燒結(jié)助劑對錳尾礦渣透水磚的性能影響研究

巫嘉偉，楊雪晴，宋杰光，鐘璐，孫大優(yōu)，向蕓，羅德平，陳平

燒結(jié)助劑對錳尾礦渣透水磚的性能影響研究

巫嘉偉1，楊雪晴1，宋杰光1，鐘璐1，孫大優(yōu)1，向蕓1，羅德平2，陳平3

（1.萍鄉(xiāng)學院 海綿城市研究院；2. 江西萍鄉(xiāng)龍發(fā)實業(yè)股份有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337022；3. 桂林理工大學 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西 桂林 541004）

以錳尾礦渣作為主要原料來制備海綿城市透水磚，可以變廢為寶。通過研究發(fā)現(xiàn)，MgO作燒結(jié)助劑制備的透水磚，抗壓強度低，透水性能好；CaO作燒結(jié)助劑制備的透水磚抗壓強度高，透水性能低；透水磚氣孔率和透水性隨著CaCO3的加入量增多而升高，但是抗壓強度相反。三種不同燒結(jié)助劑摻比，3%CaCO3和2%MgO作燒結(jié)助劑制備的透水磚透水性能好，抗壓強度也比較優(yōu)越。3%CaCO3和2%MgO作燒結(jié)助劑制備的透水磚透水系數(shù)為2.0×10-2cm/s，抗壓強度為1.3MPa。

海綿城市；透水磚；燒結(jié)助劑；錳尾礦；透水系數(shù)

我國是世界最大的電解錳生產(chǎn)國，約占世界總產(chǎn)量的98%[1]。錳尾礦在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量的錳尾礦渣錳尾礦渣不但會造成原料浪費（錳尾礦渣中還含有2%的錳），還會對環(huán)境造成嚴重的污染，會占用大量的土地，破壞生態(tài)、污染空氣、影響土壤結(jié)構(gòu)等，因此人們研究了許多方法來實現(xiàn)錳尾礦的回收與利用，其中運用最為廣泛的方法就是把錳尾礦渣應用到制作建筑材料當中[2–5]。錳尾礦中含有二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣氧化鎂等礦物，可以改變孔的結(jié)構(gòu)，提高材料的滲透性、抗高溫和耐久性，從而實現(xiàn)對錳尾礦渣的回收利用，這種建筑材料還可以再回收、再利用，因此更加科學、綠色、環(huán)保[6–8]。

透水磚是一種新型材料[9–10]，是經(jīng)過高溫燒結(jié)工藝制備出的一種開孔孔徑、高氣孔率、多孔性的陶瓷材料，具有熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、抗腐蝕、抗高溫抗酸、抗堿、良好的惰性、可控開口結(jié)構(gòu)、可再生、使用壽命長等優(yōu)點。為了降低制備透水磚的燒結(jié)溫度，需要添加特定的燒結(jié)助劑。燒結(jié)助劑又稱助燒劑，通常為在陶瓷燒結(jié)過程中加入可以促進燒結(jié)的致密化氧化物和非氧化物[11–13]。燒結(jié)助劑可以使樣品致密化程度提高，從而提高抗壓抗彎強度。晶粒成長與燒結(jié)助劑的關(guān)系復雜，正常晶粒長大是有益的，要抑制的只是二次再結(jié)晶引起的異常晶粒的長大。并不是所有抑制晶粒長大的燒結(jié)助劑都是有助于燒結(jié)的。

本文采用錳尾礦渣來制造一種新型透水磚，并研究不同的燒結(jié)助劑對錳尾礦渣透水磚性能的影響，如對氣孔率、抗壓強度、透水系數(shù)等方面的影響，并對配方進行優(yōu)化，為獲得高強性能的錳尾礦渣透水磚提供參考。

