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    多元固廢制備高強(qiáng)燒結(jié)透水磚及其性能研究

    2021-10-20 09:55:34王紹熙張凱帆張?zhí)K花葉鵬飛王永波翟玉新王長(zhǎng)龍王林俊樊英杰任真真
    金屬礦山 2021年9期
    關(guān)鍵詞:磚坯粘結(jié)劑尾礦

    王紹熙 張凱帆 張?zhí)K花 葉鵬飛 王永波 翟玉新 王長(zhǎng)龍王林俊 樊英杰 任真真

    (1.河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院,河北邯鄲056038;2.邯鄲市建業(yè)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司,河北邯鄲056000;3.中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京100040;4.河北睿索固廢工程技術(shù)研究院有限公司,河北承德067001;5.唐山卓能建材科技有限公司,河北唐山064410)

    尾礦是礦石經(jīng)選別出精礦后剩余固體廢料,具有二次資源與環(huán)境污染雙重特性,其中鐵尾礦產(chǎn)生量較多[1]。鐵尾礦中含有大量的 Al2O3、SiO2,是制備燒結(jié)磚[2-3]、泡沫陶瓷[4]等產(chǎn)品的理想原料。以鐵尾礦制備高強(qiáng)透水磚,不僅可以實(shí)現(xiàn)尾礦資源化利用,還可以解決尾礦大量堆積引發(fā)的環(huán)境污染問題,為尾礦的高效利用提供新的方向。

    燒結(jié)透水磚以煤矸石[5]、廢棄陶瓷[6]、高爐礦渣[7]等固體廢棄物為骨料,以黏土、頁巖或其他廢棄物為粘結(jié)劑,輔以適當(dāng)造孔劑或發(fā)泡劑,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備而成。KIM等[8]雖然創(chuàng)造性地改進(jìn)了傳統(tǒng)制備工藝,極大地提高了透水磚的孔隙率,但并未解決強(qiáng)度問題,因此制得的透水磚實(shí)用價(jià)值較小;徐珊等[9]選取尾礦砂為骨料,輔以污泥制備出的透水磚性能并不理想,主要因?yàn)檎辰Y(jié)劑性能不理想;LUO等[10]以尾礦、污泥為原料,頁巖為粘結(jié)劑,制備的燒結(jié)透水磚抗壓強(qiáng)度偏低;王之宇等[11]采用基礎(chǔ)玻璃為粘結(jié)劑,配上尾礦砂骨料,制備的透水磚性能提高,但抗壓強(qiáng)度仍未達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)(30 MPa)。以上研究采用工業(yè)固廢來制備透水磚,對(duì)緩解環(huán)境壓力有積極意義,但所制備的產(chǎn)品性能指標(biāo)較低,無法實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

    為進(jìn)一步提升燒結(jié)透水磚的性能,本研究基于多元固廢原料的物化特性及釩鈦鐵尾礦的燒結(jié)特性,重點(diǎn)研究了多尺度固廢顆粒骨料級(jí)配和粘結(jié)劑的配制,考察了骨料摻量、成型壓力、燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)對(duì)高強(qiáng)燒結(jié)透水磚性能的影響,為工業(yè)固廢的資源化利用提供理論和技術(shù)支撐。

    1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

    1.1 試驗(yàn)原料

    試驗(yàn)用工業(yè)固廢釩鈦鐵尾礦、金尾礦、頁巖均取自河北省承德地區(qū),水庫底泥取自邯鄲岳城水庫,4種原料的主要化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

    (1)釩鈦鐵尾礦。釩鈦鐵尾礦顆粒偏細(xì),堆積密度為1.84 g/cm3,0.30~1.18 mm粒級(jí)占比64.81%,+1.18 mm粒級(jí)產(chǎn)率為18.39%,該粒級(jí)的顆粒有利于透水磚形成孔隙并擴(kuò)大孔徑,便于透水,但對(duì)磚體強(qiáng)度有削弱作用,因此需控制該粒級(jí)的量;而-0.15 mm粒級(jí)產(chǎn)率較低,且不利于磚體孔隙的形成,所以使用時(shí)剔除該粒級(jí)。

