利用廢棄陶瓷磨具再生砂制備燒結(jié)透水磚

邊華英， 王學(xué)濤， 薛俊杰， 劉永川， 楊 崇

（1.河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，鄭州 450002；2.河南省科學(xué)院質(zhì)量檢驗(yàn)與分析測(cè)試研究中心，鄭州 450002； 3.白鴿磨料磨具有限公司，鄭州 450199）

2013年習(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)工作會(huì)議上提出了“建設(shè)自然積存、自然滲透、自然凈化的海綿城市”的指導(dǎo)方針. 2014年11月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺(tái)了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》，指導(dǎo)未來的城鎮(zhèn)建設(shè)模式應(yīng)能具有像海綿一樣的“吸收、儲(chǔ)存雨水”能力，具有適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的彈性和韌性，將傳統(tǒng)的“快排”模式轉(zhuǎn)為“滲、滯、蓄、濾、用、排”措施有機(jī)結(jié)合模式，最大程度上減少城鎮(zhèn)化開發(fā)建設(shè)中大面積硬化給原自然水文特征和水生態(tài)環(huán)境帶來的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)于雨水的自然積存、滲透、凈化和利用［1-5］，從而應(yīng)對(duì)城市頻發(fā)的內(nèi)澇與缺水問題.

海綿城市的建設(shè)需要大量高性能的透水鋪裝材料對(duì)城市廣場(chǎng)、道路、甚至屋頂進(jìn)行改造［6］，當(dāng)前所用的透水鋪裝材料主要是透水磚或透水混凝土. 國內(nèi)外對(duì)于透水路面材料和組成的研究文獻(xiàn)較多［7-16］，透水磚是路面磚的一種，其生產(chǎn)和使用分離，便于搬運(yùn)、適于快速施工. 根據(jù)生產(chǎn)工藝透水磚主要分為免燒混凝土透水磚和燒結(jié)透水磚. 為了保證透水磚的良好透水性要求其具有較高的氣孔率，而氣孔率的大小對(duì)其強(qiáng)度和抗凍性能影響很大. 在北方霜凍地區(qū)一些混凝土透水磚鋪裝地面使用1～2年即可能發(fā)生破損、斷裂、酥裂現(xiàn)象，短暫的使用壽命造成了人、財(cái)、物力的浪費(fèi)，而且產(chǎn)生新的建設(shè)施工和拆除建筑垃圾，不符合全壽命周期低碳、節(jié)能、減排的要求.

透水燒結(jié)路面磚（PFB）又稱陶瓷透水磚，是采用無機(jī)非金屬材料為主要原料，經(jīng)成型、燒結(jié)制成，通常采用廢棄陶瓷制品為骨架材料. 與免燒透水磚相比，燒結(jié)透水磚具有更加優(yōu)良的性能，比如強(qiáng)度高、抗凍融性好、耐久性優(yōu)良，而且色彩穩(wěn)定、質(zhì)感柔和、自然美觀、防滑、無污染、無輻射，堪稱綠色環(huán)保產(chǎn)品［17-18］. 同等條件下，透水磚地面比混凝土硬化地面下滲雨水量高3～4倍，對(duì)于減少地面徑流量、改善區(qū)域小環(huán)境、緩解城市“熱島效應(yīng)”［18-20］、吸聲降噪效果顯著. 鄰國日本、新加坡、韓國等政府要求市政道路和廣場(chǎng)必須使用高質(zhì)量的透水、透氣鋪裝材料以緩解城市?。?9］. 在海綿城市建設(shè)中，選用合適的透水鋪裝材料是很有必要的.

本研究利用廢棄陶瓷磨具破碎制成具有復(fù)合機(jī)構(gòu)的堅(jiān)固的再生骨料，進(jìn)而以不同粒度的骨料和砂結(jié)比分別配制具有復(fù)合結(jié)構(gòu)燒結(jié)透水磚的上層和下層的成型料，再以二次投料法模壓成型透水磚坯體，脫模后在規(guī)定的制度下干燥、燒結(jié)，制成透水磚樣品. 制成后對(duì)該燒結(jié)透水磚的透水性、強(qiáng)度、耐磨性、防滑性等進(jìn)行性能檢測(cè).

1 透水磚樣品的制作

1.1 設(shè)備與材料

設(shè)備：磅秤、雙S 混料機(jī)、壓機(jī)、烘箱、高溫爐、便攜式顯微鏡500×USB 2.0 MP VIDEO.

