以煤矸石和尾矿为原料制备透水性砖，并对其性能进行表征外文翻译资料

 2021-10-24 14:28:07

英语原文共 8 页

以煤矸石和尾矿为原料制备透水性砖，并对其性能进行表征

作者信息:

Mengguang Zhua, Hao Wanga, LiLi Liua, Ru Jib, Xidong Wanga

文章亮点：

利用煤矸石和尾矿制备了新型透水砖。

研究了添加新骨料和烧结温度对烧结效果的影响。

研究了团聚体含量和团聚体大小对团聚体质量的影响。

在不适用天然黏土和人工骨料的情况下，简化了制作过程。

关键词：

透水砖，煤矸石 尾矿 渗透性

摘要：

煤矸石和尾矿都是采矿过程中产生的固体废物。本研究以煤矸石和尾矿为集料，分别采用集料部分烧结法制备透水性砖。系统研究了骨料含量、骨料粒度、烧结温度和添加新骨料对制备的透水性砖透气性、表观孔隙率、吸水率和力学性能的影响。在1180-1200℃条件下，以20wt%尾矿、60-70wt%煤矸石和10-20%废陶粒为原料，在45min条件下制备透水性砖的最佳工艺参数。所制得的透水砖参数优化后，透水性高（约0.03cm/s），抗压强度可观（超过30mpa）。结合透水砖的宏观性能和微观结构分析，研究了不同因素对透水砖性能的影响。利用煤矸石和尾矿制备透水砖具有经济和环境两方面的优点，为矿山固体废物的资源化利用提供了一条新的途径。

  1. 简介：

“海绵城市”概念作为一种城市雨水洪水管理理念，在中国受到越来越多的关注。它建立在城市能够灵活对自然洪水灾害的理念之上。传统的混凝土路面是不透水的，它增加了雨水径流，在暴风雨期间积累了大量的水。为了解决由此产生的城市洪水问题，在路面施工过程中使用透水砖至关重要。

在密实的砌块中有开放的孔洞和通道，透水性砖允许雨水渗透到土壤中。过滤后的雨水要么被收集起来供以后使用，要么缓慢的释放到城市下层土壤或者排水系统当中去。因此，透水砖的应用可以减少地表雨水径流，增加地下水补给。透水砖具有诸多优点，已广泛应用于住宅人行道、人行道、停车场和步行街。许多文献证明了透水性砖在城市雨水管理系统中的优异性能。

目前，透水砖主要有两种，凝胶砖和烧结砖。前者主要是没有烧结工艺的水泥粘结材料，后者是通过集料的局部烧结，甚至添加成孔剂制备而成。胶凝转由于其基本的固话工艺（可能需要长达28天），生产效率较低。相反，烧结透水砖不仅生产效率高，而且具有良好的外观和较高的抗压强度。对于透水砖，抗压强度和透气性是两个最重要的性能参数。

随着透水砖的应用日益广泛啊，许多学者开始进行相关研究，熔融矿渣、粉煤灰、城市垃圾焚烧底灰、自来水厂污泥等几种固体废弃物已被用于生产透水砖。然而，上述方法往往涉及到生产人工骨料的关键步骤，这将消耗额外的能量。同时，烧结过程中经常加入天然黏土作为粘接剂，这是一种不可再生资源。为了保护天然黏土砖资源，开发环保建筑材料，中国等一些国家开始禁止黏土砖的生产和使用。

基于上述原因，本文提出了一种利煤矸石和尾矿作为替代材料的方法。煤矸石是一种商业上没有价值的物质，它包围着或与矿床中需要的矿物紧密混合。通常，煤矸石在选矿前可作为废石进行分离，适合作为集料。尾矿是矿物加工过程中遗留下来的物质，常被磨细，用于从矿石中提取有价值的组分，其化学性质与天然黏土相似，可用作高温粘接剂。在目前的实践中，煤矸石和尾矿被弃置在尾矿库或回填矿山中，包括但不限于地表水，地下水和土壤的污染，以及尾矿库的破坏。研究人员研究了利用不同类型的煤矸石或尾矿生产建筑和建筑用砖的方法。然而，利用煤矸石和尾矿制备透水性砖的研究却很少。

