以铁尾矿为骨料的免烧透水砖配合比设计及试验

韩祖丽　陈羽玲　吴春梅

【摘 要】本文论述以铁尾矿为骨料的免烧透水砖配合比设计方法及试验，在分析配比设计步骤基础上，阐述以水泥浆包裹骨料的厚度为主要参数，在水灰比为0.2～0.3，水泥浆包裹厚度为0.3mm～0.6mm，骨料为4.75～9.5mm单一粒径铁尾矿的条件下的试验过程，试验结果表明：铁尾矿透水砖的透水系数满足GB/T25993-2010《透水路面砖和透水路面板》的要求;铁尾矿透水砖28天抗压强度与水泥浆包裹骨料厚度的关系，可作为铁尾矿透水砖配比设计的依据。

【关键词】铁尾矿  免烧透水砖  配合比设计  裹浆厚度

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2019）02C-0190-03

矿产开采、加工伴生大量煤矸石、粉煤灰、尾矿渣等工业固体废物，工业固体废物的有效处理成为全球公认的重大课题。目前多数企业对工业固体废物处置采取堆放的形式，侵占大量土地资源，同时破坏地貌景观和植被，堆场一旦发生崩塌或者渗透，工业固体废弃物渗入河流或者地下水，对生态环境和周边居民饮用水安全影响巨大。因此，加强对尾矿的研究已刻不容缓，尤其是排放量较大的铁尾矿。

近年来，随着城镇化进程加快，城市中心区被大量钢筋混凝土、花岗岩等密封材料覆盖，雨水不能迅速渗入地下，导致地表气温升高，形成“热岛效应”。透水砖是一种路面铺装材料，具有透水性好、强度高、保湿、防滑、抗冻、耐风化等特点。透水砖的贯通孔隙结构，使雨水能够透过砖表面快速渗透地下，补给地下水资源和土壤水;遇到暴雨时可有效减少径流，同时可调节地表的温湿度，有效缓解城市“热岛效应”。

利用资源化处理后的铁尾矿作为骨料生产免烧透水砖，是提高尾矿综合利用率的有效方式。透水砖作为海绵城市建设重要的建筑材料之一，在欧美、日本等地已广泛应用。抗压强度和透水性能是透水砖的两个关键技术指标，与透水砖的组成材料、配合比密切相关。我国对于透水砖的研究起步较晚，目前国内无统一的透水砖配合比设计方法。本文在国内外相关研究成果的基础上，提出一种以水泥漿包裹骨料的厚度为主要参数，通过调整水泥浆包裹骨料的厚度来满足强度要求的铁尾矿免烧透水砖配合比设计方法，并通过试验证明该配合比设计方法行之有效。

一、配合比设计的基本思路和方法

透水砖在结构上与普通混凝土有较大差别，普通混凝土要求内部结构越密实越好，而透水砖要求在满足一定密实度的基础上，还应具有一定孔隙，以满足透水的要求。透水砖制备的基本思路为：水泥浆体均匀地包裹紧密堆积状态下的粗骨料，且水泥浆无多余，使骨料颗粒相互黏结在一起，由于缺少水泥浆、细骨料的填充作用，透水砖凝固后形成多孔透水结构。根据以上思路，本文提出一种透水砖配合比设计方法：第一，根据骨料紧密堆积密度，计算单位体积骨料的用量;第二，根据骨料粒径、表观密度计算骨料比表面积;第三，假定骨料的包裹厚度、水灰比，计算水泥浆总体积，进而计算水泥用量;第四，根据水灰比计算水用量，根据外加剂与胶凝材料的质量百分比计算外加剂用量;第五，根据需要调整裹浆厚度以实现不同配合比要求。

三、铁尾矿免烧透水砖配合比设计试验

透水砖的透水性能和强度是相互矛盾的指标。若要保证透水砖具有一定强度，并且具有较好透水性能，可通过合理搭配颗粒级配来实现。对于粗骨料的级配，通常选用单粒级或间断级配。对于粗骨料的粒径，通常选用粒径较小的颗粒。一般来说，骨料粒径越大，其表面积越小，水泥浆包裹骨料的面积减少，透水砖内部结构较松散，透水系数越大，抗压强度越低;反之，骨料粒径越小，其表面积越大，水泥浆包裹骨料的面积增大，透水砖内部结构越密实，透水系数越小，抗压强度越高。

（一）原材料

1.胶凝材料。选用42.5级普通硅酸盐水泥，表观密度3050Kg/m3 ，其化学成分见表1。

2.铁尾矿。将广西崇左某地铁尾矿进行人工筛分，选取4.75～9.5mm单一粒径作为制备骨料，表观密度2715Kg/m3，堆积密度1610Kg/m3，孔隙率41%。其化学成分见表2。

