趙慶朝，李偉光，李勇，朱陽戈，劉海營(yíng)，許太勝

1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 大興 102628;2.銅陵有色金屬集團(tuán)銅冠建筑安裝股份有限公司，安徽 銅陵 244000

引言

中國(guó)是礦業(yè)大國(guó)，92%以上的一次性能源、80%以上的工業(yè)原材料均來自礦產(chǎn)資源[1-2]。在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生的大量尾礦，尾礦的排放和堆存不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境影響和安全威脅，同時(shí)也會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)，礦產(chǎn)資源開發(fā)需求和環(huán)境有限承載能力的矛盾已成為制約我國(guó)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸[3]。以“減量化、資源化、無害化”為指導(dǎo)原則，提高資源回收率，減少尾礦排放量，充分利用尾礦中的無機(jī)非金屬礦物等制備新型建筑材料，對(duì)尾礦中的有害組分進(jìn)行無害化處理，減少其對(duì)環(huán)境的危害等[4-5]，已成為我國(guó)礦產(chǎn)資源開發(fā)的必然選擇。

隨著我國(guó)大力推廣“海綿城市”建設(shè)，透水材料的需求越來越廣泛[6]。傳統(tǒng)透水材料主要是由石子、碎陶瓷等骨料與水泥、粉煤灰等混合壓制制備而成[7-8]，該類型免燒透水材料對(duì)原料要求較高，尤其在冬天易發(fā)生凍裂現(xiàn)象；也有部分研究以尾礦為原料制備透水材料，但尾礦在體系中主要作為填料，摻量較低[9-10]。而本研究以銅尾礦為主要原料，采用高溫熔融黏結(jié)工藝制備的連通孔陶瓷透水材料，不僅具備陶瓷耐磨、抗凍性好的優(yōu)點(diǎn)[11-12]，又兼具透水材料抗折強(qiáng)度高、透水性能優(yōu)異的特性，是一種新型環(huán)保建筑材料。

通過對(duì)斑巖型銅礦尾礦理化特性的研究，發(fā)現(xiàn)銅尾礦可以通過添加高塑性原料高嶺土共同造粒形成骨料，進(jìn)而包裹低熔點(diǎn)結(jié)合料玻璃粉通過高溫熔融黏結(jié)法可制備連通孔陶瓷透水材料。銅尾礦和高嶺土中的硅鋁質(zhì)組分可為陶瓷透水材料提供骨架支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)鈉、鉀質(zhì)組分又與玻璃粉共同作為熔劑組分降低陶瓷透水材料的燒成熔點(diǎn)，促進(jìn)結(jié)合料的熔融軟化[13-14]。本文以斑巖型銅尾礦為主要原料，添加玻璃粉、高嶺土制備連通孔陶瓷透水材料，通過骨料配比試驗(yàn)、結(jié)合料用量試驗(yàn)、成型壓力和燒成制度正交試驗(yàn)制備出高性能連通孔陶瓷透水材料，突破了銅尾礦這種粉狀原料無法直接用于透水材料骨料的限制，大幅度提高了銅尾礦在透水材料中的用量，為斑巖型銅尾礦的高附加值利用提供一條新的路徑。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用斑巖型銅尾礦來自江西九江地區(qū)銅礦，樣品為灰色粉末狀固體，輔助原料選用銅礦周邊的高嶺土及購(gòu)置的低溫玻璃粉。主要原料的X射線熒光光譜分析結(jié)果見表1，銅尾礦的X射線衍射圖譜見圖1。由表1和圖1可知，銅尾礦的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、K2O等，主要礦物為石英(40.2%)、鉀長(zhǎng)石(23.6%)、黃鐵礦(4.6%)、高嶺石(2.3%)；高嶺土的化學(xué)成分主要是硅鋁組分，可為陶瓷透水材料的骨料提供骨架支撐結(jié)構(gòu)，增加骨料的強(qiáng)度；玻璃粉的鈣、鎂、鉀、鈉等熔劑組分含量較高，可在燒結(jié)時(shí)起到熔融黏結(jié)骨料的作用。

表1 主要原料的X射線熒光光譜分析 /%

圖1 銅尾礦的XRD衍射分析圖譜

1.2 試驗(yàn)過程及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用如圖2所示的流程制備連通孔陶瓷透水材料。將銅尾礦、高嶺土干燥并過0.2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，按

圖2 試驗(yàn)流程

配比充分混勻；在造粒機(jī)中加水造粒，形成穩(wěn)定粒徑的球粒后加入結(jié)合料玻璃粉對(duì)球粒進(jìn)行包裹；篩分合適粒徑的球粒，在成型模具中分層布料，在一定的成型壓力下壓制成磚坯；壓制成型的坯體在90～130 ℃干燥3～5 h，之后在馬弗爐中燒成，即得到連通孔陶瓷透水材料。

連通孔陶瓷透水材料的性能測(cè)試按照國(guó)標(biāo)GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》進(jìn)行，通過骨料配比試驗(yàn)、結(jié)合料外摻用量試驗(yàn)及成型壓力和燒成制度正交試驗(yàn)獲得抗折強(qiáng)度和透水系數(shù)最優(yōu)的連通孔陶瓷透水材料制備配方和工藝，再對(duì)最優(yōu)工藝制備的產(chǎn)品進(jìn)行抗折強(qiáng)度、透水系數(shù)、劈裂抗拉強(qiáng)度、耐磨性和抗凍性測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析探討

