不同颗粒级配的风积沙对陶瓷透水砖性能的影响

刘婷，成智文，贺晓梅，李坤

（咸阳陶瓷研究设计院有限公司，陕西 咸阳 712000）

解决和治理沙漠化已成为当前迫切的难题，防治沙漠化尤其是合理利用风积沙，是目前关注和研究的重点。风积沙为经风沉淀的沙层，属第四纪风积物，颗粒较细、松散、含水量少、粒径范围较窄，多见于戈壁和沙漠，是一种储量丰富的自然资源。将其综合利用，对于生态保护和可持续发展意义重大，同时具有相当可观的经济效益[1]。

陶瓷透水砖因其可以增加水资源利用率、减少雨水聚集横流、降低热岛效应并缓解噪声，是当前研究的热点[2]，也是海绵城市建设的关键性材料。Liu等[3]以钢渣和石英为主要原料，于1320℃烧结制备了透水系数为3.65×10-2cm/s、抗压强度为34.1 MPa、抗折强度为5.2 MPa的陶瓷透水砖。Chaoqun Z[4]以疏浚泥、废玻璃和废陶瓷于1140℃烧结制备了透水系数为15×10-2cm/s、抗压强度为33 MPa的陶瓷透水砖。李珠等[5]以煤矸石和黏土为主要原料，于1050℃烧结制备了透水系数为0.355×10-2cm/s、劈裂抗拉强度为3.75 MPa的陶瓷透水砖。李国昌和王萍[6]以镍铁矿渣为主要原料，于1160℃烧结制备了透水系数为1.8×10-2cm/s、抗压强度为36.54 MPa、抗折强度为4.98 MPa的陶瓷透水砖。

目前尚未有利用风积沙制备透水砖相关方面的研究，本研究旨在利用风积沙为原料制备高透水系数陶瓷透水砖，研究风积沙的不同粒径和不同添加量对风积沙陶瓷透水砖透水系数、抗折强度及微观形貌的影响，以期对其进行有效利用，同时弥补相关领域研究的不足。

1 实验

1.1 实验原材料

风积沙：取自巴丹吉林沙漠（内蒙古鄂尔多斯），利用多孔振动筛筛分为20~40目、40~60目和60~80目3个颗粒级配；粘结剂：国药集团化学试剂有限公司；助熔剂：自制。

1.2 配方设计

因风积沙为瘠性料，故添加粘结剂改善其成型性能；添加助熔剂改善其烧成后机械强度。本研究中风积沙陶瓷透水砖配方组成见表1。

表1 风积沙陶瓷透水砖实验配方

1.3 工艺流程

风积沙陶瓷透水砖的制备工艺流程为：（1）原料预处理，对风积沙进行筛分；（2）坯体混料，将风积沙、粘结剂、助熔剂、糊精按照一定比例均匀混合；（3）干压成型，通过四柱压机压制成型；（4）干燥陈腐，去除坯体中多余的水分；（5）高温烧成，按照一定的烧结曲线将风积沙陶瓷透水砖烧成。透水砖的成型压力在制备工艺中尤为重要，压力过小，成型后样品间颗粒松散不利于强度获得，压力过大使烧结过于充分导致透水砖透水系数显著降低，本研究将成型压力控制为40 MPa。本研究利用风积沙制备陶瓷透水砖时，不需要对原料进行破碎或球磨，可大大降低产品生产过程的能耗。

1.4 烧成制度

风积沙陶瓷透水砖的烧成制度：低温脱水阶段：室温~300℃，升温速率5℃/min；中温分解阶段：300~600℃，升温速率10℃/min；高温烧成阶段：600~1180℃，升温速率为8℃/min，保温10 min，自然冷却到室温。

1.5 测试表征手段

本研究采用湘潭湘仪仪器有限公司生产的GKF-VIII硅酸盐化学成分快速测定仪测定了风积沙的化学组成，使用SGW数显式工程材料（抗压抗折）强度综合试验仪测试了透水砖的抗折强度；依照GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》测定了透水砖的透水系数；采用日本理学株式会社生产的D/MAX-2500型X射线衍射仪分析了风积沙的晶相组成及相对含量。

2 结果与讨论

2.1 不同粒径风积沙原料性能分析

通过筛分法对所选用的骨料巴丹吉林沙漠的风积沙进行粒径分布的测试，结果如表2所示。

表2 巴丹吉林沙漠风积沙的粒径分布

由表2可知，巴丹吉林沙漠的风积沙颗粒粒径比较大，主要集中在20~60目（0.25~0.85 mm）之间，其中20~40目（0.42~0.85 mm）的颗粒约占总量的37.3%，此风积沙颗粒度大且圆球度好，适合做透水砖的骨料。

