利用尾矿和陶瓷废料制备烧结型透水砖的技术现状

钟艳梅，张国涛，杨景琪，李光伟

（1.广东金意陶陶瓷集团有限公司，佛山 528031；2.佛山金意绿能新材科技有限公司，佛山 528031；3.佛山三水金意陶陶瓷有限公司，佛山 528031）

1 前言

建筑物和水凝混凝土等材料具有较强的阻水性，地表水（降水等）无法渗入地表且排水性能差，遇到强降水天气，会出现“城市看海”景象。为此，全国多个城市均有建设“海绵城市”的计划和方案，未来通过海绵城市建设提升城市功能将逐步成为现实。在深圳举行的低碳城市与区域发展科技论坛中提出，城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时其吸水、蓄水、渗水、净水等功能可以将存储的水“释放”并利用[1]。国务院印发的《关于推进海绵城市建设的指导意见》提出，建设海绵城市，统筹发挥自然生态功能和人工干预、涵养水资源，增强城市防涝能力，提升新型城镇化质量，促进人与自然可持续、和谐发展。

2 烧结型透水砖原料及国内外技术开发现状

2.1 烧结型透水砖的定义和工作原理

烧结型透水砖是一种以无机非金属材料为主要原料，经成型、高温烧制等工艺制成的渗水性能较好的铺地砖。新型烧结透水砖不仅具有良好的透气透水性能，而且可以有效渗透水分从而达到调节湿度的作用。与广场砖、水泥砖相比，烧结透水砖最大区别在于能迅速吸纳表面积水，砖体被浸湿后，水可以在砖与砖之间的空隙流动，最后流入地下排水管道。如果在城市的街道铺设透水砖，即使强降雨时，也能减少市政排水量，防止积水洪涝等灾害。此外，透水砖还可吸收热量，调节地表局部空间的温湿度，对缓解城市热岛效应[2]有重大作用。

2.2 烧结型透水砖固废及其技术开发现状

烧结型透水砖[3-6]主要选用各种尾矿、废陶瓷、污泥、粉煤灰等为主要原料，掺人适量的粘结剂以提高坯体强度，经搅拌后压制成型，进入窑炉（多以辊道窑或者隧道窑为主）高温烧制，随炉冷却后即制得透水砖。透水砖原料既可以是石英、长石、高岭土、黏土等陶瓷原料，也可以是自燃过的工业垃圾煤矸石、废瓷砖。配方主要由骨料、结合剂、助熔剂组成，因此，对配方中的骨料、结合剂、助熔剂的选择研究将影响透水砖的性能。

早期，佛山市乐华陶瓷有限公司（中外合资）发明了一种陶瓷透水砖的制造方法并申请了专利[7]，利用固体废弃物制备透水砖不仅可以大幅提高透水砖的功能附加值，而且可以发展循环经济。李国昌[8]等以黄金尾矿为主要原料，以煤矸石为成孔剂，制备出了性能良好的多孔透水砖，并分析了压制成型和挤出成型工艺的原料适宜配比。李如林[9]采用伟晶石为主要原料，先将伟晶石烧制成高强轻质的陶粒，然后将高强陶粒二次烧结成陶瓷透水砖，所制成的陶瓷透水砖的抗压强度和透水性远高于JC/T945-2005《透水砖》标准要求。郭泰民[10]等以磷石膏为主要原料，配以天然陶瓷原料，通过对磷石膏用量、颗粒级配、烧成温度的研究，制备出了透水系数为（1.92～2.01）×10-2cm/s、抗压强度为40.6～45.3MPa的磷石膏陶瓷透水砖。张雪峰[11]等利用煤矸石、陶瓷废料、粉煤灰制备了性能优异的陶瓷透水砖。以给水厂污泥等为主要原料制备透水砖，所得成品抗压强度36.53 MPa，能满足JC/T945-2005《透水砖》中强度等级和透水性标准要求[12]。以山东铝业公司赤泥为主要原料，配以适量的助熔剂和粘结剂等组分，按一定工艺制成性能良好透水砖样品，合适配方为赤泥55%，粉煤灰35%，膨润土10%，骨料的烧结温度以1150℃为宜。以废陶瓷为主要原料制备的透水砖透水性能良好，强度较高，废陶瓷质量含量高达60%，废陶瓷加入量为60%时，透水砖样品抗压强度为48.9 MPa，抗折强度为 7.8MPa，透水系数为 3.12×10-2cm/s。以粉煤灰、粉煤灰提铝后残渣等工业废弃物为主要原料制备烧结透水砖，固体废弃物利用率达70%以上，同时对重金属、有机污染物具有较好的吸附性[13]。

