鐵尾礦粉燒結(jié)透水磚的制備及其性能

夏 溢，程寒飛，劉克權(quán)，樊傳剛，孔祥法，張 毅

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210019；2.中冶生態(tài)環(huán)保集團(tuán)，江蘇南京 210019；3.魯中礦業(yè)有限公司，山東萊蕪 271100；4.安徽工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243032)

近年來，隨著國家海綿城市建設(shè)的開展，透水磚材料以其良好的透水透氣性能、蓄水保水能力和耐磨防滑性能在緩解城市熱島效應(yīng)、減輕城市排水壓力等方面起到不可替代的作用。相對(duì)于免燒透水磚，燒結(jié)透水磚具有較高的力學(xué)性能和耐磨性能，表現(xiàn)出更優(yōu)良的耐久性和抗凍性。李珠等以煤矸石、黏土為主要原料，以膨脹珍珠巖為造孔劑制備燒結(jié)透水磚，其劈裂強(qiáng)度可達(dá)3.75 MPa；周忠華以黏土和污泥為主要原料制備的高強(qiáng)燒結(jié)透水磚具有良好的抗彎強(qiáng)度和保水性能；王能健以高碳粉煤灰、膨潤土、膨脹珍珠巖和碳酸鈣為原料制備透水磚，其劈裂抗拉強(qiáng)度為3.35 MPa、透水系數(shù)為0.03 cm/s；張飛等以污泥和秸稈粉為造孔劑，高爐礦渣顆粒為骨料，渣土為高溫黏結(jié)劑制備出抗折強(qiáng)度和透水性能均較理想的燒結(jié)透水磚。

利用工業(yè)固體廢棄物制備的燒結(jié)透水磚材料可降低黏土等資源的消耗，且可降低透水磚的生產(chǎn)成本。鐵尾礦粉作為鐵礦石選礦后排放的大宗工業(yè)固體廢棄物，其成分和黏土顆粒近似。隨著選礦技術(shù)的發(fā)展，鐵尾礦顆粒粒度越來越細(xì)，大多在70μm以下，很難得到資源化綜合利用，但利用鐵尾礦制備燒結(jié)透水磚具有良好的應(yīng)用前景。羅立群等采用粗鐵尾礦和煤矸石為主要原料，利用污泥和頁巖為膠結(jié)料，制備了抗壓強(qiáng)度為15 MPa 以上的燒結(jié)磚。目前，以鐵尾礦粉為燒結(jié)原料，通過壓制成型制備透水磚的研究較少。鑒于此，綜合利用鐵尾礦制備透水磚材料，分析影響鐵尾礦燒結(jié)透水磚力學(xué)性能和透水性能的主要因素，以期為細(xì)鐵尾礦粉燒結(jié)透水磚的制備提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)原料與方法

1.1 原料

鐵尾礦，山東魯中礦業(yè)，顆粒分布如圖1。由圖1可看出，鐵尾礦中位粒徑

D

為32.64 μm，顆粒粒徑主要分布在2.2～194.3 μm 之間。膨脹珍珠巖造孔劑，粒徑區(qū)間0.5～1.0 mm；助熔劑，NaCO(分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；竹炭顆粒增孔劑，粒徑區(qū)間0.3～0.6 mm；玻璃粉，平均粒徑40 μm 左右；采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的羧甲基纖維素鈉(CMC)溶液為黏結(jié)劑。

圖1 鐵尾礦的顆粒分布Fig.1 Particle size distribution of iron tailings

1.2 樣品制備

固定鐵尾礦和膨脹珍珠巖的質(zhì)量比，其余各組分摻量以占鐵尾礦和膨脹珍珠巖總質(zhì)量的百分比計(jì)算。按設(shè)定的配比稱量各組分，然后將其在實(shí)驗(yàn)室攪拌機(jī)中混合，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的CMC 水溶液混合攪拌，密封陳化24 h，在20 MPa 成型壓力下將混合物壓制成型，即得測試試件。將測試試件于105 ℃烘箱中充分干燥后放入馬弗爐中，升溫至450 ℃、保溫1 h，將樣品燒結(jié)至指定溫度1 130 ℃下保溫2 h，關(guān)閉馬弗爐，待其自然冷卻至室溫，取出樣品用于力學(xué)性能和透水性能測試。

