鋁礬土尾礦燒結(jié)透水磚的性能調(diào)控

李志新，馬先偉，牛季收，趙 亮，盧 陽(yáng)，費(fèi)一航，曹濟(jì)臣，李學(xué)國(guó)

（1.河南城建學(xué)院材料與化工學(xué)院，河南 平頂山467036；2.河南城建學(xué)院土木與交通工程學(xué)院，河南平頂山467036；3.河南省科學(xué)院化學(xué)研究所有限公司，河南鄭州450002）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市地表被鋼筋混凝土建筑和不透水的路面所覆蓋，這些路面給出行帶來極大方便的同時(shí)，也帶來諸多負(fù)面影響，如混凝土路面呼吸性差、散熱和透水性能差，易導(dǎo)致“熱島效應(yīng)”、積水等現(xiàn)象的發(fā)生，破壞了原地表土壤中的生態(tài)環(huán)境［1］。采用透水磚鋪設(shè)的路面具有良好的透水性和保濕性［2-5］，因此，開發(fā)環(huán)保型透水磚，并用于路面鋪設(shè)對(duì)建設(shè)“海綿城市”勢(shì)在必行。

透水磚分為燒結(jié)型和非燒結(jié)型兩種。燒結(jié)型通常以優(yōu)質(zhì)黏土為原材料，也有高爐礦渣［5］、疏浚泥［6］、城市污泥［7］、粉煤灰［8-10］、偏高嶺土［11］、鎳鐵礦渣［12］等做原材料，再?gòu)?fù)配其他材料，但由于原材料干燥和燒成能耗高，使其成本增加，限制了推廣。非燒結(jié)型可以采用水泥［13-14］、鐵尾礦［15-17］等做原材料，采用自然養(yǎng)護(hù)或蒸養(yǎng)工藝制備而成，成本較低，應(yīng)用較廣。不過與燒結(jié)型相比，非燒結(jié)型強(qiáng)度偏低，耐磨性、抗凍性和抗化學(xué)腐蝕性較差，使用年限較低。

鋁礬土尾礦是鋁礬土企業(yè)在物理選鋁過程中排放的一種固體廢棄物。對(duì)其處理不當(dāng)易造成粉塵污染或潰壩風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)前期研究發(fā)現(xiàn)，鋁礬土礦中存在基本滿足陶瓷原料的化學(xué)成分，可以作為陶瓷類制品的原材料。

本文以鋁礬土尾礦為膠結(jié)料制備高性能燒結(jié)透水磚，通過研究鋁礬土尾礦的安全性、骨料種類和骨漿比的影響，并綜合考慮透水性能與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，為燒結(jié)透水磚的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

鋁礬土尾礦取自魯山縣華冠實(shí)業(yè)有限公司，其化學(xué)組成如表1所示。經(jīng)破碎球磨處理后，粒徑分布如表2所示。石英顆粒、石灰石顆粒和耐高溫顆粒保持相同粒徑分布和堆積密度，分別為4.75～9.5 mm和0.868 g/cm3。

表1 鋁礬土尾礦的化學(xué)組成 %

表2 鋁礬土尾礦的粒徑分布 %

1.2 透水磚的制備設(shè)計(jì)

燒結(jié)透水磚的骨料種類選擇、骨漿比等設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表3和表4。

表3 不同骨料磚的制備設(shè)計(jì)

表4 不同骨漿比磚的制備設(shè)計(jì)

1.3 透水磚性能測(cè)試

（1）透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度

透水磚的透水系數(shù)、抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照J(rèn)C/T 945-2005《透水磚》的要求進(jìn)行。透水系數(shù)試樣尺寸為?50 cm×53 cm；抗壓強(qiáng)度試樣尺寸為120 cm×115 cm×53 cm。

（2）保水性

保水性與透水磚釋放水的速率有關(guān)，會(huì)影響周圍環(huán)境的濕度變化，而吸水率與透水磚的抗凍性能密切相關(guān)。保水性測(cè)試具體步驟為：用尺子測(cè)量試樣的邊長(zhǎng)，每條邊測(cè)量一次，精確至0.1 cm，計(jì)算試樣的上表面面積A1；將試樣置于溫度為110℃的烘箱內(nèi)烘干，稱其質(zhì)量為m1；將試樣冷卻至室溫后豎直放入水槽中，注入蒸餾水，將試樣浸沒，使水面高出試樣約20 mm，在水中浸泡24 h，使試樣上表面向上從水中取出，用擰干的濕毛巾擦去表面附著水，稱其質(zhì)量為m2；保水率的計(jì)算公式為：

