煤矸石烧结透水砖的试验研究

李珠，刘家乐，刘鹏，井强山，赵林，贾冠华

（太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

山西是一个煤炭基地，煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中产生的固体废弃物，排放量约占煤矿原煤产量的8%～10%[1]。为解决城市地表硬化的问题，使城市降水更好的排到地下，缓解城市的“热岛效应”，及时缓解城市内涝，维护城市生态平衡，环保材料——透水砖得到大力发展[2-3]。目前制备透水砖的常用的原料有粉煤灰[4]、尾砂[5]、给水污泥[6]、废弃陶瓷[7-9]等，而本文利用煤矸石制备透水砖，废弃物利用率达到70%以上。既可以充分的利用固体废弃物，又为透水砖的生产找到一种廉价的原料。本研究可为煤矸石的利用提供一个有效的途径。

1 试验

1.1 原材料

（1）煤矸石：山西太原西山矿场的煤矸石，外观呈灰黑色，将煤矸石采取之后，用球磨机进行粉磨处理，过60目筛，其主要化学成分见表1，热重分析见图1。

图1 煤矸石的热重分析

从图1可以看出，煤矸石在400～800℃之间质量损失严重。

（2）黏土：取自信阳师范学院，烘干后过60目筛，其化学成分见表1。

（3）膨胀珍珠岩：来自信阳市上天梯矿场，粒径为10～20目，密度为80 kg/m3，其化学成分见表1。膨胀珍珠岩的主要作用是在高温下融化形成孔洞，与高碳粉煤灰中碳烧失后形成通孔增加透水性。

表1 煤矸石、黏土、膨胀珍珠岩的化学成分 %

（4）水：自来水。

1.2 试验工艺过程

（1）以煤矸石、黏土为主要原料制备透水砖，首先将煤矸石用破碎机进行破碎，烘干后放入球磨机进行研磨。黏土同样也是烘干后放在研磨机里研磨，研磨5 min，然后再将2种原料分别过60目筛。

（2）将原材料按配比进行称量。

（3）加入煤矸石与黏土两者总质量15%的水，将其混合均匀后陈化24 h。

（4）将陈化后的原料装入尺寸为100 mm×100 mm×60 mm的模具中，在20 MPa的压力下成型。

（5）将制好的砖坯置于恒温干燥箱中，于105℃下进行干燥，直至砖坯的质量不再发生变化。经试验，烘干时间10 h时，砖坯变为恒重。

（6）等砖坯完全干燥后，放入高温炉中进行焙烧。

（7）本实验的烧制周期为4～5 h。该实验的温度曲线为：首先从室温升至100℃，升温速率约为15℃/min，然后再从100℃升至800℃，升温速率约为3℃/min，而后以约5℃/min的升温速率从800℃分别升至实验方案定制的烧结温度。烧成温度分别为1000、1025、1050、1075℃。达到烧结温度后，保温30 min。

1.3 性能测试

煤矸石透水砖的劈裂抗拉强度、透水系数按照GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》进行测试，吸水率、密度按照GB 9966.2—2001《天然饰面石材试验方法体积密度、真密度、真气孔率、吸水率》进行测试。

1.4 配合比设计

试验过程中保持水料比与成型压力不变，通过改变煤矸石与黏土的质量比（质量比分别为 7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7），在不同烧结温度（1000、1025、1050、1075 ℃）下透水砖性能的变化，来得出最佳的配比。在试验获得煤矸石与黏土最佳质量比的基础上，再进行不同膨胀珍珠岩掺量对透水砖性能影响的研究。

2 试验结果与分析

2.1 煤矸石与黏土质量比对透水砖性能的影响

未掺膨胀珍珠岩时，煤矸石与黏土质量比对透水砖性能的影响见表2。

由表2可以看出：

（1）在相同质量比的情况下，随着烧结温度的升高，透水砖的1 h吸水率不断下降，透水系数也不断下降，劈裂抗拉强度不断提高，特别在1075℃的烧结温度下表现特别明显。这是因为在不同的温度下，煤矸石烧结透水砖呈现出不同的形态，在低温阶段（1050℃以下）时，砖体本身没有发生很明显的收缩，收缩变形较小，而且在低温阶段没有出现明显的液相；而在1075℃时，1 h吸水率、透水系数下降很明显，这是由于在温度过高时，煤矸石烧结透水砖收缩明显，煤矸石与黏土之间粘结更加密实，使产生的孔洞变小收缩，而且产生较明显的液相，出现堵孔现象，从而使劈裂抗拉强度上升明显，孔隙率下降，使得透水降低、吸水率降低。

