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脉石和尾矿透水砖的制备和表征
孟光珠a，王浩a，刘丽丽a，茹姬b，王西东a
a北京大学工程学院能源与资源工程系，北京市固体废物利用与管理重点实验室，100871北京，中国
b北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083
强调
- 使用脉石和尾矿制备新的透水砖。
- 研究了添加新骨料和烧结温度的影响。
- 还研究了骨料含量和骨料大小的影响。
- 不使用天然粘土和人造骨料简化了制造工艺。
摘 要
脉石和尾矿都是采矿加工产生的固体废物。在这项研究中，透水砖通过部分烧结法制备，分别使用脉石和尾矿作为骨料和粘合剂。系统地研究了骨料含量，骨料粒级，烧结温度和添加新骨料对制备的透水砖的渗透率，表观孔隙率，吸水率和力学性能的影响。制备透水砖的最佳参数是在1180-1200℃下45分钟获得的，其中20％的尾矿，60-70％的脉石和10-20％的废陶瓷。所制备的透水砖具有优化的参数，具有高渗透性（约0.03cm / s），表现出相当大的抗压强度（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。考虑到经济和环境两方面的优势，使用脉石和尾矿制备渗透性砖可能为矿山固体废物的再利用提供有前途的方法。
关键词：透水砖 脉石 尾矿 渗透率
1.介绍
“海绵城市”的概念[1–3]，是一个城市雨涝管理理念，它已经在中国引起越来越多的关注。它产生于城市能够灵活应对自然洪水灾害的想法。传统的混凝土路面不透水，会增加雨水径流，在风暴期间会积聚大量的水。为了解决由此产生的城市洪水问题，使用透水砖来铺设路面就显得尤为重要。
在压实的砖块中有开放的孔和通道，透水砖允许雨水渗透到土壤中。过滤后的雨水要么被收集起来用于以后的再利用，要么慢慢地释放到地下或排水系统中。因此，应用透水砖可以减少地表雨水径流，增加地下水补给。由于透水砖有许多优点，透水砖已经被广泛应用于住宅人行道、人行道、停车场和步行区域。许多文献[4-6]都证明了在城市雨水管理系统中透水砖所发挥出的良好作用。
目前，透水砖主要有两种：水泥砖和烧结砖[7,8]。 前者主要是水泥粘合材料，没有烧结过程[9,10]，后者通过骨料的部分烧结制成，甚至加入成孔剂[11]。 对于基本的固化过程（可能需要长达28天），水泥砖具有生产效率低的缺点。 相反，烧结透水砖不仅生产率高，而且具有更好的外观和更高的压缩强度。 对于渗透性砖，抗压强度和渗透性是两个最重要的性能参数。
随着透水砖越来越广泛的应用，许多学者开始进行相关研究，已有多种固体废弃物用于生产透水砖，如熔渣[12]，底灰/粉煤灰[13]，城市垃圾焚烧底灰[14]和水厂污泥[15]。 但是，上述方法[12,13] 通常涉及生产人造骨料的关键步骤，这会消耗额外的能量。与此同时，在烧结过程中，天然粘土总是作为粘合剂添加。[11,16]，这是一种不可再生的资源。为了保护天然粘土资源和开发环保型建筑材料，中国等一些国家已经开始禁止生产和使用粘土砖[16,17]。
基于以上原因，本文提出了一种使用脉石和尾矿作为替代材料的方法。 脉石是一种商业上毫无价值的材料，它与矿床中所需的矿物环绕或密切混合。 通常，矿物加工前可将脉石作为废石分离，它适合作为骨料。 尾矿是矿物经加工过程后留下的物质，为了从矿石中提取有价值的部分通常会经过精细研磨，这些物质与天然粘土化学性质相似，可用作高温粘合剂。在目前的实践中，脉石和尾矿被堆放在尾矿库或被用于矿山回填，没有有效地利用。这些处理方式会浪费相关资源，占用大片土地并导致潜在的环境和安全问题，包括但不限于地表水，地下水和土壤的污染以及尾矿坝的破坏[18–20]。研究人员研究了使用不同类型的脉石或尾矿生产建设和建筑用砖[21–23]。然而，关于用脉石和尾矿制造透水砖的研究很少见。
我们的研究采用烧结法生产透水砖，并在不使用天然粘土和人造骨料的情况下简化了方法。 这不仅节省了人工集料生产的能源消耗，而且减少了天然粘土的使用。在我们的实验中，脉石在透水砖中起到骨料的作用，尾矿用作高温粘合剂。系统地研究了骨料含量，骨料粒级，烧结温度和添加新骨料对制备的透水砖的渗透率，表观孔隙率，吸水率和力学性能的影响。
2.原料和方法
2.1 原料
我们调查研究中使用的脉石和尾矿分别以砾石和粉末的形式呈现。这两种原料都来自中国安徽省的一座长石矿。首先，将它们在105℃下在电加热干燥箱中干燥12小时以去除水分。在将尾矿用于随后的烧结实验之前，将它们磨碎以破碎粉末的团聚并筛分骨料粒级至lt;0.074mm。类似地，将脉石磨碎并筛分成粒级为0.425-0.85mm，0.85-1.18mm，1.18-2.0mm，2.0-2.36mm和2.36-4.0mm的不同骨料粒级。此外，通过X射线荧光（XRF）测试这两种原料的化学组成（wt％），结果见表格1.