    圖1為釩鈦鐵尾礦的SEM圖。由圖1可知,釩鈦鐵尾礦顆粒表面粗糙,質(zhì)地較致密,存在少量微孔隙。粗糙的外表面可以為顆粒間的堆積提供機(jī)械咬合力,用作透水磚骨料時(shí)能夠形成骨架結(jié)構(gòu),并在顆粒間形成一定孔隙,有利于磚體的透水性。另外,顆粒中存在直徑50~100 μm的孔隙,能夠吸附高溫下產(chǎn)生的熔融液相,不僅可以促進(jìn)顆粒之間的粘結(jié),又能提高結(jié)構(gòu)的致密性,為強(qiáng)度提供重要保障。

    釩鈦鐵尾礦主要含有硅酸鹽礦物透輝石、石英、云母、綠泥石等(見圖2),其化學(xué)成分以CaO、MgO、SiO2為主。

    結(jié)合顆粒表面及礦物組成分析,可以得出:該釩鈦鐵尾礦有利于形成輝石體系,促進(jìn)結(jié)構(gòu)的致密性,應(yīng)用于燒結(jié)材料較為理想。

    (2)水庫底泥。試驗(yàn)所用的水庫底泥顆粒較細(xì),有少量水草等雜質(zhì),表面呈灰色,含水量約70%。將沉淀脫水后的水庫底泥置于室內(nèi)陰涼處風(fēng)干,再經(jīng)過烘干箱干燥(105℃),而后采用輥壓機(jī)碾碎至-2 mm,混勻后的樣品放入烘干箱在105℃下烘干24 h,得到的烘干樣品經(jīng)瑪瑙研磨機(jī)研磨至-0.074 mm后備用。表1結(jié)果表明,水庫底泥中無機(jī)組分Al2O3含量為14.32%、SiO2含量為51.41%、Na2O+K2O含量為2.70%、CaO+MgO含量為7.54%,燒失量為14.43%,說明熱解的水庫底泥有機(jī)質(zhì)含量較高,具有良好的產(chǎn)氣性能。

    圖3為水庫底泥的XRD圖譜。由圖3可知,水庫底泥主要由塊鋁磷石、黑云母、鎂方解石、方解石和石英等礦物組成。

    (3)金尾礦。外觀呈灰色,以微粉狀(-0.074 mm)顆粒為主;礦物相組成為石英、白云石、方解石、斜長(zhǎng)石、高嶺石等,主要化學(xué)成分SiO2和Al2O3合計(jì)占77.35%,燒失量為4.45%。

    (4)頁巖。外觀呈米黃色,以微粉狀(-0.074 mm粒級(jí))顆粒為主;礦物相組成為石英、云母、高嶺石和鈉長(zhǎng)石等,主要化學(xué)成分SiO2占56.21%,Al2O3占22.15%,F(xiàn)e2O3占5.32%。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)備

    試驗(yàn)所用主要設(shè)備有:101-4型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,ZBSX 92A型震擊式標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī),KSL-1400X型馬弗爐,JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī),TS-0型混凝土路面磚透水系數(shù)測(cè)定儀,TS-1型透水系數(shù)真空飽水裝置,YAW4306型微機(jī)控制電液伺服壓力實(shí)驗(yàn)機(jī),Axios advanced型波長(zhǎng)色散型X射線熒光光譜儀(XRF),DMAX-RB型X射線衍射儀(XRD),EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)。

    2 試驗(yàn)方法

    (1)透水磚坯的制備。首先,按試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求稱取釩鈦鐵尾礦骨料,置于水泥砂漿攪拌機(jī)中攪拌30 s,同時(shí)加入相對(duì)質(zhì)量5%的水;然后,將不同配比的粉料倒入攪拌機(jī)中再攪拌1 min,得到試驗(yàn)所用的混合料;最后,將混合料置于密封袋中陳化12 h。陳化后每次稱量500 g混合料置于φ75 mm×50 mm的模具中,在相應(yīng)的壓力下壓制成型;將成型的坯體放入105℃的鼓風(fēng)干燥機(jī)中干燥12 h;將干燥后的坯體放入馬弗爐中,在試驗(yàn)要求的相關(guān)燒結(jié)制度下燒制成型。

