斑巖型銅尾礦制備連通孔陶瓷透水材料的試驗研究

趙慶朝，李偉光，李勇，朱陽戈，劉海營，許太勝

1.礦冶科技集團有限公司，北京 大興 102628;2.銅陵有色金屬集團銅冠建筑安裝股份有限公司，安徽 銅陵 244000

引言

中國是礦業大國，92%以上的一次性能源、80%以上的工業原材料均來自礦產資源[1-2]。在礦產資源開發過程中會產生的大量尾礦，尾礦的排放和堆存不僅會造成嚴重的環境影響和安全威脅，同時也會造成巨大的資源浪費，礦產資源開發需求和環境有限承載能力的矛盾已成為制約我國礦業可持續發展的重要瓶頸[3]。以“減量化、資源化、無害化”為指導原則，提高資源回收率，減少尾礦排放量，充分利用尾礦中的無機非金屬礦物等制備新型建筑材料，對尾礦中的有害組分進行無害化處理，減少其對環境的危害等[4-5]，已成為我國礦產資源開發的必然選擇。

隨著我國大力推廣“海綿城市”建設，透水材料的需求越來越廣泛[6]。傳統透水材料主要是由石子、碎陶瓷等骨料與水泥、粉煤灰等混合壓制制備而成[7-8]，該類型免燒透水材料對原料要求較高，尤其在冬天易發生凍裂現象；也有部分研究以尾礦為原料制備透水材料，但尾礦在體系中主要作為填料，摻量較低[9-10]。而本研究以銅尾礦為主要原料，采用高溫熔融黏結工藝制備的連通孔陶瓷透水材料，不僅具備陶瓷耐磨、抗凍性好的優點[11-12]，又兼具透水材料抗折強度高、透水性能優異的特性，是一種新型環保建筑材料。

通過對斑巖型銅礦尾礦理化特性的研究，發現銅尾礦可以通過添加高塑性原料高嶺土共同造粒形成骨料，進而包裹低熔點結合料玻璃粉通過高溫熔融黏結法可制備連通孔陶瓷透水材料。銅尾礦和高嶺土中的硅鋁質組分可為陶瓷透水材料提供骨架支撐結構，同時鈉、鉀質組分又與玻璃粉共同作為熔劑組分降低陶瓷透水材料的燒成熔點，促進結合料的熔融軟化[13-14]。本文以斑巖型銅尾礦為主要原料，添加玻璃粉、高嶺土制備連通孔陶瓷透水材料，通過骨料配比試驗、結合料用量試驗、成型壓力和燒成制度正交試驗制備出高性能連通孔陶瓷透水材料，突破了銅尾礦這種粉狀原料無法直接用于透水材料骨料的限制，大幅度提高了銅尾礦在透水材料中的用量，為斑巖型銅尾礦的高附加值利用提供一條新的路徑。

1 試驗

1.1 試驗原料

試驗用斑巖型銅尾礦來自江西九江地區銅礦，樣品為灰色粉末狀固體，輔助原料選用銅礦周邊的高嶺土及購置的低溫玻璃粉。主要原料的X射線熒光光譜分析結果見表1，銅尾礦的X射線衍射圖譜見圖1。由表1和圖1可知，銅尾礦的主要化學成分為SiO2、Al2O3、K2O等，主要礦物為石英(40.2%)、鉀長石(23.6%)、黃鐵礦(4.6%)、高嶺石(2.3%)；高嶺土的化學成分主要是硅鋁組分，可為陶瓷透水材料的骨料提供骨架支撐結構，增加骨料的強度；玻璃粉的鈣、鎂、鉀、鈉等熔劑組分含量較高，可在燒結時起到熔融黏結骨料的作用。

表1 主要原料的X射線熒光光譜分析 /%

圖1 銅尾礦的XRD衍射分析圖譜

1.2 試驗過程及試驗方法

試驗采用如圖2所示的流程制備連通孔陶瓷透水材料。將銅尾礦、高嶺土干燥并過0.2 mm標準篩，按

圖2 試驗流程

配比充分混勻；在造粒機中加水造粒，形成穩定粒徑的球粒后加入結合料玻璃粉對球粒進行包裹；篩分合適粒徑的球粒，在成型模具中分層布料，在一定的成型壓力下壓制成磚坯；壓制成型的坯體在90～130 ℃干燥3～5 h，之后在馬弗爐中燒成，即得到連通孔陶瓷透水材料。

連通孔陶瓷透水材料的性能測試按照國標GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》進行，通過骨料配比試驗、結合料外摻用量試驗及成型壓力和燒成制度正交試驗獲得抗折強度和透水系數最優的連通孔陶瓷透水材料制備配方和工藝，再對最優工藝制備的產品進行抗折強度、透水系數、劈裂抗拉強度、耐磨性和抗凍性測試。

