烧结助剂对锰尾矿渣透水砖的性能影响研究

巫嘉伟，杨雪晴，宋杰光，钟璐，孙大优，向芸，罗德平，陈平

烧结助剂对锰尾矿渣透水砖的性能影响研究

巫嘉伟1，杨雪晴1，宋杰光1，钟璐1，孙大优1，向芸1，罗德平2，陈平3

（1.萍乡学院 海绵城市研究院；2. 江西萍乡龙发实业股份有限公司，江西 萍乡 337022；3. 桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 541004）

以锰尾矿渣作为主要原料来制备海绵城市透水砖，可以变废为宝。通过研究发现，MgO作烧结助剂制备的透水砖，抗压强度低，透水性能好；CaO作烧结助剂制备的透水砖抗压强度高，透水性能低；透水砖气孔率和透水性随着CaCO3的加入量增多而升高，但是抗压强度相反。三种不同烧结助剂掺比，3%CaCO3和2%MgO作烧结助剂制备的透水砖透水性能好，抗压强度也比较优越。3%CaCO3和2%MgO作烧结助剂制备的透水砖透水系数为2.0×10-2cm/s，抗压强度为1.3MPa。

海绵城市；透水砖；烧结助剂；锰尾矿；透水系数

我国是世界最大的电解锰生产国，约占世界总产量的98%[1]。锰尾矿在生产过程中，会产生大量的锰尾矿渣锰尾矿渣不但会造成原料浪费（锰尾矿渣中还含有2%的锰），还会对环境造成严重的污染，会占用大量的土地，破坏生态、污染空气、影响土壤结构等，因此人们研究了许多方法来实现锰尾矿的回收与利用，其中运用最为广泛的方法就是把锰尾矿渣应用到制作建筑材料当中[2–5]。锰尾矿中含有二氧化硅、氧化铝、氧化钙氧化镁等矿物，可以改变孔的结构，提高材料的渗透性、抗高温和耐久性，从而实现对锰尾矿渣的回收利用，这种建筑材料还可以再回收、再利用，因此更加科学、绿色、环保[6–8]。

透水砖是一种新型材料[9–10]，是经过高温烧结工艺制备出的一种开孔孔径、高气孔率、多孔性的陶瓷材料，具有热稳定性、化学稳定性、抗腐蚀、抗高温抗酸、抗碱、良好的惰性、可控开口结构、可再生、使用寿命长等优点。为了降低制备透水砖的烧结温度，需要添加特定的烧结助剂。烧结助剂又称助烧剂，通常为在陶瓷烧结过程中加入可以促进烧结的致密化氧化物和非氧化物[11–13]。烧结助剂可以使样品致密化程度提高，从而提高抗压抗弯强度。晶粒成长与烧结助剂的关系复杂，正常晶粒长大是有益的，要抑制的只是二次再结晶引起的异常晶粒的长大。并不是所有抑制晶粒长大的烧结助剂都是有助于烧结的。

本文采用锰尾矿渣来制造一种新型透水砖，并研究不同的烧结助剂对锰尾矿渣透水砖性能的影响，如对气孔率、抗压强度、透水系数等方面的影响，并对配方进行优化，为获得高强性能的锰尾矿渣透水砖提供参考。

1 实验部分

锰尾矿是从萍乡某公司获取。表1是对锰尾矿化学成分的分析报告，可以看出，主要成分SiO2、Al2O3、MnO。图1为锰尾矿的SEM分析，锰尾矿粉末颗粒为不规则的方块状。通过原料球磨、采用不同烧结助剂含量进行配料混合、成型和烧结工艺，获得锰尾矿烧结透水砖。采用梅特勒-托利多仪器有限公司的AR2140型密度天平测试试样的体积密度和显气孔率，采用日本岛津公司AG-IC型电子万能试验机测试试样的抗压强度，用游标卡尺测定试样的线收缩率。本实验采用日本日立公司SU8010型场发射扫描电子显微镜（SEM）分析样品的显微结构，用常水法测透水砖的透水系数。实验流程见图2。

表1 锰尾矿的主要化学成分

图1 锰尾矿SEM图

2 结果分析与讨论

2.1 烧结助剂种类对透水砖性能的影响

表2是加入三种不同烧结助剂对样品性能的影响。在其中加入77%的锰尾矿，3%的发泡剂，15%高岭土，烧结温度为1050℃，保温时间为120min。

表2 烧结助剂种类对透水砖性能的影响

由表2可以看出，加入CaCO3、CaO、MgO三种不同的烧结助剂时，制备出来的透水砖在气孔率、抗压强度、透水性能等方面有很大的差异。MgO品抗压强度最低、透水性能最好，同时也是气孔率最高。从图3可以看出，氧MgO作烧结助剂时，透水砖的孔洞更大，有很多条状结构，还有许多互穿孔洞，导致MgO作烧结助剂时透水砖气孔率大，透水性能好[15]。CaO作烧结助剂时，在扫描电镜下可以明显看出该透水砖表面相较于其他两种更光滑，孔洞也更少，这导致其气孔率低，透水性能差。CaCO3介于两者之间，其没有突出的透水性能，也没有很高的抗压强度。综合比较，课题组认为以CaCO3作烧结助剂效果更佳。