本研究采用烧结法生产透水砖，在不适用天然黏土和人工骨料的情况管辖，简化了方法，不仅节省了人工骨料生产的能源消耗，而且减少了天然黏土的使用。实验中，矸石作为透水砖的集料，尾矿作为高温粘接剂。系统研究了骨料含量。骨料粒度。烧结温度和添加新骨料对制备的透水砖透水性、表观孔隙率、吸水率和力学性能的影响。

  1. 材料和方法
    1. 材料

研究中使用的矸石和尾矿分别为砾石和粉末。两种原料均来自中国安徽的长石矿。首先，他们在105℃下干燥12小时，在一个电加热干燥柜，以去除水分。在尾矿用于后续烧结试验之前，先将尾矿磨碎，破碎粉末的团聚体，筛分至骨料粒度lt;0.074mm。同样，将煤矸石磨碎并筛分到不同骨料粒度部分，粒度依次为0.425-0.85mm、0.85-1.18mm、1.18-2.0mm、2.0-2.36mm和2.36-4.0mm。另外，用x射线荧光（XRF）检测了两种原料的化学成分（wt%），结果如图所示。

利用x射线衍射（XRD）对其结晶进行了鉴定，通过煤矸石和尾矿的XRD图谱，可以看出，煤矸石和尾矿具有相似的结晶相，分别含有石英、钠长石和微斜长石。

    1. 样品制备

本研究将煤矸石与尾矿按照不同比例混合，加入约10% wt%的水，以提高成型性能。这里原材料的比例如图表2所示。然后将均质混合物压入砖中（100mm 200mm 50mm），压力为2mpa。之后获得的坯体砖被转移到烤箱，烘干的温度100℃在环境条件12h。随后，干砖样品在实验室发射式电子炉的温度范围1100~1200℃2.5摄氏度的升温速率/分钟到750℃，和3℃/分钟预定温度。在理想温度下烧制45分钟后，通过实验室电炉内的自然对流将砖冷却到室温。

此外，渗透试验的试样被切成U75mm~50mm的圆柱体，并由国家标准GB/T 25993-2010透水砖恒水头仪的测试仪器根据达西定律进行测定。此外，还用万能试验机（中国深圳大阳公司）以2mm/min的十字头速度测量了试样的抗压强度。然后，根据中国标准GB/T 2997-2000测定表观孔隙度。

采用扫描电镜（SEM,S-4800,日立）对烧结透水砖的形貌进行了观察。采用Rigaku D/max 2550PC x射线（Cu-K a，扫描速度：8/min，扫描范围：10-80）对原料和制砖材料中的晶相进行x射线衍射研究。

  1. 结果与讨论
    1. 骨料含量效应

当煤矸石掺量不同时，随着煤矸石掺量的增加，渗透率和表观孔隙度均增大。值得注意的是，当矸石含量高达90%wt%时，透水砖的透水率为0.085cm/s，远远高于国家标准（0.01cm/s）。

渗透率与表观孔隙度呈明显的正相关关系。表观孔隙率是制备高透水砖的一个重要因素。一般来说，具有较高表观空隙率的透水砖通常具有较高的透水性，这是由于压块中有较多的联通空隙和孔洞可以供水流通过。

抗压强度基本上随煤矸石掺量的增加而降低。当煤矸石掺量为60wt%时，抗压强度达到峰值40mpa左右，当煤矸石掺量为70wt%时，抗压强度急剧下降至20mpa。最后，当煤矸石掺量增加到90%wt%时，抗压强度下降到5mpa透水性最高为0.082cm/s。由于渗透性与抗压强度呈负相关关系，抗压强度呈明显的负相关趋势。由此可以推断，砖中孔隙和孔道的打开有利于砖的渗透性，但会降低砖的物理强度。