采用X射线衍射仪（XRD）对结晶相进行鉴定，脉石和尾矿的XRD图谱见图1。 可以看出，脉石和尾矿具有类似的结晶相，分别含有石英，钠长石和微斜长石。
2.2 样品制备
在这项研究中，脉石和尾矿按不同比例混合并加入约10wt％的水以增加成形性能。在这里，原材料的比例见表2。然后将匀化的混合物在2MPa的压力下压制成砖（100mmtimes;200mmtimes;50mm）。 之后，将获得的生坯转移到烘箱中并在100℃的温度环境条件下干燥12小时。随后，将干燥的砖样品在实验室型电炉中在1100-1200℃的温度范围内进行烧制，电炉以2.5℃/分钟的加热速率加热至750℃，然后以3℃/分钟的加热速率加热至预定温度进行烧制。在所需温度下焙烧45分钟后，通过实验室电炉内的自然对流将砖冷却至室温。
此外，将渗透性测试样品切成Phi;75mmtimes;50mm的圆柱体，并通过国家标准GB / T 25993-2010[24]中对透水砖给出的测试仪通过应用达西定律进行测试，该仪器是一个恒定的水头装置。另外，使用万能试验机（中国深圳太阳），以2mm / min的十字头速度测量烧制样品的抗压强度。然后根据中国标准GB/T 2997-2000测量表观孔隙率[25].
通过扫描电子显微镜（SEM，S-4800，日立）检查烧结渗透性砖的形态。通过使用日本理学株式会社 D / max2550PC X-ray（Cu-K ɑ，扫描速率：8°/分钟，扫描范围：10-80°）的X射线衍射对原料和制备的砖中的结晶相进行研究。
3.结果讨论
3.1 骨料含量的影响
图2表明了在不同脉石含量（骨料粒级1.18-2.0mm）下在1180℃下烧结的透水砖的渗透性，抗压强度和表观孔隙率的变化。可以看出，随着脉石含量的增加，渗透率和表观孔隙度都增加。值得注意的是，当脉石含量高达90wt％时，透水砖的透水性为0.085cm/s，远高于国家标准（0.01cm/s）。
另外，渗透率与表观孔隙度呈良好的正相关关系。表观孔隙率是制造高透水砖的重要因素。通常，具有较高表观孔隙度的透水砖通常具有较高的水渗透性，这归因于在压实的砖块中存在更多的连通孔和空腔有利于水的流动。
基本上，随着脉石含量的增加，抗压强度降低。当脉石含量为60wt％时，透水砖的抗压强度达到接近40MPa的峰值，当脉石含量为70wt%时，抗压强度急剧降低至20MPa。最后，当脉石含量增加到90wt％时，抗压强度下降到5MPa，同时最高水渗透率为0.085cm / s。显然，由于渗透性和抗压强度之间的负相关性，抗压强度显示出不利的趋势。可以推论，砖中的开放孔隙和通道有助于渗透性，但会降低砖的物理强度。
在可透水砖的烧结过程中，脉石起着粗骨料的作用，形成用于渗入水的孔隙和通道，尾矿由于其较低的熔化温度，充当粘合剂。一方面，尾矿不足不能使脉石颗粒牢固结合。另一方面，多余的尾矿导致过多的液相，这将填充孔隙并降低渗透率。从图5中可以看出，在1180℃时，具有70wt％脉石含量的样品具有最高的渗透率，这表明尾矿的熔融度恰到好处。对于尾矿含量为80wt％的样品，尾矿可能在相同温度下过度熔化并堵塞了孔隙，因此渗透率和表观孔隙率没有显着增加，导致缺陷（80wt％脉石的低渗透率）见图2。对于尾矿含量为90wt%的样品，即使尾矿全部熔化，砖中的孔因太多而不能被堵塞，因此它们仍然具有最高的渗透性。一般来说，脉石的适当含量应严格控制在60-80wt％。
3.2骨料粒级的影响
在图3中，我们介绍了在不同脉石粒度下1180℃烧结的透水砖的渗透性和抗压强度的变化。如图3所示，烧结砖的渗透性随着骨料粒级增加而增加，压缩强度呈现出相反的模式。在所有粒径范围内，透水砖的渗透性能够符合国家标准[24] ，特别是当脉石粒径为2.36-4.0 mm时，渗透率高达0.08 cm / s，是国家标准的8倍。但是，当骨料粒级大于2mm时，透水砖的抗压强度降至工业标准的三分之一[26]，即大约10MPa。为保证抗压强度和渗透率，脉石的粒径应限制在0.85-2.0毫米。
为了研究微观结构形态，在这项工作准备的烧结砖也做了扫描电镜，结果见图4。如图5所示，当脉石粒径为0.425-0.85mm时，透水砖为致密的块，具有最高的抗压强度和最低的透水性。随着脉石颗粒变大，可以看到产生了较大的空隙空间，这显然会导致更高的透水性但更低的抗压强度。观察结果与图3中显示的渗透率和抗压强度的变化相当一致。
3.3烧结温度的影响
为了研究烧结温度对透水砖的性能的影响，将具有70wt％脉石含量（粒度1.18-2.0mm）的样品在1140℃至1220℃（间隔20℃）的不同温度下烧结。图5显示了在不同烧结温度下烧结的可透水砖的渗透率和表观孔隙率的变化。一般来说，渗透率最初随着烧结温度的升高而增加，在1180℃时达到最大值，为0.034cm / s，然后随着烧结温度的升高而迅速下降，在1220℃下降至接近零。同时，由于尾矿熔融带来的砖的致密化，表观孔隙度显示出一贯的减少趋势。这种现象可以结合下面图6的透水砖的SEM图像来解释.