材料：廢棄陶瓷磨具破碎制成的具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的再生骨料、專用結(jié)合劑、色料、糊精粉、糊精液.

1.2 陶瓷透水磚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作工藝流程

設(shè)計(jì)制作復(fù)合結(jié)構(gòu)的陶瓷透水磚，對(duì)上、下工作層采用不同或相同色澤、不同骨料粒度和不同砂結(jié)比的成型料，分別進(jìn)行稱料、混制、困料、過篩，以金屬模具二次投料法成型，先投上部工作層成型料，投料后梳料、刮平，再投下部工作層成型料，再次梳料、刮平，經(jīng)施壓、保壓、卸壓后脫模、干燥、燒成. 利用廢棄陶瓷磨具再生砂制備燒結(jié)透水磚的制作工藝流程見圖1.

圖1 復(fù)合結(jié)構(gòu)再生骨料陶瓷透水磚制備工藝流程圖Fig.1 Flow chart of preparation process of composite structure recycled aggregate ceramic permeable brick

采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的模具進(jìn)行樣品制作，脫模后的青坯經(jīng)過干燥、燒成，制成陶瓷透水磚，樣品規(guī)格為200 mm×125 mm×55 mm，采用二次投料法成型，制作上、下工作層具有不同組分的復(fù)合結(jié)構(gòu)磚，在不超過1250 ℃的低溫下燒成.

1.3 成型料混配

采用雙“S”混料鍋分別混制上層和下層成型料，混料鍋轉(zhuǎn)速為150～200 r/min，總混合時(shí)間為6～15 min.上層成型料中各原材料組分配比為：廢棄陶瓷磨具破碎再生骨料88%～90%，專用陶瓷結(jié)合劑10%～12%，以廢棄陶瓷磨具破碎制得的具有復(fù)合機(jī)構(gòu)的再生骨料和專用陶瓷結(jié)合劑構(gòu)成主材，外加少量色料、濕潤(rùn)劑、黏結(jié)劑等助劑，其中臨時(shí)黏結(jié)劑糊精粉占主材總質(zhì)量1.5%～3%，濕潤(rùn)劑糊精液占主材總質(zhì)量3%～6%，色料占主材總質(zhì)量0.5%～3%的；下層成型料中各原材料組分配比為：廢棄陶瓷磨具破碎再生骨料90%～94%，專用陶瓷結(jié)合劑6%～10%，占主材總質(zhì)量2%～3%的臨時(shí)黏結(jié)劑糊精粉，占主材總質(zhì)量2%～5%的濕潤(rùn)劑糊精液. 采用的相應(yīng)專用低溫結(jié)合劑的組分配比為：黏土粉10%～20%、長(zhǎng)石粉40%～60%、硼玻璃粉20%～50%.

1.4 成型與燒成

采用定模法壓制成型，壓力為3.5～4.5 MPa，脫模后青坯的干燥溫度為70～90 ℃保溫12 h. 燒成溫度制度為：首先以5～7 ℃/min升溫速率加熱到420 ℃，再以2～5 ℃/min升溫速率加熱到1000～1250 ℃，保溫1.5～2.0 h，然后停止加熱，自然冷卻得到燒結(jié)透水磚. 根據(jù)預(yù)期的性能和成型壓力、燒成溫度，調(diào)整成型料的配比和相應(yīng)工藝參數(shù)，共制得60塊陶瓷透水磚樣品.

2 透水磚的形貌觀測(cè)

對(duì)廢棄陶瓷磨具破碎砂（復(fù)合結(jié)構(gòu)再生骨料）、透水磚樣品上、下工作層和上、下層結(jié)合部位的界面層組織結(jié)構(gòu)以便攜式顯微鏡500×USB 2.0 MP VIDEO進(jìn)行形貌觀測(cè).