李德忠[14]等人以铁尾矿作为透水砖的骨料，成功地制备了高强度、高透水率的尾矿透水砖。结果表明：铁尾矿掺量82%，胶凝材料掺量18%，尾矿粒级在1.25～5 mm，成型压力为20 MPa时，制备的尾矿透水砖28d抗压强度高达54.8 MPa，透水系数为3.3×10-2cm/s，性能指标符合JC/T945-2005《透水砖》标准要求。景德镇陶瓷学院汪永清[15]等人利用赣南稀土尾砂制备陶瓷透水砖，以赣南离子型稀土尾砂提取高岭土后的二次尾砂为骨料，以适量低温砂、中温砂、黑滑石、石灰石和粘土等为高温粘结剂制备陶瓷透水砖，研究了二次尾砂含量和制备工艺对陶瓷透水砖的抗折强度和透水性能的影响。结果表明，陶瓷透水砖的抗折强度随着尾砂含量的增加而降低，透水系数则先增后降。当二次尾砂用量为75 wt%，在成型压力为12 MPa、煅烧温度为1240℃、保温30 min条件下，所得陶瓷透水砖的抗折强度为5.5 MPa，透水系数最大，为3.0×10-2cm/s。林蔚[16]等人以废玻璃、废陶瓷为主要原料，以粘土为结合剂制备环保型陶瓷透水砖。透水砖经1000℃保温3 h烧成，透水系数＞1.0×10-2cm/s，保水性＞0.6 g/cm，抗压强度＞l2.1 MPa，产品符合JC/T945-2005《透水砖》标准。太原理工大学李珠[17]等人采用高碳粉煤制备烧结型透水砖，通过研究以高碳粉煤灰作为主要材料制备烧结型透水砖，高碳粉煤灰掺入量达到50%，成型压力控制在20 MPa，烧结温度1065℃，保温1.5 h，制备的透水抓劈裂抗拉强度5.36MPa，透水系数1.51×10-2cm/s，做到了粉煤灰的资源化利用。华南理工大学周超群[18]等人以废瓷、玻璃粉、疏浚泥为主要原料，制备出性能良好的透水砖且提出透水砖的性能与工艺条件有很大关系。环保型陶瓷透水砖[19-20]中将废弃物的利用率可达到了100%。其不仅可以变废为宝，节约资源，还可以避免废瓷等固废对环境的污染，具有一定的经济效益和社会效益。以上研究为工业固体废弃物在发展循环经济方面提供了新的途径。

3 烧结型透水砖的生产工艺及技术难点

3.1 烧结型透水砖生产工艺

3.2 烧结型透水砖的生产技术难点

陶瓷透水砖要求具有良好的透水性、防滑性能、抗冻性能及较高的强度，以满足不同路面铺设的使用要求，最大的技术难点是透水系数和强度的关系，透水系数大，强度较低，透水系数小，强度较高。因此选择合适的陶瓷原料、颗粒级配以及混料、成形方式是生产合格透水砖的关键。

（1）高温粘结剂的作用：高温粘结剂均匀包裹透水砖废陶瓷颗粒表面，在高温作用下出现玻璃相，在废陶瓷颗粒表面形成液相，使得砖体中各废陶瓷骨架颗粒相互牢固粘结，确保透水砖烧结后具备足够的强度。

