铁尾矿粉烧结透水砖的制备及其性能

2021-09-08程寒飞刘克权樊传刚孔祥法

安徽工业大学学报（自然科学版） 2021年3期

夏溢，程寒飞，刘克权，樊传刚，孔祥法，张毅

(1.中冶华天工程技术有限公司，江苏南京 210019；2.中冶生态环保集团，江苏南京 210019；3.鲁中矿业有限公司，山东莱芜 271100；4.安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山 243032)

近年来，随着国家海绵城市建设的开展，透水砖材料以其良好的透水透气性能、蓄水保水能力和耐磨防滑性能在缓解城市热岛效应、减轻城市排水压力等方面起到不可替代的作用。相对于免烧透水砖，烧结透水砖具有较高的力学性能和耐磨性能，表现出更优良的耐久性和抗冻性。李珠等以煤矸石、黏土为主要原料，以膨胀珍珠岩为造孔剂制备烧结透水砖，其劈裂强度可达3.75 MPa；周忠华以黏土和污泥为主要原料制备的高强烧结透水砖具有良好的抗弯强度和保水性能；王能健以高碳粉煤灰、膨润土、膨胀珍珠岩和碳酸钙为原料制备透水砖，其劈裂抗拉强度为3.35 MPa、透水系数为0.03 cm/s；张飞等以污泥和秸秆粉为造孔剂，高炉矿渣颗粒为骨料，渣土为高温黏结剂制备出抗折强度和透水性能均较理想的烧结透水砖。

利用工业固体废弃物制备的烧结透水砖材料可降低黏土等资源的消耗，且可降低透水砖的生产成本。铁尾矿粉作为铁矿石选矿后排放的大宗工业固体废弃物，其成分和黏土颗粒近似。随着选矿技术的发展，铁尾矿颗粒粒度越来越细，大多在70µm以下，很难得到资源化综合利用，但利用铁尾矿制备烧结透水砖具有良好的应用前景。罗立群等采用粗铁尾矿和煤矸石为主要原料，利用污泥和页岩为胶结料，制备了抗压强度为15 MPa 以上的烧结砖。目前，以铁尾矿粉为烧结原料，通过压制成型制备透水砖的研究较少。鉴于此，综合利用铁尾矿制备透水砖材料，分析影响铁尾矿烧结透水砖力学性能和透水性能的主要因素，以期为细铁尾矿粉烧结透水砖的制备提供技术支持。

1 实验原料与方法

1.1 原料

铁尾矿，山东鲁中矿业，颗粒分布如图1。由图1可看出，铁尾矿中位粒径

为32.64 μm，颗粒粒径主要分布在2.2～194.3 μm 之间。膨胀珍珠岩造孔剂，粒径区间0.5～1.0 mm；助熔剂，NaCO(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；竹炭颗粒增孔剂，粒径区间0.3～0.6 mm；玻璃粉，平均粒径40 µm 左右；采用质量分数为0.3%的羧甲基纤维素钠(CMC)溶液为黏结剂。

图1 铁尾矿的颗粒分布Fig.1 Particle size distribution of iron tailings

1.2 样品制备

固定铁尾矿和膨胀珍珠岩的质量比，其余各组分掺量以占铁尾矿和膨胀珍珠岩总质量的百分比计算。按设定的配比称量各组分，然后将其在实验室搅拌机中混合，再加入质量分数为10%的CMC 水溶液混合搅拌，密封陈化24 h，在20 MPa 成型压力下将混合物压制成型，即得测试试件。将测试试件于105 ℃烘箱中充分干燥后放入马弗炉中，升温至450 ℃、保温1 h，将样品烧结至指定温度1 130 ℃下保温2 h，关闭马弗炉，待其自然冷却至室温，取出样品用于力学性能和透水性能测试。

1.3 性能测试

采用TYE-300 压力试验机测定透水砖的抗压强度，采用MTS-E44 电子万能试验机测定透水砖的抗折强度。透水系数测定装置示意图如图2。将样品放入塑料圆筒并密封，在其上方缓慢加入蒸馏水，待溢流口稳定后开始计时，记录5 min 流入量筒的水量。透水系数

计算公式如下

图2 透水系数测定装置示意图Fig.2 Schematic illustration of the apparatus for measuring the permeability coefficient

其中：

为一定时间内流入量筒的水量；

为透水砖厚度；

为透水砖上表面积；

为水位差，取3 cm；

为时间。

采用X 射线荧光光谱仪(X ray fluorescence spectrometer，XRF，RL ADVANT'X Intellipower ™3600)分析原料化学成分，采用X 射线粉末衍射仪(X ray powder diffractometer，XRD，D8 Advance，Bruker)分析原料和烧结产物的相组成，采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM，Zeiss Sigma 300)分析烧结透水砖的微观形貌。

2 实验结果与讨论

2.1 铁尾矿组成

铁尾矿原料的主要化学成分如表1。由表1 可看出：铁尾矿主要化学成分为SiO(34.09%，质量分数，下同)、CaO(16.69%)、FeO(16.59%)、MgO(16.17%)、AlO(12.67%)；铁尾矿中SiO含量小于普通黏土，但CaO 和AlO含量偏高。铁尾矿物相组成XRD 分析如图3。从图3 可看出，铁尾矿中主要矿物为方解石(CaCO)、赤铁矿(FeO)、石英(SiO)、斜绿泥石(MgAl(SiAl)O(OH))等。

