摘 要

我国每年有大量煤矸石排放，煤矸石存量已经超过1000Mt，大量煤矸石堆积污染环境，并且缺乏有效的利用途径，造成资源的浪费和严重环境问题。透水砖是一种新型材料用于城市铺装，能够缓解地表硬化带来的城市内涝和城市“热岛”效应。

本文以煤矸石、赤泥和粘土为主要原料，添加不同种类的造孔剂，采用半干压成型和挤出成型两种成型方法制备陶瓷透水砖。通过实验获得了兼具透水性和强度的透水砖，研究了造孔剂种类、含量、粒径掺入比例和成型工艺的对透水砖孔结构的影响规律。

研究发现：（1）秸秆、木屑、石墨三种造孔剂，秸秆形成的针状气孔较多，强度最低（1.29MPa）；木屑掺入后孔隙率最高（62.99%），故透水率最高（3.92×10^-3）；石墨形成的封闭气孔较多，透水率较低，但强度较好。（2）比较造孔剂的掺入量，随着掺量的增加，孔隙率上升，透水率升高，强度降低。其中秸秆加大掺量后强度继续降低但是透水率和孔隙率不会上升。（3）挤出成型的孔隙率和半干压成型的孔隙率基本差别不大，挤出成型的透水砖抗压强度很高，每组的挤出成型透水砖的强度是半干压成型的透水砖抗压强度的两倍以上，但挤出成型的砖透水率较低，只有半干压成型试样的50%。（4）粒径减小可以提高强度和透水率，但粒径继续减小透水率和强度都会降低。（5）秸秆和煤粉以3:1混合掺入可以使透水砖强度显著升高159%，透水率升高129%。（6）最优方案：单一造孔剂，选择15%秸秆性能最好；复合造孔剂15%秸秆和5%煤粉性能最好。

关键词:煤矸石；赤泥；陶瓷透水砖；造孔剂

Abstract

　　In China, there are a large number of coal gangue emissions every year, and the coal gangue stock has exceeded 1,000 Mt. A large number of coal gangue deposits pollute the environment and there is no effective way to use them, resulting in waste of resources and serious environmental problems. Permeable bricks are a new type of material used in urban pavements, which can alleviate the urban haze and urban “heat island” effects caused by surface hardening.

In this paper, coal gangue, red mud and clay as the main raw materials, adding different types of pore-forming agent, the use of semi-dry compression molding and extrusion molding two ceramic permeable bricks. Water permeability and strength of water-permeable bricks were obtained through experiments. The influence of pore-forming agent type, content, particle-incorporation ratio and molding process on pore structure of permeated bricks was studied.

The study found that: (1) straw, sawdust, graphite three kinds of pore-forming agent, straw formed more needle-shaped stomata, the lowest strength (1.29MPa); wood chips after the highest porosity (62.99%), so the highest permeability ( 3.92×10^-3); graphite formed more closed pores, lower water permeability, but better strength. (2) Comparing the incorporation of pore-forming agent, with the increase of the content of the pore-forming agent, the porosity increases, the water permeability increases, and the strength decreases. The strength of the straw will continue to decrease after increasing the dosage, but the water permeability and porosity will not increase. (3) The porosity of the extrusion molding and the porosity of the semi-dry compression molding are basically the same, and the compressive strength of the extruded permeable bricks is very high. The strength of the extrusion permeable bricks of each group is semi-dry compression molding. More than double the compressive strength of the permeable bricks, but the water permeability of the extruded bricks is low, only 50% of the semi-dry forming specimens. (4) Particle size reduction can increase strength and water permeability, but particle size continues to reduce water permeability and strength will decrease. (5) The mixing of straw and pulverized coal in a 3:1 ratio can significantly increase the strength of the permeable tile by 159%, and increase the water permeability by 129%. (6) The optimal solution: a single pore-forming agent, the best 15% straw performance; composite pore-forming agent 15% straw and 5% coal powder best performance.

