不同顆粒級配的風(fēng)積沙對陶瓷透水磚性能的影響

劉婷，成智文，賀曉梅，李坤

（咸陽陶瓷研究設(shè)計院有限公司，陜西 咸陽 712000）

解決和治理沙漠化已成為當(dāng)前迫切的難題，防治沙漠化尤其是合理利用風(fēng)積沙，是目前關(guān)注和研究的重點。風(fēng)積沙為經(jīng)風(fēng)沉淀的沙層，屬第四紀風(fēng)積物，顆粒較細、松散、含水量少、粒徑范圍較窄，多見于戈壁和沙漠，是一種儲量豐富的自然資源。將其綜合利用，對于生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展意義重大，同時具有相當(dāng)可觀的經(jīng)濟效益[1]。

陶瓷透水磚因其可以增加水資源利用率、減少雨水聚集橫流、降低熱島效應(yīng)并緩解噪聲，是當(dāng)前研究的熱點[2]，也是海綿城市建設(shè)的關(guān)鍵性材料。Liu等[3]以鋼渣和石英為主要原料，于1320℃燒結(jié)制備了透水系數(shù)為3.65×10-2cm/s、抗壓強度為34.1 MPa、抗折強度為5.2 MPa的陶瓷透水磚。Chaoqun Z[4]以疏浚泥、廢玻璃和廢陶瓷于1140℃燒結(jié)制備了透水系數(shù)為15×10-2cm/s、抗壓強度為33 MPa的陶瓷透水磚。李珠等[5]以煤矸石和黏土為主要原料，于1050℃燒結(jié)制備了透水系數(shù)為0.355×10-2cm/s、劈裂抗拉強度為3.75 MPa的陶瓷透水磚。李國昌和王萍[6]以鎳鐵礦渣為主要原料，于1160℃燒結(jié)制備了透水系數(shù)為1.8×10-2cm/s、抗壓強度為36.54 MPa、抗折強度為4.98 MPa的陶瓷透水磚。

目前尚未有利用風(fēng)積沙制備透水磚相關(guān)方面的研究，本研究旨在利用風(fēng)積沙為原料制備高透水系數(shù)陶瓷透水磚，研究風(fēng)積沙的不同粒徑和不同添加量對風(fēng)積沙陶瓷透水磚透水系數(shù)、抗折強度及微觀形貌的影響，以期對其進行有效利用，同時彌補相關(guān)領(lǐng)域研究的不足。

1 實驗

1.1 實驗原材料

風(fēng)積沙：取自巴丹吉林沙漠（內(nèi)蒙古鄂爾多斯），利用多孔振動篩篩分為20~40目、40~60目和60~80目3個顆粒級配；粘結(jié)劑：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；助熔劑：自制。

1.2 配方設(shè)計

因風(fēng)積沙為瘠性料，故添加粘結(jié)劑改善其成型性能；添加助熔劑改善其燒成后機械強度。本研究中風(fēng)積沙陶瓷透水磚配方組成見表1。

表1 風(fēng)積沙陶瓷透水磚實驗配方

1.3 工藝流程

風(fēng)積沙陶瓷透水磚的制備工藝流程為：（1）原料預(yù)處理，對風(fēng)積沙進行篩分；（2）坯體混料，將風(fēng)積沙、粘結(jié)劑、助熔劑、糊精按照一定比例均勻混合；（3）干壓成型，通過四柱壓機壓制成型；（4）干燥陳腐，去除坯體中多余的水分；（5）高溫?zé)?，按照一定的燒結(jié)曲線將風(fēng)積沙陶瓷透水磚燒成。透水磚的成型壓力在制備工藝中尤為重要，壓力過小，成型后樣品間顆粒松散不利于強度獲得，壓力過大使燒結(jié)過于充分導(dǎo)致透水磚透水系數(shù)顯著降低，本研究將成型壓力控制為40 MPa。本研究利用風(fēng)積沙制備陶瓷透水磚時，不需要對原料進行破碎或球磨，可大大降低產(chǎn)品生產(chǎn)過程的能耗。