2.2 烧结助剂含量对透水砖性能的影响

在以不同含量的CaCO3作烧结助剂时，通过图4可以看出，随着CaCO3含量的逐渐增加，透水砖气孔大小数量都随之增高。

图4 不同含量的CaCO3的SEM图

烧结温度为1050℃，保温时间为120min时（以下条件均相同），CaCO3的含量不同会对制备出的透水砖性能产生不同的影响（见表3）。添加不同掺比的CaCO3与CaO（见表4）、不同掺比的CaCO3与MgO（见表5）、不同掺比的CaO与MgO（见表6）会对制备出来的透水砖性能产生不同的影响。

表3 不同CaCO3含量对透水砖性能的影响

从表3中可以看出，透水性能和气孔率的变化并不是很大。气孔率增加的原因应该是，随着CaCO3含量的增加，在高温烧结时CaCO3会变成CaO和CO2，空气会在坯体中保留部分。高温时，部分液相能够保留在坯体中，形成气孔，从而增加气孔率，综合比较，课题组认为烧结助剂CaCO3含量为5%wt效果较佳。

表4 不同掺比的CaCO3与CaO对透水砖性能影响

由表4可知，随着CaO含量从5%减少到0%，气孔率、渗透系数逐渐升高，抗压强度逐渐降低。CaO含量占比达到5%时抗压强度达到最高值，CaCO3占比达到5%时气孔率、渗透系数达到最高值。综合考虑：烧结助剂含量为2%wt的CaO和3% wt的CaCO3效果较佳。

表5 不同掺比的CaCO3与MgO对透水砖性能影响

由表5可知，随着CaCO3含量从5%减少到0%，气孔率、渗透系数逐渐升高，抗压强度逐渐降低。CaCO3含量占比达到5%时抗压强度达到最高值，MgO占比达到5%时气孔率、渗透系数达到最高值。综合考虑：烧结助剂含量为2%wt的MgO和3% wt的CaCO3较佳。

表6 不同掺比的CaO与MgO对透水砖性能影响

表6 不同掺比的CaO与MgO对透水砖性能影响（续）

由表6可知随着CaO含量从5%减少到0%，气孔率、渗透系数逐渐逐渐升高，抗压强度逐渐降低。CaO含量占比达到5%时抗压强度达到最高值，MgO占比达到5%时气孔率、渗透系数达到最高值。综合考虑：烧结助剂含量为3%wt的CaO和2%wt的MgO效果较佳。

根据国家透水砖标准GB/T25993-2010[16]规定，由表4、表5、表6不难看出，加入MgO作烧结助剂，透水性能更优越，但随着MgO的含量逐渐增加，抗压强度则下降，透水砖很容易就会被破坏。加入CaO作烧结助剂，抗压强度好，但是透水性能、气孔率较低。综合来看，若要达到国家透水A级标准，加入3%的CaCO3和2%的MgO作烧结助剂制备出的样品性能相较于其他几种更为优越。若是仅需达到国家B级标准，4%的CaO和1%的MgO抗压强度更高，性能更加优越。综合对比，CaCO3∶MgO=3∶2时，透水砖综合性能较佳。

3 结论

（1）以MgO作烧结助剂，透水砖的强度很低，但透水性能很好。以CaO作烧结助剂，透水砖的抗压强度高，但透水性能较差。透水砖的气孔率和透水性随着CaCO3的加入而升高，但是抗压强度相反。相比较来说，烧结助剂为3%的CaCO3和2%的MgO，透水砖的透水性很好，抗压强度也比较优越。

（2）通过实验研究可知，若要达到国家透水A级标准，加入3%CaCO3和2%MgO作烧结助剂制备出的样品性能相较于其他几种来说更为优越，透水系数可以达到2.0×10-2cm/s，抗压强度可以达到1.3MPa。

[1] Fabiane L S, Gilson F M, Kelly S, et al. Quantitative phases characterization of clayey ceramics containing manganese ore tailings [J]. Journal of Materials Research and Technology, 2020, 9（5）: 11884–11894.

[2] 梁秋群，刘峥，梁楚欣. 高岭土/锰尾矿渣-秸秆复合保温材料的制备及其性能研究[J]. 金属矿山，2020（9）：214–220.