在透水砖的烧结过程中，煤矸石起着粗集料的作用，形成孔隙和通道，使水进入砖中。转体孔隙打，使尾矿全部融化，也难以堵塞，透气性最高。一般情况下，煤矸石的适宜含量应严格控制在60%~80%wt%。

由于其熔点较低，可作为粘接剂使用。一方面，尾矿不足可能导致煤矸石颗粒粘结不牢固。另一方面，过量的尾砂会导致液相过多，从而填充孔隙，降低渗透率。尾砂熔点为1180℃时，煤矸石掺量为70%的试样渗透率最高，说明尾砂熔点适中。对于尾砂含量为80%wt%的试样，在相同的温度下，尾砂可能被过度熔融，堵塞了孔隙，因此渗透率和表观孔隙度没有显著增加，导致途中的扭结。

如图，我们展示了不同煤矸石骨料粒度的透水砖在1108℃烧结时的渗透性，和抗压强度的演化过程。烧结砖的渗透性随骨料粒径的增大而增大，抗压强度呈反规律。透水砖的透气性在各个粒度范围内均能达到国家标准，特别是当煤矸石粒度为2.36~4.0mm时，透气性高达0.08cm/s，是国家标准的8倍。但是，当骨料粒径大于2mm时，透水砖的抗压强度降至工业标准的三分之一左右，约为10mpa。为了保证煤矸石的抗压强度和透气性，煤矸石的粒度应控制在0.85-2.0mm。

为了研究烧结砖的微观组织形态，本文还对制备的烧结砖进行了SEM扫描，结果如图所示。当煤矸石粒径为0.425-0.85mm时，透水砖呈现出较为致密的砌块，抗压强度最高，透水率最低。随着煤矸石颗粒的增大，可以看出产生了较大的孔隙空间，这明显导致了较高的透水性和较低的 抗压强度。试验机国与图中所示的抗压强度和抗折强度的变化规律吻合较好。

3.3烧结温度的影响

为了研究烧结温度对透水砖性能的影响，将煤矸石掺量为70%（粒度为1.18-2.0mm）的试样在1140-1220℃不同温度下烧结。图5为不同烧结温度下烧结透水性砖的渗透性和表观孔隙度的演化过程。一般情况下，随着烧结温度的升高，渗透率开始增大，达到最大值。

在1180℃时，表观孔隙率为0.034cm/s，随着烧结温度的升高而迅速降低，在1220℃时降至接近于零。同时，由于尾砂的熔融使砖体致密化，表观孔隙率呈不断减小的趋势。这种现象可以结合图中透水砖的SEM图像来解释。

图6为不同温度烧结透水性砖的SEM图像。从图6可以看出，1140℃时，砖体中的尾砂熔体不佳，砖体主要保持为致密的坯体，渗透率较低。随着烧结温度的升高，液相产生的尾矿造成砖的致密化，造成毛孔煤矸石颗粒之前，提供足够的渗透率。然而，当温度继续上升到1200℃，可以清楚的看到它可以堵塞毛孔过度液相，导致渗透率的下降。

研究了不同烧结温度下烧结透水砖的抗压强度和吸水性能，结果如图7所示。随着烧结温度在1140-1200℃范围内逐渐升高，抗压强度从11mpa逐渐增加到34mpa，在1220℃时达到最大值102mpa，这与其他研究结果一致，即随着烧结温度的提高，抗压强度也随之增加。

数值上的吸水率约为表观孔隙度的一半，两种性质具有相似的趋势。例如，在1180℃时，表观孔隙率为18%wt%，在相同的烧结温度下，吸水率为9% wt%。透水砖的空隙越大，填入的水就越多。因此，可以推断，较高的表观孔隙率通常与较高的吸水率有关。但是，文献表明，为了避免苔藓生长、冰表面、aes-，应限制吸水。