图3 铁尾矿物相组成XRD图谱Fig.3 XRD patterns of phase composition iron tailings

表1 铁尾矿的主要化学组成Tab.1 Main chemical composition of iron tailings

2.2 Na2CO3掺量对烧结透水砖性能的影响

NaCO掺量对烧结透水砖试样力学性能的影响如图4。由图4可看出：NaCO掺量(质量分数，下同)在3%以内，随NaCO掺量增加，透水砖力学性能逐渐增强；掺量为3%时，烧结透水砖的抗压和抗折强度最大，分别为24.8，4.4 MPa，经测试烧结体不具透水性，透水系数为0，无法满足透水性能要求；掺量超过3%时，透水砖力学性能明显下降。这是由于NaCO在高温下分解成的NaO 和CO起到造孔剂和助熔剂的作用，利于烧结过程中液相的生成，致使烧结体更易被烧结，内部形成透水孔隙；随NaCO掺量进一步增加，掺量超过3%时，透水砖内部形成更多孔隙。

图4 Na2CO3掺量对透水砖力学性能的影响Fig.4 Addition of Na2CO3 on the mechanical performance of permeable brick

2.3 竹炭粉掺量对烧结透水砖性能的影响

在

(铁尾矿粉)∶

(膨胀珍珠岩)∶

(NaCO)=80∶20∶3的配比基础上，掺入增孔剂竹炭颗粒，研究竹炭颗粒掺量对烧结透水砖力学和透水性能的影响，结果如图5，6。

图5 竹炭粉掺量对透水砖力学性能的影响Fig.5 Addition of bamboo charcoal powder on the mechanical property of permeable brick

由图5 可看出：竹炭颗粒的掺入降低了透水砖力学性能，掺入质量分数0.5%的竹炭颗粒时，烧结透水砖的抗压和抗折强度分别为16.4，2.9 MPa；随竹炭颗粒掺量的增加，烧结透水砖的抗折强度进一步下降，这是由于竹炭颗粒在烧结过程中产生CO，使透水砖气孔率上升。从图6 可看出，掺入竹炭颗粒可有效提高烧结透水砖的透水性能，质量分数为1.0%时，烧结透水砖的透水系数为0.017 cm/s，达到标准要求。竹炭颗粒在烧结过程中产生的孔隙相互连通，形成连通孔结构，但孔隙率提高的同时也导致烧结透水砖力学性能的下降。以上结果表明，竹炭颗粒的掺入可有效提高烧结透水砖的透水性能，但降低了透水砖的力学性能。

图6 竹炭粉掺量对透水砖透水性能的影响Fig.6 Addition of bamboo charcoal powder on the permeable property of permeable brick

2.4 玻璃粉掺量对烧结透水砖性能的影响

玻璃粉的掺入能使烧结透水砖在高温下产生更多液相，有助于提高其力学性能。为进一步提高烧结透水砖的力学性能，在

(铁尾矿粉)∶

(膨胀珍珠岩)∶

(NaCO)∶

(竹炭粉)=80∶20∶3∶1.5 的配比基础上，掺入质量分数为1.0%～2.5%的玻璃粉，研究玻璃粉掺量对透水砖力学性能和透水性能的影响，结果如图7，8。由图7可看出：掺入玻璃粉时，烧结透水砖的力学性能总体提高，这是由于玻璃粉具有无定形特性，在融熔烧结过程中，玻璃粉中无定形的SiO能够和铁尾矿中的AlO反应生成莫来石，使烧结透水砖硬度增加；玻璃粉掺量(质量分数，下同)达到2.0%，烧结透水砖抗压和抗折强度分别为26.1，3.6 MPa，达到烧结透水砖标准要求；随玻璃粉掺量的进一步增加，其抗压强度轻微下降，这是由于样品在烧结过程中受热不均，产生较大内应力使材料内部产生微细裂纹所致。从图8可看出：玻璃粉可降低烧结透水砖的透水性能，这是因为玻璃粉的掺入可提高烧结透水砖的致密度，致使其力学性能增强、透水系数下降；烧结透水砖的透水系数均大于0.010 cm/s，其透水性能满足标准要求。

图7 玻璃粉掺量对透水砖力学性能的影响Fig.7 Addition of glass powder on the mechanical strength of property brick

图8 玻璃粉掺量对透水砖透水性能的影响Fig.8 Addition of glass powder on the permeable property of permeable brick

2.5 烧结透水砖的XRD分析

配比

(铁尾矿粉)∶

(膨胀珍珠岩)∶

(NaCO)∶

(竹炭粉)∶

(玻璃粉)=80∶20∶3∶1.5∶2 烧结透水砖的XRD 图谱如图9。从图9 可看出，1 130 ℃烧结温度下，烧结透水砖中的晶相矿物成分主要为石英(SiO)、赤铁矿(FeO)及烧结形成的莫来石矿物(AlSiO)。原料中斜绿泥石(MgAl(SiAl)O(OH))在高温下晶体分解转化为非晶态，衍射峰消失。由于原料铁尾矿粉含赤铁矿相，这种富铁相在高温过程中逐渐融熔为液相，产生的液相填充于固相颗粒之间的孔隙，形成致密和坚硬的陶瓷烧结体。

图9 透水砖烧结产物XRD图谱Fig.9 XRD patterns of sintering product of the permeable brick

2.6 烧结透水砖的微观结构表征

利用SEM 对2.4章节烧结透水砖的微观结构进行分析，结果如图10。从图10可看出，制备的烧结透水砖呈多孔结构，内部孔径大小均匀。这是由于掺入的竹炭颗粒在较低温度下迅速分解，使透水砖内部形成一定的贯通孔隙；同时膨胀珍珠岩在高温融熔下产生较多液相，液相流动过程中烧结透水砖表面留下较多孔隙，保证了透水砖内部的疏松多孔结构。在竹炭颗粒和膨胀珍珠岩两者共同作用下，透水砖内部呈相互联系的贯通孔道，大量分布的孔隙成为透水砖良好透水性能的主要来源。因此，掺入玻璃粉可同时保证烧结透水砖具有良好的力学性能和透水性能。