煤石制備多孔透水磚的研究

煤石制備多孔透水磚的研究

1透水磚的原料配比隨著城市化發(fā)展的加劇，城市地表逐漸被建筑物和各種混凝土等防水材料覆蓋。未透水區(qū)域的比例顯著增加，部分區(qū)域的覆蓋率超過80%。由于城市的排水能力越來越差,許多城市一遇到暴雨,其路面雨水無法快速滲漏,很容易造成城市內(nèi)澇。因此,為解決城市地表硬化問題,營造高質(zhì)量的自然生活環(huán)境,維護(hù)城市生態(tài)平衡,綠色環(huán)保的新型建材產(chǎn)品-透水磚應(yīng)運(yùn)而生,并得到了快速發(fā)展。目前,制備透水磚常用的原料主要有給水廠污泥,多年期赤泥,黃金尾礦,粉煤灰,釉面陶瓷,混凝土等。而這些原料所制備的透水磚一般都需要經(jīng)1000~1400℃的高溫?zé)Y(jié),浪費(fèi)化石燃料,并產(chǎn)生工業(yè)廢氣造成大氣污染。針對上述問題,本研究以煤矸石為主要原料,水泥為粘結(jié)劑制備非燒結(jié)透水磚,通過設(shè)計(jì)不同的煤矸石粒徑、原料配比和成型壓力,探討制備透水磚的最佳實(shí)驗(yàn)條件。煤矸石是一種在煤形成過程中與煤伴生、共生的礦物材料,是在煤炭開采和洗選加工過程中被分離出來的固體廢棄物。隨著國內(nèi)煤炭行業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展,煤矸石作為目前我國年排放量和累計(jì)堆存量最大的工業(yè)廢棄物之一,產(chǎn)量與日劇增,每年排放量約1.7億噸,國內(nèi)現(xiàn)有煤矸石山1500余座,累計(jì)存量約34億噸,占地面積約1.3×108m2。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道,美國、英國和德國等西方國家煤矸石的總利用率達(dá)90%以上,而我國作為以煤炭為主要能源的國家,對煤矸石的利用率卻僅有30%。因此,本研究試圖為煤矸石的大規(guī)模利用提供一種新途徑。2實(shí)驗(yàn)2.1樣品制備2.1.1煤石化學(xué)成分制備透水磚的主要原料為煤矸石、水泥和水。本實(shí)驗(yàn)采用的煤矸石取自貴州某地,其密度為2.32g/cm3,堆放密度為1.33g/cm3。主要成分為SiO2(40.28wt%)、CaO(18.39wt%)、Al2O3(9.05wt%),還含有其它微量元素,如MgO、K2O、FeO和Fe2O3等。煤矸石具體的化學(xué)成分見表1。本研究采用的水泥是符合GB175-2007標(biāo)準(zhǔn)的通用硅酸鹽水泥,強(qiáng)度等級(jí)為42.5R,在實(shí)驗(yàn)中主要起到粘結(jié)劑的作用。本實(shí)驗(yàn)中所用的水為普通自來水。2.1.2煤石粉的制備實(shí)驗(yàn)采用壓制成型方法制取透水磚,主要實(shí)驗(yàn)流程有:磨料,篩選,混料,成型,干燥和保養(yǎng)。具體如下:原料處理:用粉碎機(jī)將煤矸石粉碎,分別用10目、16目、32目、48目和80目的粒徑篩進(jìn)行粒徑篩選,篩選出粒徑分別為1.18~2.0mm、0.6~1.18mm、0.3~0.6mm、0.18~0.3mm、≤0.18mm的煤矸石粉。原料配比設(shè)計(jì):原料配比為煤矸石60wt%~80wt%,水泥7wt%~23wt%,水13wt%。不同樣品采用的煤矸石質(zhì)量一定(為30g),水泥質(zhì)量不定(為3~11g),固液質(zhì)量比為1∶0.15。樣品制作及養(yǎng)護(hù):先將一定質(zhì)量的煤矸石與水泥放置在燒杯中,用玻璃棒攪拌2~3min,使其混合均勻后,加入一定量的自來水,繼續(xù)攪拌2~3min后,靜置5min使骨料和粘結(jié)劑充分混合。將制好的柸料倒入模具中,在2~6MPa壓力下壓制15min后,在25℃恒溫干燥48h,制得直徑為50mm,厚度為20mm的柱狀樣品。樣品完全干燥后,進(jìn)行水蒸汽養(yǎng)護(hù)三次,每次養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3h。