水泥在-0.125+0.003 mm粒級分布最多。

（3）粉煤灰

實(shí)驗(yàn)所用粉煤灰來自鞏義市某電廠，化學(xué)成分見表3。

表3 粉煤灰多元素分析/%Table 3 Multi-element analysis of fly ash

通過表3可以看出，粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，分別占總量的59.75%和25.22%，同時(shí)含有少量的CaO、MgO和Fe，共占總量的10.71%。由粉煤灰粒度分布可知，粉煤灰主要分布在-1.25+0.45 mm粒級。

（4）其他

①骨料

本實(shí)驗(yàn)采用研山原生礦濕式預(yù)選磁選機(jī)尾礦和一磁尾礦的混合礦樣，選取-4.75+2.36 mm粒級尾礦充當(dāng)骨料。

②減水劑

實(shí)驗(yàn)所用減水劑為聚羧酸系高性能減水劑。添加減水劑可減少水的用量，促進(jìn)粗骨料與膠凝材料之間有效粘合。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 透水磚制備方法

（1）攪拌工藝

攪拌設(shè)備為JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)。將水和減水劑按比例混勻后，取50%加入粗骨料中，一起混勻后倒入攪拌機(jī)混勻30 s，然后添加全部膠凝材料繼續(xù)混勻30 s，最后加入剩余的50%水和減水劑混勻物攪拌120 s。

（2）成型工藝

成型設(shè)備為ZT96型水泥膠砂振實(shí)臺。將混合好的物料放入成型模具后放到振實(shí)臺上進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)頻率每秒1次。

（3）養(yǎng)護(hù)工藝

養(yǎng)護(hù)設(shè)備為HT-HW-150L型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱。將振動(dòng)成型的物料放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)1 d后進(jìn)行脫模，其次將實(shí)驗(yàn)樣品放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行28 d的養(yǎng)護(hù)，最后進(jìn)行脫模、檢測，其中固定養(yǎng)護(hù)溫度為20℃，養(yǎng)護(hù)濕度為95%。

1.2.2 實(shí)測孔隙率測計(jì)算方法

透水磚的實(shí)測孔隙率公式為：

式中：P—實(shí)測孔隙率(%)

m1—磚體重量

m2—排出氣泡后磚體重量

V—磚體體積

1.2.3 表觀孔隙觀測方法

為觀察透水磚孔隙結(jié)構(gòu)，將透水磚切割成相同大小的試塊并進(jìn)行拋光磨平處理，通過Dinl-Lite微型電子顯微鏡觀測試塊表觀孔隙。磚體在干燥條件下，顯微鏡觀測出的孔隙結(jié)構(gòu)輪廓不清晰，為突出磚體的孔隙結(jié)構(gòu)，在觀測過程中，采用膠頭滴管不斷滴水。

1.2.4 表觀孔隙數(shù)形統(tǒng)計(jì)

孔隙結(jié)構(gòu)多為不規(guī)則狀，為對透水磚孔隙大小進(jìn)行精準(zhǔn)描述，參考文獻(xiàn)[11-13]采用Image-Pro Plus軟件對Dinl-Lite微型照相機(jī)下采集的孔隙特征圖像進(jìn)行孔隙數(shù)量統(tǒng)計(jì)、面積測量。然后將面轉(zhuǎn)化為等面積圓，計(jì)算出孔隙的等面積圓當(dāng)量直徑即為孔隙等效孔徑。計(jì)算公式為：

式中：dH—孔隙等效孔徑

A—孔隙面積

為便于對透水磚的孔隙進(jìn)行面積測量，需對透水磚孔隙圖像進(jìn)行二值化預(yù)處理，并通過Image-Pro Plus軟件中的不規(guī)則AOI測量工具對二值化處理后的孔隙圖像進(jìn)行輪廓描繪，來分離圖像中的孔隙與非孔隙磚體結(jié)構(gòu)，利用Image-Pro Plus軟件中的count size測量孔隙結(jié)構(gòu)，采集孔隙的面積與數(shù)量信息。每塊磚體隨機(jī)選取20個(gè)視域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確保統(tǒng)計(jì)結(jié)果具有代表性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焙燒尾礦用量對透水磚孔隙特征的影響