（2）在相同的烧结温度下，随着煤矸石与黏土质量比减小，透水砖的1 h吸水率、透水系数不断下降，强度不断提高。这是由于随着黏土含量的增加，煤矸石含量的减少，砖坯中相对含碳量减少，使得透水砖的孔洞减少，透水及吸水率下降，而且在D、E两种配比下，黏土含量比煤矸石的高，呈现出来的趋势更加明显。从最初的化学成分也可以看出，黏土中SiO2含量高，随着黏土含量的增加，砖坯中SiO2相对含量不断升高，烧制成砖后强度也较高。

对上述试验进行综合考虑，主要结合透水性能以及劈裂抗拉强度，在实验A中煤矸石与黏土质量比为7∶3的情况下，烧结温度为1050℃条件下制备的透水砖性能较好，煤矸石烧结透水砖的劈裂抗拉强度为3.29MPa，透水系数为0.153×10-2cm/s。在烧制过程中充分利用煤矸石中含碳量内燃料的功能，并且不会产生污染，同时实现煤矸石废弃物的综合利用，变废为宝，更加经济实惠。

2.2 膨胀珍珠岩掺量对透水砖性能的影响

在上述试验的基础上，对配方A在烧结温度为1050℃下进行掺加膨胀珍珠岩试验，膨胀珍珠岩掺量按占煤矸石与黏土总体积的百分比计，试验结果见表3。

表3 膨胀珍珠岩掺量对透水砖性能的影响

由表3可以看出，随着膨胀珍珠岩掺量的增加，劈裂抗拉强度基本呈上升的趋势，分析主要原因是，首先随着珍珠岩掺量的增加，在原砖坯的化学组成成分上SiO2的相对含量得到提升，进一步提高透水砖的强度，其次膨胀珍珠岩在高温的状态下会收缩，甚至出现液相，产生粘结效应，粘结更加紧密，增加了颗粒之间的结合强度，从而提高了致密度，使得劈裂抗拉强度出现不断上升的趋势。

另外，透水砖的透水系数则随着膨胀珍珠岩掺量的增大，呈现出先增加后减小的趋势，当膨胀珍珠岩掺量为80%时，透水系数达到最大，为0.355×10-2cm/s。产生这种结果的原因可能是，珍珠岩掺量由0到80%的过程中，由于膨胀珍珠岩的掺入，使得砖坯中有一定量的膨胀珍珠岩存在，而当达到烧结温度后，珍珠岩会收缩，收缩后会在砖体内留下孔洞，使砖体的孔隙率变大，使得吸水率、透水系数变大；其次，由于膨胀珍珠岩的收缩，会与煤矸石本身碳烧失产生的孔洞形成通孔，使得透水进一步增加。而膨胀珍珠岩掺量大于80%时，透水系数出现下降的趋势，分析原因主要是由于，膨胀珍珠岩掺量过多，膨胀珍珠岩的熔融产生明显液相现象，液相的产生填堵了部分的孔洞，降低了颗粒间，孔洞之间的连通性，因此透水系数减小。因此膨胀珍珠岩最佳掺量为80%，此时劈裂抗拉强度和透水性能均最优，分别为3.75 MPa和0.355×10-2cm/s。

3 结语

（1）随着黏土含量的增加，透水砖的劈裂抗拉强度提高，透水系数和1 h吸水率不断下降。随着烧结温度的升高，透水砖的劈裂抗拉强度提高，透水系数、1 h吸水率减小。

（2）随着膨胀珍珠岩掺量的增加，透水砖的劈裂抗拉强度提高，1 h吸水率、透水系数呈现先增大后减小的趋势，在膨胀珍珠岩掺量为80%时，劈裂抗拉强度和透水性能均最优。

（3）煤矸石透水砖较适宜的工艺参数为：煤矸石与黏土的质量比为7∶3，烧结温度1050℃，膨胀珍珠岩掺量80%。此时透水砖的劈裂抗拉强度为3.75 MPa，透水系数为0.355×10-2cm/s。

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