1.3 性能測試

采用TYE-300 壓力試驗(yàn)機(jī)測定透水磚的抗壓強(qiáng)度，采用MTS-E44 電子萬能試驗(yàn)機(jī)測定透水磚的抗折強(qiáng)度。透水系數(shù)測定裝置示意圖如圖2。將樣品放入塑料圓筒并密封，在其上方緩慢加入蒸餾水，待溢流口穩(wěn)定后開始計(jì)時(shí)，記錄5 min 流入量筒的水量。透水系數(shù)

K

計(jì)算公式如下

圖2 透水系數(shù)測定裝置示意圖Fig.2 Schematic illustration of the apparatus for measuring the permeability coefficient

其中：

Q

為一定時(shí)間內(nèi)流入量筒的水量；

L

為透水磚厚度；

A

為透水磚上表面積；

H

為水位差，取3 cm；

t

為時(shí)間。

采用X 射線熒光光譜儀(X ray fluorescence spectrometer，XRF，RL ADVANT'X Intellipower ?3600)分析原料化學(xué)成分，采用X 射線粉末衍射儀(X ray powder diffractometer，XRD，D8 Advance，Bruker)分析原料和燒結(jié)產(chǎn)物的相組成，采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM，Zeiss Sigma 300)分析燒結(jié)透水磚的微觀形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鐵尾礦組成

鐵尾礦原料的主要化學(xué)成分如表1。由表1 可看出：鐵尾礦主要化學(xué)成分為SiO(34.09%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下 同)、CaO(16.69%)、FeO(16.59%)、MgO(16.17%)、AlO(12.67%)；鐵尾礦中SiO含量小于普通黏土，但CaO 和AlO含量偏高。鐵尾礦物相組成XRD 分析如圖3。從圖3 可看出，鐵尾礦中主要礦物為方解石(CaCO)、赤鐵礦(FeO)、石英(SiO)、斜綠泥石(MgAl(SiAl)O(OH))等。

圖3 鐵尾礦物相組成XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of phase composition iron tailings

表1 鐵尾礦的主要化學(xué)組成Tab.1 Main chemical composition of iron tailings

2.2 Na2CO3摻量對(duì)燒結(jié)透水磚性能的影響

NaCO摻量對(duì)燒結(jié)透水磚試樣力學(xué)性能的影響如圖4。由圖4可看出：NaCO摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)在3%以內(nèi)，隨NaCO摻量增加，透水磚力學(xué)性能逐漸增強(qiáng)；摻量為3%時(shí)，燒結(jié)透水磚的抗壓和抗折強(qiáng)度最大，分別為24.8，4.4 MPa，經(jīng)測試燒結(jié)體不具透水性，透水系數(shù)為0，無法滿足透水性能要求；摻量超過3%時(shí)，透水磚力學(xué)性能明顯下降。這是由于NaCO在高溫下分解成的NaO 和CO起到造孔劑和助熔劑的作用，利于燒結(jié)過程中液相的生成，致使燒結(jié)體更易被燒結(jié)，內(nèi)部形成透水孔隙；隨NaCO摻量進(jìn)一步增加，摻量超過3%時(shí)，透水磚內(nèi)部形成更多孔隙。

圖4 Na2CO3摻量對(duì)透水磚力學(xué)性能的影響Fig.4 Addition of Na2CO3 on the mechanical performance of permeable brick

