李珠，劉家樂，劉鵬，井強(qiáng)山，趙林，賈冠華

（太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

山西是一個(gè)煤炭基地，煤矸石是煤炭開采和洗選加工過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，排放量約占煤礦原煤產(chǎn)量的8%～10%[1]。為解決城市地表硬化的問題，使城市降水更好的排到地下，緩解城市的“熱島效應(yīng)”，及時(shí)緩解城市內(nèi)澇，維護(hù)城市生態(tài)平衡，環(huán)保材料——透水磚得到大力發(fā)展[2-3]。目前制備透水磚的常用的原料有粉煤灰[4]、尾砂[5]、給水污泥[6]、廢棄陶瓷[7-9]等，而本文利用煤矸石制備透水磚，廢棄物利用率達(dá)到70%以上。既可以充分的利用固體廢棄物，又為透水磚的生產(chǎn)找到一種廉價(jià)的原料。本研究可為煤矸石的利用提供一個(gè)有效的途徑。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）煤矸石：山西太原西山礦場的煤矸石，外觀呈灰黑色，將煤矸石采取之后，用球磨機(jī)進(jìn)行粉磨處理，過60目篩，其主要化學(xué)成分見表1，熱重分析見圖1。

圖1 煤矸石的熱重分析

從圖1可以看出，煤矸石在400～800℃之間質(zhì)量損失嚴(yán)重。

（2）黏土：取自信陽師范學(xué)院，烘干后過60目篩，其化學(xué)成分見表1。

（3）膨脹珍珠巖：來自信陽市上天梯礦場，粒徑為10～20目，密度為80 kg/m3，其化學(xué)成分見表1。膨脹珍珠巖的主要作用是在高溫下融化形成孔洞，與高碳粉煤灰中碳燒失后形成通孔增加透水性。

表1 煤矸石、黏土、膨脹珍珠巖的化學(xué)成分 %

（4）水：自來水。

1.2 試驗(yàn)工藝過程

（1）以煤矸石、黏土為主要原料制備透水磚，首先將煤矸石用破碎機(jī)進(jìn)行破碎，烘干后放入球磨機(jī)進(jìn)行研磨。黏土同樣也是烘干后放在研磨機(jī)里研磨，研磨5 min，然后再將2種原料分別過60目篩。

（2）將原材料按配比進(jìn)行稱量。

（3）加入煤矸石與黏土兩者總質(zhì)量15%的水，將其混合均勻后陳化24 h。

（4）將陳化后的原料裝入尺寸為100 mm×100 mm×60 mm的模具中，在20 MPa的壓力下成型。

（5）將制好的磚坯置于恒溫干燥箱中，于105℃下進(jìn)行干燥，直至磚坯的質(zhì)量不再發(fā)生變化。經(jīng)試驗(yàn)，烘干時(shí)間10 h時(shí)，磚坯變?yōu)楹阒亍?/p>

（6）等磚坯完全干燥后，放入高溫爐中進(jìn)行焙燒。

（7）本實(shí)驗(yàn)的燒制周期為4～5 h。該實(shí)驗(yàn)的溫度曲線為：首先從室溫升至100℃，升溫速率約為15℃/min，然后再從100℃升至800℃，升溫速率約為3℃/min，而后以約5℃/min的升溫速率從800℃分別升至實(shí)驗(yàn)方案定制的燒結(jié)溫度。燒成溫度分別為1000、1025、1050、1075℃。達(dá)到燒結(jié)溫度后，保溫30 min。

1.3 性能測試

煤矸石透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度、透水系數(shù)按照GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》進(jìn)行測試，吸水率、密度按照GB 9966.2—2001《天然飾面石材試驗(yàn)方法體積密度、真密度、真氣孔率、吸水率》進(jìn)行測試。

1.4 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中保持水料比與成型壓力不變，通過改變煤矸石與黏土的質(zhì)量比（質(zhì)量比分別為 7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7），在不同燒結(jié)溫度（1000、1025、1050、1075 ℃）下透水磚性能的變化，來得出最佳的配比。在試驗(yàn)獲得煤矸石與黏土最佳質(zhì)量比的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行不同膨脹珍珠巖摻量對透水磚性能影響的研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煤矸石與黏土質(zhì)量比對透水磚性能的影響

未摻膨脹珍珠巖時(shí)，煤矸石與黏土質(zhì)量比對透水磚性能的影響見表2。

由表2可以看出：

（1）在相同質(zhì)量比的情況下，隨著燒結(jié)溫度的升高，透水磚的1 h吸水率不斷下降，透水系數(shù)也不斷下降，劈裂抗拉強(qiáng)度不斷提高，特別在1075℃的燒結(jié)溫度下表現(xiàn)特別明顯。這是因?yàn)樵诓煌臏囟认拢喉肥療Y(jié)透水磚呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，在低溫階段（1050℃以下）時(shí)，磚體本身沒有發(fā)生很明顯的收縮，收縮變形較小，而且在低溫階段沒有出現(xiàn)明顯的液相；而在1075℃時(shí)，1 h吸水率、透水系數(shù)下降很明顯，這是由于在溫度過高時(shí)，煤矸石燒結(jié)透水磚收縮明顯，煤矸石與黏土之間粘結(jié)更加密實(shí)，使產(chǎn)生的孔洞變小收縮，而且產(chǎn)生較明顯的液相，出現(xiàn)堵孔現(xiàn)象，從而使劈裂抗拉強(qiáng)度上升明顯，孔隙率下降，使得透水降低、吸水率降低。

