趙禮兵，王 帥，梁艷濤，李國峰，王 鵬

（1. 華北理工大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063210；

2. 中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司， 河北 秦皇島 066000；

3. 河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司，河北 唐山 063701）

摘 要：為了改善尾礦制磚的力學性質(zhì)，解決尾礦堆積問題，采用焙燒鐵尾礦、水泥和粉煤灰為膠凝材料， 2.36~4.75 mm 粒級鐵尾礦為粗骨料，通過攪拌、成型和養(yǎng)護工藝制備透水磚，探究了焙燒鐵尾礦用量、水膠比、目 標孔隙率和振動時間對透水磚性能的影響，對比未焙燒尾礦制備透水磚的性能。結果表明：① 焙燒尾礦制備透 水磚最佳試驗條件為：焙燒尾礦摻量 60%，振動時間 40 s、水膠比 0.3，目標孔隙率 20%；此時，透水磚抗折強度為 3.34 MPa，符合國家標準 Rf 3.0，抗壓強度為 15.44 MPa，符合國家標準 MU15，透水系數(shù)為 2.58×10-2 cm/s，符合國家 標準 A 級標準，實測孔隙率為 23.41%。② 焙燒尾礦摻量為 60% 時效果最佳；未焙燒尾礦摻量為 50% 時效果最 佳，抗折、抗壓強度分別為 3.38 MPa 和 14.54 MPa，透水系數(shù)符合國家 A 級標準；焙燒尾礦比未焙燒尾礦多替代水 泥 10% 的情況下，力學性能焙燒尾礦透水磚較好，而透水性能則未焙燒尾礦透水磚較好。 

關鍵詞：透水磚 焙燒鐵尾礦 抗折強度 抗壓強度 透水系數(shù)

據(jù)統(tǒng)計，我國鐵尾礦排放量超過 90 億 t，僅有少 部分得到有效利用，而剩余大部分鐵尾礦只能進行堆積，導致環(huán)境污染、資源浪費和水體污染等。目 前，鐵尾礦的綜合利用領域主要集中在尾礦再選、生產(chǎn)建筑材料、充填礦山采空區(qū)和土地復墾等方面。其中，制備免燒磚體具有尾礦摻量大、成本低、綠色 環(huán)保等優(yōu)勢。馮學遠等將鐵尾礦作為研究對象，通 過探究鐵尾礦、水泥和水的添加量以及化學添加劑 對尾礦磚抗壓強度的影響，最終得到 MU10 的免燒 磚。由于尾礦磚的力學性能較差，Li等對焙燒尾礦 進行研究，結果表明在焙燒鐵尾礦代替 30% 原材料 時，其力學性能達到國家 42.5普通硅酸鹽水泥標準。 

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化進程的不斷 加快，天然植被與裸露土壤不斷被各種建筑物及不 透水硬化路面所取代，影響了降雨、蒸發(fā)、雨水匯流 等水文過程。水文條件的改變導致“熱島效應”、“雨 島效應”以及“城市看海”等問題，給城市建設和人們 的生活帶來不便。透水磚作為一種綠色建材，可以 起到補充地下水資源、降低人們生活熱環(huán)境和改善 植被生存環(huán)境的作用。時浩等對尾礦透水路面磚 進行研究，發(fā)現(xiàn)骨料粒徑 7~10 mm，砂灰比為 3.5的條 件下，透水磚透水系數(shù)達到 2.44×10-2 cm/s。 

本研究采用焙燒鐵尾礦、水泥和粉煤灰為膠凝 材料，2.36~4.75 mm粒級鐵尾礦為粗骨料，通過攪拌、 成型和養(yǎng)護工藝制備透水磚，探究焙燒鐵尾礦用量、 水膠比、目標孔隙率和振動時間對透水磚性能的影 響，以獲得最佳工藝參數(shù)；同時對比未焙燒尾礦制備透水磚性能，為尾礦大量利用制備透水磚提供參考。

1 試樣及方法

1.1 試 樣 

（1）焙燒鐵尾礦。本試驗所用焙燒鐵尾礦為某 地半工業(yè)試驗經(jīng)過焙燒和磁選后最終尾礦，其化學 成分分析結果見表 1，XRD分析見圖 1。

由表 1 和圖 1 可知，焙燒鐵尾礦 TFe 的含量為 9.12%，SiO2含量為 67.80%，屬于高硅鐵尾礦，滿足建 材原料的要求；焙燒尾礦中 SiO2、Fe主要以石英和赤 鐵礦的形式存在。 

（2）水泥。試驗所用水泥為市售普通硅酸鹽水 泥 P·O42.5R，其主要化學成分分析結果見表 2。 

由表 2 可知，水泥中主要成分為 CaO 和 SiO2，含 量分別為 59.80%、14.60%。 

（3）粉煤灰。粉煤灰選自鞏義市豫聯(lián)電廠，呈灰色，密度為2.1 g/cm3 ，其主要化學成分結果見表 3。

由表 3 可知，粉煤灰的主要成分是 SiO2和 Al2O3， 含量分別為 59.75%、25.22%。 

（4）骨料。本試驗采用研山原生礦濕式預選磁 選機尾礦和一磁尾礦的綜合礦樣，這兩部分尾礦通 過旋流器濃縮及高頻細篩隔粗后泵送到尾礦庫，本 次試驗選取隔粗后篩上粗粒級部分，經(jīng)篩選采用 2.36~4.75 mm粒級充當骨料，堆積密度和表觀密度分 別為 1 400 kg/m3 、2 720 kg/m3 ，堆積孔隙率為 48.53%。 