2.3 竹炭粉摻量對(duì)燒結(jié)透水磚性能的影響

在

m

(鐵尾礦粉)∶

m

(膨脹珍珠巖)∶

m

(NaCO)=80∶20∶3的配比基礎(chǔ)上，摻入增孔劑竹炭顆粒，研究竹炭顆粒摻量對(duì)燒結(jié)透水磚力學(xué)和透水性能的影響，結(jié)果如圖5，6。

圖5 竹炭粉摻量對(duì)透水磚力學(xué)性能的影響Fig.5 Addition of bamboo charcoal powder on the mechanical property of permeable brick

由圖5 可看出：竹炭顆粒的摻入降低了透水磚力學(xué)性能，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的竹炭顆粒時(shí)，燒結(jié)透水磚的抗壓和抗折強(qiáng)度分別為16.4，2.9 MPa；隨竹炭顆粒摻量的增加，燒結(jié)透水磚的抗折強(qiáng)度進(jìn)一步下降，這是由于竹炭顆粒在燒結(jié)過程中產(chǎn)生CO，使透水磚氣孔率上升。從圖6 可看出，摻入竹炭顆?？捎行岣邿Y(jié)透水磚的透水性能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，燒結(jié)透水磚的透水系數(shù)為0.017 cm/s，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。竹炭顆粒在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的孔隙相互連通，形成連通孔結(jié)構(gòu)，但孔隙率提高的同時(shí)也導(dǎo)致燒結(jié)透水磚力學(xué)性能的下降。以上結(jié)果表明，竹炭顆粒的摻入可有效提高燒結(jié)透水磚的透水性能，但降低了透水磚的力學(xué)性能。

圖6 竹炭粉摻量對(duì)透水磚透水性能的影響Fig.6 Addition of bamboo charcoal powder on the permeable property of permeable brick

2.4 玻璃粉摻量對(duì)燒結(jié)透水磚性能的影響

玻璃粉的摻入能使燒結(jié)透水磚在高溫下產(chǎn)生更多液相，有助于提高其力學(xué)性能。為進(jìn)一步提高燒結(jié)透水磚的力學(xué)性能，在

m

(鐵尾礦粉)∶

m

(膨脹珍珠巖)∶

m

(NaCO)∶

m

(竹炭粉)=80∶20∶3∶1.5 的配比基礎(chǔ)上，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～2.5%的玻璃粉，研究玻璃粉摻量對(duì)透水磚力學(xué)性能和透水性能的影響，結(jié)果如圖7，8。由圖7可看出：摻入玻璃粉時(shí)，燒結(jié)透水磚的力學(xué)性能總體提高，這是由于玻璃粉具有無定形特性，在融熔燒結(jié)過程中，玻璃粉中無定形的SiO能夠和鐵尾礦中的AlO反應(yīng)生成莫來石，使燒結(jié)透水磚硬度增加；玻璃粉摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)達(dá)到2.0%，燒結(jié)透水磚抗壓和抗折強(qiáng)度分別為26.1，3.6 MPa，達(dá)到燒結(jié)透水磚標(biāo)準(zhǔn)要求；隨玻璃粉摻量的進(jìn)一步增加，其抗壓強(qiáng)度輕微下降，這是由于樣品在燒結(jié)過程中受熱不均，產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力使材料內(nèi)部產(chǎn)生微細(xì)裂紋所致。從圖8可看出：玻璃粉可降低燒結(jié)透水磚的透水性能，這是因?yàn)椴ＡХ鄣膿饺肟商岣邿Y(jié)透水磚的致密度，致使其力學(xué)性能增強(qiáng)、透水系數(shù)下降；燒結(jié)透水磚的透水系數(shù)均大于0.010 cm/s，其透水性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 玻璃粉摻量對(duì)透水磚力學(xué)性能的影響Fig.7 Addition of glass powder on the mechanical strength of property brick

圖8 玻璃粉摻量對(duì)透水磚透水性能的影響Fig.8 Addition of glass powder on the permeable property of permeable brick