2.2試樣的吸水率和透水系數(shù)樣品力學(xué)性能測試按JB/T25993-2010的規(guī)定進(jìn)行,抗壓強(qiáng)度測試采用WEW-600A液壓萬能試驗(yàn)機(jī),加載速度為0.3MPa/s。抗折強(qiáng)度測試采用WDW1020微控電子萬能材料試驗(yàn)機(jī),加載速度為0.1~0.2MPa/s。吸水率和透水系數(shù)按JB/T25993-2010規(guī)定進(jìn)行測試(其中,透水系數(shù)測試在實(shí)驗(yàn)室自制的儀器上進(jìn)行,參見圖1)。樣品的微觀形貌由JSM-6510A型掃描電鏡測試,加載電壓為5~10kV。樣品的吸水率和透水系數(shù)由下面公式計(jì)算:式中,Wa(%)為樣品吸水率;m1(g)為樣品干燥時(shí)質(zhì)量;m2(g)為樣品完全吸水后質(zhì)量;K25(cm/s)是在水溫25℃時(shí)試樣的透水系數(shù);Q(mL)為時(shí)間t秒內(nèi)滲出的水量;L(cm)為式樣的厚度;A(cm2)為式樣的上表面積;H(cm)為水位差;t(s)為時(shí)間。3結(jié)果與討論3.1煤石粒徑對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響表2是以煤矸石粒徑為變量制備的透水磚的物料配比及其物性參數(shù)。圖2是樣品BR-10~BR-80的吸水率和透水系數(shù)曲線,圖3是樣品BR-10~BR-80的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線。從表2、圖2和圖3可見,當(dāng)煤矸石粒徑由10目增大至80目時(shí),樣品吸水率由8.32%增大至15.23%,透水系數(shù)由0.93mm/s減小至0.38mm/s,抗壓強(qiáng)度由16.38MPa增大至38.79MPa,抗折強(qiáng)度由0.8MPa增大到1.23MPa。骨料顆粒通過不規(guī)則的排列,形成大小不一的孔隙,同時(shí)承擔(dān)樣品所受的大部分壓力。因此,隨著煤矸石粒徑的減小,樣品的比面增大,有效孔隙度減小,孔喉比增大,顆粒堆積更緊密,導(dǎo)致吸水率增加,透水系數(shù)下降,抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增加。圖2~7中均采用多項(xiàng)式擬合的方法進(jìn)行擬合,在圖2中樣品BR-10~BR-80的吸水率和透水系數(shù)的擬合方程分別為,,在圖3中樣品BR-10~BR-80的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的擬合方程分別為,。樣品在骨料粒徑小于60目時(shí),隨著骨料粒徑的減小,透水系數(shù)減小較快,吸水率、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增大較快;骨料粒徑大于60目時(shí),隨著骨料粒徑的減小,吸水率、透水系數(shù)和抗折強(qiáng)度變化不大,抗壓強(qiáng)度仍增大較快。因此,骨料最適宜的粒徑范圍為40~60目,此粒徑范圍的骨料所制備的樣品具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和適宜的透水性能。在表2中可見,樣品BR-10的透水系數(shù)最大,為0.93mm/s,遠(yuǎn)小于李偉所研究的混凝土透水磚樣品的最大透水系數(shù)5.5mm/s;但是樣品BR-80的抗壓強(qiáng)度最大,為38.79MPa,大于該文獻(xiàn)中樣品的最大抗壓強(qiáng)度29.54MPa。主要原因是該文獻(xiàn)中使用的骨料粒徑范圍是0.63~1.25mm、1.25~2.5mm、2.5~5.0mm,而本實(shí)驗(yàn)使用的骨料粒徑范圍是≤0.18mm、0.18~0.3mm、0.3~0.6mm、0.6~1.18mm、1.18~2.0mm,本實(shí)驗(yàn)使用的骨料粒徑偏小造成的?？