生態(tài)透水環(huán)保磚的制備及性能研究*

李 明 程小蘇 曾令可

(華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 廣州 510640)

前言

隨著國家城市化區(qū)域面積的不斷增加，硬化路面帶來的城市“逢雨必澇”現(xiàn)象、“城市荒漠化”及“熱島效應(yīng)”等問題愈演愈烈且亟待解決。其不僅影響了城市居民生活的舒適度，而且還會影響樹木的生長乃至地面生態(tài)系統(tǒng)。建設(shè)海綿城市能夠有效地解決上述問題，海綿城市的實現(xiàn)主要依賴具有透水性能的環(huán)保磚，透水環(huán)保磚表現(xiàn)出優(yōu)秀的透水、抗壓、耐磨、防滑以及美觀多彩、舒適易維護和吸音減噪等特點，有效緩解了城市“熱島效應(yīng)”，讓城市不再內(nèi)澇，生態(tài)透水環(huán)保磚非常切合海綿城市的建設(shè)理念。

生態(tài)透水環(huán)保磚是將廢棄物二次利用而制備的新型透水材料，其優(yōu)勢首先在于：透水環(huán)保磚具有高氣孔率，具有吸音、降噪、抗滑的功能，使得它能夠緩解城市的“熱島效應(yīng)”，還使得城市的道路安全性能得到提高。其次，透水環(huán)保磚的原料基本上都是對廢棄物二次利用，在很大程度上緩解了廢棄物帶給生活環(huán)境的危害，并且提高了對廢棄物的回收利用率。建設(shè)海綿城市離不開透水性的材料，而且會逐漸減小對不透水性材料的使用，同時加大使用透水性材料。透水性材料可以調(diào)控城市的雨水經(jīng)流走向，當雨水增加的時候?qū)⒍嘤嗟乃謨Υ?，讓雨水得到凈化。隨著當前國家對海綿城市的建設(shè)力度的加大，透水環(huán)保磚將會在國家的扶持下大力發(fā)展，應(yīng)用前景將會非常廣闊。透水環(huán)保磚作為“能呼吸的磚”是最符合城市發(fā)展建設(shè)趨勢的綠色新型功能性材料，對于加快城市建設(shè)以及貫徹可持續(xù)發(fā)展的理念，以及利用廢棄物制備透水環(huán)保磚具有重大意義。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

本實驗所用的主要原料——廢瓷，是由佛山歐神諾陶瓷股份有限公司提供，疏浚泥取自于廣州天河區(qū)某河道，廢玻璃粉由江蘇連云港東海富彩有限公司提供。3種原料的化學(xué)成分組成如表1所示。本實驗所用的實驗化學(xué)試劑如表2所示。

表1 實驗原料的化學(xué)成分組成(質(zhì)量%)Tab.1 Chemical composition of the raw materials in the experiments

表2 實驗所用的化學(xué)試劑Tab.2 Chemical reagents used in experiments

1.2 實驗儀器及設(shè)備

本課題中采用的實驗儀器及檢測設(shè)備如表3所示。

表3 實驗所用儀器與設(shè)備Tab.3 Equipments and apparatus used in experiments

續(xù)表3

1.3 實驗制備方法和工藝流程

對原料進行預(yù)處理：①將濕的疏浚泥陳腐24 h，使得疏浚泥充分反應(yīng)且成分均勻；然后將疏浚泥放入烘箱于110 ℃±5 ℃干燥24 h，并球磨2 h。將得到的疏浚泥粉末放在30目的篩網(wǎng)中過篩，獲得顆粒粒度小于0.60 mm的干燥疏浚泥粉末。②將廢瓷磚放入顎式破碎機破碎成骨料，后將其球磨2 h，再將邊緣有棱角的骨料球磨光滑。將球磨后的廢瓷過篩(篩網(wǎng)大小為6目、8目、16目、24目)并將骨料分成3個等級：0.70～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～3.35 mm。③將廢玻璃放進破碎機中進行破碎，后再將其球磨2 h。將得到的玻璃粉末過篩(100目、120目)，留下粒度小于0.06 mm的粉料配好備用。

將按實驗配方配好的疏浚泥和玻璃粉濕磨2 h后放入烘箱(110 ℃±5 ℃)中烘干，隨后放入球磨機中球磨20 min。再稱取一定量的骨料，加入適當蒸餾水進行攪拌，攪拌均勻后稱量混合料并將其在5～25 MPa下壓成圓柱形試樣(直徑2.5 cm×1.0 cm)。此外，壓制另一種圓柱型坯體(直徑5.0 cm×3.5 cm)用于透水性試驗。將壓制好的圓柱形坯體放入烘箱(110 ℃±5 ℃)中干燥2 h后放入箱式爐中煅燒。樣品在設(shè)置好的溫度下保溫特定的時間，待樣品自然冷卻。詳細的實驗樣品制備過程如圖1所示。

圖1 制備工藝流程圖Fig.1 Processing flow chart of the experiment

圖2 燒成制度圖Fig.2 Sinteringsystem diagram

根據(jù)疏浚泥的熱分析結(jié)果，確定了透水環(huán)保磚的燒成制度如圖2所示。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 骨料粒徑對透水環(huán)保磚性能的影響

