焙烧尾矿制备透水砖的孔隙特征研究

王恬君 ,刘立伟，李国峰,2，赵礼兵,2，王帅

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省矿产资源与生态环境监测重点实验室，河北 保定 071051；3.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北 秦皇岛 066000）

我国矿产资源丰富，随着国家大力推展，矿物材料在国民经济建设及战略性新兴产业中有重要作用。此外，我国存在大量固体废弃物堆积、城市内涝问题[1-2]，当前，强降雨天气时有发生，深入研究路面铺装建材的透水性能，发挥“海绵城市”的作用显得尤为必要。邢益强等[3]以85 %铝矾土尾矿为主要原料，制备出透水系数为0.132 cm/s的透水砖；李峰等[4]以80%钼尾矿为原料，加入石灰石和黏土等，采用模压成型法制备出透水系数为2.6×10-2cm/s的陶瓷透水砖。目前对透水砖透水性能的研究主要集中在原料配比及制备工艺方面，对透水砖孔隙特征探究较少[5-9]。

孔隙结构对流体渗流有重要影响，探究孔隙特征对改善透水砖透水效果具有深远意义[10]。郭利朋等[11]利用image软件计算出再生混凝土的孔隙个数、孔隙等效孔径，以此来分析孔隙特征对混凝土宏观性能的影响，结果表明孔隙个数、等效孔径对其抗压强度与透水性能具有重要影响；许燕莲等[12]分析多孔混凝土等效孔径与透水系数之间的相关性系数，证明两者相关性较强，等效孔径可以作为衡量其渗透性能的重要指标；张跃荣[13]对多孔介质渗透行为进行模拟分析，发现即使孔隙率数值相同的多孔介质，其模型不同也会使渗透系数呈较大差异，孔隙率、孔径大小共同影响多孔材料的渗透性能。

为提高透水砖透水性能，有必要对透水砖进行详的孔隙特征研究。本课题组前期已进行焙烧尾矿制备透水砖工艺研究，探究焙烧尾矿用量、水胶比、目标孔隙率和振动时间等因素对透水砖透水性能和力学性能的影响，最终确定焙烧尾矿用量为60%、水胶比为0.3、目标孔隙率为20%、振动时间为40 s时为较佳条件[14-15]。因力学性能和透水性能为此消彼长关系，在制备透水砖过程中需满足其力学性能和透水性能均达到国家标准，本文在总结前期实验结果的前提下，重点研究透水砖孔隙特征的变化规律。

1 试样及方法

1.1 原料性质分析

（1）焙烧尾矿。

为了解焙烧尾矿的化学成分，对其进行多元素分析，结果见表1。

表1 焙烧尾矿多元素分析/%Table 1 Multi-element analysis of roasted tailings

由表1可知，焙烧尾矿的主要成分是SiO2，含量为67.8%，所用尾矿成分符合建材要求。通过尾矿粒级分布可知，焙烧尾矿粒度主要集中在-0.125+0.003 mm之间。

（2）水泥。本实验所用水泥为普通硅酸盐水泥，化学成分分析见表2。

表2 水泥多元素分析/%Table 2 Multi-element analysis of cement

通过多元素分析可以看出，水泥的主要成分是CaO，含量为59.80%，Fe、MgO和Al2O3占比较少，共占总量的9.44%。通过水泥粒度含量分布可知，水泥在-0.125+0.003 mm粒级分布最多。

（3）粉煤灰

实验所用粉煤灰来自巩义市某电厂，化学成分见表3。

表3 粉煤灰多元素分析/%Table 3 Multi-element analysis of fly ash

通过表3可以看出，粉煤灰的主要成分是SiO2和Al2O3，分别占总量的59.75%和25.22%，同时含有少量的CaO、MgO和Fe，共占总量的10.71%。由粉煤灰粒度分布可知，粉煤灰主要分布在-1.25+0.45 mm粒级。

（4）其他

①骨料

本实验采用研山原生矿湿式预选磁选机尾矿和一磁尾矿的混合矿样，选取-4.75+2.36 mm粒级尾矿充当骨料。

②减水剂

实验所用减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。添加减水剂可减少水的用量，促进粗骨料与胶凝材料之间有效粘合。

1.2 实验方法

1.2.1 透水砖制备方法

（1）搅拌工艺

搅拌设备为JJ-5型水泥胶砂搅拌机。将水和减水剂按比例混匀后，取50%加入粗骨料中，一起混匀后倒入搅拌机混匀30 s，然后添加全部胶凝材料继续混匀30 s，最后加入剩余的50%水和减水剂混匀物搅拌120 s。

