在矿产资源日益减少和环保呼声日渐高涨的今天，尾矿的综合利用已经引起了广泛重视^[1]。据不完全统计，我国堆存的尾矿总量已达146亿t^[2]，其中铁尾矿占总量的约30%。大量堆存的铁尾矿带来了严重社会危害，突出表现在环境污染、资源浪费、安全隐患、土地占用等方面^[3]。为解决铁尾矿综合利用问题，国内外学者对此做了较多研究工作。王长龙等^[4]利用铁尾矿和煤矸石制备出弯曲强度在230 MPa以上的微晶玻璃，认为铁尾矿微晶玻璃的力学性能取决于热处理工艺。刘璇^[5]等以粉煤灰、铁尾矿为主要原料制备了地质聚合物。马崇振^[6]对铁尾矿中提取钛降进行试验研究，获得TiO₂含量47.33%、回收率55.13%的钛精矿。土耳其的Cine-Milas省采用磁场、浮选等多种方法去除杂质，从铁尾矿中选出钾长石，并将钾长石精矿用于陶瓷工业^[7]。铁尾矿利用方面的研究虽然取得了一些成果，但总体来说利用方向较为单一，利用率还处于较低水平^[8-11]。

为提高铁尾矿利用率，拓展铁尾矿利用方向，本文以铁尾矿为原料，制备了一种被称作玻璃透水砖的新型透水材料。通过对玻璃透水砖试样的抗压强度、透水系数、保水性进行测试分析，探讨烧结温度、基础玻璃粒度和性能间的关系。玻璃透水砖尾矿利用率高，外观和性能与现有透水砖有很大区别^[12-14]，如果能推广使用将对促进铁尾矿利用有重要意义。由于玻璃透水砖是一种新材料，相关研究工作公开报道较少，因此对利用铁尾矿制备玻璃透水砖进行系统研究很有必要。

1 试验 1.1 试验原料

试验原料包括铁尾矿(粒度小于0.18 mm)、生石灰(CaO质量分数大于70%)、Al₂O₃(分析纯)、石英砂(0.18-0.074 mm，分析纯)、硼酸(分析纯)。其中铁尾矿取自陕西省商洛市大西沟铁尾矿，大西沟铁尾矿主要矿物组成是白云母和石英，另外还有少量黄铁矿、方解石、金红石、斜长石、绿泥石等。通过XRF分析获得该尾矿的主要化学成分如表 1所示。

1.2 基础玻璃制备与表征

根据铁尾矿的化学成分和基础玻璃所需原料组成^[15]计算得出利用铁尾矿熔制基础玻璃的质量配比为：铁尾矿63.5%，生石灰20.7%，石英砂12.6%，硼酸3.2%。原料混合均匀后平均分成4份装入坩埚中，用SGM·VB30/16型箱式电阻炉加热，以5 ℃/min的升温速率分别加热至1 100、1 200、1 300、1 400 ℃，并保温2 h，保温结束后迅速将样品取出进行水淬。通过样品熔融及水淬后特征形态确定基础玻璃最佳熔制温度。

用德国耐驰STA449-F3型同步热分析仪对基础玻璃进行差示扫描量热分析(DSC)，用氮气做保护气体，温度设定为室温到1 000 ℃，升温速率为10 ℃/min。通过荷兰帕纳科X’Pert Powder型X射线衍射仪对基础玻璃进行X射线衍射(XRD)分析。DSC与XRD分析结果为下一步制备玻璃透水砖提供依据。

1.3 玻璃透水砖的制备与表征

将基础玻璃在小型球磨机中研磨10 s，用标准筛筛分后得到4组不同粒度分布的基础玻璃颗粒，分别为4~2.36、2.36~0.8、0.8~0.3、0.3~0.075 mm。

将各组基础玻璃颗粒分别装入涂有脱模剂的方形坩埚(100 mm×40 mm)内，玻璃颗粒铺设厚度50 mm，摊铺平整并压实。每种粒度玻璃颗粒分装5个坩埚，热处理工艺为初始温度20 ℃，加热时间2 h，加热速度为5 ℃/min，随炉冷却，依次在610、660、710、760 ℃温度下进行烧结。