（3）吸水率

將透水磚放入105℃的烘箱內(nèi)烘干，稱其質(zhì)量為m0；冷卻至室溫后，緩慢浸入水箱中，水面要高于磚塊表面50mm，且磚塊間距不能少于10mm，浸泡24 h后，將透水磚迅速取出，用擰干的濕毛巾擦去表面附著水，稱其質(zhì)量m3，吸水率根據(jù)式（2）計(jì)算：

（4）放射性

鋁礬土尾礦的放射性采用HD-2001低本底γ能譜儀進(jìn)行測(cè)試。將鋁礬土尾礦破碎球磨處理后，稱取300 g，裝入?75 mm×70 mm樣品盒，采用密封膠帶封口，放置38 d后，進(jìn)行鐳、釷、鉀的測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁礬土尾礦的放射性檢測(cè)

對(duì)鋁礬土尾礦進(jìn)行了放射性比活度和內(nèi)外照射指數(shù)測(cè)試，分別如表5和表6所示。

從表5可以看出：鋁礬土尾礦中226Ra、232Th和40K的放射性比活度分別為274.82 Bq/kg、302.08 Bq/kg和781.15 Bq/kg，它們的比活度之和為1 358.05 Bq/kg，大于37 Bq/kg，按照GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》的要求，當(dāng)樣品中226Ra、232Th和40K放射性比活度之和大于37 Bq/kg時(shí)，要求測(cè)量不確定度不大于20%，而鋁礬土尾礦中226Ra、232Th和40K的不確定度分別為3.25%、3.22%和3.39%，小于20%，滿足要求。由表6可知：鋁礬土尾礦的內(nèi)照射指數(shù)和外照射指數(shù)分別為1.37和2.09，不滿足A、B類裝修材料要求但滿足Iγ≤2.8 C類裝飾裝修材料的要求，C類裝飾裝修材料只可用于建筑物的外飾面及室外其他用途。透水磚主要用于鋪設(shè)路面，因此，鋁礬土尾礦可用于制備燒結(jié)透水磚。

表5 鋁礬土尾礦的放射性比活度

表6 鋁礬土尾礦的內(nèi)、外照射指數(shù)結(jié)果

2.2 骨料種類對(duì)透水磚燒成效果的影響

在前期燒成工藝研究基礎(chǔ)上，確定了尾礦透水磚的燒結(jié)溫度為950℃、保溫時(shí)間為1 h，并研究了石英顆粒、石灰石顆粒和耐高溫顆粒做骨料對(duì)燒結(jié)透水磚前后尺寸穩(wěn)定性的影響，如圖1和圖2所示。燒結(jié)前，鋁礬土尾礦均能將三種骨料結(jié)合在一起，坯體尺寸沒有差異，但是燒結(jié)后，透水磚卻呈現(xiàn)不同狀態(tài)。當(dāng)石英顆粒為骨料時(shí)，由于石英的晶型轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生膨脹，易造成疏松、掉渣等嚴(yán)重現(xiàn)象，稍微受力，就發(fā)生破壞，如圖2（a）所示；當(dāng)石灰石顆粒為骨料時(shí)，由于石灰石高溫分解，骨料體積急劇減小，嚴(yán)重破壞了鋁礬土尾礦與骨料的結(jié)合力，使燒成后的磚全部潰散，如圖2（b）所示；當(dāng)耐高溫顆粒為骨料時(shí)，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，與膠結(jié)料結(jié)合力增強(qiáng)，強(qiáng)度達(dá)到了MU15的要求，尺寸也未發(fā)生明顯變化，如圖2（c）所示。

因此，可以選用耐高溫顆粒作為燒結(jié)透水磚的骨料。下面將以耐高溫顆粒為骨料，對(duì)透水磚性能做進(jìn)一步分析。

2.3 骨漿比對(duì)透水磚性能的影響

（1）骨漿比對(duì)透水磚抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響

在不同骨漿比時(shí)，鋁礬土尾礦燒結(jié)透水磚的抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)如圖3所示。可以看出，透水磚的抗壓強(qiáng)度與骨漿比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即骨漿比越大，透水磚的抗壓強(qiáng)度就越小，尤其在骨漿比為2～2.5時(shí)，抗壓強(qiáng)度快速降低，降幅達(dá)62.05%，按照GB/T 5101-2017《燒結(jié)普通磚》的要求，MU10的抗壓強(qiáng)度值不低于10 MPa，因此，骨漿比2.5和3不能滿足要求。