（2）成型工艺

成型设备为ZT96型水泥胶砂振实台。将混合好的物料放入成型模具后放到振实台上进行振动，振动频率每秒1次。

（3）养护工艺

养护设备为HT-HW-150L型标准恒温恒湿养护箱。将振动成型的物料放入养护箱养护1 d后进行脱模，其次将实验样品放入养护箱中进行28 d的养护，最后进行脱模、检测，其中固定养护温度为20℃，养护湿度为95%。

1.2.2 实测孔隙率测计算方法

透水砖的实测孔隙率公式为：

式中：P—实测孔隙率(%)

m1—砖体重量

m2—排出气泡后砖体重量

V—砖体体积

1.2.3 表观孔隙观测方法

为观察透水砖孔隙结构，将透水砖切割成相同大小的试块并进行抛光磨平处理，通过Dinl-Lite微型电子显微镜观测试块表观孔隙。砖体在干燥条件下，显微镜观测出的孔隙结构轮廓不清晰，为突出砖体的孔隙结构，在观测过程中，采用胶头滴管不断滴水。

1.2.4 表观孔隙数形统计

孔隙结构多为不规则状，为对透水砖孔隙大小进行精准描述，参考文献[11-13]采用Image-Pro Plus软件对Dinl-Lite微型照相机下采集的孔隙特征图像进行孔隙数量统计、面积测量。然后将面转化为等面积圆，计算出孔隙的等面积圆当量直径即为孔隙等效孔径。计算公式为：

式中：dH—孔隙等效孔径

A—孔隙面积

为便于对透水砖的孔隙进行面积测量，需对透水砖孔隙图像进行二值化预处理，并通过Image-Pro Plus软件中的不规则AOI测量工具对二值化处理后的孔隙图像进行轮廓描绘，来分离图像中的孔隙与非孔隙砖体结构，利用Image-Pro Plus软件中的count size测量孔隙结构，采集孔隙的面积与数量信息。每块砖体随机选取20个视域进行统计分析，以确保统计结果具有代表性。

2 实验结果与讨论

2.1 焙烧尾矿用量对透水砖孔隙特征的影响

2.1.1 焙烧尾矿用量对透水砖实测孔隙率的影响

在目标孔隙率为20%，水胶比为0.3，振动时间为60 s条件下，考察不同焙烧尾矿用量对实测孔隙率的影响，结果见图1。

图1 焙烧尾矿用量对透水砖实测孔隙率的影响Fig.1 Effect of roasted tailings amount on measured porosity of permeable brick

由图1可知，焙烧尾矿用量对实测孔隙率具有较大影响，随着焙烧尾矿用量的增加，实测孔隙率呈增加趋势。当焙烧尾矿用量从40%增加到80%时，实测孔隙率数值上升幅度较大，由4.07%升高到27.79%，上升了23.72个百分点。焙烧尾矿用量从50%增加到60%时，实测孔隙率数值变化幅度最大，由9.12%显著上升到17.88%，上升了8.76个百分点。

2.1.2 焙烧尾矿用量对透水砖表观孔隙的影响

图2为焙烧尾矿用量为40%，60%和70%条件下，透水砖的等效孔径分布。

图2 不同用量等效孔径分布Fig.2 Equivalent aperture distribution with different dosage

根据图2可知，焙烧尾矿用量为40%时，透水砖孔隙孔径范围为0～2.5 mm，其中0～1.25 mm范围内的孔隙占全体孔隙的42.86%，1.25 ～ 2.5 mm范围内的孔隙占全体孔隙的57.14%；焙烧尾矿量增加到60%时，0 ～ 1.25 mm范围内的孔隙占比减少到20.32%，1.25 ～ 2.5 mm的孔隙相应增加；焙烧尾矿用量为70%时，透水砖孔径明显增大，范围扩大到0 ～ 5 mm，其中2.5 ～ 5 mm范围内的孔隙达到27.78%。

透水砖在制备过程中物料之间发生水化反应，形成铁相和水化硅酸钙C-S-H穿插搭接的网状结构填充在胶凝层的孔隙之间，对孔隙结构造成影响[15]。随焙尾矿用量增加，水泥含量减少，网状结构形成较少，出现透水砖实测孔隙率增大且孔隙孔径变大现象。因此在满足透水砖其他性能的基础上，适当增加焙烧尾矿的掺量有利于改善透水砖的透水性。

