铁尾矿制备高强高性能透水砖

李德忠，倪文，刘杰，刘风华，仇夏杰

（1.中节能工程技术研究院有限公司，北京 100082；

2.北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京 100083）

铁尾矿制备高强高性能透水砖

李德忠1，倪文2，刘杰1，刘风华1，仇夏杰1

（1.中节能工程技术研究院有限公司，北京 100082；

2.北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京 100083）

以铁尾矿作为透水砖的骨料，成功地制备了高强度、高透水率的尾矿透水砖。结果表明：铁尾矿掺量82%，胶凝材料掺量18%，尾矿粒级在1.25～5 mm，成型压力为20 MPa时，制备的尾矿透水砖28 d抗压强度高达54.8 MPa，透水系数为3.3×10-2cm/s，性能指标符合JC/T 945—2005中Cc50级的要求。

铁尾矿；透水砖；抗压强度；透水系数

尾矿是选矿中分选作业过程中的产物，是对矿石破碎、磨细后将有用的矿物成分选出后排出的细粒状固体废弃物，是工业固体废弃物的主要组成部分[1]。2013年，我国尾矿产生量16.49亿t，同比增长1.73%，其中铁尾矿8.39亿t，铜尾矿3.19亿t，黄金尾矿2.14亿t，其它有色及稀贵金属尾矿1.38亿t，非金属矿尾矿1.39亿t。尾矿综合利用量为3.12亿t，同比增长7.96%，综合利用率为18.9%。截至2013年底，我国尾矿累积堆存量达146亿t，废石堆存量达438亿t[2]。

透水砖是一种具有高孔隙率的透水性路面铺装材料，较高的孔隙率使它具有其它砖所不具有的一些特性，主要是良好的透水性、透气性及保湿性[3-4]。透水砖以其优异的透水性能，能够把雨水渗透到地下，遇到暴雨无明显径流，达到雨停即干的效果。这对土壤水和地下水资源的补给起到了积极的作用，有效地缓解了硬化路面对城市地下水资源的负面影响。此外，透水砖的多孔性对调节地表局部空间的温度和湿度，缓解城市热岛效应有较大的促进作用[5-7]。而透水材料又是海绵城市建设的重要组成部分，能够从源头缓解现阶段我国面临的城市雨水疏解和利用问题[8-9]。透水砖的研究及推广将成为有效利用雨水资源的重要途径。

随着汽车总量的迅猛增加，在各种民用建筑前后的透水地面和小区内的透水路面、透水性停车区域等，都要求能经受住机动车的长期碾压，因此对高强高性能透水地面材料的需要快速增长。本文研究了铁尾矿掺量、粒级分布及成型压力对尾矿透水砖抗压强度和透水系数的影响，利用铁尾矿制备出高强性能透水砖，为实现铁尾矿的高掺量和高附加值利用奠定了技术基础。

1 试验

1.1 原材料

（1）铁尾矿：取自北京首钢密云铁矿，主要矿物成分为石英、斜长石、辉石及云母等，其化学成分见表1。可以看出，密云铁尾矿SiO2含量达到69.52%，属高硅型铁尾矿。

表1 原材料的化学成分 %

（2）水泥：北京琉璃河水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，化学成分见表1。

（3）矿渣：北京首钢股份有限公司的水淬高炉矿渣，其主要化学成分见表1。

（4）脱硫石膏：取自北京石景山电厂，化学成分见表1。

（5）减水剂：采用北京幕湖外加剂有限公司生产的PC型聚羧酸高效减水剂，含固量为40%，减水率可达35%以上。

1.2 试样制备

首先将铁尾矿进行人工筛分，分成2.5～5 mm、1.25～5 mm、1.25～2.5 mm 3种级配作为尾矿透水砖的骨料；分别将3种不同颗粒级配的铁尾矿与胶凝材料、外加剂等按照一定的配合比进行称量。采取基层和面层分开布料的方式。（1）基层混凝土的搅拌：将铁尾矿、胶凝材料、外加剂等原材料混合均匀，再加入一定量的水后继续搅拌均匀；（2）面层混凝土的搅拌：将胶凝材料、颜料、面砂（也可以是尾矿）等原材料搅拌均匀后，再加入一定量的水搅拌均匀。通过输送带将搅拌好的基层混凝土送入振动台上的模具中，开启振动台振压成型，然后再将面层混凝土送入模具中，再次开动振动台振压成型，成型后的尾矿透水砖用抹刀修平表面，通过轨道送入养护车间进行养护。养护24 h后，对尾矿透水砖进行码垛，在室外环境下继续人工养护，每天浇水1次，直至养护到规定龄期（28 d），经检验合格后出厂。