    (2)燒結(jié)制度。圖4為高強(qiáng)透水磚燒結(jié)制度曲線,具體為:由室溫升至60℃,升溫速率為0.5℃/min;由60℃升至300℃,升溫速率為2℃/min,保溫60 min;由300℃升至800℃,升溫速率為3℃/min,保溫60 min;由800℃升至試驗(yàn)所需溫度,升溫速率1℃/min,保溫60 min;由燒結(jié)的最高溫度隨爐降至室溫。

    (3)孔隙率測(cè)定方法。按照《多孔陶瓷顯氣孔率、容重實(shí)驗(yàn)方法》(GB/T 1966—1996)中煮沸法測(cè)定透水磚顯氣孔率。

    (4)透水系數(shù)測(cè)定方法。透水系數(shù)按《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)中附錄C的方法測(cè)定。

    (5)保水性測(cè)試方法。保水性測(cè)試方法按照《透水磚》(JC/T 945—2005)6.5節(jié)相應(yīng)要求執(zhí)行。

    (6)抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法。抗壓強(qiáng)度按照《透水磚》(JC/T 945—2005)中附錄A的方法測(cè)定。

    3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

    3.1 釩鈦鐵尾礦燒結(jié)特性分析

    選取碎至-0.3 mm的釩鈦鐵尾礦,加入相對(duì)質(zhì)量5%的水,在20 MPa的壓力下壓制成直徑為30 mm的坯體,于110℃條件下烘干12 h,分別在5個(gè)燒結(jié)溫度(900℃、1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 130℃)下進(jìn)行燒制,對(duì)坯體線性膨脹率、質(zhì)量損失率、體積密度、顏色變化進(jìn)行測(cè)定和觀察(見圖5),各燒結(jié)溫度下的性能指標(biāo)見表2。

    由圖5及表2可知,釩鈦鐵尾礦生胚呈灰色,隨著燒結(jié)溫度的升高,坯體顏色由黃色逐漸變深,線膨脹率降低,質(zhì)量損失率升高,堆積密度不斷增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為900℃時(shí),尾礦坯體呈黃色,線膨脹率最大而體積密度最小,此狀態(tài)下坯體燒結(jié)效果較差,質(zhì)地稀疏易碎;燒結(jié)溫度升至1 000℃時(shí),坯體顏色逐漸加深至淺褐色,線性膨脹率快速降低為0.94%,整體性能較900℃下有所改善,但仍存在一定缺陷;燒結(jié)溫度進(jìn)一步升高至1 050℃,坯體顏色變?yōu)楹稚?,線性膨脹率極小,僅為0.04%,此時(shí)尾礦顆粒間具有一定的粘結(jié)性,表面材料內(nèi)部已經(jīng)有少量玻璃相產(chǎn)生;當(dāng)燒結(jié)溫度為1 100℃時(shí),磚坯呈深褐色,堆積密度達(dá)到最大2.14 g/cm3,顆粒間粘結(jié)加強(qiáng),玻璃化較為明顯,坯體具有一定機(jī)械強(qiáng)度;當(dāng)燒結(jié)溫度為1 130℃時(shí),坯體出現(xiàn)熔融現(xiàn)象,說明燒結(jié)溫度已經(jīng)超出材料本身的極限承受溫度。