3.减水剂。为聚羧酸聚合物高性能减水剂，其主要指标见表3。

（二）尾矿透水砖配合比设计参数及理论值

本算例的骨料采用4.75～9.5mm单一粒径的铁尾矿，拨开系数取0.97，水灰比为0.23，设计5组试样，水泥浆包裹骨料的厚度分别为：0.38、0.42、0.46、0.5、0.54mm。5组试样的配合比设计参数见表4，配合比设计方案见表5。

（三）试件制备

将铁尾矿骨料与适量水拌和，使骨料处于表面饱和面干状态;将全部胶凝材料加入拌和;再加入全部减水剂和剩余的水搅拌均匀，将物料注入砖模;试件采用加压成形工艺，成形压力2MPa;成形后将试件送入养护室养护，养护温度（20±2）℃，相对湿度95%;24小时后脱模，转到室外继续人工养护，每天浇水 1 次，直至规定28天龄期。

（四）试验及数据分析

5组试样的配合比及各指标实测值，见表6。由表6可知，随着裹浆厚度增加，透水砖试件的28天抗压强度逐渐增大，透水系数逐渐减小;并且随着裹浆厚度的增加，28天抗压强度的增幅减小。当裹浆厚度为0.381mm时，28天抗压强度为22.66MPa，透水系数为4.23mm/s;当裹浆厚度为0.425mm时，28天抗压强度为27.58MPa，透水系数为2.85mm/s;当裹浆厚度为0.467mm时，28天抗压强度为32.54MPa，透水系数为2.65mm/s;当裹浆厚度为0.508mm时，28天抗压强度为36.80MPa，透水系数为1.70mm/s;当裹浆厚度为0.537mm时，28天抗压强度为39.03MPa，透水系数为1.48mm/s。5组试件的透水系数均大于0.2mm/s，即均满足GB/T25993-2010《透水路面砖和透水路面板》中规定的A级透水系数的要求。

考虑到铁尾矿透水砖内部结构的非均质性，采用二次多项式函数拟合骨料裹浆厚度和28天抗压强度散点图（见图1），拟合方程y=-123.46x2+220.08x-43.388，相关系数R2=0.999。由此可知，骨料裹浆厚度与28天抗压强度具有较好相关性。证明通过调整水泥浆包裹骨料的厚度来满足强度要求的铁尾矿免烧透水砖配合比设计方法是可行的。

四、结论

以水泥浆包裹骨料的厚度為主要参数的铁尾矿透水砖配合比设计方法，在水灰比为0.2～0.3，水泥浆包裹厚度为0.3mm～0.6mm，骨料为4.75～9.5mm单一粒径铁尾矿的条件下，通过反复试验表明：首先，以铁尾矿为粗骨料，不添加细骨料配制的免烧透水砖，经实测其透水系数和28天抗压强度等主要指标，满足GB/T25993-2010《透水路面砖和透水路面板》的要求，可见以铁尾矿为骨料配制免烧透水砖是可行的。其次，铁尾矿透水砖28天抗压强度与水泥浆包裹骨料的厚度具有较好相关性，通过调整水泥浆包裹骨料的厚度可制作不同抗压强度的铁尾矿透水砖。若调整水泥浆包裹骨料的厚度无法满足要求，还可以通过改变骨料粒径、颗粒级配，调整水灰比，添加硅灰、粉煤灰等矿物掺和料等方法直至满足要求。

通过试验可知，本文提出的透水砖配合比设计方法是可靠的。以水泥浆包裹骨料的厚度为主要参数的铁尾矿透水砖配合比设计方法，不仅适用于单粒径骨料，对于任意比例的单粒径复合级配同样适用。

【参考文献】

[1]贺图升，赵旭光，赵三银，等.基于集料裹浆厚度的水泥基透水砖配合比设计[J].建筑材料学报，2015（2）

[2]陈鹏.彩色透水性机制矿渣骨料混凝土路面砖的研究[J].新型建筑材料，2017（2）

[3]李冉，赵迪，等.生态混凝土抗压强度与孔隙率关系试验研究[J].海河水利，2018（2）

【基金项目】2019年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“以铁尾矿为骨料的免烧透水砖配合比设计研究”（2019KY1654）

【作者简介】韩祖丽（1985— ），男，壮族，广西河池人，讲师，工程师，研究生，研究方向：岩石断裂力学与建筑材料;陈羽玲（1982— ），女，广西北海人，讲师，硕士，研究方向：行政管理（信息化管理）;吴春梅（1985— ），女，重庆合川人，讲师，工程师，研究生，研究方向：新型建筑材料。

（责编 苏 洋）