1 實驗部分

錳尾礦是從萍鄉(xiāng)某公司獲取。表1是對錳尾礦化學成分的分析報告，可以看出，主要成分SiO2、Al2O3、MnO。圖1為錳尾礦的SEM分析，錳尾礦粉末顆粒為不規(guī)則的方塊狀。通過原料球磨、采用不同燒結(jié)助劑含量進行配料混合、成型和燒結(jié)工藝，獲得錳尾礦燒結(jié)透水磚。采用梅特勒-托利多儀器有限公司的AR2140型密度天平測試試樣的體積密度和顯氣孔率，采用日本島津公司AG-IC型電子萬能試驗機測試試樣的抗壓強度，用游標卡尺測定試樣的線收縮率。本實驗采用日本日立公司SU8010型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）分析樣品的顯微結(jié)構(gòu)，用常水法測透水磚的透水系數(shù)。實驗流程見圖2。

表1 錳尾礦的主要化學成分

圖1 錳尾礦SEM圖

2 結(jié)果分析與討論

2.1 燒結(jié)助劑種類對透水磚性能的影響

表2是加入三種不同燒結(jié)助劑對樣品性能的影響。在其中加入77%的錳尾礦，3%的發(fā)泡劑，15%高嶺土，燒結(jié)溫度為1050℃，保溫時間為120min。

表2 燒結(jié)助劑種類對透水磚性能的影響

由表2可以看出，加入CaCO3、CaO、MgO三種不同的燒結(jié)助劑時，制備出來的透水磚在氣孔率、抗壓強度、透水性能等方面有很大的差異。MgO品抗壓強度最低、透水性能最好，同時也是氣孔率最高。從圖3可以看出，氧MgO作燒結(jié)助劑時，透水磚的孔洞更大，有很多條狀結(jié)構(gòu)，還有許多互穿孔洞，導致MgO作燒結(jié)助劑時透水磚氣孔率大，透水性能好[15]。CaO作燒結(jié)助劑時，在掃描電鏡下可以明顯看出該透水磚表面相較于其他兩種更光滑，孔洞也更少，這導致其氣孔率低，透水性能差。CaCO3介于兩者之間，其沒有突出的透水性能，也沒有很高的抗壓強度。綜合比較，課題組認為以CaCO3作燒結(jié)助劑效果更佳。

2.2 燒結(jié)助劑含量對透水磚性能的影響

在以不同含量的CaCO3作燒結(jié)助劑時，通過圖4可以看出，隨著CaCO3含量的逐漸增加，透水磚氣孔大小數(shù)量都隨之增高。

圖4 不同含量的CaCO3的SEM圖

燒結(jié)溫度為1050℃，保溫時間為120min時（以下條件均相同），CaCO3的含量不同會對制備出的透水磚性能產(chǎn)生不同的影響（見表3）。添加不同摻比的CaCO3與CaO（見表4）、不同摻比的CaCO3與MgO（見表5）、不同摻比的CaO與MgO（見表6）會對制備出來的透水磚性能產(chǎn)生不同的影響。

表3 不同CaCO3含量對透水磚性能的影響

從表3中可以看出，透水性能和氣孔率的變化并不是很大。氣孔率增加的原因應該是，隨著CaCO3含量的增加，在高溫燒結(jié)時CaCO3會變成CaO和CO2，空氣會在坯體中保留部分。高溫時，部分液相能夠保留在坯體中，形成氣孔，從而增加氣孔率，綜合比較，課題組認為燒結(jié)助劑CaCO3含量為5%wt效果較佳。

表4 不同摻比的CaCO3與CaO對透水磚性能影響

由表4可知，隨著CaO含量從5%減少到0%，氣孔率、滲透系數(shù)逐漸升高，抗壓強度逐漸降低。CaO含量占比達到5%時抗壓強度達到最高值，CaCO3占比達到5%時氣孔率、滲透系數(shù)達到最高值。綜合考慮：燒結(jié)助劑含量為2%wt的CaO和3% wt的CaCO3效果較佳。

表5 不同摻比的CaCO3與MgO對透水磚性能影響

由表5可知，隨著CaCO3含量從5%減少到0%，氣孔率、滲透系數(shù)逐漸升高，抗壓強度逐漸降低。CaCO3含量占比達到5%時抗壓強度達到最高值，MgO占比達到5%時氣孔率、滲透系數(shù)達到最高值。綜合考慮：燒結(jié)助劑含量為2%wt的MgO和3% wt的CaCO3較佳。