（2）在相同的燒結(jié)溫度下，隨著煤矸石與黏土質(zhì)量比減小，透水磚的1 h吸水率、透水系數(shù)不斷下降，強(qiáng)度不斷提高。這是由于隨著黏土含量的增加，煤矸石含量的減少，磚坯中相對含碳量減少，使得透水磚的孔洞減少，透水及吸水率下降，而且在D、E兩種配比下，黏土含量比煤矸石的高，呈現(xiàn)出來的趨勢更加明顯。從最初的化學(xué)成分也可以看出，黏土中SiO2含量高，隨著黏土含量的增加，磚坯中SiO2相對含量不斷升高，燒制成磚后強(qiáng)度也較高。

對上述試驗(yàn)進(jìn)行綜合考慮，主要結(jié)合透水性能以及劈裂抗拉強(qiáng)度，在實(shí)驗(yàn)A中煤矸石與黏土質(zhì)量比為7∶3的情況下，燒結(jié)溫度為1050℃條件下制備的透水磚性能較好，煤矸石燒結(jié)透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度為3.29MPa，透水系數(shù)為0.153×10-2cm/s。在燒制過程中充分利用煤矸石中含碳量內(nèi)燃料的功能，并且不會(huì)產(chǎn)生污染，同時(shí)實(shí)現(xiàn)煤矸石廢棄物的綜合利用，變廢為寶，更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

2.2 膨脹珍珠巖摻量對透水磚性能的影響

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對配方A在燒結(jié)溫度為1050℃下進(jìn)行摻加膨脹珍珠巖試驗(yàn)，膨脹珍珠巖摻量按占煤矸石與黏土總體積的百分比計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 膨脹珍珠巖摻量對透水磚性能的影響

由表3可以看出，隨著膨脹珍珠巖摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度基本呈上升的趨勢，分析主要原因是，首先隨著珍珠巖摻量的增加，在原磚坯的化學(xué)組成成分上SiO2的相對含量得到提升，進(jìn)一步提高透水磚的強(qiáng)度，其次膨脹珍珠巖在高溫的狀態(tài)下會(huì)收縮，甚至出現(xiàn)液相，產(chǎn)生粘結(jié)效應(yīng)，粘結(jié)更加緊密，增加了顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高了致密度，使得劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)不斷上升的趨勢。

另外，透水磚的透水系數(shù)則隨著膨脹珍珠巖摻量的增大，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，當(dāng)膨脹珍珠巖摻量為80%時(shí)，透水系數(shù)達(dá)到最大，為0.355×10-2cm/s。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是，珍珠巖摻量由0到80%的過程中，由于膨脹珍珠巖的摻入，使得磚坯中有一定量的膨脹珍珠巖存在，而當(dāng)達(dá)到燒結(jié)溫度后，珍珠巖會(huì)收縮，收縮后會(huì)在磚體內(nèi)留下孔洞，使磚體的孔隙率變大，使得吸水率、透水系數(shù)變大；其次，由于膨脹珍珠巖的收縮，會(huì)與煤矸石本身碳燒失產(chǎn)生的孔洞形成通孔，使得透水進(jìn)一步增加。而膨脹珍珠巖摻量大于80%時(shí)，透水系數(shù)出現(xiàn)下降的趨勢，分析原因主要是由于，膨脹珍珠巖摻量過多，膨脹珍珠巖的熔融產(chǎn)生明顯液相現(xiàn)象，液相的產(chǎn)生填堵了部分的孔洞，降低了顆粒間，孔洞之間的連通性，因此透水系數(shù)減小。因此膨脹珍珠巖最佳摻量為80%，此時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度和透水性能均最優(yōu)，分別為3.75 MPa和0.355×10-2cm/s。

3 結(jié)語

（1）隨著黏土含量的增加，透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度提高，透水系數(shù)和1 h吸水率不斷下降。隨著燒結(jié)溫度的升高，透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度提高，透水系數(shù)、1 h吸水率減小。

（2）隨著膨脹珍珠巖摻量的增加，透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度提高，1 h吸水率、透水系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在膨脹珍珠巖摻量為80%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度和透水性能均最優(yōu)。

（3）煤矸石透水磚較適宜的工藝參數(shù)為：煤矸石與黏土的質(zhì)量比為7∶3，燒結(jié)溫度1050℃，膨脹珍珠巖摻量80%。此時(shí)透水磚的劈裂抗拉強(qiáng)度為3.75 MPa，透水系數(shù)為0.355×10-2cm/s。

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