1.4 燒成制度

風(fēng)積沙陶瓷透水磚的燒成制度：低溫脫水階段：室溫~300℃，升溫速率5℃/min；中溫分解階段：300~600℃，升溫速率10℃/min；高溫?zé)呻A段：600~1180℃，升溫速率為8℃/min，保溫10 min，自然冷卻到室溫。

1.5 測試表征手段

本研究采用湘潭湘儀儀器有限公司生產(chǎn)的GKF-VIII硅酸鹽化學(xué)成分快速測定儀測定了風(fēng)積沙的化學(xué)組成，使用SGW數(shù)顯式工程材料（抗壓抗折）強度綜合試驗儀測試了透水磚的抗折強度；依照GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》測定了透水磚的透水系數(shù)；采用日本理學(xué)株式會社生產(chǎn)的D/MAX-2500型X射線衍射儀分析了風(fēng)積沙的晶相組成及相對含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒徑風(fēng)積沙原料性能分析

通過篩分法對所選用的骨料巴丹吉林沙漠的風(fēng)積沙進行粒徑分布的測試，結(jié)果如表2所示。

表2 巴丹吉林沙漠風(fēng)積沙的粒徑分布

由表2可知，巴丹吉林沙漠的風(fēng)積沙顆粒粒徑比較大，主要集中在20~60目（0.25~0.85 mm）之間，其中20~40目（0.42~0.85 mm）的顆粒約占總量的37.3%，此風(fēng)積沙顆粒度大且圓球度好，適合做透水磚的骨料。

不同粒徑風(fēng)積沙的化學(xué)組成如表3所示，不同粒徑風(fēng)積沙的晶相組成及相對含量如表4所示。

表3 不同粒徑巴丹吉林風(fēng)積沙的化學(xué)組成 %

表4 不同粒徑巴丹吉林風(fēng)積沙的晶相組成 %

由表3可知，風(fēng)積沙高硅富鋁，并含有一定量的鐵，其成分類似于石英砂。不同目數(shù)的巴丹吉林風(fēng)積沙化學(xué)組成相近，但晶相含量有顯著差異：60目以上的風(fēng)積沙SiO2含量較多，60~80目的風(fēng)積沙中CaO的含量稍高，當(dāng)風(fēng)積沙中硅鋁比越大，原料品質(zhì)越好，所制成的透水磚燒結(jié)溫度越寬，CaO、MgO、K2O等含量越高，可以助熔，有利于透水磚的燒成，對比表4中石英相、方解石相含量可知，其與化學(xué)組成分析結(jié)果一致。

2.2 不同粒徑不同添加量風(fēng)積沙對陶瓷透水磚透水系數(shù)的影響（見圖1）

圖1 不同粒徑不同添加量風(fēng)積沙對陶瓷透水磚透水系數(shù)的影響

由圖1可知，在相同顆粒級配下，隨著風(fēng)積沙添加量的增多，陶瓷透水磚的透水系數(shù)增大。這是因為風(fēng)積沙是顆粒狀，其它粘結(jié)劑和助熔劑均為粉料，顆粒料的添加量越多，堆積形成的孔隙就越多，陶瓷透水磚的透水系數(shù)隨之增加。相同添加量下，隨著風(fēng)積沙顆粒粒徑減小，透水磚的透水系數(shù)先增加后減小。這是因為顆粒大，堆積形成的孔隙就越大，等體積下所形成的孔隙數(shù)量就減少了，當(dāng)風(fēng)積沙的粒徑在40~60目（0.25~0.38 mm）時，孔隙大小和孔隙數(shù)量占比合理，使得透水系數(shù)最優(yōu)。對比兩者變化幅度，可知風(fēng)積沙添加量對陶瓷透水磚透水系數(shù)的影響遠大于風(fēng)積沙的粒徑。當(dāng)風(fēng)積沙粒徑為40~60目，添加量為85%時，此時透水磚的透水性能最佳，透水系數(shù)為1.62×10-2cm/s。

