不同顆粒級配的風積沙對陶瓷透水磚性能的影響

劉婷，成智文，賀曉梅，李坤

（咸陽陶瓷研究設計院有限公司，陜西 咸陽 712000）

解決和治理沙漠化已成為當前迫切的難題，防治沙漠化尤其是合理利用風積沙，是目前關注和研究的重點。風積沙為經風沉淀的沙層，屬第四紀風積物，顆粒較細、松散、含水量少、粒徑范圍較窄，多見于戈壁和沙漠，是一種儲量豐富的自然資源。將其綜合利用，對于生態保護和可持續發展意義重大，同時具有相當可觀的經濟效益[1]。

陶瓷透水磚因其可以增加水資源利用率、減少雨水聚集橫流、降低熱島效應并緩解噪聲，是當前研究的熱點[2]，也是海綿城市建設的關鍵性材料。Liu等[3]以鋼渣和石英為主要原料，于1320℃燒結制備了透水系數為3.65×10-2cm/s、抗壓強度為34.1 MPa、抗折強度為5.2 MPa的陶瓷透水磚。Chaoqun Z[4]以疏浚泥、廢玻璃和廢陶瓷于1140℃燒結制備了透水系數為15×10-2cm/s、抗壓強度為33 MPa的陶瓷透水磚。李珠等[5]以煤矸石和黏土為主要原料，于1050℃燒結制備了透水系數為0.355×10-2cm/s、劈裂抗拉強度為3.75 MPa的陶瓷透水磚。李國昌和王萍[6]以鎳鐵礦渣為主要原料，于1160℃燒結制備了透水系數為1.8×10-2cm/s、抗壓強度為36.54 MPa、抗折強度為4.98 MPa的陶瓷透水磚。

目前尚未有利用風積沙制備透水磚相關方面的研究，本研究旨在利用風積沙為原料制備高透水系數陶瓷透水磚，研究風積沙的不同粒徑和不同添加量對風積沙陶瓷透水磚透水系數、抗折強度及微觀形貌的影響，以期對其進行有效利用，同時彌補相關領域研究的不足。

1 實驗

1.1 實驗原材料

風積沙：取自巴丹吉林沙漠（內蒙古鄂爾多斯），利用多孔振動篩篩分為20~40目、40~60目和60~80目3個顆粒級配；粘結劑：國藥集團化學試劑有限公司；助熔劑：自制。

1.2 配方設計

因風積沙為瘠性料，故添加粘結劑改善其成型性能；添加助熔劑改善其燒成后機械強度。本研究中風積沙陶瓷透水磚配方組成見表1。

表1 風積沙陶瓷透水磚實驗配方

1.3 工藝流程

風積沙陶瓷透水磚的制備工藝流程為：（1）原料預處理，對風積沙進行篩分；（2）坯體混料，將風積沙、粘結劑、助熔劑、糊精按照一定比例均勻混合；（3）干壓成型，通過四柱壓機壓制成型；（4）干燥陳腐，去除坯體中多余的水分；（5）高溫燒成，按照一定的燒結曲線將風積沙陶瓷透水磚燒成。透水磚的成型壓力在制備工藝中尤為重要，壓力過小，成型后樣品間顆粒松散不利于強度獲得，壓力過大使燒結過于充分導致透水磚透水系數顯著降低，本研究將成型壓力控制為40 MPa。本研究利用風積沙制備陶瓷透水磚時，不需要對原料進行破碎或球磨，可大大降低產品生產過程的能耗。

1.4 燒成制度

風積沙陶瓷透水磚的燒成制度：低溫脫水階段：室溫~300℃，升溫速率5℃/min；中溫分解階段：300~600℃，升溫速率10℃/min；高溫燒成階段：600~1180℃，升溫速率為8℃/min，保溫10 min，自然冷卻到室溫。

1.5 測試表征手段

本研究采用湘潭湘儀儀器有限公司生產的GKF-VIII硅酸鹽化學成分快速測定儀測定了風積沙的化學組成，使用SGW數顯式工程材料（抗壓抗折）強度綜合試驗儀測試了透水磚的抗折強度；依照GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》測定了透水磚的透水系數；采用日本理學株式會社生產的D/MAX-2500型X射線衍射儀分析了風積沙的晶相組成及相對含量。

2 結果與討論

2.1 不同粒徑風積沙原料性能分析

通過篩分法對所選用的骨料巴丹吉林沙漠的風積沙進行粒徑分布的測試，結果如表2所示。

表2 巴丹吉林沙漠風積沙的粒徑分布

由表2可知，巴丹吉林沙漠的風積沙顆粒粒徑比較大，主要集中在20~60目（0.25~0.85 mm）之間，其中20~40目（0.42~0.85 mm）的顆粒約占總量的37.3%，此風積沙顆粒度大且圓球度好，適合做透水磚的骨料。