傮w上說,本實(shí)驗(yàn)中骨料粒徑對樣品透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的影響與該文獻(xiàn)中骨料粒徑對透水磚基本性能的影響一致,均為隨著骨料粒徑的增大,樣品透水系數(shù)減小,而抗壓強(qiáng)度增大。3.2骨料粒徑對透水性能的影響表3為不同水泥含量所制備的樣品的物料配比及其物性參數(shù)。圖4是樣品BM-3~BM-11的吸水率和透水系數(shù)曲線,圖5是樣品BM-3~BM-11的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線。從表3、圖4和圖5可見,隨著粘結(jié)劑含量由7.91wt%增加到23.33wt%,樣品吸水率由10.23%減小至7.23%,透水系數(shù)由0.85mm/s減小至0.32mm/s,抗壓強(qiáng)度由7.34MPa增加至31.54MPa,抗折強(qiáng)度由0.98MPa增大到1.97MPa。粘結(jié)劑水泥主要起到充填骨料之間的空隙,粘結(jié)骨料顆粒的作用。因此,隨著粘結(jié)劑含量的增加,樣品的骨料顆粒間粘結(jié)強(qiáng)度增大,樣品的有效孔隙度減小,導(dǎo)致樣品吸水率和透水系數(shù)減小,抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增大。圖4中樣品BM-3~BM-11的透水系數(shù)的擬合方程為Kt=0.51+0.6M-0.003M2,圖5中樣品BM-3~BM-11的抗壓強(qiáng)度的擬合方程為Rc=19-2.32M+0.12M2。當(dāng)粘結(jié)劑含量小于12wt%時(shí),樣品的透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度隨著粘結(jié)劑含量的增大,幾乎無變化;當(dāng)粘結(jié)劑含量大于12wt%時(shí),隨著粘結(jié)劑含量的增大,樣品透水系數(shù)快速減小,抗壓強(qiáng)度快速增大。圖4中樣品BM-3~BM-11的吸水率的擬合方程為Wa=12.21-0.28M+0.002M2,樣品吸水率與粘結(jié)劑含量大致呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系,圖5中樣品BM-3~BM-11的抗折強(qiáng)度的擬合方程為Rt=0.50+0.05M+5.17E-4M2,樣品抗折強(qiáng)度與粘結(jié)劑含量大致呈正線性相關(guān)關(guān)系。由上述分析可得,最佳的粘結(jié)劑含量為12wt%,粘結(jié)劑含量為12wt%左右的樣品具有較高的透水性能和適宜的力學(xué)強(qiáng)度。如果對透水磚力學(xué)強(qiáng)度要求較高時(shí),可通過酌情增加粘結(jié)劑含量來實(shí)現(xiàn)。在表3中可見,樣品BM-11的抗壓強(qiáng)度最大,為31.54MPa,與文獻(xiàn)中混凝土透水磚樣品的最大抗壓強(qiáng)度(30.82MPa)相差不大;而樣品BM-3的透水系數(shù)最大,為0.85mm/s,遠(yuǎn)小于該文獻(xiàn)中樣品的最大透水系數(shù)5.0mm/s。本實(shí)驗(yàn)采用的骨灰比為10、6、4.23、3.33、2.73,大于該文獻(xiàn)中采用的骨灰比(3.2、3.5、3.8),但樣品的透水性能卻沒有文獻(xiàn)中的好,結(jié)合表2的分析,可得到骨灰比對樣品透水性能的影響小于骨料粒徑對樣品透水性能的影響?？傮w上說,本實(shí)驗(yàn)中粘結(jié)劑含量對樣品透水性能和力學(xué)強(qiáng)度的影響與李偉、戴武斌等研究的結(jié)合劑對透水磚基本性能的影響一致,均為隨著粘結(jié)劑含量增大,透水性下降而力學(xué)強(qiáng)度增加。