不同粒径风积沙的化学组成如表3所示，不同粒径风积沙的晶相组成及相对含量如表4所示。

表3 不同粒径巴丹吉林风积沙的化学组成 %

表4 不同粒径巴丹吉林风积沙的晶相组成 %

由表3可知，风积沙高硅富铝，并含有一定量的铁，其成分类似于石英砂。不同目数的巴丹吉林风积沙化学组成相近，但晶相含量有显著差异：60目以上的风积沙SiO2含量较多，60~80目的风积沙中CaO的含量稍高，当风积沙中硅铝比越大，原料品质越好，所制成的透水砖烧结温度越宽，CaO、MgO、K2O等含量越高，可以助熔，有利于透水砖的烧成，对比表4中石英相、方解石相含量可知，其与化学组成分析结果一致。

2.2 不同粒径不同添加量风积沙对陶瓷透水砖透水系数的影响（见图1）

图1 不同粒径不同添加量风积沙对陶瓷透水砖透水系数的影响

由图1可知，在相同颗粒级配下，随着风积沙添加量的增多，陶瓷透水砖的透水系数增大。这是因为风积沙是颗粒状，其它粘结剂和助熔剂均为粉料，颗粒料的添加量越多，堆积形成的孔隙就越多，陶瓷透水砖的透水系数随之增加。相同添加量下，随着风积沙颗粒粒径减小，透水砖的透水系数先增加后减小。这是因为颗粒大，堆积形成的孔隙就越大，等体积下所形成的孔隙数量就减少了，当风积沙的粒径在40~60目（0.25~0.38 mm）时，孔隙大小和孔隙数量占比合理，使得透水系数最优。对比两者变化幅度，可知风积沙添加量对陶瓷透水砖透水系数的影响远大于风积沙的粒径。当风积沙粒径为40~60目，添加量为85%时，此时透水砖的透水性能最佳，透水系数为1.62×10-2cm/s。

2.3 不同粒径不同添加量风积沙对陶瓷透水砖抗折强度的影响（见图2）

图2 不同粒径不同添加量风积沙对陶瓷透水砖抗折强度的影响

由图2可知，在相同颗粒级配下，随着风积沙添加量的增加，陶瓷透水砖的抗折强度减小，这是因为风积沙颗粒越多，堆积形成的孔隙就越多，从而大大减小了陶瓷透水砖的抗折强度。在相同添加量下，随着风积沙颗粒粒径的减小，陶瓷透水砖的抗折强度明显增加。这是由于风积沙颗粒较小时，陶瓷透水砖堆积越密实，比表面积越大，骨料之间的接触点增多，对外力的传递作用变好，结构稳定，受力均匀，强度较大；当风积沙颗粒较大时，孔隙增多，骨料间的接触点越少，导致强度降低，透水系数增大。此外，风积沙颗粒粒径越小，越容易烧结并产生玻璃相，使烧成后陶瓷透水砖致密度提高，抗折强度急剧增加[7]。通过对比可知，风积沙添加量对陶瓷透水砖抗折强度的影响远小于风积沙的粒径。当风积沙粒径为60~80目，添加量为75%时，此时透水砖的抗折强度最大，为5.58 MPa，但此配方下的透水系数不符合GB/T 25993—2010透水B级要求。当风积沙为40~60目，添加量为85%时，此时抗折强度为3.17 MPa，且透水系数为1.62×10-2cm/s，符合GB/T 25993—2010透水B级要求。

2.4 不同粒径风积沙对陶瓷透水砖微观形貌的影响（见图3）

由图3可知，风积沙陶瓷透水砖内部有较多的贯穿孔隙，孔径范围主要集中在50~80μm，孔隙大小不一，形状无规律且分布不均匀。不均匀的孔分布在透水砖内部是由于风积沙颗粒堆积形成的，风积沙的颗粒大小和粒径分布范围对陶瓷透水砖性能的影响较大，风积沙圆球度越好，粒径越细，表面能愈大，颗粒之间的固相反应就愈充分，同时也就愈容易产生液相，进一步促进烧结，而液相量与高温蠕变有关，细颗粒多的其烧结收缩大[8]。风积沙颗粒越大，所制备的陶瓷透水砖透水系数越大。

图3 不同放大倍数下不同粒径风积沙陶瓷透水砖的SEM照片

综上所述，在制备陶瓷透水砖时，需同时考虑抗折强度和透水系数等性能，故选择颗粒40~60目（0.25~0.42 mm），风积沙添加量为85%时，所制备的陶瓷透水砖性能最佳。

3 结论

（1）当风积沙的颗粒级配40~60目（0.25~0.42 mm），添加量85%时，制备的陶瓷透水砖性能最佳：透水系数为1.62×10-2cm/s，抗折强度为3.13 MPa。

（2）风积沙的粒径和添加量对陶瓷透水砖的透水系数和抗折强度都有影响，一般情况下骨料颗粒越大，陶瓷透水砖的透水系数越大，但抗折强度会相应减小；骨料的添加量越多，陶瓷透水砖的透水系数越大，抗折强度越小。

（3）风积沙的添加量对陶瓷透水砖的透水系数影响较大，风积沙的粒径对陶瓷透水砖的抗折强度起主要作用。