    圖6為不同燒結(jié)溫度下釩鈦鐵尾礦的XRD圖譜。

    由圖6可知,當(dāng)燒結(jié)溫度為900℃時(shí),試塊主要礦物相為正長(zhǎng)石、云母、透輝石,與未燒結(jié)的釩鈦鐵尾礦礦物相接近,但云母、綠泥石相減少,主要原因?yàn)殁C鈦鐵尾礦中Mg、K、Ca礦物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?,伴隨著碳酸鹽的分解,形成新的礦物相正長(zhǎng)石,說明此時(shí)試塊已經(jīng)進(jìn)入液相燒結(jié)階段;與900℃對(duì)比,燒結(jié)溫度為1 000℃時(shí),坯體礦物相變化較為明顯,云母、綠泥石、赤鐵礦衍射峰消失,取而代之的是較多的鎂黃長(zhǎng)石、透輝石相,以及少量的普通輝石,另外,透水磚坯體中的正長(zhǎng)石相消失,說明已經(jīng)形成液相;與1 000℃對(duì)比,燒結(jié)溫度為1 050℃時(shí)的物相變化較小;當(dāng)燒結(jié)溫度為1 100℃時(shí),透水磚坯中的鎂黃長(zhǎng)石衍射峰消失,與大量產(chǎn)生的液相MgO、SiO2、CaO等相互融合生成透輝石,隨著燒結(jié)反應(yīng)進(jìn)一步加劇,體系內(nèi)部中的Fe3+、Al3+置換透輝石中的Ca2+形成普通輝石;燒結(jié)溫度為1 130℃時(shí),液相產(chǎn)生量繼續(xù)增加,普通輝石的轉(zhuǎn)變量也在提高,但由于坯體內(nèi)液相過多,黏度相對(duì)降低,坯體出現(xiàn)熔融塌落現(xiàn)象。

    由上述分析可知,反應(yīng)體系是以MgO-CaO-SiO2為主的三元體系,體系中主要組成相為輝石相。輝石相晶相較小,主要呈柱狀,細(xì)小的柱狀晶體有利于晶體間的填充,并形成致密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),有利于坯體的力學(xué)性能。

    3.2 多元固廢原料級(jí)配及摻量對(duì)燒結(jié)透水磚性能的影響

    3.2.1 釩鈦鐵尾礦級(jí)配對(duì)透水磚性能的影響

    將釩鈦鐵尾礦篩分成粗、中、細(xì)3個(gè)粒級(jí):1.18~4.75 mm(粗)、0.60~1.18 mm(中)、0.15~0.60 mm(細(xì)),堆積密度分別為:1.56 g/cm3、1.58 g/cm3、1.76 g/cm3。因鐵尾礦主要組成粒級(jí)在0.60~1.18 mm,為確保尾礦高利用率選擇中粒級(jí)為主要粒級(jí)。

    確定釩鈦鐵尾礦骨料摻量為80%,粘結(jié)劑摻量為20%,具體配比為w(金尾礦)∶w(頁巖)∶w(水庫底泥)=1∶2∶2。試驗(yàn)每次配料500 g,用水量為5%,成型壓力為20 MPa,燒成溫度為1 060℃(恒溫60 min),壓制成型磚坯尺寸為φ75 mm×50 mm。在上述條件下,考察釩鈦鐵尾礦骨料級(jí)配對(duì)透水磚性能的影響,結(jié)果見表3。

    由表3可知,當(dāng)中顆粒含量一定時(shí),磚坯的抗壓強(qiáng)度隨粗顆粒占比的減少而提高,同時(shí)孔隙率降低使得磚坯更加致密,其中B組的變化最為明顯,當(dāng)1.18~4.75 mm粒級(jí)占比由40%減少為10%時(shí),抗壓強(qiáng)度增量為41.67%,孔隙率降低量為4.40%。

    D組是所有組別中性能變化最小且抗壓強(qiáng)度較低的一組,這表明細(xì)顆粒占比對(duì)透水磚性能影響較大。對(duì)比C4、D3可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)顆粒占5%時(shí),透水磚的強(qiáng)度提高了22.73%。這是因?yàn)椋捍u坯的強(qiáng)度主要來源于燒結(jié)過程中液相的遷移、包裹以及粘結(jié)作用,液相的遷移主要通過磚坯內(nèi)部的毛細(xì)管力,在一定范圍內(nèi)空隙越小毛細(xì)管力越強(qiáng),細(xì)顆粒的加入使得磚坯中的孔結(jié)構(gòu)致密,提高了毛細(xì)管力;此外,磚坯中的熔融液相除了由粘結(jié)劑提供外,還有一部分由骨料提供,骨料顆粒越細(xì),會(huì)產(chǎn)生更多的熔融或微熔液相,它們與粘結(jié)劑相互融合使得磚坯更加致密,進(jìn)而強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。為保障磚坯結(jié)構(gòu)的致密性以及足夠多的熔融液相的產(chǎn)生,細(xì)顆粒占比不宜低于20%。

