铝矾土尾矿烧结透水砖的性能调控

李志新，马先伟，牛季收，赵 亮，卢 阳，费一航，曹济臣，李学国

（1.河南城建学院材料与化工学院，河南 平顶山467036；2.河南城建学院土木与交通工程学院，河南平顶山467036；3.河南省科学院化学研究所有限公司，河南郑州450002）

随着社会经济的发展和城市化进程的加快，城市地表被钢筋混凝土建筑和不透水的路面所覆盖，这些路面给出行带来极大方便的同时，也带来诸多负面影响，如混凝土路面呼吸性差、散热和透水性能差，易导致“热岛效应”、积水等现象的发生，破坏了原地表土壤中的生态环境［1］。采用透水砖铺设的路面具有良好的透水性和保湿性［2-5］，因此，开发环保型透水砖，并用于路面铺设对建设“海绵城市”势在必行。

透水砖分为烧结型和非烧结型两种。烧结型通常以优质黏土为原材料，也有高炉矿渣［5］、疏浚泥［6］、城市污泥［7］、粉煤灰［8-10］、偏高岭土［11］、镍铁矿渣［12］等做原材料，再复配其他材料，但由于原材料干燥和烧成能耗高，使其成本增加，限制了推广。非烧结型可以采用水泥［13-14］、铁尾矿［15-17］等做原材料，采用自然养护或蒸养工艺制备而成，成本较低，应用较广。不过与烧结型相比，非烧结型强度偏低，耐磨性、抗冻性和抗化学腐蚀性较差，使用年限较低。

铝矾土尾矿是铝矾土企业在物理选铝过程中排放的一种固体废弃物。对其处理不当易造成粉尘污染或溃坝风险。经前期研究发现，铝矾土矿中存在基本满足陶瓷原料的化学成分，可以作为陶瓷类制品的原材料。

本文以铝矾土尾矿为胶结料制备高性能烧结透水砖，通过研究铝矾土尾矿的安全性、骨料种类和骨浆比的影响，并综合考虑透水性能与抗压强度的关系，为烧结透水砖的实际应用提供理论依据。

1 实验

1.1 原材料

铝矾土尾矿取自鲁山县华冠实业有限公司，其化学组成如表1所示。经破碎球磨处理后，粒径分布如表2所示。石英颗粒、石灰石颗粒和耐高温颗粒保持相同粒径分布和堆积密度，分别为4.75～9.5 mm和0.868 g/cm3。

表1 铝矾土尾矿的化学组成 %

表2 铝矾土尾矿的粒径分布 %

1.2 透水砖的制备设计

烧结透水砖的骨料种类选择、骨浆比等设计参数详见表3和表4。

表3 不同骨料砖的制备设计

表4 不同骨浆比砖的制备设计

1.3 透水砖性能测试

（1）透水系数和抗压强度

透水砖的透水系数、抗压强度测试参照JC/T 945-2005《透水砖》的要求进行。透水系数试样尺寸为Ø50 cm×53 cm；抗压强度试样尺寸为120 cm×115 cm×53 cm。

（2）保水性

保水性与透水砖释放水的速率有关，会影响周围环境的湿度变化，而吸水率与透水砖的抗冻性能密切相关。保水性测试具体步骤为：用尺子测量试样的边长，每条边测量一次，精确至0.1 cm，计算试样的上表面面积A1；将试样置于温度为110℃的烘箱内烘干，称其质量为m1；将试样冷却至室温后竖直放入水槽中，注入蒸馏水，将试样浸没，使水面高出试样约20 mm，在水中浸泡24 h，使试样上表面向上从水中取出，用拧干的湿毛巾擦去表面附着水，称其质量为m2；保水率的计算公式为：

（3）吸水率

将透水砖放入105℃的烘箱内烘干，称其质量为m0；冷却至室温后，缓慢浸入水箱中，水面要高于砖块表面50mm，且砖块间距不能少于10mm，浸泡24 h后，将透水砖迅速取出，用拧干的湿毛巾擦去表面附着水，称其质量m3，吸水率根据式（2）计算：

（4）放射性

铝矾土尾矿的放射性采用HD-2001低本底γ能谱仪进行测试。将铝矾土尾矿破碎球磨处理后，称取300 g，装入Ø75 mm×70 mm样品盒，采用密封胶带封口，放置38 d后，进行镭、钍、钾的测量。

2 结果与讨论

2.1 铝矾土尾矿的放射性检测

对铝矾土尾矿进行了放射性比活度和内外照射指数测试，分别如表5和表6所示。

从表5可以看出：铝矾土尾矿中226Ra、232Th和40K的放射性比活度分别为274.82 Bq/kg、302.08 Bq/kg和781.15 Bq/kg，它们的比活度之和为1 358.05 Bq/kg，大于37 Bq/kg，按照GB 6566-2010《建筑材料放射性核素限量》的要求，当样品中226Ra、232Th和40K放射性比活度之和大于37 Bq/kg时，要求测量不确定度不大于20%，而铝矾土尾矿中226Ra、232Th和40K的不确定度分别为3.25%、3.22%和3.39%，小于20%，满足要求。由表6可知：铝矾土尾矿的内照射指数和外照射指数分别为1.37和2.09，不满足A、B类装修材料要求但满足Iγ≤2.8 C类装饰装修材料的要求，C类装饰装修材料只可用于建筑物的外饰面及室外其他用途。透水砖主要用于铺设路面，因此，铝矾土尾矿可用于制备烧结透水砖。