2 試驗結果及分析探討

2.1 骨料配方的影響

傳統透水材料的骨料大部分采用石子、碎陶瓷等骨料，而銅尾礦這種粉狀原料無法直接作為骨料制備透水材料，因此首先采用銅尾礦和高嶺土進行骨料的制備，骨料配比試驗結果見表2，擬定的其他試驗條件為：結合料玻璃粉外摻量20%，成型壓力1.0 MPa，燒成溫度1 150 ℃，燒成時間60 min。

由試驗結果可知，銅尾砂塑性較差，并且硫含量較高，全部采用銅尾礦制備骨料時，透水材料的抗折強度較低，因此需引入高嶺土組分提升骨料強度；在高嶺土的用量為30%時，透水材料的透水系數最大，高嶺土用量為40%時，透水材料的抗折強度最高?？紤]到需盡量提升銅尾礦的用量，優選骨料配方為銅尾礦70%、高嶺土30%。

表2 骨料配比試驗結果

2.2 結合料外摻量的影響

結合料不僅可以在陶瓷透水材料制備過程中有效增加干燥后的生坯強度，還可以在燒結過程中起到降低燒結溫度和形成高溫液相膠黏劑橋接骨料的作用[15]，是影響透水材料性能的重要因素。選用玻璃粉作為透水材料的結合料，不同結合料外摻量的試驗結果見表3，擬定的其他試驗條件為：骨料配方為銅尾礦70%、高嶺土30%，成型壓力1.0 MPa，燒成溫度1 150 ℃，燒成時間60 min。

由表3試驗結果可知，燒成后的透水材料抗折強度隨著結合料外摻量增加而增加，在結合料外摻量為25%時，透水材料的抗折強度最高，但透水系數明顯降低，過多的結合料熔融會導致連通孔的堵塞，因此優選結合料外摻量為20%。

表3 結合料外摻量試驗結果

2.3 成型壓力、燒成溫度、保溫時間的影響

為更好地探討成型及燒結因素對透水材料性能的影響，設計了成型壓力、燒成溫度、保溫時間三因素三水平正交試驗。正交試驗設計見表4，試驗結果見表5。

表4 正交試驗因素水平表

表5 正交試驗結果

對正交試驗結果進行直觀分析可以看出，對透水材料的抗折強度來說，極差R1(A)>R1(C)>R1(B)，影響透水材料抗折強度的因素排名為A成型壓力>C保溫時間>B燒成溫度，取得最優抗折強度的試驗條件為A3B2C3;對材料的透水系數來說，極差R2(A)>R2(B)>R2(C)，影響透水材料抗折強度的因素排名為A成型壓力>B燒成溫度>C保溫時間，取得最優透水系數的試驗條件為A1B2C3。成型壓力是影響透水材料的抗折強度和透水系數的最主要因素，成型壓力的大小直接影響到生坯的抗折強度和致密度，成型壓力過大，會導致生坯壓制過程中形成的孔隙結構被破壞，從而降低材料的透水性能；成型壓力過小，會導致透水材料不致密，從而造成抗折強度下降，因此成型壓力應該保持適中，使透水材料兼具足夠的抗折強度和優異的透水性能，因此最終確定制備透水材料的最優試驗條件為A2B2C3。

2.4 最優條件驗證試驗

經過關鍵工藝參數條件試驗得出制備連通孔陶瓷透水材料的最優骨料配比為：銅尾礦用量70%、高嶺土用量30%、結合料外摻量為20%，成型壓力1.0 MPa，燒成溫度1 150 ℃、保溫時間90 min，在此條件下進行連通孔陶瓷透水材料的制備，并進行性能測試，結果(對比GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》)見表6，陶瓷透水材料連通孔隙SEM圖見圖3。由SEM圖可以看出，透水材料的骨料顆粒之間通過結合料的作用黏結在一起，保證了材料的強度，同時骨料顆粒之間具有明顯的連通孔隙，使材料兼具了優異的透水性能。

表6 最優產品性能測試結果

圖3 產品連通孔結構SEM圖

3 結論

以斑巖型銅礦尾礦、高嶺土、玻璃粉為原料制備連通孔陶瓷透水材料的骨料最優配方為銅尾礦70%、高嶺土30%，結合料玻璃粉的最佳外摻量為20%，最佳成型壓力為1 MPa，最佳燒成溫度為1 150 ℃，最佳保溫時間為90 min，可制備出抗折強度3.9 MPa、透水系數2.7×10-2cm/s、劈裂抗拉強度3.7 MPa、耐磨性磨坑長度25.2 mm、抗凍性達到D50的連通孔陶瓷透水材料，其各項指標均滿足國標GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》的要求。