由圖2及圖3a、b、c可見，燒結(jié)后的透水磚不同工作層以及界面層均具有豐富的氣孔結(jié)構(gòu)，具有堅(jiān)固、顆粒粗大的骨料，以及將骨料黏結(jié)起來的結(jié)合劑橋. 特別是，采用燒結(jié)結(jié)合劑而非燒熔結(jié)合劑在透水磚燒制時(shí)可操作性更好，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度都相對(duì)更高. 采用的骨料為再生骨料，并且面層成型料中使用的骨料為在陶瓷磨具成型過程中形成的跑料、漏料和破損、過程檢驗(yàn)不合格的半成品經(jīng)過破碎、篩選得到的磨料顆粒，或以用后的廢棄陶瓷磨具、燒制后的不合格陶瓷磨具以及磨具交付之前進(jìn)行車、磨精加工形成的碎屑進(jìn)行破碎、篩分選出的細(xì)粒徑顆粒；下層成型料中使用的骨料為以用后的廢棄陶瓷磨具、燒制后的不合格陶瓷磨具以及車、磨加工形成的碎屑進(jìn)行破碎、篩分選出的粗粒徑顆粒，將其稱為復(fù)合結(jié)構(gòu)再生骨料（見圖2）. 這種復(fù)合結(jié)構(gòu)再生骨料本身為由磨料顆粒、氣孔組織和結(jié)合劑組成的磨具組織，既具有破碎傳統(tǒng)陶瓷顆粒骨料的堅(jiān)固性、耐磨性且具有透水性. 所以，以這種骨料制成的透水磚比常見的以廢棄建筑陶瓷磚、衛(wèi)生瓷等傳統(tǒng)陶瓷破碎顆粒為骨料的陶瓷透水磚［19］具有更好的透水性和耐磨性.

圖2 復(fù)合結(jié)構(gòu)再生骨料（廢棄陶瓷磨具破碎砂）顆粒形貌（500×）Fig.2 Particle morphology of composite structure recycled aggregate（broken sand of discarded ceramic grinding tools）（500×）

圖3 透水磚不同工作層形貌（500×）Fig.3 Morphology of different working layers of permeable bricks（500×）

3 透水磚樣品的物理性能

3.1 檢測(cè)方法

依據(jù)《透水路面磚和透水路面板》（GB/T 25993—2010）、《天然飾面石材試驗(yàn)方法第1部分：干燥、水飽和凍融循環(huán)后壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)》（GB/T 9966.1—2001）標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法，本研究制作的陶瓷透水磚樣品委托佛山市陶瓷研究所檢測(cè)有限公司進(jìn)行性能檢測(cè)，從而把握利用廢棄陶瓷磨具再生砂制成的具有復(fù)合機(jī)構(gòu)陶瓷透水磚的透水性、強(qiáng)度、耐磨性、防滑性等性能.

3.2 性能檢測(cè)結(jié)果

透水磚樣品的性能檢測(cè)結(jié)果如下表1所示，可以看出，實(shí)驗(yàn)樣品檢測(cè)的性能指標(biāo)均符合要求，其中耐磨性、防滑性、透水性、劈裂抗拉強(qiáng)度明顯高于國家標(biāo)準(zhǔn)的要求.

表1 透水磚樣品的物理性能檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of physical properties of permeable brick samples

透水性是指水經(jīng)過透水塊材的頂面，通過塊材自身的孔隙直接滲透到底面的能力，透水性能用透水系數(shù)來表征. 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《透水路面磚和透水路面板》（GB/T 25993—2010），透水路面磚的透水系數(shù)應(yīng)滿足A級(jí)或B級(jí)的限值，A級(jí)≥2.0×10-2，B級(jí)≥1.0×10-2. 本研究透水磚樣品透水性能優(yōu)異，透水系數(shù)為2.8 cm/s，比A級(jí)指標(biāo)2.0×10-2cm/s高兩個(gè)數(shù)量級(jí).

根據(jù)GB/T 25993—2010中劈裂抗拉強(qiáng)度值對(duì)燒結(jié)路面磚進(jìn)行強(qiáng)度等級(jí)分級(jí)，分為fts3.0、fts3.5、fts4.0、fts4.5四個(gè)等級(jí). 本研究透水磚樣品劈裂抗拉強(qiáng)度為平均值9.2 MPa單塊最小值9.0 MPa，具有很高的劈裂抗拉強(qiáng)度. 其他性能如耐磨性方面測(cè)得磨坑長(zhǎng)度30 mm，防滑性77 BPN. 抗凍性良好，在經(jīng)35次凍融循環(huán)后單塊質(zhì)量損失率3%、凍后頂面缺損深度2 mm、強(qiáng)度損失率13%. 完全能夠滿足國內(nèi)各地區(qū)特別是適用于北方冬季冰凍地區(qū)進(jìn)行海綿城市建設(shè)對(duì)透水鋪裝材料的苛刻要求. 這說明本實(shí)驗(yàn)制作的燒結(jié)透水磚具有更加優(yōu)異的性能，能夠滿足海綿城市建設(shè)對(duì)透水鋪裝材料的實(shí)際要求.