Key words: coal gangue; red mud; ceramic permeable brick; pore-forming agent

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目 录 Ⅳ

1绪 论 1

　　1.1研究背景及选题意义 1

　　　　1.1.1煤矸石 1

　　　　1.1.2赤泥 2

　　1.2透水砖 3

　　　　1.2.1透水砖的分类和制备 3

　　　　1.2.2透水砖的研究现状 3

　　1.3成孔剂及其原理 4

1.3.1低温成孔剂 4

1.3.2高温成孔剂 4

1.4本课题研究的目的和意义 5

1.4.1研究的目的和意义 5

1.4.2研究内容 5

2煤矸石-赤泥-粘土透水砖的制备 7

　　2.1实验原料与主要设备 7

　　　　2.1.1实验原料及性能 7

　　　　2.1.2主要实验设备 7

　　2.2煤矸石-赤泥-粘土透水砖的制备工艺 8

　　　　2.2.1技术路线 8

　　　　2.2.2透水砖的制备工艺 9

　　2.3材料结构与性能测试方法 10

　　　　2.3.1抗压强度测试 10

　　　　2.3.2透水率测定 11

　　　　2.3.3显气孔率、体积密度和吸水率测定 12

　　2.4微观结构形貌观察 13

3实验结果与分析 14

　　3.1造孔剂种类对透水砖结构与性能的影响 14

　　　　3.1.1造孔剂种类对透水砖性能的影响 14

　　　　3.1.2造孔剂种类对孔结构的影响 15

　　3.2造孔剂含量对透水砖结构与性能的影响 17

　　　　3.2.1秸秆含量对孔结构和性能的影响 17

　　　　3.2.2木屑含量对结构和性能的影响 19

　　　　3.2.3石墨含量对结构和性能的影响 21

　　3.3不同成型方法对透水砖性能的影响 23

　　3.4造孔剂粒径对透水砖结构与性能的影响 25

　　3.5复合造孔剂对透水砖结构与性能的影响 27

4 结论 30

致 谢 31

参考文献 32

１绪 论

1.1研究背景及选题意义

随着现代超大型城市的扩张，对城市功能的要求不断提高，其中一项要求就是建设现代海绵城市。实现城市在大规模降雨或降雪后，不出现内涝的现象，尤其是中国南方城市的城市建设中尤其需要考虑防洪防涝的措施。因此，迫切需要一种优良渗水性能且兼具良好的力学性能的透水砖用于市政建设。透水砖的孔结构的联通以及成孔剂的选用会对渗水性能产生很大影响。

目前，用于制备透水砖的原料主要有煤矸石、赤泥、水厂污泥、黄金尾矿、粉煤灰、混凝土、釉面陶瓷等。同时，由于我国目前已积存的煤矸石约有1000Mt，并且由于持续开采，每年会排放约100Mt，不仅占用大量土地堆放，同时还会对环境造成污染，因此选用煤矸石作为原料制备。

1.1.1煤矸石

煤矸石是一种在煤矿开采中产生的固体废弃物，是在掘进、开采、洗煤过程中排放的废弃物。包含了洗煤厂的洗矸、煤炭生产中的手选矸、半煤巷和岩巷掘进中排出的煤和岩石以及和煤矸石共同堆放的煤系之外的白矸等的混合物。包含有泥质、碳质、和砂质页岩的混合物，发热值较低，含碳量在20%~30%之间，部分的会含有腐殖酸。

煤矸石的无机成分主要是硅、铝、钙、镁、铁的氧化物和一些稀有元素。其化学成分组成如表1-1。

表1-1 煤矸石主要化学成分

当前大部分煤矸石都处于弃置状态，占用了大片土地。不仅如此，煤矸石中含有的硫化物逸出或浸出会污染大气、土壤和水体。堆放而成的煤矸石山还可能发生自燃引发火灾。因此，为消除污染，从60年代开始，很多国家开始对煤矸石进行处理与利用工作。

以山西省为例，截止2010年底，山西省煤矸石发电机组消耗煤矸石仅占全省煤矸石产量11%，煤矸石砖厂及建材厂可利用煤矸石占比约12%，用于填沟造地的矸石量利用率约5%，用于充填路基、塌陷坑和外售等的矸石量利用率约10%，剩余62%的煤矸石全部堆放^[1]-[3]。

煤矸石的利用途径有以下几种：回收煤炭和黄铁矿；用于发电；制造建筑材料。到目前为止，煤矸石的利用率还不够高，利用的技术发展还不完善，煤矸石的堆积对环境影响还很严重。