    從整體看來,透水磚的透水系數(shù)和保水性均滿足《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)和《透水磚》(JCT 945—2005)要求,但抗壓強(qiáng)度偏低。B1、B2對(duì)比其他組整體性能較好,考慮到尾礦的均衡利用,選取B2的級(jí)配作為釩鈦鐵尾礦最終的級(jí)配。

    3.2.2 釩鈦鐵尾礦摻量對(duì)透水磚性能的影響

    選取B2組級(jí)配,除釩鈦鐵尾礦摻量外其他條件同3.2.1節(jié),釩鈦鐵尾礦摻量對(duì)透水磚性能的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

    由圖7可知,隨著釩鈦鐵尾礦摻量的增加,透水磚的保水性和孔隙率逐漸增大,整體呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)狀態(tài);磚坯內(nèi)部孔隙率增大使得透水性增強(qiáng),磚坯整體致密性降低,抗壓強(qiáng)度隨之降低。

    當(dāng)釩鈦鐵尾礦摻量由70%增加至75%時(shí),透水磚的透水系數(shù)變化較小,而保水性與孔隙率變化較大。這主要是因?yàn)椋C鈦鐵尾礦摻量增加使得透水磚內(nèi)部空隙增多,但是增加的空隙僅僅只是相互獨(dú)立的氣孔,并沒有形成連續(xù)的貫穿空隙,這就導(dǎo)致磚體吸水性較好而透水性差。因此,想要提高磚體的透水性需要進(jìn)一步增加氣孔數(shù)量,以形成貫穿整個(gè)磚體的連續(xù)空隙。當(dāng)釩鈦鐵尾礦摻量進(jìn)一步增加時(shí),透水磚內(nèi)部貫穿空隙形成并急劇增加,特別是摻量為75%~80%,透水性增量超過100倍而抗壓強(qiáng)度降低了50.80%。因此,暫定釩鈦鐵尾礦摻量75%~80%進(jìn)行后續(xù)研究。

    3.2.3 粘結(jié)劑配比對(duì)高強(qiáng)透水磚性能的影響

    粘結(jié)劑是粘結(jié)骨料以形成一定機(jī)械強(qiáng)度的重要材料,適宜的粘結(jié)劑配比可以實(shí)現(xiàn)熔融狀態(tài)下的遷移并充分包裹骨料,為各項(xiàng)性能提供重要保證。選定釩鈦鐵尾礦摻量為80%,成型壓力為20 MPa,燒結(jié)溫度為1 060℃(恒溫60 min),探究粘結(jié)劑配比對(duì)透水磚性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見表4。

    由表4可知,孔隙率和保水率2種性能指標(biāo)呈現(xiàn)相似的規(guī)律,即孔隙率降低保水性也隨之降低。前述研究得出了磚坯透水性增加時(shí)其抗壓強(qiáng)度降低的結(jié)論,而不同粘結(jié)劑配比下透水性與抗壓強(qiáng)度并沒有表現(xiàn)出相應(yīng)的規(guī)律性。這是因?yàn)?,不同粘結(jié)劑在高溫熔融狀態(tài)下的性能差距較大,空隙的多少直接由形成液相的多少?zèng)Q定,液相越多,空隙越少,則透水性和保水性降低,然而形成液相的數(shù)量并不能說明其具有足夠的粘結(jié)力,所以表現(xiàn)的宏觀強(qiáng)度各不相同。在試驗(yàn)組中,E組性能最佳,孔隙率高達(dá)25.61%,透水系數(shù)為0.118 cm/s,抗壓強(qiáng)度為33 MPa。因此,確定適宜的粘結(jié)劑配比為w(金尾礦)∶w(頁巖)∶w(水庫底泥)=2∶1∶1。

