銅渣高溫燒結制備透水磚的性能研究

摘要：銅渣排放量大，但難以大規模利用，銅渣的大量堆積不僅是對資源的浪費，還會破壞生態環境。透水磚可以減緩城市熱島效應和城市洪澇。試驗以兩種銅渣為原料，以稻殼粉為造孔劑，制備高強度多孔透水磚，研究稻殼粉摻量（0.00%、1.25%、2.50%、3.75%和5.00%）對透水磚孔隙度、吸水率、透水性能、力學性能、微觀形貌和物相組成的影響。結果表明，隨著稻殼粉摻量的增多，樣品的孔隙度、吸水率和透水系數逐漸增加，抗壓強度逐漸減小。當稻殼粉摻量為0%時，原銅渣透水磚的抗壓強度比還原銅渣透水磚高38.9 MPa。當稻殼粉摻量超過1.25%時，抗壓強度降低的幅度變小。

關鍵詞：透水磚；造孔劑；銅渣；高溫燒結；稻殼粉

中圖分類號：TU522.1；X758 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0001-05

Study on the Performance of Permeable Bricks Prepared by High Temperature Sintering of Copper Slag

—Using rice husk powder as a pore forming agent

ZHANG Baojing， ZHAN Xue， GUAN Hongrui， XIAO Tao

（School of Materials Science and Physics， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221000， China）

Abstract： The discharge of copper slag is large， but it is difficult to utilize on a large scale， the massive accumulation of copper slag is not only a waste of resources， but also damages the ecological environment. Permeable bricks can alleviate urban heat island effect and urban flooding. In this experiment， two types of copper slag are used as raw materials， and rice husk powder is used as a pore forming agent to prepare high-strength porous permeable bricks， and the effects of rice husk powder dosage （0.00%， 1.25%， 2.50%， 3.75% and 5.00%） on the porosity， water absorption， permeability， mechanical properties， microstructure and phase composition of permeable bricks are studied. The results show that with the increase of rice husk powder content， the porosity， water absorption and permeability coefficient of the sample gradually increase， while the compressive strength gradually decreases. When the content of rice husk powder is 0%， the compressive strength of the original copper slag permeable brick is 38.9 MPa higher than that of the reduced copper slag permeable brick. When the dosage of rice husk powder exceeds 1.25%， the decrease in compressive strength becomes smaller.

Keywords： permeable brick; pore forming agent; copper slag; high temperature sintering; rice husk powder

銅渣是銅冶煉過程的副產物。隨著全球銅需求量的增加，銅冶煉行業不斷發展，銅渣產生量也相應增加，我國每年約排放2 000萬t銅渣[1-2]。銅渣含有大量的有價金屬，如Cu、Fe、Au、Ag和Ni等，其中銅品位為0.5%～8.0%，鐵品位在40%左右。銅渣排放量大，受限于地理位置和利用半徑，銅渣在中國東北和西部地區大量堆積[3]，占用土地資源，渣中的重金屬離子和硫化物還可能流入土壤和地下水，給生態環境造成影響[4-7]。因此，開發利用銅渣，對于銅冶煉行業的綠色可持續發展具有重要意義。

銅渣中銅鐵含量較高，可以采用還原、磁選提鐵，通過浮選回收銅，提取金屬后的銅渣化學成分與硅酸鹽水泥熟料的礦物成分基本相同，都含有礦物硅酸鹽、CaO和Al2O3等。建筑材料方面，銅渣主要作為水泥熟料的原材料，替代粗、細骨料生產混凝土，作為骨料生產瀝青混合料[8-11]。透水磚作為環保建材，可以有效地減少城市雨水的積聚和污染，滿足人們對綠色環境的需求。賀曉梅等[12]以煤矸石為主要原料，添加膨潤土、長石鋼渣，制備滿足海綿城市要求的高摻入量煤矸石燒結透水磚，抗折強度和透水性能良好。Tajaddini等[13]以玻璃粉和銅渣為原料，制備的地質聚合物基材料的力學性能得到明顯改善。Jin等[14]研究銅渣的物理化學性質、活性激發和重金屬浸出特性，并討論銅渣對水泥基材料力學性能和耐久性的影響。SivasakthI等[15]采用銅渣代替河沙制備粉煤灰地質聚合物，研究銅渣對砂漿耐熱性的影響，結果表明，使用銅渣作為細骨料，200～1 000 ℃溫度下制備的聚合物具有良好的熱穩定性。因此，使用銅渣來制備透水磚可以有效實現固廢利用，加快海綿城市建設，透水磚還能帶來較大的經濟效益，對市場經濟做出貢獻。試驗以銅渣提取銅鐵后的還原尾渣和原銅渣作為制備透水磚的原料，研究不同造孔劑摻量對透水磚力學性能及微觀結構的影響，促進銅渣的綠色循環利用，加快固廢資源化利用的生命周期轉化。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗采用的銅渣選自黑龍江省某銅廠，還原尾渣和初始銅渣的化學成分如表1所示。原銅渣主要由SiO2和Fe2O3組成，含量分別為20.20%和58.71%。還原銅渣為提鐵后的還原尾渣[16-18]，主要由SiO2和Al2O3組成，含量分別為60.25%和27.53%，金屬氧化物的含量較少。