2.1 骨料配方的影響

傳統(tǒng)透水材料的骨料大部分采用石子、碎陶瓷等骨料，而銅尾礦這種粉狀原料無法直接作為骨料制備透水材料，因此首先采用銅尾礦和高嶺土進(jìn)行骨料的制備，骨料配比試驗(yàn)結(jié)果見表2，擬定的其他試驗(yàn)條件為：結(jié)合料玻璃粉外摻量20%，成型壓力1.0 MPa，燒成溫度1 150 ℃，燒成時(shí)間60 min。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，銅尾砂塑性較差，并且硫含量較高，全部采用銅尾礦制備骨料時(shí)，透水材料的抗折強(qiáng)度較低，因此需引入高嶺土組分提升骨料強(qiáng)度；在高嶺土的用量為30%時(shí)，透水材料的透水系數(shù)最大，高嶺土用量為40%時(shí)，透水材料的抗折強(qiáng)度最高?？紤]到需盡量提升銅尾礦的用量，優(yōu)選骨料配方為銅尾礦70%、高嶺土30%。

表2 骨料配比試驗(yàn)結(jié)果

2.2 結(jié)合料外摻量的影響

結(jié)合料不僅可以在陶瓷透水材料制備過程中有效增加干燥后的生坯強(qiáng)度，還可以在燒結(jié)過程中起到降低燒結(jié)溫度和形成高溫液相膠黏劑橋接骨料的作用[15]，是影響透水材料性能的重要因素。選用玻璃粉作為透水材料的結(jié)合料，不同結(jié)合料外摻量的試驗(yàn)結(jié)果見表3，擬定的其他試驗(yàn)條件為：骨料配方為銅尾礦70%、高嶺土30%，成型壓力1.0 MPa，燒成溫度1 150 ℃，燒成時(shí)間60 min。

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，燒成后的透水材料抗折強(qiáng)度隨著結(jié)合料外摻量增加而增加，在結(jié)合料外摻量為25%時(shí)，透水材料的抗折強(qiáng)度最高，但透水系數(shù)明顯降低，過多的結(jié)合料熔融會(huì)導(dǎo)致連通孔的堵塞，因此優(yōu)選結(jié)合料外摻量為20%。

表3 結(jié)合料外摻量試驗(yàn)結(jié)果

2.3 成型壓力、燒成溫度、保溫時(shí)間的影響

為更好地探討成型及燒結(jié)因素對(duì)透水材料性能的影響，設(shè)計(jì)了成型壓力、燒成溫度、保溫時(shí)間三因素三水平正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表4，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表4 正交試驗(yàn)因素水平表

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析可以看出，對(duì)透水材料的抗折強(qiáng)度來說，極差R1(A)>R1(C)>R1(B)，影響透水材料抗折強(qiáng)度的因素排名為A成型壓力>C保溫時(shí)間>B燒成溫度，取得最優(yōu)抗折強(qiáng)度的試驗(yàn)條件為A3B2C3;對(duì)材料的透水系數(shù)來說，極差R2(A)>R2(B)>R2(C)，影響透水材料抗折強(qiáng)度的因素排名為A成型壓力>B燒成溫度>C保溫時(shí)間，取得最優(yōu)透水系數(shù)的試驗(yàn)條件為A1B2C3。成型壓力是影響透水材料的抗折強(qiáng)度和透水系數(shù)的最主要因素，成型壓力的大小直接影響到生坯的抗折強(qiáng)度和致密度，成型壓力過大，會(huì)導(dǎo)致生坯壓制過程中形成的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，從而降低材料的透水性能；成型壓力過小，會(huì)導(dǎo)致透水材料不致密，從而造成抗折強(qiáng)度下降，因此成型壓力應(yīng)該保持適中，使透水材料兼具足夠的抗折強(qiáng)度和優(yōu)異的透水性能，因此最終確定制備透水材料的最優(yōu)試驗(yàn)條件為A2B2C3。

2.4 最優(yōu)條件驗(yàn)證試驗(yàn)

經(jīng)過關(guān)鍵工藝參數(shù)條件試驗(yàn)得出制備連通孔陶瓷透水材料的最優(yōu)骨料配比為：銅尾礦用量70%、高嶺土用量30%、結(jié)合料外摻量為20%，成型壓力1.0 MPa，燒成溫度1 150 ℃、保溫時(shí)間90 min，在此條件下進(jìn)行連通孔陶瓷透水材料的制備，并進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果(對(duì)比GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》)見表6，陶瓷透水材料連通孔隙SEM圖見圖3。由SEM圖可以看出，透水材料的骨料顆粒之間通過結(jié)合料的作用黏結(jié)在一起，保證了材料的強(qiáng)度，同時(shí)骨料顆粒之間具有明顯的連通孔隙，使材料兼具了優(yōu)異的透水性能。

表6 最優(yōu)產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果

圖3 產(chǎn)品連通孔結(jié)構(gòu)SEM圖

3 結(jié)論

以斑巖型銅礦尾礦、高嶺土、玻璃粉為原料制備連通孔陶瓷透水材料的骨料最優(yōu)配方為銅尾礦70%、高嶺土30%，結(jié)合料玻璃粉的最佳外摻量為20%，最佳成型壓力為1 MPa，最佳燒成溫度為1 150 ℃，最佳保溫時(shí)間為90 min，可制備出抗折強(qiáng)度3.9 MPa、透水系數(shù)2.7×10-2cm/s、劈裂抗拉強(qiáng)度3.7 MPa、耐磨性磨坑長(zhǎng)度25.2 mm、抗凍性達(dá)到D50的連通孔陶瓷透水材料，其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)標(biāo)GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的要求。