3.3成型壓力對骨料顆粒接觸關(guān)系的影響表4為不同成型壓力所制備的透水磚的物料配比及其物性參數(shù)。圖6是樣品BP-2~BP-6的吸水率和透水系數(shù)曲線,圖7是樣品BP-2~BP-6的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度曲線。從表4、圖6和圖7中可見,隨著成型壓力由2MPa增加至6MPa,樣品吸水率由11.54%減小至8.83%,透水系數(shù)由1.08mm/s減小至0.41mm/s,抗壓強(qiáng)度由7.35MPa增大至33.54MPa,抗折強(qiáng)度由1.11MPa增大到2.18MPa。在加壓成型的過程中,壞料中的煤矸石顆粒在壓力的作用下發(fā)生相對滑動(dòng)和位置重排,使混料空隙減小,骨料顆粒間形成點(diǎn)線面接觸,顆粒間拱橋被破壞。因此,隨著成型壓力的增大,樣品的骨料顆粒接觸關(guān)系發(fā)生由點(diǎn)到面的轉(zhuǎn)化,樣品的孔隙度減小,致使樣品的吸水率和透水系數(shù)減小,抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增大。圖6中樣品BP-2~BP-6的吸水率和透水系數(shù)的擬合方程分別為Wa=14.17-1.5P+0.1P2,Kt=1.79-0.44P-0.03P2,樣品的吸水率和透水系數(shù)均隨成型壓力的增加而快速減小。圖7中樣品BP-2~BP-6的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的擬合方程分別為Rc=7.34-2.28P+1.12P2,Rt=1.41-0.26P+0.06P2。樣品的抗壓強(qiáng)度隨著成型壓力的增大而快速增大;成型壓力小于3MPa時(shí),隨著成型壓力的增大,樣品的抗折強(qiáng)度無明顯變化;成型壓力大于3MPa時(shí),隨著成型壓力的增大,樣品的抗折強(qiáng)度快速增大。因此,樣品適宜的成型壓力為3MPa,此成型壓力下所制備的樣品具有較高的透水性能和適宜的力學(xué)強(qiáng)度。如果對透水磚的力學(xué)強(qiáng)度要求較高時(shí),可通過酌情增大成型壓力來實(shí)現(xiàn)。從表4中可見,其中,成型壓力為2MPa時(shí)所制備的樣品BP-2的透水系數(shù)最大,為1.08mm/s,大于文獻(xiàn)16中在成型壓力為10MPa時(shí)所制備的樣品的透水系數(shù)0.63mm/s;成型壓力為6MPa時(shí)所制備的樣品BP-6抗壓強(qiáng)度最大,為33.54MPa,小于文獻(xiàn)16中在成型壓力為30MPa時(shí)所制備樣品的抗壓強(qiáng)度(51.6MPa)。主要原因是本實(shí)驗(yàn)采用的成型壓力是2~6MPa,而該文獻(xiàn)中的成型壓力是10~30MPa,本實(shí)驗(yàn)所采用的成型壓力遠(yuǎn)小于該文獻(xiàn)中采用的成型壓力造成的?？傮w上說,本實(shí)驗(yàn)中成型壓力對樣品透水系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的影響與呂淑珍等關(guān)于陶瓷透水磚的研究一致,均為隨著成型壓力的增加,樣品透水系數(shù)減小,而抗壓強(qiáng)度增大。3.4掃描電鏡照片圖8和9分別是樣品BM-5在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡照片,由圖8和9可以看出樣品內(nèi)部有較多的貫穿孔隙,孔徑小于50μm,孔隙大小不一,分布不均勻,形狀無規(guī)律。4工藝參數(shù)的影響以煤矸石為主要原料,水泥為粘結(jié)劑,制備出的透水磚的性能受煤矸石粒徑影響最大,受原料配比、成型壓力影響次之。根據(jù)不同的質(zhì)量要求,可適當(dāng)調(diào)整各要素參數(shù),制備出用戶所需的透水磚。對透水磚的透水性能要求較高時(shí),適宜工藝參數(shù)為:煤矸石粒徑1.18~2.0mm,原料配比