1.2 還原尾渣的制備

將銅渣、氧化鈣、氟化鈣及還原劑焦炭按照比例充分混合，放入石墨坩堝中，于感應熔煉爐中加熱，設置電壓升溫，使用紅外測溫槍對爐內溫度進行實時監測。當溫度超過1 200 ℃時，銅渣開始融化，繼續加熱20 min，其間使用剛玉攪拌棒對坩堝內的液體間歇攪拌，促進還原反應。還原反應結束，得到的上層尾渣為還原尾渣。

1.3 反應工藝流程

將銅渣、玻璃粉和稻殼粉以91.00∶6.75∶1.25的比例在混勻儀中混合2 min，然后倒入水泥砂漿攪拌機，在攪拌的同時加入膨潤土水溶液，總水料比為1∶5，攪拌15 min，得到制備生坯的混合料。混合銅渣中，原銅渣和還原尾渣的比例為52.19∶38.81。取一定量的混合料置于直徑12 mm的圓形壓片模具中，通過靜置加壓法得到透水磚生坯[19-20]。將生坯置于密封袋中，在室溫下陳化24 h，將陳化后生坯放入干燥箱中，在75 ℃溫度下干燥24 h。將干燥生坯放入箱式電阻爐中，以升溫至燒結溫度，在燒結溫度下保溫1 h，隨爐冷卻，得到透水磚。

2 結果與討論

2.1 造孔劑對混合銅渣透水磚性能的影響

透水磚性能隨造孔劑含量的變化如圖1所示。隨著稻殼粉摻量的增加，透水磚的孔隙度和吸水率逐漸增加，這是因為在高溫下稻殼粉會逐漸分解，并在存在的位置留下孔隙。未添加稻殼粉時，透水磚的孔隙度和吸水率分別為14.34%和6.01%。當稻殼粉加入量為1.25%時，孔隙度和吸水率大幅度增加，分別增加28.42%和12.22%。隨著稻殼粉摻量的繼續增加，孔隙度和吸水率增加幅度較小，透水磚的抗壓強度逐漸降低，透水系數逐漸增加，這是因為稻殼粉的加入提升透水磚孔隙度，降低其致密性。當稻殼粉加入量為0%時，抗壓強度為144.6 MPa，透水系數為0.000 3 cm/s，此時抗壓強度高于相關國家標準要求，但透水系數遠低于相關國家標準要求。當稻殼粉加入量為1.25%時，與未加入稻殼粉時相比，抗壓強度減少58.85 MPa，為85.75 MPa，透水系數為0.010 3 cm/s，符合相關國家標準要求。隨著稻殼粉摻量的繼續增加，透水磚抗壓強度降低較小。

2.2 造孔劑對混合銅渣透水磚物相的影響

不同摻量的造孔劑作用下，混合銅渣透水磚的X射線衍射（X-Ray Diffraction，XRD）圖譜如圖2所示。不同摻量造孔劑作用下，透水磚物相組成基本一致，為氧化鐵、鈣鐵榴石和硅酸鈣。隨著造孔劑摻量的增加，硅酸鈣含量不斷增多，這可能是因為稻殼粉造孔劑高溫分解為二氧化硅，二氧化硅不斷與氧化鈣反應。

2.3 造孔劑對混合銅渣透水磚微觀形貌的影響

稻殼粉摻量為0%～5%時，混合銅渣透水磚的掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）圖片如圖3所示。隨著稻殼粉摻量的增加，透水磚的孔隙逐漸增多，孔隙半徑逐漸增大。當稻殼粉加入量為5%時，透水磚的較大孔隙半徑約為20 μm。這是因為稻殼粉在高溫下會受熱分解，其含量越多，高溫燃燒后在原位留下的孔隙也越多。