    3.2.4 釩鈦鐵尾礦摻量?jī)?yōu)化

    為進(jìn)一步優(yōu)化配比,在粘結(jié)劑配比為w(金尾礦)∶w(頁巖)∶w(水庫底泥)=2∶1∶1、成型壓力20 MPa、燒結(jié)溫度為1 060℃(恒溫60 min)的條件下,選取釩鈦鐵尾礦摻量76%、77%、78%、79%、80%,相應(yīng)地調(diào)整粘結(jié)劑的摻量,進(jìn)一步研究釩鈦鐵尾礦摻量對(duì)透水磚性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

    由圖8(a)可知,釩鈦鐵尾礦摻量由76%增大到77%,保水性和孔隙率分別增長(zhǎng)了29.3%、28.1%;繼續(xù)增加釩鈦鐵尾礦摻量至78%時(shí),保水性和孔隙率增長(zhǎng)趨于緩和,僅為1.2%、7.3%;隨著釩鈦鐵尾礦摻量的進(jìn)一步增加,保水性和孔隙率緩慢增長(zhǎng),最終在釩鈦鐵尾礦摻量80%時(shí)達(dá)到最大,分別為1.04 g/cm2、25.62%。

    由圖8(b)可知,透水系數(shù)的變化趨勢(shì)與孔隙率的變化趨勢(shì)相似,而透水磚的抗壓強(qiáng)度隨著釩鈦鐵尾礦摻量的增加快速降低。

    考慮到抗壓強(qiáng)度與其他性能指標(biāo)的對(duì)立性,同時(shí)盡可能提高釩鈦鐵尾礦利用率,最終選取釩鈦鐵尾礦摻量為78%,此時(shí)透水磚透水系數(shù)為0.098 cm/s、抗壓強(qiáng)度為42 MPa。

    3.3 工藝參數(shù)對(duì)高強(qiáng)燒結(jié)透水磚性能的影響

    3.3.1 成型壓力對(duì)高強(qiáng)透水磚性能的影響

    透水磚的成型壓力決定了磚坯成型過程中的成型率,在不同的成型壓力下,高強(qiáng)燒結(jié)透水磚內(nèi)部的孔隙大小相應(yīng)變化,對(duì)透水磚的密實(shí)性起重要作用。選定釩鈦鐵尾礦摻量為78%,粘結(jié)劑摻量為22%(w(金尾礦)∶w(頁巖)∶w(水庫底泥)=2∶1∶1),燒結(jié)溫度為1 060℃(恒溫60 min),探究成型壓力對(duì)透水磚性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

    由圖9(a)可知:①成型壓力從10 MPa增加至20 MPa時(shí),保水性和孔隙率逐漸降低,這是因?yàn)楦鞴橇弦渣c(diǎn)接觸或未接觸為主,當(dāng)成型壓力逐漸增大時(shí)未接觸顆粒逐漸靠攏形成點(diǎn)接觸,此時(shí)磚坯開始趨于緊密,保水性和孔隙率降低較為明顯;②成型壓力繼續(xù)增大至30 MPa時(shí),保水性和孔隙率降低速率稍緩,這是因?yàn)楣橇祥g的點(diǎn)接觸逐漸形成,磚坯受到進(jìn)一步擠壓但性能變化并不明顯,若要突破這一階段需要更大的成型壓力;③當(dāng)成型壓力大于30 MPa時(shí),保水性和孔隙率快速下降,這是因?yàn)楣橇现g由點(diǎn)接觸形成面接觸,此階段顆粒之間堆積更加緊密,磚坯密實(shí)度更高,保水性和孔隙率迅速降低。