2.1.1 焙燒尾礦用量對透水磚實(shí)測孔隙率的影響

在目標(biāo)孔隙率為20%，水膠比為0.3，振動(dòng)時(shí)間為60 s條件下，考察不同焙燒尾礦用量對實(shí)測孔隙率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 焙燒尾礦用量對透水磚實(shí)測孔隙率的影響Fig.1 Effect of roasted tailings amount on measured porosity of permeable brick

由圖1可知，焙燒尾礦用量對實(shí)測孔隙率具有較大影響，隨著焙燒尾礦用量的增加，實(shí)測孔隙率呈增加趨勢。當(dāng)焙燒尾礦用量從40%增加到80%時(shí)，實(shí)測孔隙率數(shù)值上升幅度較大，由4.07%升高到27.79%，上升了23.72個(gè)百分點(diǎn)。焙燒尾礦用量從50%增加到60%時(shí)，實(shí)測孔隙率數(shù)值變化幅度最大，由9.12%顯著上升到17.88%，上升了8.76個(gè)百分點(diǎn)。

2.1.2 焙燒尾礦用量對透水磚表觀孔隙的影響

圖2為焙燒尾礦用量為40%，60%和70%條件下，透水磚的等效孔徑分布。

圖2 不同用量等效孔徑分布Fig.2 Equivalent aperture distribution with different dosage

根據(jù)圖2可知，焙燒尾礦用量為40%時(shí)，透水磚孔隙孔徑范圍為0～2.5 mm，其中0～1.25 mm范圍內(nèi)的孔隙占全體孔隙的42.86%，1.25 ～ 2.5 mm范圍內(nèi)的孔隙占全體孔隙的57.14%；焙燒尾礦量增加到60%時(shí)，0 ～ 1.25 mm范圍內(nèi)的孔隙占比減少到20.32%，1.25 ～ 2.5 mm的孔隙相應(yīng)增加；焙燒尾礦用量為70%時(shí)，透水磚孔徑明顯增大，范圍擴(kuò)大到0 ～ 5 mm，其中2.5 ～ 5 mm范圍內(nèi)的孔隙達(dá)到27.78%。

透水磚在制備過程中物料之間發(fā)生水化反應(yīng)，形成鐵相和水化硅酸鈣C-S-H穿插搭接的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)填充在膠凝層的孔隙之間，對孔隙結(jié)構(gòu)造成影響[15]。隨焙尾礦用量增加，水泥含量減少，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成較少，出現(xiàn)透水磚實(shí)測孔隙率增大且孔隙孔徑變大現(xiàn)象。因此在滿足透水磚其他性能的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加焙燒尾礦的摻量有利于改善透水磚的透水性。

2.2 水膠比對透水磚孔隙特征的影響

2.2.1 水膠比對透水磚實(shí)測孔隙率的影響

在目標(biāo)孔隙率為20%，焙燒尾礦摻量為60%，振動(dòng)時(shí)間為60 s條件下，繼續(xù)考察水膠比對實(shí)測孔隙率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 水膠比對透水磚實(shí)測孔隙率的影響Fig.3 Effect of water-binder ratio on measured porosity of water-permeable brick

由圖3可知，隨著水膠比增大，實(shí)測孔隙率先快速下降，后趨于平緩。水膠比由0.25增加到0.35時(shí)，實(shí)測孔隙率下降明顯，由28.48%下降到11.39%，下降了17.09個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)水膠比增加到0.4時(shí)，實(shí)測孔隙率變化幅度較小，僅由11.39%下降為10.05%。

2.2.2 水膠比對透水磚表觀孔隙的影響

探究水膠比分別為0.25和0.4時(shí)，對透水磚孔隙的等效孔徑影響，結(jié)果見圖4。

圖4 不同水膠比等效孔徑分布Fig.4 Equivalent pore size distribution of different waterbinder ratios

由圖4可知，水膠比為0.25時(shí)透水磚孔隙的孔徑范圍為0 ～ 10 mm，5 ～ 10 mm范圍內(nèi)的孔隙達(dá)到46.16%，其中7.5 ～ 10 mm的大孔高達(dá)38.47%；水膠比為0.4時(shí)，孔徑全部集中在0 ～ 2.5 mm范圍內(nèi)，孔隙較小。

