焙烧铁尾矿制备透水砖试验研究

赵礼兵 王 帅 梁艳涛 李国峰 王 鹏

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210；2.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北秦皇岛066000；3.河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司，河北唐山063701）

据统计，我国铁尾矿排放量超过90亿t，仅有少部分得到有效利用，而剩余大部分铁尾矿只能进行堆积，导致环境污染、资源浪费和水体污染等［1］。目前，铁尾矿的综合利用领域主要集中在尾矿再选、生产建筑材料、充填矿山采空区和土地复垦等方面［2］。其中，制备免烧砖体具有尾矿掺量大、成本低、绿色环保等优势。冯学远等［3］将铁尾矿作为研究对象，通过探究铁尾矿、水泥和水的添加量以及化学添加剂对尾矿砖抗压强度的影响，最终得到MU10的免烧砖。由于尾矿砖的力学性能较差，Li等［4］对焙烧尾矿进行研究，结果表明在焙烧铁尾矿代替30%原材料时，其力学性能达到国家42.5普通硅酸盐水泥标准。

随着我国经济的快速发展和城市化进程的不断加快，天然植被与裸露土壤不断被各种建筑物及不透水硬化路面所取代［5］，影响了降雨、蒸发、雨水汇流等水文过程。水文条件的改变导致“热岛效应”、“雨岛效应”以及“城市看海”等问题，给城市建设和人们的生活带来不便。透水砖作为一种绿色建材，可以起到补充地下水资源、降低人们生活热环境和改善植被生存环境的作用。时浩等［6］对尾矿透水路面砖进行研究，发现骨料粒径7～10 mm，砂灰比为3.5的条件下，透水砖透水系数达到2.44×10-2cm/s。

本研究采用焙烧铁尾矿、水泥和粉煤灰为胶凝材料，2.36～4.75 mm粒级铁尾矿为粗骨料，通过搅拌、成型和养护工艺制备透水砖，探究焙烧铁尾矿用量、水胶比、目标孔隙率和振动时间对透水砖性能的影响，以获得最佳的工艺参数；同时对比未焙烧尾矿制备透水砖的性能，为尾矿大量利用制备透水砖提供参考。

1 试样及方法

1.1 试样

（1）焙烧铁尾矿。本试验所用焙烧铁尾矿为某地半工业试验经过焙烧和磁选后最终尾矿，其化学成分分析结果见表1，XRD分析见图1。

由表1和图1可知，焙烧铁尾矿TFe的含量为9.12%，SiO2含量为67.80%，属于高硅铁尾矿，满足建材原料的要求；焙烧尾矿中SiO2、Fe主要以石英和赤铁矿的形式存在。

（2）水泥。试验所用水泥为市售普通硅酸盐水泥P·O42.5R，其主要化学成分分析结果见表2。

由表2可知，水泥中主要成分为CaO和SiO2，含量分别为59.80%、14.60%。

（3）粉煤灰。粉煤灰选自巩义市豫联电厂，呈灰色，密度为2.1 g/cm3，其主要化学成分分析结果见表3。

由表3可知，粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，含量分别为59.75%、25.22%。

（4）骨料。本试验采用研山原生矿湿式预选磁选机尾矿和一磁尾矿的综合矿样，这两部分尾矿通过旋流器浓缩及高频细筛隔粗后泵送到尾矿库，本次试验选取隔粗后筛上粗粒级部分，经筛选采用2.36～4.75 mm粒级充当骨料，堆积密度和表观密度分别为1 400 kg/m3、2 720 kg/m3，堆积孔隙率为48.53%。