    由圖9(b)可知:①透水系數(shù)隨著成型壓力的增加而逐漸降低,變化趨勢(shì)與孔隙率相似。孔隙率的大小決定了貫穿空隙的多少,同樣決定了透水性的大小,二者不論在數(shù)值上還是變化趨勢(shì)上都存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。②成型壓力的變化對(duì)抗壓強(qiáng)度有一定影響,但并沒有像其他性能指標(biāo)一樣呈現(xiàn)出階段性的變化。當(dāng)成型壓力小于25 MPa時(shí),成型壓力的增大使抗壓強(qiáng)度不斷提高,當(dāng)成型壓力為25 MPa時(shí),抗壓強(qiáng)度為45 MPa,進(jìn)一步提高成型壓力,抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)逐漸放緩。

    當(dāng)成型壓力為35 MPa時(shí),透水磚抗壓強(qiáng)度為50 MPa,透水系數(shù)為0.058 cm/s,保水性 0.58 g/cm2,此時(shí)的透水磚已經(jīng)表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高透水性的潛力,但保水性未能滿足規(guī)范要求(0.60 g/cm2),因此需要進(jìn)一步優(yōu)化其他工藝參數(shù)。

    3.3.2 保溫時(shí)間對(duì)透水磚性能影響

    選定釩鈦鐵尾礦摻量為78%,粘結(jié)劑摻量為22%(w(金尾礦)∶w(頁巖)∶w(水庫底泥)=2∶1∶1),成型壓力為25 MPa,燒結(jié)溫度為1 060℃,探究保溫時(shí)間對(duì)透水磚性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

    由圖10可知,隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),保水性和孔隙率逐漸降低。當(dāng)保溫時(shí)間為60 min時(shí),磚坯內(nèi)部熔融液相產(chǎn)生較少,僅僅包裹少量骨料或包裹不充分,此時(shí)保水性和孔隙率較好,分別為0.88 g/cm2、23.58%。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng),液相量逐漸增多,晶體顆粒間的孔隙逐漸被填滿,磚體空隙率降低。熔融液相增多后內(nèi)部空隙被填充,導(dǎo)致磚體更加致密,因此抗壓強(qiáng)度不斷提高。同時(shí),由于保溫時(shí)間不斷延長(zhǎng),液相在空隙中相互流動(dòng)趨于穩(wěn)定,使得磚坯整體質(zhì)地均勻,這也是透水磚強(qiáng)度形成的重要原因之一。綜合考慮能耗和性能指標(biāo)要求,確定適宜的保溫時(shí)間為90 min。

    3.3.3 燒結(jié)溫度對(duì)透水磚性能的影響

    燒結(jié)溫度是透水磚制備過程中最重要的工藝參數(shù),當(dāng)燒結(jié)溫度過高時(shí),產(chǎn)生的過量玻璃相會(huì)堵住空隙,對(duì)磚體的透水性不利;當(dāng)燒結(jié)溫度過低時(shí),磚體燒結(jié)不充分,使得液相產(chǎn)生較少,粘結(jié)作用微弱,不利于強(qiáng)度的形成。選定釩鈦鐵尾礦摻量為78%,粘結(jié)劑摻量為22%(w(金尾礦)∶w(頁巖)∶w(水庫底泥)=2∶1∶1),成型壓力為25 MPa,保溫時(shí)間為90 min,探究燒結(jié)溫度對(duì)透水磚性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果見圖11。