出于美学和安全考虑。此外，透水砖的孔隙率越高，或者说吸水率越高，透水砖的缺陷越多，抗压强度越弱，因此，烧结温度应控制在1200℃左右。

图8为不同温度烧结透水砖的XRD图谱。如图8所示，所有样品均表现出与石英相对应的非常强的峰，这与原料相类似。随着烧结温度的升高，albite和微斜长石的消失最为明显。根据文献，微斜长石的熔点温度为1130-1450℃，大于albite的1120-1250℃。因此，微斜长石具有较高的融合温度和较宽的融合温度范围。如图8所示，随着烧结温度的升高，albite和microcline的衍射峰逐渐减小。最终，钠长石温度为1180℃，低于albite在1200℃时的温度。上述实验现象与文献中两种材料的熔点范围一致。

3.4 添加新聚合体的效果

上述研究表明，制备透水性砖具有一定的固体废弃物作为集料的可行性。认为透水性砖的骨料对透水砖的性能，特别是机械强度有较大的影响。为了验证这一观点，我们进行了一系列实验，探索添加新骨料对透水性砖性能的影响

不同烧结温度下，透水砖性能和抗压强度随烧结温度变化呈现出一定的规律性。将煤矸石与废陶粒的总比重保持在80%wt%，无论是煤矸石还是废陶粒，筛取粒度为1.18-2.0mm，作为骨料。在不添加废陶瓷的情况下，透水砖的渗透性约为0.02cm/s，抗压强度仅为22mpa，低于建筑材料国家工业标准。然而，值得注意的是，透水砖的渗透性随飞天陶瓷添加量的增加而增加。当废陶瓷的含量为50%wt%时，即，煤矸石含量降低到30%wt%，透水性达到0.065cm/s，远远超过国家标准。透水砖的抗压强度随废陶粒掺量的增加先增大后减小，当废陶粒掺量为20%wt%时，达到最大值30mpa。

这种现象的发生与废弃陶瓷的性质特征密不可分。由于生产工艺的原因，废陶瓷本身具有较高的强度。因此，废陶粒的加入可以显著提高透水性砖的强度。但随着废陶粒掺量的增加，透水性砖的强度降低，这是由于废陶粒的熔点高于煤矸石， 烧结温度为1180℃时，透水性砖强度过高添加废陶瓷不能完全烧结。为完全烧结的废陶瓷孔隙率较高，透水性较好。其中，废陶粒掺量从10%wt增加到50%wt%时，透水性砖的机械强度虽然没有进一步提高，但透水性显著增加，从0.03cm/s增加到0.065cm/s。一般认为，使用透水砖的透气性需要满足国家标准的最低要求，即大于0.01cm/s。

  1. 结论

采用集料部分烧结法制备透气性好、机械强度高的透气性砖。骨料性能和烧结温度对透水性砖的透水性和机械强度有显著影响。综上所述，制备透水性砖的最佳工艺参数为烧结温度1180-1200℃，骨料粒度0.85-2.0mm，尾砂和废陶粒分别为50-70%wt%和10-30%。矸石透水砖综合性能最好，特别是透水性远远超过国家标准。

根据骨料粒度和含量对透水性砖的影响，可以得出抗压强度和透气性呈相反趋势的重要结论。孔隙越多或越大，往往伴随着较差的机械强度。总规模和内容固定时，渗透率随着温度的增加而增加，达到最大值的0.034立马在1180℃然后迅速下降到接近于零的水平在1220℃。根绝宏观性质和微观结构的分析，增加温度，液相产生的尾矿造成砖的致密化，造成煤矸石颗粒之间的孔隙，提供足够的per-meability。当温度继续升高时，尾矿会产生过量的液相，而液相又会封闭之前形成的孔隙度，导致渗透率下降。

同时还发现，骨料本身的强度对透水性砖的性能有很大的影响。机械强度的增加，可以通过

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