選取了3種粒徑(A1：0.70～1.18 mm，A2：1.18～2.36 mm，A3：2.36～3.35 mm)，廢瓷量為70 wt%、疏浚泥與玻璃粉的量比為3∶1，設(shè)計了3組配比，如表4所示。在15 MPa下干壓成形成坯體，按照燒成制度將坯體在1 140 ℃燒成，且保溫30 min。

表4 不同范圍骨料粒徑透水環(huán)保磚配方Tab.4 Different aggregate grade green brick formula

圖3 骨料粒徑對氣孔率的影響Fig.3 Effects of aggregate size on porosity

結(jié)合表4以及圖3可知，大粒徑骨料制備的透水環(huán)保磚具有較大的孔隙率，較小的體密度。這種現(xiàn)象可以解釋為：較小粒徑骨料的樣品，骨料之間具有更多的接觸點，因此較小粒徑的樣品更容易以固定體積填充孔隙，減少了孔隙率，小粒徑堆積的樣品更加致密，使得體密度增大，氣孔率減小。

圖4顯示了由小粒徑骨料制成的樣品具有較高的抗壓強度，是因為小粒徑骨料堆積的樣品會相對致密，而較大粒徑骨料制成的透水環(huán)保磚孔隙率大，大粒徑的骨料使得顆粒間接觸點較少，因此樣品的抗壓強度會很低；同時，如圖5所示，小粒徑骨料堆積形成的孔隙孔徑較小，大粒徑骨料堆積形成的孔隙孔徑較大。大孔徑會使水受到的毛細管力小，而且水流路徑短，透水性能好。因此，在單因素實驗中，考慮到透水環(huán)保磚的透水性能與抗壓強度，可選擇粒徑為2.36～3.35 mm或者1.18～2.36 mm骨料。

圖4 骨料粒徑對透水性，抗壓強度的影響

Fig.4 Effects of aggregate sizeoncompressive strength,permeabilitycoefficient

2.2 骨料含量對透水環(huán)保磚性能的影響

選擇了6種骨料含量(B1：40 wt%，B2：50 wt%，B3：60 wt%，B4：70 wt%，B5：80 wt%，B6：90 wt%)，骨料粒徑為2.36～3.35 mm，疏浚泥與玻璃粉的含量比為3∶1，設(shè)計了6組實驗配方，如表5所示。在15 MPa下干壓成形成坯體，按照燒成制度將坯體在1 140 ℃燒成，且保溫30 min。

(a)2.36～3.35 mm (b)1.18～2.36 mm (c)0.70～1.18 mm

圖5不同粒徑骨料樣品截面圖
Fig.5 Sample with aggregate size cross section

表5 不同廢瓷量下透水環(huán)保磚配方Tab.5 Different waste porcelain green brick formula

圖6 骨料含量對氣孔率的影響Fig.6 Effect of aggregate content on porosity

由表5可知，樣品的體密度變化不明顯，在骨料含量為 60 wt%時，由于疏浚泥和玻璃粉的混合料剛好填充了骨料間孔隙，使得此時樣品足夠的致密，有較大的體密度。

圖6顯示了隨著廢瓷含量的增加，孔隙率先下降，然后增加。這是因為當廢瓷含量在40 wt%～60 wt%的范圍內(nèi)時，樣品的孔隙主要由疏浚泥中有機物的燃燒形成大量的小孔，孔的結(jié)構(gòu)如圖7所示?？紫堵孰S廢瓷含量的增加(疏浚泥量的減少)而減小。當廢瓷的含量大于60 wt%時，樣品中的孔基本上由廢瓷的堆積形成。隨著廢瓷含量的增加，堆積形成的孔也越多。由骨料堆積形成了大量的孔，孔徑較大，這種大孔徑的孔有利于提高樣品的透水率。

圖8比較了骨料含量對樣品透水性和抗壓強度的影響。當廢瓷含量大于80 wt%時，樣品中的連通孔太多，導(dǎo)致樣品的抗壓強度小于10 MPa，樣品的抗壓強度達不到國家標準。當廢瓷的含量小于60 wt%時，樣品中的大部分孔隙是由于疏浚泥中有機物質(zhì)的分解，這時的孔隙孔徑太小而使得樣品基本不透水，透水率遠小于0.01 cm/s。

從圖9中可以看出，骨料的含量越來越多時，骨料間由開始疏浚泥和玻璃粉的混合料填充完全到后來骨料間只存在少量疏浚泥和玻璃粉的混合物。透水環(huán)保磚的孔結(jié)構(gòu)基本上是沒有被其他物質(zhì)堵塞的連通孔隙，連通孔有利于透水，使得樣品的透水性隨著廢瓷量的增多而增大，抗壓強度隨著廢瓷量的增多而減小。因此，在單因素實驗中基于對樣品性能的考慮，選擇70 wt%～80 wt%的廢瓷含量來制備透水環(huán)保磚。