    由圖11可知,燒結(jié)溫度逐漸升高,透水磚的保水性、孔隙率和透水性逐漸降低,抗壓強(qiáng)度先增加至64 MPa后降低至48 MPa。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 060~1 080℃時(shí),透水磚的保水性、孔隙率和透水性降低較為緩慢,這是因?yàn)榇穗A段熔融玻璃相的產(chǎn)生量較為適中,對(duì)磚坯氣孔的影響較??;當(dāng)燒結(jié)溫度超過1 080℃時(shí),透水磚的保水性、孔隙率和透水性快速下降,此階段大量液相產(chǎn)生,原本貫通的孔隙逐漸被填充,特別在1 090℃時(shí),孔隙填充較為嚴(yán)重,導(dǎo)致磚體幾乎不透水。當(dāng)燒結(jié)溫度由1 060℃升至1 080℃,透水磚的抗壓強(qiáng)度增加,這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑及骨料產(chǎn)生的液相量相對(duì)適中,有利于顆粒間的相互粘結(jié),使得磚體致密并且質(zhì)地均勻,為強(qiáng)度提供了重要保障。當(dāng)燒結(jié)溫度超過1 080℃時(shí),液相產(chǎn)生量過多,由于溫度的升高,液相流動(dòng)性也提高,液相在磚體表面出現(xiàn)“溢出”現(xiàn)象,這一現(xiàn)象在燒結(jié)溫度為1 100℃時(shí)最為明顯,過量的液相使得磚坯開始出現(xiàn)變形,內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻,進(jìn)而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。

    試驗(yàn)最終確定燒結(jié)溫度為1 080℃,此時(shí),透水磚抗壓強(qiáng)度達(dá)到64 MPa,透水系數(shù)為0.062 cm/s,保水性為0.62 g/cm2,滿足《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)和《透水磚》(JCT 945—2005)的要求。

    對(duì)不同燒結(jié)溫度下制備的透水磚進(jìn)行SEM分析,結(jié)果見圖12。

    由圖12可知:①燒結(jié)溫度為1 060℃的透水磚存在較多氣孔,表面呈層狀,有形成短柱狀的趨勢(shì),說明此時(shí)透水磚晶體開始轉(zhuǎn)變,逐漸生成透輝石及少量的普通輝石。②燒結(jié)溫度達(dá)到1 070℃的透水磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸趨于致密,表面出現(xiàn)的短柱狀晶體逐漸長(zhǎng)大,呈細(xì)長(zhǎng)棒狀。③燒結(jié)溫度由1 080℃升至1 090℃,棒狀結(jié)構(gòu)逐漸圓潤(rùn),呈“水滴”狀,且隨著溫度的升高數(shù)量變多,最終成簇出現(xiàn)。④燒結(jié)溫度為1 100℃的透水磚表面多為“魚鱗”狀的片狀結(jié)構(gòu),周圍充斥著熔融的液相,說明此階段燒結(jié)過度。

    4 結(jié) 論

    (1)釩鈦鐵尾礦主要化學(xué)組成為SiO2、CaO、MgO,選取0.60~1.18 mm粒級(jí)顆粒用于制備透水磚有利于磚體形成大孔徑的孔隙,有利于透水磚透水,但其抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。顆粒表面粗糙,用作透水磚骨料時(shí)能夠形成骨架結(jié)構(gòu),并在顆粒間形成一定孔隙,有利于磚體的透水性。

    (2)釩鈦鐵尾礦在不同燒結(jié)溫度下顏色變化較大,隨著燒結(jié)溫度的升高,顏色由黃色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚?,線膨脹率持續(xù)降低,質(zhì)量損失率逐漸升高,體積密度不斷增大。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 130℃時(shí),釩鈦鐵尾礦坯體出現(xiàn)熔融現(xiàn)象,說明燒結(jié)溫度已經(jīng)超出材料本身的極限承受溫度。

    (3)試驗(yàn)確定釩鈦鐵尾礦的適宜級(jí)配為1.18~4.75 mm占20%、0.60~1.18 mm占50%、0.15~0.60 mm占30%,適宜摻量78%;粘結(jié)劑的適宜配比為w(金尾礦)∶w(頁巖)∶w(水庫底泥)=2∶1∶1。

    (4)以釩鈦鐵尾礦制備透水磚,適宜的成型壓力為25 MPa、燒結(jié)溫度為1 080℃、保溫時(shí)間為90 min,此時(shí)透水磚抗壓強(qiáng)度達(dá)到64 MPa,透水系數(shù)為0.062 cm/s,保水性為0.62 g/cm2,滿足《透水路面磚和透水路面板》(GB/T 25993—2010)和《透水磚》(JCT 945—2005)的要求。

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