（5）未焙燒鐵尾礦。試驗采用的未焙燒鐵尾礦 取自研山鐵礦，其主要化學成分分析結果見表 4。

由表 4可知，未焙燒鐵尾礦主要成分為 SiO2、TFe 和 Al2O3，與表 1 焙燒鐵尾礦的主要成分和含量大致 相同，可用于對比試驗。 

1.2 試驗方法 

1.2.1 攪拌工藝 

本試驗選用集料表面包裹法制備透水磚。首先 將全部的粗骨料和 50% 的水及減水劑（水和減水劑 提前進行混勻），倒入水泥膠砂攪拌機進行混勻，時 間為 30 s。然后添加全部的膠凝材料，再攪拌 30 s， 在此過程中膠凝材料起潤滑作用，避免骨料被擠碎的現(xiàn)象的發(fā)生。最后將剩余的水及減水劑加入攪拌 機中攪拌 120 s。 

1.2.2 成型工藝 

振蕩時間是制備透水磚重要的一環(huán)，時間過長 會使透水磚成品過于密實，出現(xiàn)離析現(xiàn)象，時間過 短會導致透水磚的強度指標達不到國家標準。本試 驗選用水泥膠砂振實臺，采用振動成型。首先將混 合好的物料放入模具中，再放到振實臺上進行振蕩， 振實臺每秒振蕩一次。 

1.2.3 養(yǎng)護工藝 

本試驗采用標準養(yǎng)護的方式，選用的設備為標 準恒溫恒濕養(yǎng)護箱。物料裝入模具后振動成型，放 入養(yǎng)護箱養(yǎng)護 1 d后進行脫模，之后將試驗樣品放入 養(yǎng)護箱中進行 28 d 的養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度和濕度分別為 20 ℃、95%。

2 結果與討論

2. 1 焙燒鐵尾礦摻量對透水磚性能的影響 

固定水膠比為 0.3，目標孔隙率 20%，振動時間 60 s，考察焙燒鐵尾礦摻量對透水磚性能的影響，結 果見圖 2。

由圖 2（a）和（b）可知，隨著焙燒鐵尾礦摻量的增 加，透水磚抗折、抗壓強度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸 升高。焙燒尾礦摻量從 40% 增加到 60% 時，抗壓強 度由 38.07 MPa 下降到 17.07 MPa，抗折強度由 7.3 MPa 降到 3.94 MPa，透水系數(shù)由 0.49×10-2 cm/s 增加到 1.89×10-2 cm/s；焙燒尾礦摻量繼續(xù)增加到 80% 時，抗壓強度為 2.4 MPa，抗折強度為 0.38 MPa，透水 系數(shù)達到最大為 3.66×10-2 cm/s。綜合透水磚的性能 來看，焙燒鐵尾礦摻量為 60% 時為合適，此時抗折、 抗壓強度分別為 3.94 MPa 和 17.07 MPa，透水系數(shù)達 到國家 B級標準。 

2. 2 水膠比對透水磚性能的影響 

固定焙燒鐵尾礦摻量為 60%，目標孔隙率 20%， 振動時間 60 s，考察水膠比對透水磚性能的影響，結 果見圖 3。

由圖 3（a）和（b）可知，隨著水膠比的增大，透水 磚抗折、抗壓強度逐漸增加，透水系數(shù)逐漸降低。水 膠比由 0.25增大到 0.30時，抗壓強度由 7.42 MPa增加 到 17.07 MPa，抗折強度由 2.25 MPa增加到 3.94 MPa， 透水系數(shù)由 7.12×10-2 cm/s 減小到 1.89×10-2 cm/s；水膠比繼續(xù)增加到 0.4時，抗折、抗壓強度分別為 4.99 MPa 和 23.91 MPa，透水系數(shù)達到最小，為 0.22×10-2 cm/s。水膠比較小時，造成漿體過于干燥，包裹在骨 料表面的漿體不均勻且疏松，接觸點的粘結力較小， 導致強度變低；水膠比過大，漿體過于濕潤，與粗骨 料不易粘結。綜上，水膠比 0.3時較為合適，此時透水 磚的力學性能和透水性能均達到國家標準。 