（2）骨架料颗粒级配：透水砖采用底层与面层骨架料分别布料再压制成型的工艺，面层骨架料选用颗粒较细的颗粒，使得透水砖表面颗粒间孔径整体小于底层颗粒孔径，铺设使用过程中，面层骨架结构对集聚在砖面的大颗粒杂质进行过滤，避免因大颗粒堵塞孔洞而影响透水性能。面层使用细颗粒可以使得产品外观和应用更加人性化，在砖面舒适度的前提下确保产品具有防滑效果。

（3）坯体增强剂的应用：透水砖干压粉料塑性极差，在坯料中加入坯体增强剂，如CMC等，来改善产品生坯在生产前端运行过程中的破损，确保原料在仓储陈腐过程中保证水分均匀，产品压制成型后干燥，让生坯具备足够强度。

（4）成形压力：生坯强度随成型压力增大而增大。增大成型压力可以使骨料颗粒之间结构紧密，烧成过程中颗粒表面的物相反应更充分，形成更牢固的骨架结构，从而提升产品强度，但透水系数可能会受到影响。

综合来看，透水砖的抗压强度的变化与骨料量、级配有关。抗压强度随骨料粒径的减小而增大，随烧成温度增大而增大，随骨料含量增加而减小。透水砖的透水率随骨料粒径的减小而减小，随烧成温度增大而减小，随骨料含量增多而增大。另外，透水砖的性能需要透水性能与抗压强度性能达到平衡点，综合考虑两者的性能来选择最佳的方案。

4 透水砖的应用铺贴及标准

4.1 透水砖的铺贴应用

透水砖铺装基层好比房屋的地基，地基是整个建筑最重要的一部分，地基不稳，房屋的安全系数就没有保障，而透水砖基层也是一样的，必须要给予重视。首先，路基土层，根据设计和规范要求，挖除旧路，清理土方，并达到要求深度；检查纵坡、横坡及边线，是否符合设计要求；修整路基，找平碾压，压实度应控制在重型击实标准最大密实度的92%以上；碾压过程中，应注意下方各种管线、路沿阴井周边；其次，垫层材料应符合市政工程技术规范要求，除要求一定的强度、耐久性外，还应具有一定的透水性和蓄水性，材料可用天然级配砂砾料、无砂混凝土等。砂石材料应坚硬，最大颗粒应小于0.7倍垫层厚度，且不应大于10 cm；无砂混凝土的石子粒径在5～10 mm之间，5mm以下颗粒含量不应大于35%（体积比）。

4.2 透水砖应用场合的选择

根据不同用途的道路，应该选择不同产品规格和渗水率系数的透水砖。为了降低工程成本，做到既符合道路的使用又经济的原则，人行道应选择规格在300×300 mm范围内的产品。因为透水砖的表面都不是特别细腻，选择规格太小的产品会影响整体铺装的美观，最好选择300×300 mm、300×150 mm或连锁式的砖进行铺装，厚度选择50～60 mm之间即可；在车行道、停车场的使用产品方面，因为车行道、停车场载荷较重，使用面积较大，应选择规格和厚度都大一些的产品。

4.2 透水砖标准制定现状

咸阳陶瓷研究设计院研发出陶瓷透水砖并展开了陶瓷透水砖产品标准的起草工作，2005年2月国家发改委发布JC/T945-2005《透水砖》标准，同年7月1日实施。该标准对透水砖的类别进行分类，对透水砖类产品的外观、尺寸、抗压强度和折破坏荷载、物理性能做了要求，如透水系数（15℃）：1.0×10-2cm/s，抗冻性能达到25次冻融循环后外观质量应符合标准，且抗压强度损失率不得大于20.0%。国家住房和城乡建设部在2012年发布CJJ/T188-2012《透水砖路面技术规程》，该技术规程针对透水砖的防滑性能提出要求，防滑性能（BPN）不小于60；对结构层中的原材料提出了规范要求；对透水砖面层的强度、接缝宽度、接缝砂级配做了规定；对找平层、基层、垫层、土基、排水设计等也做详细的要求，该技术规程的发布促进了透水砖的发展，使得产品有施工规程。