不同粒徑風積沙的化學組成如表3所示，不同粒徑風積沙的晶相組成及相對含量如表4所示。

表3 不同粒徑巴丹吉林風積沙的化學組成 %

表4 不同粒徑巴丹吉林風積沙的晶相組成 %

由表3可知，風積沙高硅富鋁，并含有一定量的鐵，其成分類似于石英砂。不同目數的巴丹吉林風積沙化學組成相近，但晶相含量有顯著差異：60目以上的風積沙SiO2含量較多，60~80目的風積沙中CaO的含量稍高，當風積沙中硅鋁比越大，原料品質越好，所制成的透水磚燒結溫度越寬，CaO、MgO、K2O等含量越高，可以助熔，有利于透水磚的燒成，對比表4中石英相、方解石相含量可知，其與化學組成分析結果一致。

2.2 不同粒徑不同添加量風積沙對陶瓷透水磚透水系數的影響（見圖1）

圖1 不同粒徑不同添加量風積沙對陶瓷透水磚透水系數的影響

由圖1可知，在相同顆粒級配下，隨著風積沙添加量的增多，陶瓷透水磚的透水系數增大。這是因為風積沙是顆粒狀，其它粘結劑和助熔劑均為粉料，顆粒料的添加量越多，堆積形成的孔隙就越多，陶瓷透水磚的透水系數隨之增加。相同添加量下，隨著風積沙顆粒粒徑減小，透水磚的透水系數先增加后減小。這是因為顆粒大，堆積形成的孔隙就越大，等體積下所形成的孔隙數量就減少了，當風積沙的粒徑在40~60目（0.25~0.38 mm）時，孔隙大小和孔隙數量占比合理，使得透水系數最優。對比兩者變化幅度，可知風積沙添加量對陶瓷透水磚透水系數的影響遠大于風積沙的粒徑。當風積沙粒徑為40~60目，添加量為85%時，此時透水磚的透水性能最佳，透水系數為1.62×10-2cm/s。

2.3 不同粒徑不同添加量風積沙對陶瓷透水磚抗折強度的影響（見圖2）

圖2 不同粒徑不同添加量風積沙對陶瓷透水磚抗折強度的影響

由圖2可知，在相同顆粒級配下，隨著風積沙添加量的增加，陶瓷透水磚的抗折強度減小，這是因為風積沙顆粒越多，堆積形成的孔隙就越多，從而大大減小了陶瓷透水磚的抗折強度。在相同添加量下，隨著風積沙顆粒粒徑的減小，陶瓷透水磚的抗折強度明顯增加。這是由于風積沙顆粒較小時，陶瓷透水磚堆積越密實，比表面積越大，骨料之間的接觸點增多，對外力的傳遞作用變好，結構穩定，受力均勻，強度較大；當風積沙顆粒較大時，孔隙增多，骨料間的接觸點越少，導致強度降低，透水系數增大。此外，風積沙顆粒粒徑越小，越容易燒結并產生玻璃相，使燒成后陶瓷透水磚致密度提高，抗折強度急劇增加[7]。通過對比可知，風積沙添加量對陶瓷透水磚抗折強度的影響遠小于風積沙的粒徑。當風積沙粒徑為60~80目，添加量為75%時，此時透水磚的抗折強度最大，為5.58 MPa，但此配方下的透水系數不符合GB/T 25993—2010透水B級要求。當風積沙為40~60目，添加量為85%時，此時抗折強度為3.17 MPa，且透水系數為1.62×10-2cm/s，符合GB/T 25993—2010透水B級要求。

2.4 不同粒徑風積沙對陶瓷透水磚微觀形貌的影響（見圖3）

由圖3可知，風積沙陶瓷透水磚內部有較多的貫穿孔隙，孔徑范圍主要集中在50~80μm，孔隙大小不一，形狀無規律且分布不均勻。不均勻的孔分布在透水磚內部是由于風積沙顆粒堆積形成的，風積沙的顆粒大小和粒徑分布范圍對陶瓷透水磚性能的影響較大，風積沙圓球度越好，粒徑越細，表面能愈大，顆粒之間的固相反應就愈充分，同時也就愈容易產生液相，進一步促進燒結，而液相量與高溫蠕變有關，細顆粒多的其燒結收縮大[8]。風積沙顆粒越大，所制備的陶瓷透水磚透水系數越大。

圖3 不同放大倍數下不同粒徑風積沙陶瓷透水磚的SEM照片

綜上所述，在制備陶瓷透水磚時，需同時考慮抗折強度和透水系數等性能，故選擇顆粒40~60目（0.25~0.42 mm），風積沙添加量為85%時，所制備的陶瓷透水磚性能最佳。

3 結論

（1）當風積沙的顆粒級配40~60目（0.25~0.42 mm），添加量85%時，制備的陶瓷透水磚性能最佳：透水系數為1.62×10-2cm/s，抗折強度為3.13 MPa。

（2）風積沙的粒徑和添加量對陶瓷透水磚的透水系數和抗折強度都有影響，一般情況下骨料顆粒越大，陶瓷透水磚的透水系數越大，但抗折強度會相應減小；骨料的添加量越多，陶瓷透水磚的透水系數越大，抗折強度越小。

（3）風積沙的添加量對陶瓷透水磚的透水系數影響較大，風積沙的粒徑對陶瓷透水磚的抗折強度起主要作用。