2. 3 目標孔隙率對透水磚性能的影響 

固定焙燒鐵尾礦摻量為 60%，水膠比 0.3，振動時 間 60 s，考察目標孔隙率對透水磚性能的影響，結果見圖 4。

從圖 4（a）和（b）可以看出，隨著目標孔隙率的增 加，透水磚抗折、抗壓強度逐漸降低，透水系數(shù)逐漸 上升。當目標孔隙率由 10% 增加到 20% 時，抗折強 度從 5.95 MPa 降低到 3.94 MPa，抗壓強度從 28.16 MPa降低到 17.07 MPa，透水系數(shù)從 0.31×10-2 cm/s增 加到 1.89×10-2 cm/s，目標孔隙率繼續(xù)增加到 30% 時，抗折強度為 1.60 MPa，抗壓強度為 5.96 MPa。隨 著目標孔隙率增大，磚體內(nèi)部結構由較密實向較疏 松轉變，導致膠凝材料對粗骨料的包裹不充分，骨 料間的粘結面積減小，粘結力不足，造成透水磚的抗 壓、抗折強度減小。綜上所述，目標孔隙率為 20%較 適宜。 

2. 4 振動時間對透水磚性能的影響 

固定焙燒鐵尾礦摻量為 60%，水膠比 0.3，目標孔 隙率 20%，考察振動時間對透水磚性能的影響，結果 見圖 5。 

由圖 5（a）和（b）可知，隨著振動時間增加，透水 磚抗折、抗壓強度逐漸增大，透水系數(shù)逐漸降低。振 動時間由 30 s 增加至 40 s 時，抗壓強度由 13.74 MPa 增加到 15.44 MPa，抗折強度從 2.97 MPa 增加到 3.34 MPa，透水系數(shù)由 3.63×10-2 cm/s 降低到 2.58×10-2 cm/s；振動時間繼續(xù)增加到 70 s 時，抗折和抗壓強度 分別為 4.54 MPa、20.48 MPa，透水系數(shù)為 1.51×10-2 cm/s。在振動成型中，振動時間增加，被膠凝材料包裹的骨料之間的緊密結合，造成了孔隙率減小，透水 磚整體結構變得密實，所以導致透水系數(shù)逐漸減 小。

綜合考慮透水磚性能因素，振動時間為 40 s時 效果最佳，此時透水磚抗折強度、抗壓強度均符合國 家標準，透水系數(shù)達到國家標準 A級。 

2. 5 鐵尾礦焙燒前后對透水磚性能的影響 

2. 5. 1 鐵尾礦焙燒前后對力學性能的影響 

固定水膠比為 0.3，目標孔隙率 20%，振動時間 40 s 時，考察鐵尾礦焙燒前后對透水磚性能的影響， 試驗結果發(fā)現(xiàn)未焙燒鐵尾礦透水磚力學性能均不達 標，為客觀地進行對比，選取振動時間為 60 s，對比試 驗結果見圖 6。 

由圖 6（a）和（b）可知，隨著焙燒和未焙燒鐵尾礦 摻量的增加，抗折和抗壓強度逐漸降低。焙燒尾礦 摻量為 60% 時，抗壓強度為 17.07 MPa，抗折強度為 3.94 MPa。未焙燒尾礦摻量從 40%增加到 50%時，抗 壓強度由 25.63 MPa 降低到 14.54 MPa，抗折強度由 5.27 MPa降低到 3.38 MPa，隨著未焙燒鐵尾礦用量繼 續(xù)增加到 80% 時，抗折、抗壓強度強度均達到最小， 分別為 0.28 MPa和 1.2 MPa。 

由 6（c）可知，隨著焙燒和未焙燒尾礦摻量增加， 透水系數(shù)均逐漸增大。焙燒尾礦摻量在 60% 時，透 水系數(shù)為 1.89×10-2 cm/s。未焙燒尾礦摻量由 40% 增加到 50% 時，透水系數(shù)從 0.74×10-2 cm/s 增加到 2.15×10-2 cm/s；隨著未焙燒鐵尾礦摻量繼續(xù)增加到80%時，透水系數(shù)達到最大為 5.12×10-2 cm/s。 

綜合透水磚的性能指標，當焙燒尾礦摻量為 60% 時效果最佳，抗折、抗壓強度分別為 3.94 MPa 和 17.07 MPa，透水系數(shù)符合國家 B級標準；當未焙燒尾 礦摻量為 50% 時效果最佳，抗折、抗壓強度分別為 3.38 MPa和 14.54 MPa，透水系數(shù)符合國家 A級標準。由此可以看出焙燒尾礦比未焙燒尾礦多替代水泥 10% 的情況下，力學性能焙燒尾礦透水磚較好，而透 水性能則未焙燒尾礦透水磚較好。

3 結 論

（1）焙燒尾礦制備透水磚最佳試驗條件為：焙燒 尾礦摻量為 60%，振動時間為 40 s、水膠比 0.3，目標 孔隙率 20%。透水磚最優(yōu)條件下的指標為：抗折強 度 為 3.34 MPa，符 合 國 家 標 準 Rf 3.0，抗 壓 強 度 為 15.44 MPa，符合國家標準 MU15，透水系數(shù)為 2.58× 10-2 cm/ s，符合國家標準 A 級標準，實測孔隙率為 23.41%。 

（2）通過焙燒尾礦和未焙燒尾礦對比可知，在滿 足透水磚的透水性能和力學性能的情況下焙燒尾礦 可以代替水泥 60%；未焙燒尾礦替代水泥 50%。

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