(a)有機物燃燒成孔 (b)廢瓷堆積成孔

(a) The combustion of organic matter (b) The accumulation of waste porcelain particles

圖7不同條件下形成孔隙
Fig.7 The pore formed under different conditions

圖8 骨料含量對透水性、抗壓強度的影響

Fig.8 Effect of different aggregate content on compressive strength, permeability coefficient

2.3 疏浚泥和玻璃粉量比對透水環(huán)保磚性能影響

選取了4種疏浚泥和玻璃粉量比MG(C1：MG=4∶0、C2：MG=3∶1、C3：MG=2∶2、C4：MG=1∶3)。骨料粒徑為2.36～3.35 mm、骨料含量為70 wt%，4組透水環(huán)保磚配方如表6所示。在15 MPa下干壓成形成坯體。按照燒成制度將坯體1 140 ℃燒成，且保溫30 min。

結(jié)合表6及圖10可知，當MG比例中玻璃含量增加時，玻璃粉在高溫下形成的液態(tài)熔融相會填充骨料堆積的空隙，補償了疏浚泥較高的燃燒損失量，導(dǎo)致試樣的體密度增加，孔隙率降低。且當MG=2∶2時，樣品燒結(jié)最致密，體密度最大。當玻璃粉的含量增加到一定量時，孔隙率突然增大，是由于大量的玻璃粉在高溫下熔融，形成球狀后冷卻，使得原來占據(jù)的位置發(fā)生了收縮，形成大量的孔隙，從而導(dǎo)致氣孔率突然增大，樣品的體密度下降。MG比例中玻璃粉的含量多時，形成的液相填充孔隙也使得樣品更加致密，體密度增大。

表6 不同MG比例下透水環(huán)保磚配方Tab.6 The formula of different MG ratio permeable brick

(a)40 wt% (b)50 wt% (c)60 wt% (d)70 wt% (e)80 wt%圖9 不同骨料含量下透水環(huán)保磚樣品表面圖Fig.9 Cross-section of sample under different aggregate gradations

圖10 MG比例對氣孔率的影響Fig.10 Effect of MG ratios on porosity

由圖11可知，當MG=2∶2時，樣品的體密度達到最大值，是因為此時樣品形成的熔融液相將骨料間隙所填充，從而樣品的氣孔率會減小、抗壓強度增大。玻璃粉在高溫下形成熔融液相，進入了骨料顆粒間的頸部，使得骨料間形成的通道更光滑，水流能夠順利通過骨料，使得透水環(huán)保磚的透水率增大。但隨著玻璃含量繼續(xù)增大，過多液相的產(chǎn)生會起到堵孔作用而使得樣品的透水性能逐漸減小。

圖11 MG比例對透水性，抗壓強度的影響

Fig.11 Effect of MG ratios oncompressive strength,permeabilitycoefficient

從圖12中可以看出，隨著玻璃粉含量增加時，觀察到樣品表面逐漸形成了越來越多的玻璃相，更能夠充分地粘結(jié)骨料顆粒，提高了顆粒間的結(jié)合性能，使得顆粒間形成的頸部面積增大、數(shù)量增多。因此，在單因素實驗中基于對樣品性能的考慮，可選擇MG=2∶2或者MG=3∶1來制備透水環(huán)保磚。

(a)4∶0 (b)3∶1 (c)2∶2 (d)1∶3圖12 不同MG下樣品截面圖Fig.12 Cross-section of sample under different MG ratios

3 結(jié)論

通過單因素實驗分析透水磚的性能，可以得到如下結(jié)論：

1)透水環(huán)保磚的骨料顆粒粒徑越大，制備的樣品的透水性能會越高，抗壓強度會越低。

2)當骨料的含量為40 wt%～60 wt%時，透水環(huán)保磚的氣孔率逐漸減??；當骨料的含量在60 wt%～90 wt%時，透水環(huán)保磚的氣孔率逐漸增大。其中骨料的含量在60 wt%～80 wt%時，透水環(huán)保磚的抗壓強度以及透水性能符合國家標準。其中隨著骨料含量的增加，透水環(huán)保磚的透水性能會提高，抗壓強度會減小。

3)當疏浚泥和玻璃粉的量比在3∶1時，制備的樣品透水性能達到最大值。當疏浚泥和玻璃粉量比為1∶1時，樣品的抗壓強度達到最大值。其中，隨著廢玻璃粉的量增加，樣品的透水性能先呈現(xiàn)增強后減弱的趨勢，抗壓強度也是呈現(xiàn)先增強后減弱的趨勢。

最終確定了環(huán)保磚的最佳配方為：骨料顆粒粒徑為2.36～3.35 mm、骨料量為80 wt%、疏浚泥和玻璃粉含量(MG)比例為3∶1，其中：疏浚泥量15 wt%、廢玻璃粉量5 wt%。最佳的制備工藝參數(shù)為：成形壓力為15 MPa、燒成溫度為1 140 ℃、保溫時間為30 min。制得最佳透水環(huán)保磚樣品抗壓強度為33.26 MPa，透水系數(shù)為0.121 cm/s。