不過，透水磚的透水系數(shù)與骨漿比呈正相關(guān)關(guān)系，即骨漿比越大，透水磚的透水系數(shù)也越大，尤其在骨漿比為2～2.5時(shí)，其透水系數(shù)陡然增加，增幅達(dá)434.57%。

圖1 燒結(jié)前透水磚坯體的外觀

圖2 骨料種類對(duì)透水磚燒成效果的影響

骨漿比所引起的抗壓強(qiáng)度、透水系數(shù)不同變化與膠結(jié)料所占比例相關(guān)，膠結(jié)料的比例越大，包裹骨料的量和填充骨料間隙的膠結(jié)料越多，結(jié)合力越強(qiáng)，透水磚的強(qiáng)度也越高。但是，留下的間隙將越小，透水磚中上下連通孔隙的孔徑減小，透水系數(shù)也將減少。綜合強(qiáng)度和透水系數(shù)，骨漿比為2時(shí)較為適宜。

圖3 骨漿比對(duì)透水磚抗壓強(qiáng)度和透水系數(shù)的影響

圖4 骨漿比對(duì)透水磚抗壓保水率和吸水率的影響

（2）骨漿比對(duì)透水磚保水性和吸水率的影響

透水磚的吸水率會(huì)影響到抗凍性，而保水性與透水磚釋放水的速率有關(guān)，會(huì)影響到周圍環(huán)境的濕度變化。因此，低的吸水性和高保水性對(duì)透水磚使用更為有利。不同骨漿比下，鋁礬土尾礦燒結(jié)透水磚的保水性和吸水率如圖4所示。透水磚的吸水率和骨漿比呈正相關(guān)關(guān)系，骨漿比越大，吸水率越大，這是由于燒結(jié)后膠結(jié)料表面會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的孔隙，骨漿比越大，膠結(jié)料的內(nèi)表面積越大，內(nèi)表面孔隙率也越高，吸入的水分隨之增加，抗凍性也將隨之降低。

不過，保水性和骨漿比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，骨漿比越大，保水性越差。這是因?yàn)楸Ｋ源笮〔粌H與孔隙的數(shù)量有關(guān)，而且與孔徑尺寸和連通狀況有關(guān)。隨著骨漿比增加，內(nèi)表面孔隙數(shù)量增加，失去水分的通道也增加，保水性也隨之降低。同時(shí)，包裹骨料的膠結(jié)層厚度減小，孔隙的深度和連通度也降低，孔隙中水分容易失去，致使保水性進(jìn)一步降低。

結(jié)合對(duì)保水性和吸水性的影響，保持較低的骨漿比，可以使透水磚具有較低的吸水率和較高的保水性。相對(duì)而言，骨漿比小于2.16對(duì)實(shí)際應(yīng)用更為有利。

總體而言，在骨漿比為2時(shí)，對(duì)透水磚的強(qiáng)度、透水性、吸水性和保水性比較有利。

3 結(jié)論

通過研究骨料種類和骨漿比對(duì)透水磚基本性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）鋁礬土尾礦內(nèi)照射指數(shù)和外照射指數(shù)滿足C類裝飾裝修材料放射性要求，在使用過程中對(duì)人類和其他生物沒有不利影響。

（2）石英骨料和石灰石骨料易造成透水磚在燒成過程中膨脹開裂，而耐高溫骨料可以提高透水磚的尺寸穩(wěn)定性。

（3）骨漿比對(duì)尾礦透水磚的性能有重要影響，它與透水磚的抗壓強(qiáng)度、保水性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與透水磚的透水系數(shù)、吸水率呈正相關(guān)關(guān)系，需要綜合以上因素，確定一個(gè)合適的骨漿比。

（4）在骨漿比為2時(shí)，耐高溫顆粒做骨料可以制備出尺寸穩(wěn)定、強(qiáng)度、透水率等符合要求，且無(wú)環(huán)境污染的鋁礬土尾礦燒結(jié)透水磚。