骨料制备透水砖的试验研究

骨料制备透水砖的试验研究

赤泥是去除铝从制铝行业提取污染废物的废水产量。一般平均每生产1t氧化铝,附带产生1.0～2.0t赤泥。我国作为世界第4大氧化铝生产国,自1954年建成第1个氧化铝厂至今,累计排放赤泥已超过5000万t,目前每年排放的赤泥高达数百万吨。除少部分得到利用外,大量的赤泥只能采用堆场堆放,占用了大片土地,也对环境造成了严重的污染。所以,实现多渠道、大宗量的赤泥资源化,最大限度地减少赤泥的危害已迫在眉睫。另一方面,现代城市的地表越来越多地被建筑物和混凝土等所覆盖。这种地表的“硬化”使得大气降水难以及时渗入地下,地表径流增多,形成“热岛效应”以及排水不足,引起内涝、城市地表沉降等环境问题。而多孔透水砖作为一种环境材料,应用于道路、广场的铺设,可以使部分降水渗入地下,减少地表径流,从而较好地解决上述问题。本研究在以往工作的基础上,通过试验,利用赤泥及其他辅助原料制备出了性能良好的多孔透水砖,为赤泥的综合利用提供了一条新途径。1试验原材料(1)泥浆本次试验采用的是山东铝业公司排放的赤泥,为自然干燥碎样,其化学成分见表1。(2)灰色粉末粉煤灰为白杨河电厂湿排灰,其化学成分见表1,粒度分布见表2,物理性能见表3。(3)化学成分分析潍坊产钙基膨润土,主要矿物为蒙脱石、埃洛石、石英等,蒙脱石的含量占78%左右,化学成分见表1。膨润土的阳离子交换容量为69.7mmol/g,膨胀容为7.4mL/g,胶质价为3.73mL/g,吸蓝量为0.35g/g。(4)其他原料成型粘结剂水玻璃,助熔剂玻璃粉。2测试方法2.1骨料的制备透水砖的透水性依赖于骨料颗粒之间形成的连通孔隙,因此,制备透水砖必须先制备具有一定粒度的骨料颗粒。骨料制备的工艺流程为:原料+辅料→搅拌→困料→挤条→干燥→破碎→烧成→骨料。骨料的原料配比为赤泥50%～65%,粉煤灰25%～35%,膨润土10%～15%。制备工艺要点如下:将原料按配方称量后加适量水搅拌均匀,困料20h左右,在挤条机上挤出泥条,干燥24h,破碎,在一定温度下烧结30min,然后自然冷却。2.2粘结剂为固体原料的研制透水砖制备工艺流程为:骨料+辅料→搅拌→困料→成型→干燥→烧成→制品。透水砖的原料配比为固体原料(100%)中骨料占72%～87%,膨润土占18%～3%,玻璃粉占10%;粘结剂水玻璃的添加量为固体原料的6%～10%。制备工艺要点如下:将固体原料按配方称量后加粘结剂搅拌均匀,困料12～24h;坯体成型采用半干法压制成型工艺,成型压力40MPa;坯体干燥36h,在一定温度下烧结60min,然后自然冷却。成型采用DY-50型电动液压制样机,样品干燥采用202-1型干燥箱,样品烧结采用SSX-12-16高温电阻炉。2.3强度、耐久性测试力学性能测试按JC/T945—2005的规定进行。抗压强度测试设备为WEW-600A液压万能试验机,加载速度约0.5MPa/s;抗折强度测试设备为WDW1020微控电子万能材料试验机,加载速度约0.4MPa/s。耐磨性测试按GB/T12988—91的规定进行,测试设备为CM无釉瓷砖耐磨试验机,磨损介质为标准砂。透水系数测试按JC/T945—2005的规定进行,试验用水为蒸馏水。3试验结果与讨论3.1不同赤泥用量对骨料收缩率和体积密度的影响试验结果见表2骨料配比和烧结温度的确定以骨料烧成收缩率及烧结体密度为依据。试样尺寸为100mm×100mm×20mm,成型压力为40MPa,烧结温度分别为1100℃,1150℃,1200℃,烧结时间为60min。试验结果见表4。从表4可以看出:总体上,随着赤泥加入量的增多,相同烧结温度下骨料的收缩率和体积密度增大。配料方案3,4在1200℃时出现了亮釉和熔融现象,体积密度非但不增,反而有所降低,说明已经过烧。其原因是赤泥量大时易熔组分Fe2O3,Na2O,K2O,TiO2等增多。