[3] Yolanda M, Carles P, Nuria F H. Non-intravenous carbapenem-sparing antibiotics for the definitive treatment of bacteremia due to Enterobacteriaceae-producing ESBL or Amp Cβ-lactamase. A propensity score study[J]. International Journal of Antimicrobial Agents, 2019（2）:13–16

[4] 任鑫明, 马北越, 李世明. 工业废渣制备透水砖的研究进展[J]. 耐火材料, 2018, 52（5）: 396–400.

[5] Song J G, Yang X Q, Chen P, et al. Sintering technology and properties of permeable bricks prepared using manganese tailings[J]. Journal of Ceramic Processing Research, 2021, 22（3）: 283–288

[6] 吕洪淼, 王华庆. 低品位锰尾矿渣强度和碱度试验研究[J]. 非金属矿, 2019, 42（4）: 47–50

[7] Hermano M Q, Samantha C Y, Macon A. Manganese: The overlooked contaminant in the world largest mine tailings dam collapse[J]. Environment International, 2021, 146: 106284–106297

[8] 刘晶晶, 何春艳，宋杰光. 利用钢渣制备水泥熟料及性能研究[J]. 萍乡学院学报，2020，3793：111–116

[9] 史喜珍, 马建武, 甘甜. 废弃玻璃钢夹砂管破碎物制备透水砖透水及强度性能研究[J]. 新型建筑材料, 2020, 47（10）: 123–126

[10] 叶强. 工业固废制备透水砖及其孔结构研究进展[J]. 材料导报, 2021,35(S1): 274–278

[11] Wang R H, Bai X B, Jiang X D, et al. Effect of sintering aids sorts on properties of prepared Al2O3-Al cermet[J]. Solid State Phenomena, 2018, 281: 297–302

[12] 同帜, 王丹, 胡敏盾, 等. 燃烧助剂Ag2O对多孔氧化铝陶瓷膜支撑体性能的影响[J]. 材料科学与工程学报, 2015, 339（5）: 671–674.

[13] 宋杰光，刘悦，杨雪晴. 不同烧结助剂对YAG多孔陶瓷性能影响研究[J]. 陶瓷学报, 2021, 42（1）: 77–83

[14] 邬国平, 焦永峰, 谢方民, 等. 液相烧结碳化硼陶瓷的实验研究[J]. 中国陶瓷, 2015, 51（11）: 68–70.

[15] 文丹华, 王日初, 朱学卫. 烧结助剂和工艺对BeO陶瓷密度和热导率的影响[J]. 粉末冶金材料科学与工程, 2007（5）: 296–300.

[16] 中国国家标准化管理委员会. 透水路面砖和透水路面板: GB/T25993-2010[S]. 北京: 中国标准出版社, 2011.

Effect of Sintering Aids on Performance of Manganese Tailings Permeable Bricks

WU Jia-wei2, YANG Xue-qing1, SONG Jie-guang1, ZHONG Lu1, SUN Da-you2, XIANG Yun1, LUO De-ping1, CHEN Ping3

(1. Sponge City Research Institute, Pingxiang University, Pingxiang, Jiangxi 337055; 2. Jiangxi Pingxiang Longfa Enterprise Co., Ltd., Pingxiang, Jiangxi 337022; 3. Guangxi Key Laboratory of New Energy and Energy Conservation in Buildings, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004, China)

Turned from waste to treasure, manganese tailing slag is used as the chief raw material to prepare permeable bricks for sponge cities. It is found that the permeable bricks prepared by MgO as sintering additives have low compressive strength and good water permeability; the permeable bricks prepared by CaO as sintering additives have high compressive strength and low water permeability; the porosity and water permeability of permeable bricks increase with the addition of CaCO3, but the compressive strength is opposite. The permeable bricks prepared with 3% CaCO3and 2% MgO as sintering additives had good permeability with permeability coefficient of 2.0×10-2cm/s, and superb compressive strength of 1.3MPa.

sponge city; permeable brick; sintering additives; manganese tailings; permeability coefficient

TU992

A

2095-9249（2021）06-0103-04

2021-10-26

江西省科技重点研发计划项目(20202BBGL73114)；江西省教育厅科技重点项目(GJJ202701)；江西省大学生创新实训项目(S202110895016)；萍乡市工业支撑项目(PXST2019-13)

巫嘉伟（1999—），男，江西赣州人，无机非金属材料工程专业2018级本科学生。

杨雪晴（1989—），女，湖北孝感人，助教，硕士，研究方向：固废资源化技术研究，E-mail：787264278@qq.com。

〔责任编校：吴侃民〕