表6 不同摻比的CaO與MgO對透水磚性能影響

表6 不同摻比的CaO與MgO對透水磚性能影響（續(xù)）

由表6可知隨著CaO含量從5%減少到0%，氣孔率、滲透系數(shù)逐漸逐漸升高，抗壓強度逐漸降低。CaO含量占比達到5%時抗壓強度達到最高值，MgO占比達到5%時氣孔率、滲透系數(shù)達到最高值。綜合考慮：燒結(jié)助劑含量為3%wt的CaO和2%wt的MgO效果較佳。

根據(jù)國家透水磚標準GB/T25993-2010[16]規(guī)定，由表4、表5、表6不難看出，加入MgO作燒結(jié)助劑，透水性能更優(yōu)越，但隨著MgO的含量逐漸增加，抗壓強度則下降，透水磚很容易就會被破壞。加入CaO作燒結(jié)助劑，抗壓強度好，但是透水性能、氣孔率較低。綜合來看，若要達到國家透水A級標準，加入3%的CaCO3和2%的MgO作燒結(jié)助劑制備出的樣品性能相較于其他幾種更為優(yōu)越。若是僅需達到國家B級標準，4%的CaO和1%的MgO抗壓強度更高，性能更加優(yōu)越。綜合對比，CaCO3∶MgO=3∶2時，透水磚綜合性能較佳。

3 結(jié)論

（1）以MgO作燒結(jié)助劑，透水磚的強度很低，但透水性能很好。以CaO作燒結(jié)助劑，透水磚的抗壓強度高，但透水性能較差。透水磚的氣孔率和透水性隨著CaCO3的加入而升高，但是抗壓強度相反。相比較來說，燒結(jié)助劑為3%的CaCO3和2%的MgO，透水磚的透水性很好，抗壓強度也比較優(yōu)越。

（2）通過實驗研究可知，若要達到國家透水A級標準，加入3%CaCO3和2%MgO作燒結(jié)助劑制備出的樣品性能相較于其他幾種來說更為優(yōu)越，透水系數(shù)可以達到2.0×10-2cm/s，抗壓強度可以達到1.3MPa。

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Effect of Sintering Aids on Performance of Manganese Tailings Permeable Bricks

WU Jia-wei2, YANG Xue-qing1, SONG Jie-guang1, ZHONG Lu1, SUN Da-you2, XIANG Yun1, LUO De-ping1, CHEN Ping3

(1. Sponge City Research Institute, Pingxiang University, Pingxiang, Jiangxi 337055; 2. Jiangxi Pingxiang Longfa Enterprise Co., Ltd., Pingxiang, Jiangxi 337022; 3. Guangxi Key Laboratory of New Energy and Energy Conservation in Buildings, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China)

Turned from waste to treasure, manganese tailing slag is used as the chief raw material to prepare permeable bricks for sponge cities. It is found that the permeable bricks prepared by MgO as sintering additives have low compressive strength and good water permeability; the permeable bricks prepared by CaO as sintering additives have high compressive strength and low water permeability; the porosity and water permeability of permeable bricks increase with the addition of CaCO3, but the compressive strength is opposite. The permeable bricks prepared with 3% CaCO3and 2% MgO as sintering additives had good permeability with permeability coefficient of 2.0×10-2cm/s, and superb compressive strength of 1.3MPa.

sponge city; permeable brick; sintering additives; manganese tailings; permeability coefficient

TU992

A

2095-9249（2021）06-0103-04

2021-10-26

江西省科技重點研發(fā)計劃項目(20202BBGL73114)；江西省教育廳科技重點項目(GJJ202701)；江西省大學生創(chuàng)新實訓項目(S202110895016)；萍鄉(xiāng)市工業(yè)支撐項目(PXST2019-13)

巫嘉偉（1999—），男，江西贛州人，無機非金屬材料工程專業(yè)2018級本科學生。

楊雪晴（1989—），女，湖北孝感人，助教，碩士，研究方向：固廢資源化技術(shù)研究，E-mail：787264278@qq.com。

〔責任編校：吳侃民〕