這是因?yàn)椋S著水膠比增大，漿體流動(dòng)性增強(qiáng)，成型后漿體在重力的作用下流入試塊底部造成堵孔封底現(xiàn)象[16]。增加水膠比，導(dǎo)致透水磚實(shí)測孔隙率降低，孔徑變小，透水磚透水性能下降。

2.3 振動(dòng)時(shí)間對透水磚孔隙特征的影響

2.3.1 振動(dòng)時(shí)間對透水磚實(shí)測孔隙率的影響

在目標(biāo)孔隙率為20%，焙燒尾礦摻量為60%，水膠比為0.3條件下，考察振動(dòng)時(shí)間對透水磚實(shí)測孔隙率性能的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 振動(dòng)時(shí)間對透水磚實(shí)測孔隙率的影響Fig.5 Effect of vibration time on measured porosity of permeable brick

由圖5可知，隨著振動(dòng)時(shí)間增加，實(shí)測孔隙率逐漸降低。振動(dòng)時(shí)間從30 s增加到40 s時(shí)，實(shí)測孔隙率下降相對較快，由27.93%下降到23.41%；振動(dòng)時(shí)間由60 s增加到70 s時(shí)，實(shí)測孔隙率下降較慢，由17.88%下降到16.78%。

2.3.2 振動(dòng)時(shí)間對透水磚表觀孔隙的影響

振動(dòng)時(shí)間從30 s增加到60 s時(shí)，透水磚的表觀孔隙見圖6。

圖6 不同振動(dòng)時(shí)間透水磚等效孔徑分布Fig.6 Distribution of equivalent pore size of permeable brick at different vibration times

由圖6可知，振動(dòng)時(shí)間為30 s時(shí)，孔隙孔徑范圍為0～10 mm，2.5～5 mm的范圍內(nèi)的孔隙居多，為66.67%。除此之外，還出現(xiàn)16.66%孔徑范圍為5～10 mm的孔隙；振動(dòng)時(shí)間為40 s時(shí)，孔徑有所減小，5～10 mm直徑的孔隙消失；振動(dòng)時(shí)間為50 s時(shí)，0～2.5 mm范圍內(nèi)的孔隙增加到92.86%；振動(dòng)時(shí)間為60 s時(shí)，孔隙孔徑全部集中在0 ～ 2.5 mm范圍內(nèi)。

這是因?yàn)?，振?dòng)時(shí)間較短時(shí)，骨料與骨料之間縫隙不能被漿體有效填充，出現(xiàn)的孔徑較大；隨著振動(dòng)時(shí)間增加，粗骨料發(fā)生相互間的滑移與位置重排，骨料顆粒堆積緊湊，使得磚體的孔隙急劇減少。增加振動(dòng)時(shí)間，透水磚的實(shí)測孔隙率降低，孔徑變小，導(dǎo)致透水磚透水性能下降。

3 結(jié) 論

（1）增加焙燒尾礦用量，有利于透水磚實(shí)測孔隙率的提高。表觀孔隙變化特征為，隨焙燒尾礦用量增加，孔隙呈變大趨勢，尾礦用量為70%時(shí)，開始出現(xiàn)孔徑大于2.5 mm的孔隙。

（2）水膠比由0.25增加到0.4，實(shí)測孔隙率由28.48%下降至10.05%，透水磚表觀孔隙具有顯著差異。水膠比為0.25時(shí)，孔隙孔徑最大達(dá)7.5 ～ 10 mm，占比達(dá)到38.47%，孔隙較大；水膠比為0.4時(shí)，大孔消失，孔徑范圍縮減至0 ～ 2.5 mm。

（3）增加振動(dòng)時(shí)間，透水磚實(shí)測孔隙率降低。振動(dòng)30 s時(shí)，孔隙孔徑范圍為0 ～ 10 mm，以2.5 ～5 mm居多；振動(dòng)時(shí)間增加，孔隙孔徑范圍逐漸減小，當(dāng)振動(dòng)時(shí)間增加到60 s時(shí)，孔隙孔徑全部減小到0 ～ 2.5 mm。