（5）未焙烧铁尾矿。试验采用的未焙烧铁尾矿取自研山铁矿，其主要化学成分分析结果见表4。

由表4可知，未焙烧铁尾矿主要成分为SiO2、TFe和Al2O3，与表1焙烧铁尾矿的主要成分和含量大致相同，可用于对比试验。

1.2 试验方法

1.2.1 搅拌工艺

本试验选用集料表面包裹法制备透水砖。首先将全部的粗骨料和50%的水及减水剂（水和减水剂提前进行混匀），倒入水泥胶砂搅拌机进行混匀，时间为30 s。然后添加全部的胶凝材料，再搅拌30 s，在此过程中胶凝材料起润滑作用，避免骨料被挤碎的现象的发生。最后将剩余的水及减水剂加入搅拌机中搅拌120 s。

1.2.2 成型工艺

振荡时间是制备透水砖重要的一环，时间过长会使透水砖成品过于密实，出现离析现象［8］，时间过短会导致透水砖的强度指标达不到国家标准。本试验选用水泥胶砂振实台，采用振动成型。首先将混合好的物料放入模具中，再放到振实台上进行振荡，振实台每秒振荡一次。

1.2.3 养护工艺

本试验采用标准养护的方式，选用的设备为标准恒温恒湿养护箱。物料装入模具后振动成型，放入养护箱养护1 d后进行脱模，之后将试验样品放入养护箱中进行28 d的养护，养护温度和湿度分别为20℃、95%。

2 结果与讨论

2.1 焙烧铁尾矿掺量对透水砖性能的影响

固定水胶比为0.3，目标孔隙率20%，振动时间60 s，考察焙烧铁尾矿掺量对透水砖性能的影响，结果见图2。

由图2（a）和（b）可知，随着焙烧铁尾矿掺量的增加，透水砖抗折、抗压强度逐渐降低，透水系数逐渐升高。焙烧尾矿掺量从40%增加到60%时，抗压强度由38.07 MPa下降到17.07 MPa，抗折强度由7.3 MPa降到3.94 MPa，透水系数由0.49×10-2cm/s增加到1.89×10-2cm/s；焙烧尾矿掺量继续增加到80%时，抗压强度为2.4 MPa，抗折强度为0.38 MPa，透水系数达到最大为3.66×10-2cm/s。综合透水砖的性能来看，焙烧铁尾矿掺量为60%时为合适，此时抗折、抗压强度分别为3.94 MPa和17.07 MPa，透水系数达到国家B级标准。

2.2 水胶比对透水砖性能的影响

固定焙烧铁尾矿掺量为60%，目标孔隙率20%，振动时间60 s，考察水胶比对透水砖性能的影响，结果见图3。

由图3（a）和（b）可知，随着水胶比的增大，透水砖抗折、抗压强度逐渐增加，透水系数逐渐降低。水胶比由0.25增大到0.30时，抗压强度由7.42 MPa增加到17.07 MPa，抗折强度由2.25 MPa增加到3.94 MPa，透水系数由7.12×10-2cm/s减小到1.89×10-2cm/s；水胶比继续增加到0.4时，抗折、抗压强度分别为4.99 MPa和23.91 MPa，透水系数达到最小，为0.22×10-2cm/s。水胶比较小时，造成浆体过于干燥，包裹在骨料表面的浆体不均匀且疏松，接触点的粘结力较小，导致强度变低［9］；水胶比过大，浆体过于湿润，与粗骨料不易粘结。综上，水胶比0.3时较为合适，此时透水砖的力学性能和透水性能均达到国家标准。

2.3 目标孔隙率对透水砖性能的影响

固定焙烧铁尾矿掺量为60%，水胶比0.3，振动时间60 s，考察目标孔隙率对透水砖性能的影响，结果见图4。

从图4（a）和（b）可以看出，随着目标孔隙率的增加，透水砖抗折、抗压强度逐渐降低，透水系数逐渐上升。当目标孔隙率由10%增加到20%时，抗折强度从5.95 MPa降低到3.94 MPa，抗压强度从28.16 MPa降低到17.07 MPa，透水系数从0.31×10-2cm/s增加到1.89×10-2cm/s，目标孔隙率继续增加到30%时，抗折强度为1.60 MPa，抗压强度为5.96 MPa。随着目标孔隙率增大，砖体内部结构由较密实向较疏松转变［10］，导致胶凝材料对粗骨料的包裹不充分，骨料间的粘结面积减小，粘结力不足，造成透水砖的抗压、抗折强度减小。综上所述，目标孔隙率为20%较适宜。