中国建筑卫生陶瓷协会于2018年在佛山组织召开《烧结瓷质透水砖》协会标准启动会。标准起草工作小组成员广东科达洁能股份有限公司陶瓷工艺研究所所长林智就该标准主要内容及编制说明向大会作了介绍。在启动会上，与会专家根据标准草案内容结合行业实际情况，就标准适用范围、主要技术指标、重点测试方法等内容进行了讨论，并提出意见。该协会标准的制定旨在通过更加严格的标准要求，鼓励企业加大创新投入，提升产品质量和品牌知名度，为行业转型升级和结构调整发挥引领作用。

5 透水砖的发展及存在的问题

透水砖可使部分雨水渗入地下，使地下水得以补充，减少地面下沉的危害，减少城市排水和污水处理费用；高摩擦系数，使行走舒适，特别是下雨天；吸收城市噪音污染，降低路面热污染和保护绿荫带等，可以形成舒适的小气候。因此，陶瓷透水砖无论从功能上、性能上、所用原料上，还是社会经济效益上都是非常好的，是其它路面砖所无法比拟和不可代替的。但随着使用和研发的不断深入，也存在一些不足：（1）透水砖铺装系统的水力设计、结构分析研究较少，更多的是针对透水砖单一产品的性能研究，而透水砖只有和依次铺设的基层、垫层、土基等构成一个整体，才能形成良好的渗、滞、蓄、排等通道。（2）透水砖的日常维护和使用方面，透水砖作为一种地面节能材料，长期承受人、车辆的摩擦和荷载作用，遇到暴雨天气时，雨水渗透在透水砖表面或缝隙时，夹杂着泥沙、油污、植物杂草等沉积物，这样会大大降低透水砖的渗透效率。在北方地区的冬天，透水砖存在可能被冻融破坏的危害。（3）透水和保水性能的认识，透水砖要求提高透水系数或透水速率而忽略了透水砖自身的保水率或保水量，可能会对道路基层强度、稳定性、地下水体污染、地下水体平衡产生潜在风险。（4）因地制宜地加强工业固体废弃物、再生骨料在透水砖领域的应用研究是现阶段我国循环经济发展的重要方向。（5）应加强透水砖在吸声降噪、地表径流等，特别是降雨前后表面温度、水分蒸发速率、环境温湿度等热湿效果的表征。

6 结语

（1）以陶瓷砖废料、压榨泥、废釉料（面釉、花釉、墨水、透明保护釉等）制备烧结型透水砖可以有效利用陶瓷砖企业固废，改善环境，真正实现陶瓷砖生产的资源化循环利用；

（2）陶瓷透水砖中陶瓷废料的含量越多，其透水性能越好，抗压强度波动越大，因此需要在熔剂和废料利用量方面做一些平衡，达到使用需求；

（3）以废玻璃作为透水砖熔剂，陶瓷砖破碎料作为骨料制备烧结透水砖，需注意冷却裂，可以通过一些添加剂的加入改善烧结性能；

（4）利用矿山尾砂制备陶瓷透水砖，其产品符合相关标准要求，但需要在实际生产应用过程中注意放射性是否超标；

（5）透水砖表面孔隙较小，长时间使用，淤泥、生活垃圾等污染物容易堵塞其表面毛孔，透水率明显降低。由于表面孔隙较多，其力学性能、耐久性均较差，使用几年之后就需要重新铺设，改善透水砖的综合性能，需要加强技术研究和工艺改善；

（6）透水砖的铺装不同于传统的硬化路面，在铺装透水砖时，要求路基不仅具有良好的稳定性，还需要具有良好的透水性，这样才能保证回收水有效的渗入地下，补充地下水资源；

（7）透水砖的透水性和抗折强度的影响通常存在一定的反向变化关系，在生产过程中找到相关影响因素最佳点，找到最佳制造参数和生产条件是生产制备优质透水砖的关键点之一；

（8）透水系数及强度关系还有结构、施工工艺等方面的研究探讨较少，制备的透水砖强度较低，耐久性较差，生产过程中能耗较高；

（9）透水砖在后期保养以及应用规程方面需要做一些更具有实际应用的规程，在城市建设方面需要合理使用，需要投入更多的精力去做后期维护，这一点需要在前期规划使用中做好合理规划和平衡。