图6是在不同温度下烧结的渗透性砖的SEM图像。 从中可以看出图6，在1140°C时，砖块中的尾矿熔融不充分，砖块大体维持着致密的坯体，相应地，渗透率较低。随着烧结温度的升高，由尾矿产生的液相有助于砖的致密化，在脉石颗粒之间留下更多孔（1160℃和1180℃），提供足够的渗透性（图5）。是，当温度继续上升到1200℃，特别是1220℃时，可以清楚地看到，过多的液相会堵塞孔隙，导致渗透性下降。
还研究了在各种烧结温度下烧结的透水砖的抗压强度和吸水率，结果见图7。烧结温度在1140-1200℃范围内，抗压强度从11MPa逐渐增加到34MPa，在1220℃时达到最高值102MPa。这证实了其他研究的结果，抗压强度也随着烧结温度的增加而增加[27].
在数值上，吸水率约为表观孔隙率的一半（图5），并且两种性质都显示出类似的趋势。例如，当1180℃下的表观孔隙率为18wt％时，在相同的烧结温度下吸水率约为9wt％。透水砖结构中的空隙越多，水就会填充越多。因此，有理由认为较高的表观孔隙度通常与较高的吸水率有关。但是，有文献[14]表明出于避免苔藓生长，表面结冰，美观和安全方面的考虑，应限制吸水量。另外，由于透水砖有中更多的孔隙，较高的表观孔隙率或吸水率会削弱抗压强度。因此，烧结温度应限制在1200℃左右。
图8展示了烧结透水砖在各种温度下的XRD图案。如图8所示，所有样品都显示与石英相对应的非常强的峰，这与原料相似。最明显的变化是随着烧结温度升高，钠长石和微斜长石的消失。根据文献[28]，微斜长石的熔融温度为1130-1450℃，比钠长石的1120-1250℃范围宽。因此，微斜长石具有较高的熔化温度和较宽的熔化温度范围。如图8所示，随着烧结温度的升高，钠长石和微斜长石的衍射峰逐渐减小。最终，钠长石在1180℃的温度下消失，这比在1200℃下钠长石的温度低。上述实验现象与文献中这两种材料的熔化范围一致。
3.4添加新骨料的影响
上述研究表明，透水砖的制备具有一定的使用固体废物作为骨料的可行性。 人们认为，透水砖的骨料可能会对其性能，特别是机械强度产生更大的影响。 为了测试这个想法，我们进行了一系列实验来探索添加新骨料对透水砖性能的影响。
图9显示在1180°C下烧结的添加了不同量废弃陶瓷的透水砖，透水性和抗压强度的变化。脉石和废陶瓷的总比例保持在80wt％，无论是脉石还是废陶瓷，都被筛分为粒径为1.18-2.0毫米的骨料。如图9所示，当不添加废陶瓷时，透气砖的渗透性约为0.02 cm / s，抗压强度仅为22 MPa，低于国家建筑材料行业标准[26]（30MPa）。然而，值得注意的是透水砖的渗透性随着废陶瓷的添加量而增加。当废陶瓷的含量为50wt％时，即脉石含量降低至30wt％时，渗透性达到0.065cm / s，远远超过国家标准[24]。随着废陶瓷含量的增加，透水砖的抗压强度先增大后减小，当废陶瓷含量为20wt％时，达到最大值30MPa。
这种现象的发生与废陶瓷的性质特征是分不开的。由于生产技术的原因
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