表5 铝矾土尾矿的放射性比活度

表6 铝矾土尾矿的内、外照射指数结果

2.2 骨料种类对透水砖烧成效果的影响

在前期烧成工艺研究基础上，确定了尾矿透水砖的烧结温度为950℃、保温时间为1 h，并研究了石英颗粒、石灰石颗粒和耐高温颗粒做骨料对烧结透水砖前后尺寸稳定性的影响，如图1和图2所示。烧结前，铝矾土尾矿均能将三种骨料结合在一起，坯体尺寸没有差异，但是烧结后，透水砖却呈现不同状态。当石英颗粒为骨料时，由于石英的晶型转变会产生膨胀，易造成疏松、掉渣等严重现象，稍微受力，就发生破坏，如图2（a）所示；当石灰石颗粒为骨料时，由于石灰石高温分解，骨料体积急剧减小，严重破坏了铝矾土尾矿与骨料的结合力，使烧成后的砖全部溃散，如图2（b）所示；当耐高温颗粒为骨料时，经过高温烧结后，与胶结料结合力增强，强度达到了MU15的要求，尺寸也未发生明显变化，如图2（c）所示。

因此，可以选用耐高温颗粒作为烧结透水砖的骨料。下面将以耐高温颗粒为骨料，对透水砖性能做进一步分析。

2.3 骨浆比对透水砖性能的影响

（1）骨浆比对透水砖抗压强度和透水系数的影响

在不同骨浆比时，铝矾土尾矿烧结透水砖的抗压强度和透水系数如图3所示。可以看出，透水砖的抗压强度与骨浆比呈负相关关系，即骨浆比越大，透水砖的抗压强度就越小，尤其在骨浆比为2～2.5时，抗压强度快速降低，降幅达62.05%，按照GB/T 5101-2017《烧结普通砖》的要求，MU10的抗压强度值不低于10 MPa，因此，骨浆比2.5和3不能满足要求。

不过，透水砖的透水系数与骨浆比呈正相关关系，即骨浆比越大，透水砖的透水系数也越大，尤其在骨浆比为2～2.5时，其透水系数陡然增加，增幅达434.57%。

图1 烧结前透水砖坯体的外观

图2 骨料种类对透水砖烧成效果的影响

骨浆比所引起的抗压强度、透水系数不同变化与胶结料所占比例相关，胶结料的比例越大，包裹骨料的量和填充骨料间隙的胶结料越多，结合力越强，透水砖的强度也越高。但是，留下的间隙将越小，透水砖中上下连通孔隙的孔径减小，透水系数也将减少。综合强度和透水系数，骨浆比为2时较为适宜。

图3 骨浆比对透水砖抗压强度和透水系数的影响

图4 骨浆比对透水砖抗压保水率和吸水率的影响

（2）骨浆比对透水砖保水性和吸水率的影响

透水砖的吸水率会影响到抗冻性，而保水性与透水砖释放水的速率有关，会影响到周围环境的湿度变化。因此，低的吸水性和高保水性对透水砖使用更为有利。不同骨浆比下，铝矾土尾矿烧结透水砖的保水性和吸水率如图4所示。透水砖的吸水率和骨浆比呈正相关关系，骨浆比越大，吸水率越大，这是由于烧结后胶结料表面会产生一定数量的孔隙，骨浆比越大，胶结料的内表面积越大，内表面孔隙率也越高，吸入的水分随之增加，抗冻性也将随之降低。

不过，保水性和骨浆比呈负相关关系，骨浆比越大，保水性越差。这是因为保水性大小不仅与孔隙的数量有关，而且与孔径尺寸和连通状况有关。随着骨浆比增加，内表面孔隙数量增加，失去水分的通道也增加，保水性也随之降低。同时，包裹骨料的胶结层厚度减小，孔隙的深度和连通度也降低，孔隙中水分容易失去，致使保水性进一步降低。

结合对保水性和吸水性的影响，保持较低的骨浆比，可以使透水砖具有较低的吸水率和较高的保水性。相对而言，骨浆比小于2.16对实际应用更为有利。

总体而言，在骨浆比为2时，对透水砖的强度、透水性、吸水性和保水性比较有利。

3 结论

通过研究骨料种类和骨浆比对透水砖基本性能的影响，得到以下结论：

（1）铝矾土尾矿内照射指数和外照射指数满足C类装饰装修材料放射性要求，在使用过程中对人类和其他生物没有不利影响。

（2）石英骨料和石灰石骨料易造成透水砖在烧成过程中膨胀开裂，而耐高温骨料可以提高透水砖的尺寸稳定性。

（3）骨浆比对尾矿透水砖的性能有重要影响，它与透水砖的抗压强度、保水性呈负相关关系，而与透水砖的透水系数、吸水率呈正相关关系，需要综合以上因素，确定一个合适的骨浆比。

（4）在骨浆比为2时，耐高温颗粒做骨料可以制备出尺寸稳定、强度、透水率等符合要求，且无环境污染的铝矾土尾矿烧结透水砖。