2.4 造孔劑對原銅渣透水磚性能的影響

采用原銅渣制備透水磚時，造孔劑對透水磚的性能影響如圖4所示。與采用原銅渣和還原銅渣混合料制備的透水磚相比，原銅渣的孔隙度較高，在相同稻殼粉加入量的情況下，約為6%，而吸水率差別不大。從圖4可以看出，原銅渣制備的透水磚與混合料透水磚變化趨勢一致，隨著稻殼粉摻量的增加，孔隙度和吸水率逐漸增加。稻殼粉加入量增加1.25%時，孔隙度約增加6%。當未添加稻殼粉時，透水磚的孔隙度和吸水率分別為20.24%和7.41%。當稻殼粉加入量為1.25%時，孔隙度和吸水率分別為26.70%和9.94%。隨著稻殼粉摻量的增加，透水磚的抗壓強度逐漸降低，透水系數逐漸增加，稻殼粉摻量為0.0%～2.5%時，抗壓強度變化較大，每增加1.25%的稻殼粉，抗壓強度約下降60 MPa，當稻殼粉摻量超過2.5%時，抗壓強度變化較小。當稻殼粉加入量為0.00%～1.25%時，透水磚抗壓強度較高，分別為183.5 MPa和120.2 MPa，但透水系數分別為0.000 1 cm/s和0.000 5 cm/s，均低于相關國家標準要求。當稻殼粉加入量為1.25%時，透水磚的透水系數為0.020 9 cm/s，高于相關國家標準要求，但抗壓強度較低，為58.20 MPa。因此，選用原銅渣和還原銅渣共同作為骨料制備透水磚，造孔劑加入量為1.25%時，透水磚的孔隙度、吸水率、抗壓強度和透水系數分別為28.42%、12.22%、85.75 MPa和0.010 3 cm/s。

2.5 造孔劑對原銅渣透水磚物相的影響

稻殼粉摻量為0%～5%時，原銅渣透水磚的XRD圖譜如圖5所示。不同造孔劑摻量下，原銅渣制備的透水磚物相組成基本一致，為氧化鐵、二氧化硅和少量的七鋁十二鈣。氧化鐵和石英含量較多，因為銅渣含有大量的硅酸亞鐵，在高溫下會分解形成這兩種物質[21-23]。

2.6 造孔劑對原銅渣透水磚微觀形貌的影響

稻殼粉摻量為0%～5%時，原銅渣透水磚的SEM圖片如圖6所示。隨著稻殼粉摻量的增加，透水磚的孔隙逐漸增多。與混合銅渣透水磚不同的是，原銅渣透水磚增多的孔隙粒徑較小，稻殼粉摻量增多并未擴大孔隙直徑。

3 結論

試驗以混合銅渣和原銅渣為原料，采用燒結法制備高強度透水磚，探究造孔劑對透水磚力學性能、透水性能、微觀形貌和物相組成的影響。研究表明，當稻殼粉摻量由0%增加到5%時，混合銅渣透水磚的抗壓強度由144.60 MPa減小為34.59 MPa，降低110.01 MPa；原銅渣透水磚的抗壓強度由183.50 MPa減小為33.60 MPa，降低149.90 MPa。其中，當稻殼粉摻量由0%增加至1.25%時，兩種透水磚抗壓強度變化均較大。當稻殼粉摻量由0%增加至1.25%時，混合銅渣透水磚的孔隙度和吸水率大幅度提升，稻殼粉摻量超過1.25%后，二者緩慢增加，原銅渣透水磚的孔隙度和吸水率隨著稻殼粉的增加均勻提升。當稻殼粉摻量為0%時，混合銅渣透水磚的透水系數為0.000 3 cm/s，低于相關國家標準要求的0.010 0 cm/s，稻殼粉加入量為2.5%時，原銅渣透水磚的透水系數才滿足相關國家標準要求。隨著稻殼粉摻量的增加，混合銅渣透水磚的孔隙半徑逐漸增大，稻殼粉加入量為5%時，孔隙半徑約為20 μm，原銅渣透水磚的小孔隙逐漸增多。在不同的稻殼粉摻量下，兩種透水磚的晶相都主要為赤鐵礦。

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