2 试验结果与讨论

2.1 尾矿透水砖专用胶凝材料的研究

根据“微磨球效应”的原理，采取“梯级混磨”的方式对各种原材料进行混磨。经过前期的初步工作，优化了梯级混磨的磨矿时间。即首先将铁尾矿单独粉磨40 min，然后再将粉磨后的铁尾矿粉与矿渣按照一定的比例进行混磨，混磨时间为40 min，最后将混磨后的铁尾矿与矿渣粉体与水泥熟料、脱硫石膏按照一定的比例进行二次混磨，混磨时间为50 min。

胶凝材料配比为：m（铁尾矿）∶m（矿渣）∶m（水泥）∶m（石膏）=40∶26∶26∶8，减水剂掺量为胶凝材料质量的1%，水胶比为0.16，在标准稠度用水量的条件下，采取梯级混磨的磨矿方式。制备的尾矿透水砖专用胶凝材料的3、7和28 d的抗压强度分别达到了46.8、63.0和76.0 MPa。

2.2 铁尾矿掺量对尾矿透水砖性能的影响

在铁尾矿的粒径为2.5～5 mm，水胶比为0.30，减水剂掺量为胶凝材料用量的4%，成型压力为15 MPa的条件下，用铁尾矿全部替代天然砂石，铁尾矿掺量对尾矿透水砖性能的影响见表2。

表2 铁尾矿掺量对尾矿透水砖性能的影响

由表2可知，随着铁尾矿掺量的增加，尾矿透水砖的强度呈现逐渐降低的趋势，而尾矿透水砖的透水系数则随之增加。铁尾矿掺量为75%时，尾矿透水砖28d抗压强度为54.7MPa，透水系数为2.11×10-2cm/s；铁尾矿掺量为82%时，尾矿透水砖28 d抗压强度为50.9 MPa，透水系数为2.91×10-2cm/s；继续增加铁尾矿掺量，尾矿透水砖的强度低于50 MPa，当铁尾矿掺量为88%时，尾矿透水砖28 d抗压强度仅为48.8 MPa，透水系数为3.19×10-2cm/s。这是因为，随着尾矿用量的增加，水泥的用量逐渐减小，则透水砖中的水化产物总量相应地减少，不能很好地包裹铁尾矿颗粒，铁尾矿颗粒之间的紧密结合程度降低，因此，尾矿透水砖的强度逐渐降低，而透水系数则逐渐增大。

2.3 铁尾矿粒级对尾矿透水砖性能的影响

透水砖的强度和透水系数是一对相互矛盾的性能指标，在进行配合比设计时应充分考虑二者的相互关系，根据需要进行适当的配合比设计。

在透水砖的制备过程中，骨料主要为粗骨料，有时可使用少量细骨料。粗骨料多采用单粒级或间断级配。颗粒细度或颗粒级配的变化对透水砖的透水系数和强度的影响方向相反，且影响程度也不同。通过颗粒级配的合理搭配可以达到透水系数与强度的最佳结合点，这是透水砖原料制备的关键。

在m（铁尾矿）∶m（胶凝材料）=82∶18，水胶比为0.30，减水剂掺量为胶凝材料用量的4%，成型压力为15 MPa的条件下，铁尾矿颗粒粒径对尾矿透水砖性能的影响见表3。

表3 铁尾矿颗粒粒径对尾矿透水砖性能的影响

由表3可知，铁尾矿颗粒粒径越小，尾矿透水砖的抗压强度越大，透水系数越小；相反，尾矿颗粒粒径越大，尾矿透水砖的抗压强度越小，透水系数越大。这是因为铁尾矿颗粒粒径越大，则其比表面积降低，铁尾矿颗粒与胶凝材料之间的接触点减少，结构较疏散，导致强度较低，尾矿透水砖的孔隙率较高，故透水系数增大；反之，若尾矿颗粒粒径较小，则其比表面积升高，尾矿颗粒与凝胶材料之间的接触点增多，结构紧密，因而尾矿透水砖的强度较高，孔隙率低，故尾矿透水砖的透水系数也降低。综合考虑，确定铁尾矿的粒径为1.25～5.0 mm。