用WDW-50型微机控制电子万能试验机测试玻璃透水砖抗压强度，加载速度为0.5 mm/min。依照《JCT 945-2005透水砖行业标准》^[16]中的试验方法，测试玻璃透水砖的透水系数和保水性。用SeepackTX5300型显微镜进行形貌分析。

2 结果与讨论 2.1 基础玻璃试验结果与分析 2.1.1 基础玻璃熔制结果分析

图 1为不同熔制温度下基础玻璃形态。由图可见，1 100 ℃时原料熔化的部分很少，可以清晰看到未熔化颗粒物；1 200 ℃时原料已完全熔化，呈黄褐色，中间有气泡产生，流动性很差；1 300 ℃原料全部熔化，呈深棕色，表面有小气泡产生，流动性差；1 400 ℃时原料全部熔化，呈深棕色，流动性很好，且气泡少，透光性好。

2.1.2 DSC分析

图 2为熔制温度1 400 ℃时的基础玻璃DSC曲线。从图中可以看出，曲线在610 ℃时出现了吸热峰，在810 ℃时出现放热峰，610 ℃即为玻璃的转化温度，810 ℃为晶化温度。因此玻璃透水砖烧结试验以610 ℃为起点，以50 ℃为梯度递增，即分别取610、660、710、760、810 ℃为烧结试验温度。

2.1.3 XRD分析

图 3为熔制温度1 400 ℃时的基础玻璃XRD图谱，扫描区间为20°~70°。从图中可以看出试样没有出现明显晶体的衍射峰，呈无定形态，也没有显示玻璃组成配料化合物衍射峰，说明该工艺下各物质已经转化为非晶态，参与组成玻璃网络结构^[17]。

2.2 玻璃透水砖测试结果与分析 2.2.1 抗压强度测试结果分析

不同粒度分布下试样抗压强度随烧结温度变化曲线如图 4所示。由图可以看出，随着烧结温度升高，各组试样的抗压强度均呈现上升趋势。对于同一烧结温度下的试样，基本呈现出基础玻璃粒度越小，抗压强度越大的规律。当温度610 ℃、粒度4~2.36 mm时，样品抗压强度最小，为7 MPa；当温度810 ℃、粒度0.3~0.074 mm时，样品抗压强度最大，为27 MPa。图中还可以看出，基础玻璃粒度越大，试样抗压强度随烧结温度增长速率越快。粒度0.3~0.075 mm时，抗压强度增长了7 MPa，而粒度4~2.3 mm时，抗压强度增长了17 MPa。810 ℃时，各组试样的抗压强度相差不大。这是因为玻璃透水砖是利用玻璃的自胶结特性固结成型的^[18]，当玻璃颗粒较小时，玻璃颗粒软化所需热量小，只要温度达到玻璃转化温度，细小的颗粒界面之间即发生熔化胶结。随着温度升高，较大玻璃颗粒界面上出现流动贯通，胶结面积快速增大，促使试样整体抗压强度迅速提高，最终各粒度下试样的抗压强度趋于相同。

2.2.2 透水系数测试结果分析

各组试样透水系数随烧结温度变化曲线如图 5所示。由图可以看出，各组试样的透水系数均随着烧结温度的升高而降低，粒度大的试样在同一烧结温度下其透水系数始终大于粒度较小的。烧结温度810 ℃时，2.36~0.8 mm、0.8~0.3 mm、0.3~0.075 mm三组试样的透水系数趋近于0，而4~2.36 mm试样仍然保持较高透水系数，达0.98 cm/s。这是因为，玻璃颗粒在铺装时内部存在大量相互贯通的孔道，随着烧结的进行，颗粒间的孔道会逐渐缩小直至闭合。大颗粒由于自身的骨架作用，使得孔道在高温时仍然能够维持。