4 討論與結(jié)論

在磨料磨具生產(chǎn)企業(yè)以及磨具用戶企業(yè)，存在著大量的陶瓷磨具不合格品和用后陶瓷磨具廢品礦山，有待更加高效地開發(fā)利用. 比如，在磨具生產(chǎn)企業(yè)過程檢驗(yàn)或出廠檢驗(yàn)時(shí)，由于色差嚴(yán)重、硬度不符合、回轉(zhuǎn)不合格、平衡偏差、掉邊、掉角和尺寸超差等質(zhì)量問題，形成部分磨具不合格品或廢品. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，普通磨料磨具企業(yè)每年約產(chǎn)生廢品磨具2%～10%，放到整個(gè)行業(yè)來算總量巨大；而磨床上使用的固結(jié)磨具砂輪在結(jié)構(gòu)上存在需要法蘭盤夾持的部分，用后每片磨具會(huì)有約10%～20%質(zhì)量的部分無法繼續(xù)使用，綜合全國各地磨具用戶企業(yè)，這部分用后磨具的總量也非常大. 由于這些廢棄磨具尚具有一定的價(jià)值，不應(yīng)作為固廢簡(jiǎn)單處理，而放置在企業(yè)廠區(qū)又會(huì)占用較多的堆存空間，造成場(chǎng)地資源的浪費(fèi)，一定程度上還會(huì)影響企業(yè)廠區(qū)的整潔美觀. 據(jù)統(tǒng)計(jì)我國磨具年產(chǎn)量在20萬t，每年產(chǎn)生的廢棄陶瓷磨具近萬噸［22］. 若以透水磚規(guī)格200 mm×125 mm×55 mm為例每塊重量3.5 kg、鋪裝面積為0.025 m2計(jì)算，則可生產(chǎn)約300萬塊，鋪磚面積7.5萬m2. 陶瓷透水磚出廠價(jià)一般在每平方150至200元之間，按平均價(jià)計(jì)算，則每年可實(shí)現(xiàn)銷售收入1300多萬元.

燒結(jié)透水磚性能和耐久性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于水泥基透水磚，具有更好的抗凍性，更高的抗劈裂強(qiáng)度而且耐磨性、防滑性、透水性、耐久性良好. 將廢棄的陶瓷磨具破碎制成再生骨料繼而制成性能優(yōu)良的陶瓷透水磚，用于海綿城市建設(shè)，則既能消納廢棄陶瓷磨具也能減少對(duì)制備陶瓷透水磚所用天然優(yōu)質(zhì)陶瓷礦物原材料黏土、長(zhǎng)石、石英砂的消耗，在當(dāng)前優(yōu)質(zhì)燒結(jié)透水磚市場(chǎng)形成一種產(chǎn)品補(bǔ)充，增加產(chǎn)品的可選擇性.

本研究利用廢棄陶瓷磨具破碎制成具有復(fù)合機(jī)構(gòu)的堅(jiān)固的不同粒度的再生骨料，進(jìn)而以不同粒度的骨料和砂結(jié)比分別配制具有復(fù)合結(jié)構(gòu)燒結(jié)透水磚的上層和下層的成型料，以二次投料法模壓成型透水磚坯體，脫模后在規(guī)定的制度下干燥、燒結(jié)，制成透水磚樣品. 經(jīng)便攜式顯微鏡觀測(cè)，其上、下層和中間結(jié)合層均具有豐富的氣孔結(jié)構(gòu). 經(jīng)檢測(cè)，該透水磚透水性能優(yōu)異，透水系數(shù)為2.8 cm/s，比A級(jí)指標(biāo)2.0×10-2cm/s高兩個(gè)數(shù)量級(jí)；其他性能如耐磨性方面測(cè)得磨坑長(zhǎng)度30 mm，防滑性77 BPN，劈裂抗拉強(qiáng)度為平均值9.2 MPa，單塊最小值9.0 MPa；抗凍性良好，在經(jīng)35次凍融循環(huán)后單塊質(zhì)量損失率3%、凍后頂面缺損深度2 mm、強(qiáng)度損失率13%. 該燒結(jié)透水磚完全能夠滿足國內(nèi)各地區(qū)，特別是北方冬季冰凍地區(qū)進(jìn)行海綿城市建設(shè)對(duì)透水鋪裝材料的苛刻要求.