2.5 燒結(jié)透水磚的XRD分析

配比

m

(鐵尾礦粉)∶

m

(膨脹珍珠巖)∶

m

(NaCO)∶

m

(竹炭粉)∶

m

(玻璃粉)=80∶20∶3∶1.5∶2 燒結(jié)透水磚的XRD 圖譜如圖9。從圖9 可看出，1 130 ℃燒結(jié)溫度下，燒結(jié)透水磚中的晶相礦物成分主要為石英(SiO)、赤鐵礦(FeO)及燒結(jié)形成的莫來石礦物(AlSiO)。原料中斜綠泥石(MgAl(SiAl)O(OH))在高溫下晶體分解轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)，衍射峰消失。由于原料鐵尾礦粉含赤鐵礦相，這種富鐵相在高溫過程中逐漸融熔為液相，產(chǎn)生的液相填充于固相顆粒之間的孔隙，形成致密和堅(jiān)硬的陶瓷燒結(jié)體。

圖9 透水磚燒結(jié)產(chǎn)物XRD圖譜Fig.9 XRD patterns of sintering product of the permeable brick

2.6 燒結(jié)透水磚的微觀結(jié)構(gòu)表征

利用SEM 對(duì)2.4章節(jié)燒結(jié)透水磚的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10。從圖10可看出，制備的燒結(jié)透水磚呈多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部孔徑大小均勻。這是由于摻入的竹炭顆粒在較低溫度下迅速分解，使透水磚內(nèi)部形成一定的貫通孔隙；同時(shí)膨脹珍珠巖在高溫融熔下產(chǎn)生較多液相，液相流動(dòng)過程中燒結(jié)透水磚表面留下較多孔隙，保證了透水磚內(nèi)部的疏松多孔結(jié)構(gòu)。在竹炭顆粒和膨脹珍珠巖兩者共同作用下，透水磚內(nèi)部呈相互聯(lián)系的貫通孔道，大量分布的孔隙成為透水磚良好透水性能的主要來源。因此，摻入玻璃粉可同時(shí)保證燒結(jié)透水磚具有良好的力學(xué)性能和透水性能。

圖10 燒結(jié)透水磚的微觀形貌Fig.10 Micro structure of the sintered permeable brick

3 結(jié) 論

以鐵尾礦粉為原料，膨脹珍珠巖為造孔劑，NaCO、竹炭粉和玻璃粉等為輔助材料制備燒結(jié)透水磚，研究輔助材料摻量對(duì)燒結(jié)透水磚力學(xué)性能和透水性能的影響，所得主要結(jié)論如下：

1)摻入竹炭粉可提高燒結(jié)透水磚的透水性能，但其力學(xué)性能下降，竹炭粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)，燒結(jié)透水磚的透水系數(shù)可達(dá)0.031 cm/s；

2)玻璃粉在熔融過程中和鐵尾礦中的AlO反應(yīng)生成莫來石，復(fù)摻玻璃粉和竹炭粉可提高燒結(jié)透水磚的力學(xué)性能，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的竹炭粉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的玻璃粉時(shí)，燒結(jié)透水磚抗壓和抗折強(qiáng)度分別為26.1，3.6 MPa，透水系數(shù)可達(dá)0.014 cm/s；

3)采用

m

(鐵尾礦粉)∶

m

(膨脹珍珠巖)∶

m

(NaCO)∶

m

(竹炭粉)∶

m

(玻璃粉)=80∶20∶3∶1.5∶2 配比制備的燒結(jié)透水磚具有良好的力學(xué)性能和透水性能，該制備條件下的燒結(jié)透水磚晶相礦物成分主要為石英(SiO)、赤鐵礦(FeO)及燒結(jié)形成的莫來石礦物(AlSiO)，內(nèi)部形成相互聯(lián)系的貫通孔道保證了透水磚具有良好的透水性能。