2.2.3 保水性测试结果分析

根据各试样吸水前后质量变化数据，按照公式(1)计算得出保水性:

$ B = \frac{{{m_2} - {m_1}}}{A} $

(1)

式中：

B—保水性，g/cm²；

m₂—干燥试样的质量，g；

m₁—试样吸水24 h的质量，g；

A—试样的上表面积，cm²。

各组试样保水性随烧结温度变化曲线如图 6所示。由图可以看出，粒度为2.36~0.8、0.8~0.3、0.3~0.075 mm时，试样保水性随着烧结温度的升高呈下降趋势。粒度为4~2.36 mm时，保水性先增大后减小，在650 ℃时达到最大值，为4.9 g/cm²。保水性随着烧结温度的升高而减小的原因是，玻璃透水砖的保水性与自身开孔率有关^[19]，烧结温度越高，玻璃颗粒间流动性越强，开孔率越小，保水性也随之降低。粒度4~2.36 mm时保水性先上升后下降原因是，在610 ℃时大颗粒间胶结面积相对较小，孔隙过大，水在其中难以保持，所以保水性的最大值没有出现在610 ℃。

2.2.4 玻璃透水砖形貌分析

选取基础玻璃粒度2.36~0.8 mm时的样品进行形貌分析，如图 7所示。由图 7(a)可以看出，当烧结温度610 ℃时，试样表面可以观察到玻璃颗粒间胶结率低，胶结面积很小，大多呈点状胶结，玻璃颗粒软化程度低，基本保持颗粒原有形状，颗粒间天然孔道基本得以保留。从图 7(b)~(d)可以看出，烧结温度提高后，玻璃颗粒间的界面逐渐消失，孔道逐渐变小直至闭合。从图 7(e)可以看出，当温度升到810 ℃时，试样表面平整，已基本看不到颗粒界面，绝大多数孔道已经消失。

综合以上分析，玻璃透水砖的抗压强度、保水性和透水系数三项性能指标与基础玻璃粒度分布以及烧结温度有着密切关系。对于粒度4~2.36 mm的试样来说，烧结温度从610 ℃提高到810 ℃，抗压强度从7 MPa增至24 MPa，增长幅度达到243%；透水系数从2.45 cm/s减至0.98 cm/s，减小幅度只有60%，远小于抗压强度增幅。由此可见，玻璃透水砖可以同时具备较大的抗压强度和理想的透水系数，这与传统透水砖无法兼顾抗压强度与透水系数的情况完全不同^[20-22]，这一现象产生的原因在于玻璃透水砖的自胶结成型机理，这也是玻璃透水砖相对传统透水砖的优势之一。对于本试验来说，粒度4~2.23 mm、烧结温度760~810 ℃为最佳制备工艺，此时试样即有着较高的抗压强度，又有着较好的透水性。

3 结论

(1) 利用铁尾矿可以制备性能良好的玻璃透水砖。当基础玻璃粒度为4~2.23 mm、烧结温度为760~810 ℃时，试样抗压强度、透水系数等性能指标较为理想。此时试样的抗压强度为24 MPa，透水系数为1.06~0.98 cm/s，保水性为0.9~0.4 g/cm。

(2) 玻璃透水砖的抗压强度随着烧结升高呈上升趋势；透水系数均随着烧结温度的升高有不同幅度下降，粒度大的试样在同一烧结温度下的透水系数始终大于粒度较小的；保水性随着烧结温度的升高一般呈下降趋势，但是当粒度4~2.36 mm时，保水性先增大后减小，在650 ℃时达到最大值。

(3) 基础玻璃粒度为4~2.36 mm时，随着烧结温度的升高，玻璃透水砖透水系数减小幅度远小于抗压强度增加幅度。玻璃透水砖因其自胶结成型机理，可以同时具备较大的抗压强度和理想的透水系数，克服了传统透水砖抗压强度提高透水系数就会大幅降低这一缺点，有很好的推广应用前景，是铁尾矿综合利用的一条有效途径。