2.4 成型压力对尾矿透水砖性能的影响

成型压力是影响砖坯体质量的重要因素之一，成型压力的大小直接影响到生坯的强度、致密度等，从而导致制品抗压强度与透水性能的变化。因此选择合适的成型压力有利于提高干坯强度和制品的透水性能。

对于同一配合比的尾矿透水砖而言，随着成型压力的增大，抗压强度与抗折强度均有增加。而透水系数是气孔率和孔径分布的一个综合反应，气孔率大、孔径分布均匀，透水系数则大；气孔率大、孔径分布不均匀，则透水系数相对较小。成型压力对透水砖的平均孔径和透水系数有一定的影响，但随着成型压力的增大，气孔率与透水系数减少不多。

在铁尾矿颗粒粒径为1.25～5.0 mm，m（铁尾矿）∶m（胶凝材料）=82∶18，水胶比为0.30，减水剂掺量为胶凝材料用量4%的条件下，不同成型压力对尾矿透水砖性能的影响见表4。

表4 不同成型压力对尾矿透水砖性能的影响

由表4可以看出，随着成型压力的增大，尾矿透水砖的抗压强度逐渐增加，透水系数呈现逐渐减小的趋势。当成型压力为10 MPa时，尾矿透水砖28 d抗压强度为49.6 MPa，此时透水系数为3.69×10-2cm/s；成型压力到30 MPa时，尾矿透水砖的28 d抗压强度为56.8 MPa，透水系数为3.07×10-2cm/s。综合以上分析，确定成型压力为20 MPa。

2.5 尾矿透水砖的性能检测

根据以上试验结果，初步确定了尾矿透水砖的配合比及部分生产工艺参数，具体实验条件为：铁尾矿82%、胶凝材料18%，水胶比为0.30，成型压力为20 MPa，铁尾矿的颗粒粒径为1.25～5.0mm。按照JC/T945—2005《透水砖》中Cc50级的要求，工业化生产了不同规格尺寸的尾矿透水砖，并经国家建筑材料测试中心进行性能检测，结果见表5。

从表5可以看出，制备的尾矿透水砖的各项性能指标均符合JC/T 945—2005对Cc50级的要求。

表5 尾矿透水砖性能检测结果

3 结语

（1）研究了铁尾矿掺量及粒级、成型压力对尾矿透水砖性能的影响，得出最佳实验条件为：m（铁尾矿）∶m（胶凝材料）= 82∶18，减水剂掺量为胶凝材料用量的4%，水胶比为0.30，铁尾矿粒径1.25～5.0 mm，成型压力20 MPa。在此条件下对制备的透水砖进行性能检测，28 d抗压强度平均值达到了54.8 MPa，抗折破坏荷载为15 010 N，透水系数为3.3×10-2cm/s，抗冻融循环（25次）强度损失率≤12.1%，各项性能指标均符合JC/T 945—2005对Cc50级的要求。

（2）制备的高强、高透水系数的透水砖在我国北方寒冷地区具有广泛的适用性；对于有效延长有机动车碾压的透水路面的使用寿命，大幅度提高海绵城市透水地面材料的全生命周期绿色化水平具有重要潜力。

[1]常前发，王运敏.我国尾矿综合利用的现状及对策[J].矿产资源，1999，8（2）：20-23.

[2]中国资源综合利用报告（2014）[R].国家发展和改革委员会，2014.

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High strength and performance water permeable brick prepared by iron tailings

LI Dezhong1，NI Wen2，LIU Jie1，LIU Fenghua1，QIU Xiajie1
（1.CECEP Engineering Technology Research Institute Co.Ltd.，Beijing 100082，China；
2.Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatment of Industrial Pollutants，Beijing 100083，China）

Water permeable brick with high strength and high water permeability were successfully prepared，which were made by iron tailings as aggregate.The results showed that：the compressive strength（28 d）and water permeability coefficient is 54.8 MPa and 3.3×10-2cm/s respectively，when the content of iron tailings is 82%，the grain size of it is between 1.25～5 mm，and the molding pressure is 20 MPa.The performance of prepared water permeable brick line meets the JC/T 945—2005 standard for Cc50 level requirements.

iron tailings，water permeable brick，compressive strength，water permeability coefficient

TU522.1；TQ171

A

1001-702X（2016）11-0052-03

2016-05-13

李德忠，男，1984年生，山东德州人，博士，工程师，主要研究方向：固体废弃物的资源化再利用。