2.2 水胶比对透水砖孔隙特征的影响

2.2.1 水胶比对透水砖实测孔隙率的影响

在目标孔隙率为20%，焙烧尾矿掺量为60%，振动时间为60 s条件下，继续考察水胶比对实测孔隙率的影响，结果见图3。

图3 水胶比对透水砖实测孔隙率的影响Fig.3 Effect of water-binder ratio on measured porosity of water-permeable brick

由图3可知，随着水胶比增大，实测孔隙率先快速下降，后趋于平缓。水胶比由0.25增加到0.35时，实测孔隙率下降明显，由28.48%下降到11.39%，下降了17.09个百分点。当水胶比增加到0.4时，实测孔隙率变化幅度较小，仅由11.39%下降为10.05%。

2.2.2 水胶比对透水砖表观孔隙的影响

探究水胶比分别为0.25和0.4时，对透水砖孔隙的等效孔径影响，结果见图4。

图4 不同水胶比等效孔径分布Fig.4 Equivalent pore size distribution of different waterbinder ratios

由图4可知，水胶比为0.25时透水砖孔隙的孔径范围为0 ～ 10 mm，5 ～ 10 mm范围内的孔隙达到46.16%，其中7.5 ～ 10 mm的大孔高达38.47%；水胶比为0.4时，孔径全部集中在0 ～ 2.5 mm范围内，孔隙较小。

这是因为，随着水胶比增大，浆体流动性增强，成型后浆体在重力的作用下流入试块底部造成堵孔封底现象[16]。增加水胶比，导致透水砖实测孔隙率降低，孔径变小，透水砖透水性能下降。

2.3 振动时间对透水砖孔隙特征的影响

2.3.1 振动时间对透水砖实测孔隙率的影响

在目标孔隙率为20%，焙烧尾矿掺量为60%，水胶比为0.3条件下，考察振动时间对透水砖实测孔隙率性能的影响，结果见图5。

图5 振动时间对透水砖实测孔隙率的影响Fig.5 Effect of vibration time on measured porosity of permeable brick

由图5可知，随着振动时间增加，实测孔隙率逐渐降低。振动时间从30 s增加到40 s时，实测孔隙率下降相对较快，由27.93%下降到23.41%；振动时间由60 s增加到70 s时，实测孔隙率下降较慢，由17.88%下降到16.78%。

2.3.2 振动时间对透水砖表观孔隙的影响

振动时间从30 s增加到60 s时，透水砖的表观孔隙见图6。

图6 不同振动时间透水砖等效孔径分布Fig.6 Distribution of equivalent pore size of permeable brick at different vibration times

由图6可知，振动时间为30 s时，孔隙孔径范围为0～10 mm，2.5～5 mm的范围内的孔隙居多，为66.67%。除此之外，还出现16.66%孔径范围为5～10 mm的孔隙；振动时间为40 s时，孔径有所减小，5～10 mm直径的孔隙消失；振动时间为50 s时，0～2.5 mm范围内的孔隙增加到92.86%；振动时间为60 s时，孔隙孔径全部集中在0 ～ 2.5 mm范围内。

这是因为，振动时间较短时，骨料与骨料之间缝隙不能被浆体有效填充，出现的孔径较大；随着振动时间增加，粗骨料发生相互间的滑移与位置重排，骨料颗粒堆积紧凑，使得砖体的孔隙急剧减少。增加振动时间，透水砖的实测孔隙率降低，孔径变小，导致透水砖透水性能下降。

3 结 论

（1）增加焙烧尾矿用量，有利于透水砖实测孔隙率的提高。表观孔隙变化特征为，随焙烧尾矿用量增加，孔隙呈变大趋势，尾矿用量为70%时，开始出现孔径大于2.5 mm的孔隙。

（2）水胶比由0.25增加到0.4，实测孔隙率由28.48%下降至10.05%，透水砖表观孔隙具有显著差异。水胶比为0.25时，孔隙孔径最大达7.5 ～ 10 mm，占比达到38.47%，孔隙较大；水胶比为0.4时，大孔消失，孔径范围缩减至0 ～ 2.5 mm。

（3）增加振动时间，透水砖实测孔隙率降低。振动30 s时，孔隙孔径范围为0 ～ 10 mm，以2.5 ～5 mm居多；振动时间增加，孔隙孔径范围逐渐减小，当振动时间增加到60 s时，孔隙孔径全部减小到0 ～ 2.5 mm。