综合考虑各方面的因素,确定骨料的烧结温度为1150℃,骨料中赤泥的添加量为55%(粉煤灰35%,膨润土10%)。以下试验均采用按此条件制备的骨料。3.2烧结温度对透水砖透水系数的影响图1给出了透水砖样品的透水系数与样品中骨料占固体原料比例之间的关系。样品中膨润土与骨料合计占固体原料的90%,玻璃粉占固体原料的10%;水玻璃添加量为固体原料的8%。从图中可以看出,透水系数与骨料占固体原料比例成正比,说明骨料含量越多,颗粒之间的孔隙越发育,透水系数也就越大,反映出以粒间孔隙为渗水通道的多孔材料的共同特点。对比1080℃和1050℃的烧结样品,可以发现两者的透水系数有着相同的变化规律。综合考虑样品的成型性、坯体强度以及烧成后样品的强度,确定骨料占固体原料的比例为82%。图2给出了透水砖样品的透水系数与烧结温度的关系。样品的固体原料中骨料占82%,膨润土占8%,玻璃粉占10%;水玻璃添加量为固体原料的8%。图中显示,随烧结温度的提高,样品透水系数呈现先小、后大、再变小的变化。原因是较低温度下样品中的膨润土、助熔剂未能充分熔融、烧结,样品孔隙率虽高但孔径很小,孔壁粗糙,吸水性很强,透水性能则较差;随着烧结温度的提高,膨润土、助熔剂熔融,骨料粒间孔径变大,孔壁光滑,透水性变好;温度进一步提高,样品出现过烧,收缩率增大,孔隙率和孔径变小,透水性变差。因此,透水砖的烧结温度以1080℃为好。试验还考察了水玻璃添加量(对固体原料比例)对透水砖样品透水系数的影响。试验中烧结温度为1080℃,样品的固体原料配比为骨料占82%,膨润土占8%,玻璃粉占10%。试验结果见表5。从表5可以看出,水玻璃添加量的增大会降低样品的透水性能。故水玻璃的添加量不应大于8%。3.3烧结温度对抗压强度的影响图3为透水砖样品的抗压强度与样品中骨料占固体原料比例之间的关系。样品中膨润土与骨料合计占固体原料的90%,玻璃粉占固体原料的10%;水玻璃添加量为固体原料的8%。从图中可以看出,随着骨料占固体原料比例的增加,样品的抗压强度先提高,后降低,但从总体来看,骨料占固体原料比例对样品的抗压强度影响较小。图4为烧结温度对透水砖样品抗压强度的影响。样品的固体原料中骨料占82%,膨润土占8%,玻璃粉占10%;水玻璃添加量为固体原料的8%。图中显示,烧结温度对样品的抗压强度有比较明显的影响,烧结温度从1000℃上升到1180℃,抗压强度从23.08MPa提高至39.56MPa。在1080℃的烧结温度下考察水玻璃添加量(对固体原料比例)对透水砖样品抗压强度的影响。样品的固体原料配比为骨料占82%,膨润土占8%,玻璃粉占10%。试验结果见表6。可以看到,增加水玻璃的添加量有利于提高样品的抗压强度。3.4骨料占固体原料比例对透水砖磨坑长度的影响透水砖样品的耐磨性能用磨坑长度表示。图5为磨坑长度与骨料占固体原料比例的关系,图6为磨坑长度与烧结温度的关系,表7为磨坑长度与水玻璃添加量(对固体原料比例)的关系。相关试验条件如3.2节和3.3节所述。从图5,图6和表7可以看出:随着骨料占固体原料比例的增加,透水砖的磨坑长度变化不大;烧结温度低于1120℃时,对透水砖的磨坑长度有较为明显的影响,伴随烧结温度的提高,磨坑长度缩短,砖的耐磨性能增强,但烧结温度达到1120℃以后,砖的磨坑长度变化很小;增加水玻璃的添加量有利于提高砖的耐磨性能。根据以上试验结果,综合考虑透水砖的抗压强度、透水性能、耐磨性能以及生产成本,砖中骨料占固体原料的比例应为82%,水玻璃的添加量应为固体原料的8%,砖的烧结温度应为1080℃。在此条件下,赤泥透水砖的抗压强度为35.32MPa,透水系数为0.028cm/s,磨坑长度为27.35mm。4骨料用量的影响(1)以山东铝业公司赤泥为主要原料,配以适量的助熔剂和粘结剂等组分,按一定工艺可以制成性能良好的透水砖。(2)透水砖样品的透水系数比较敏感,骨料用量、烧结温度、水玻璃添加量均对其有比较明显的影响。样品的抗压强度和耐磨性能受骨料用量的影响较小,而受烧结温度和