1.1.2赤泥

赤泥是氧化铝在生产过程中产生的废渣，含有大量氧化铁而呈现红色。因矿石品位、生产方法和技术水平的不同，每生产 l t 氧化 铝要排放1.0~1.8t的赤泥。据估计，全世界氧化铝工业每年产生的赤泥超过6×10⁷t，2007年我国赤泥年排放量达到4000万t，2010年预计达4500~5000万t，累计赤泥堆积量已达几亿 t。其主要化学成分见表1-2。

表1-2 典型赤泥化学成分表

　　赤泥的成分、性质的差异，决定了不同的赤泥利用方法。赤泥及其附液具有强碱性，同时含有可再生利用的氧化物和多种有用金属元素，成为赤泥再生利用的基础

。赤泥中含有较高的CaO，SiO₂，可用来生产硅酸盐水泥及其它建材；利用其SiO₂，Al₂O₃，CaO，MgO，的含量特征及少量的TiO₂，MnO，Cr₂O₃可以生产特种玻璃^[4]。概括来说，对赤泥的利用主要有三种途径：用作矿物原料；提取有价金属；应用于环保领域。

1.2透水砖

1.2.1透水砖的分类和制备

从透水原理划分，透水砖可以分为两大类：砖体自身透水砖和砖体自身不透水砖。砖体自身透水砖的透水功能是依靠砖体内部大量的连通孔实现的，自身不透水砖是在铺设道路砖时，在砖体之间保留一定缝隙实现透水^[5][6]。

从成分和工艺划分，透水砖又可以分为陶瓷透水砖以及非陶瓷透水砖两类。陶瓷透水砖的主要原料大多为固体废弃料、建筑垃圾等，通过合理的级配、成型、烘干，经高温烧制而成，具有一系列的优点，如:强度高，耐久性好，透水性能佳。而非陶瓷透水砖的主要原料是无机非金属材料，一般采用有机或无机粘结剂混合后，经震动成型、固化而成^[7]。

目前，国内外制造透水砖的方法主要有两种。一种是添加造孔剂，利用碳粒、木屑等一些在高温下能够燃烧的原理，在原本填充的位置形成空洞；另一种是颗粒堆积法，利用矿物尾料、建筑垃圾、废瓷等借助烧结助剂粘结、堆积成多孔结构^[8-10]。两种方法都是利用砖体内的微小孔洞来达到透水的目的，但是在使用不同成孔剂和不同工艺的情况下会对透水砖的孔结构和产生很大影响，从而会对透水率和抗压强度产生影响。

1.2.2透水砖的研究现状

　　透水砖最早出现于荷兰，故透水砖又有一名称为荷兰砖。在荷兰人围海造田的过程中发现由于很多地面长期接触不到海水而出现了下沉现象，同时堤坝被海水冲垮，造成严重灾害。因此荷兰人开发了一种表面透水的砖，雨水通过孔隙流入地下，解决了地表下沉问题。

欧美发达国家也展开了透水砖的研究^[11]，在1979年，美国研制出了抗压强度可以达到26MPa的混凝土透水砖，透水系数达到了1.6mm/s；1987年在伽罗里州，弗罗里达州和其他降雨少的地区使用了一种孔隙率为15%~25% 抗压强度14.0~17.5MPa的混凝土透水砖，之后美国混凝土预拌协会实验室对其进行了抗冻性的试验研究。最后因其抗压强度较低，在日常道路铺装中不能满足使用要求，无法推广应用^[12]-[14]。

从目前的技术来看，国内生产的透水砖的透水性能较好，但力学性能指标不足。近年来，我国已有一些生产陶瓷透水砖的企业，但产量很小。

1.3成孔剂及其原理

1.3.1低温成孔剂

目前常用于制造多孔陶瓷的低温成孔剂有:淀粉、木屑、石墨、秸秆、有聚合物微珠、有机纤维等。气孔率通常通过添加造孔剂的数量控制。有机造孔剂通常经由热解过程或有机溶剂浸渍溶解去除，但需要长时间加热并产生大量的气体，甚至伴随一些有害的副产品。

秸秆作为农业废弃物，大部分被堆放露天燃烧，对环境有很大危害。但由于秸秆呈纤维状，能够在烧成后形成连通孔，故本课题对秸秆、木屑、石墨成孔剂对透水砖的孔结构的影响进行研究，其中重点对秸秆进行研究。秸秆的组成如表1-3^[15]-[17]。

表1-3 农作物秸秆工业分析和元素分析

1.3.2高温成孔剂

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