2.3 不同粒徑不同添加量風(fēng)積沙對陶瓷透水磚抗折強度的影響（見圖2）

圖2 不同粒徑不同添加量風(fēng)積沙對陶瓷透水磚抗折強度的影響

由圖2可知，在相同顆粒級配下，隨著風(fēng)積沙添加量的增加，陶瓷透水磚的抗折強度減小，這是因為風(fēng)積沙顆粒越多，堆積形成的孔隙就越多，從而大大減小了陶瓷透水磚的抗折強度。在相同添加量下，隨著風(fēng)積沙顆粒粒徑的減小，陶瓷透水磚的抗折強度明顯增加。這是由于風(fēng)積沙顆粒較小時，陶瓷透水磚堆積越密實，比表面積越大，骨料之間的接觸點增多，對外力的傳遞作用變好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受力均勻，強度較大；當(dāng)風(fēng)積沙顆粒較大時，孔隙增多，骨料間的接觸點越少，導(dǎo)致強度降低，透水系數(shù)增大。此外，風(fēng)積沙顆粒粒徑越小，越容易燒結(jié)并產(chǎn)生玻璃相，使燒成后陶瓷透水磚致密度提高，抗折強度急劇增加[7]。通過對比可知，風(fēng)積沙添加量對陶瓷透水磚抗折強度的影響遠小于風(fēng)積沙的粒徑。當(dāng)風(fēng)積沙粒徑為60~80目，添加量為75%時，此時透水磚的抗折強度最大，為5.58 MPa，但此配方下的透水系數(shù)不符合GB/T 25993—2010透水B級要求。當(dāng)風(fēng)積沙為40~60目，添加量為85%時，此時抗折強度為3.17 MPa，且透水系數(shù)為1.62×10-2cm/s，符合GB/T 25993—2010透水B級要求。

2.4 不同粒徑風(fēng)積沙對陶瓷透水磚微觀形貌的影響（見圖3）

由圖3可知，風(fēng)積沙陶瓷透水磚內(nèi)部有較多的貫穿孔隙，孔徑范圍主要集中在50~80μm，孔隙大小不一，形狀無規(guī)律且分布不均勻。不均勻的孔分布在透水磚內(nèi)部是由于風(fēng)積沙顆粒堆積形成的，風(fēng)積沙的顆粒大小和粒徑分布范圍對陶瓷透水磚性能的影響較大，風(fēng)積沙圓球度越好，粒徑越細，表面能愈大，顆粒之間的固相反應(yīng)就愈充分，同時也就愈容易產(chǎn)生液相，進一步促進燒結(jié)，而液相量與高溫蠕變有關(guān)，細顆粒多的其燒結(jié)收縮大[8]。風(fēng)積沙顆粒越大，所制備的陶瓷透水磚透水系數(shù)越大。

圖3 不同放大倍數(shù)下不同粒徑風(fēng)積沙陶瓷透水磚的SEM照片

綜上所述，在制備陶瓷透水磚時，需同時考慮抗折強度和透水系數(shù)等性能，故選擇顆粒40~60目（0.25~0.42 mm），風(fēng)積沙添加量為85%時，所制備的陶瓷透水磚性能最佳。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)風(fēng)積沙的顆粒級配40~60目（0.25~0.42 mm），添加量85%時，制備的陶瓷透水磚性能最佳：透水系數(shù)為1.62×10-2cm/s，抗折強度為3.13 MPa。

（2）風(fēng)積沙的粒徑和添加量對陶瓷透水磚的透水系數(shù)和抗折強度都有影響，一般情況下骨料顆粒越大，陶瓷透水磚的透水系數(shù)越大，但抗折強度會相應(yīng)減??；骨料的添加量越多，陶瓷透水磚的透水系數(shù)越大，抗折強度越小。

（3）風(fēng)積沙的添加量對陶瓷透水磚的透水系數(shù)影響較大，風(fēng)積沙的粒徑對陶瓷透水磚的抗折強度起主要作用。