2.4 振动时间对透水砖性能的影响

固定焙烧铁尾矿掺量为60%，水胶比0.3，目标孔隙率20%，考察振动时间对透水砖性能的影响，结果见图5。

由图5（a）和（b）可知，随着振动时间增加，透水砖抗折、抗压强度逐渐增大，透水系数逐渐降低。振动时间由30 s增加至40 s时，抗压强度由13.74 MPa增加到15.44 MPa，抗折强度从2.97 MPa增加到3.34 MPa，透水系数由3.63×10-2cm/s降低到2.58×10-2cm/s；振动时间继续增加到70 s时，抗折和抗压强度分别为4.54 MPa、20.48 MPa，透水系数为1.51×10-2cm/s。在振动成型中，振动时间增加，被胶凝材料包裹的骨料之间的紧密结合，造成了孔隙率减小，透水砖整体结构变得密实，所以导致透水系数逐渐减小［11］。综合考虑透水砖性能因素，振动时间为40 s时效果最佳，此时透水砖抗折强度、抗压强度均符合国家标准，透水系数达到国家标准A级。

2.5 铁尾矿焙烧前后对透水砖性能的影响

固定水胶比为0.3，目标孔隙率20%，振动时间40 s时，考察铁尾矿焙烧前后对透水砖性能的影响，试验结果发现未焙烧铁尾矿透水砖力学性能均不达标，为客观地进行对比，选取振动时间为60 s，对比试验结果见图6。

由图6（a）和（b）可知，随着焙烧和未焙烧铁尾矿掺量的增加，抗折和抗压强度逐渐降低。焙烧尾矿掺量为60%时，抗压强度为17.07 MPa，抗折强度为3.94 MPa。未焙烧尾矿掺量从40%增加到50%时，抗压强度由25.63 MPa降低到14.54 MPa，抗折强度由5.27 MPa降低到3.38 MPa，随着未焙烧铁尾矿用量继续增加到80%时，抗折、抗压强度强度均达到最小，分别为0.28 MPa和1.2 MPa。

由6（c）可知，随着焙烧和未焙烧尾矿掺量增加，透水系数均逐渐增大。焙烧尾矿掺量在60%时，透水系数为1.89×10-2cm/s。未焙烧尾矿掺量由40%增加到50%时，透水系数从0.74×10-2cm/s增加到2.15×10-2cm/s；随着未焙烧铁尾矿掺量继续增加到80%时，透水系数达到最大为5.12×10-2cm/s。

综合透水砖的性能指标，当焙烧尾矿掺量为60%时效果最佳，抗折、抗压强度分别为3.94 MPa和17.07 MPa，透水系数符合国家B级标准；当未焙烧尾矿掺量为50%时效果最佳，抗折、抗压强度分别为3.38 MPa和14.54 MPa，透水系数符合国家A级标准。由此可以看出焙烧尾矿比未焙烧尾矿多替代水泥10%的情况下，力学性能焙烧尾矿透水砖较好，而透水性能则未焙烧尾矿透水砖较好。

3 结 论

（1）焙烧尾矿制备透水砖最佳试验条件为：焙烧尾矿掺量为60%，振动时间为40 s、水胶比0.3，目标孔隙率20%。透水砖最优条件下的指标为：抗折强度为3.34 MPa，符合国家标准Rf3.0，抗压强度为15.44 MPa，符合国家标准MU15，透水系数为2.58×10-2cm/s，符合国家标准A级标准，实测孔隙率为23.41%。

（3）通过焙烧尾矿和未焙烧尾矿对比可知，在满足透水砖的透水性能和力学性能的情况下焙烧尾矿可以代替水泥60%；未焙烧尾矿替代水泥50%。