0 引 言
透水砖是一种绿色环保的透水铺装材料，透水砖铺装路面可以有效减轻路面积水，控制雨水径流总量，同时还具有维持地下水位、减轻地面眩光、吸纳噪声等生态效应，是“海绵城市”建设中广泛使用的一种透水材料，应用前景广阔[1]。目前较为常见的透水砖有普通透水砖、混凝土透水砖等[2，3]，其中以尾矿、粉煤灰、建筑垃圾等工业固废为原料制备透水砖是当前研究热点[4-6]。赵亚兵等[7]以煤矸石为主要原料，以水泥为黏结剂，制备出多孔透水砖，并且通过调整工艺参数，制备出满足不同需求的透水砖。李德忠等[8]以铁尾矿作为透水砖集料，制备出高强度的尾矿透水砖，铁尾矿掺量达到82%。但这类透水砖一般是通过水泥等胶凝材料固结成型，受成型方式所限，透水砖的力学性能和透水性能往往难以兼顾[9]，要使透水砖保持良好透水性，其力学性能、抗冻性、耐磨性等指标会显著下降[10]。玻璃透水砖是1种新型透水材料，这种透水砖以尾矿为主要原料，利用玻璃的自胶结性能固结成型[11]，具有优良的力学性能和透水性能，同时为尾矿利用提供了1条有效途径[12]。但是现有玻璃透水砖的烧结是在玻璃颗粒自然堆积状态下进行，所需烧结温度高，能耗较大，且砖体表面容易出现鼓包现象。
鉴于此，本文研究了1种采用热压烧结法制备玻璃透水砖的工艺。以铅锌尾矿为主要原料制备基础玻璃，在基础玻璃颗粒烧结过程中对其施加恒定载荷，以降低烧结温度，增强力学性能，解决砖体表面鼓包问题。采用热压烧结法制备玻璃透水砖是1种新工艺，相关研究工作鲜有报道，因此对采用热压烧结法制备玻璃透水砖的工艺进行系统研究很有必要。本文对不同烧结条件下玻璃透水砖样品的力学性能、透水性能和外观形貌进行测试分析，研究玻璃透水砖性能与烧结温度、荷载之间内在联系和作用机制。
1 新型玻璃透水砖的制备及性能分析方法
1.1 实验原料
实验主要原料为铅锌尾矿，另外还有少量生石灰(CaO质量分数为81%)、硼酸(分析纯，上海宇涵生物科技有限公司)、石英砂(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)。铅锌尾矿取自陕西省镇安县罗长沟尾矿库，尾矿的主要矿物成分有石英、方解石、萤石、斜长石、白云母等，尾矿的XRD图谱如图1所示。
—SiO2；
—CaCO3；
—CaF3。
图1 罗长沟铅锌尾矿XRD图谱
Figure 1 XRD patterns of lead-zinc tailings of Luochanggou
罗长沟铅锌尾矿的主要化学成分如表1所示。
表1 罗长沟铅锌尾矿的化学成分
Table 1 Chemical constituents of lead-zinc tailings of Luochanggou %
ω(SiO2)ω(CaCO3)ω(CaF3)ω(Fe2O3)ω(CaO)ω(MgO)ω(K2O)ω(TiO2)ω(Al2O3)71.810.298.762.451.322.052.510.100.81
1.2 基础玻璃制备
根据基础玻璃原料组成[13-15]以及罗长沟铅锌尾矿的化学成分计算，得出熔制基础玻璃所需配比为：铅锌尾矿80.3%，生石灰9.4%，石英砂7.1%，硼酸3.2%。将原料分为4份，以5 ℃/min的升温速率从常温状态分别加热至1200，1300，1400 ℃，保温2 h，之后进行水淬处理。
图2为不同熔制温度下基础玻璃形态。原料在1200 ℃转变为熔融状态，具有一定流动性，水淬后凝固为有玻璃光泽的棕色固体，内部含有杂质，透光性较差；1300，1400 ℃时原料完全熔化，熔融液体流动性好，水淬后呈浅黄色透明玻璃状固体，内部通透无杂质。
图2 不同熔制温度下基础玻璃形态
Figure 2 Morphology of the basic glass at different producing temperatures
1.3 基础玻璃XRD分析
采用荷兰帕纳科X’Pert Powder型X射线衍射仪分别对1200，1300，1400 ℃条件下熔制的基础玻璃进行XRD分析，结果如图3所示。可知：熔制温度在1200 ℃时有明显衍射峰，说明此温度时原料未完全熔化，仍有晶体存在。熔制温度在1300，1400 ℃时图谱无明显衍射峰，说明此时的原料已完全转化为玻璃态。故熔制温度在1300 ℃时已满足实验要求，因此选取1300 ℃为本实验基础玻璃的熔制温度。
图3 基础玻璃XRD图谱
Figure 3 XRD patterns of the basic glass
1.4 基础玻璃DSC分析
采用德国耐驰STA449-F3型同步热分析仪对基础玻璃样品进行差热分析(DSC)，N2气氛下以10 ℃/min升温速率从室温升至1000 ℃。基础玻璃的DSC曲线如图4所示。可知：650 ℃是玻璃化转变温度，因此玻璃透水砖的烧结实验分别取650，680，710，740，770 ℃为烧结温度。
图4 基础玻璃DSC曲线
Figure 4 DSC curve of the basic glass
1.5 玻璃透水砖的制备与性能检测
对制备好的基础玻璃进行研磨并筛分，筛选粒度为1.6～3 mm的基础玻璃备用。将基础玻璃装入100 mm×40 mm(长×宽)的方形模具中，分装20个模具，依次在铺装好的基础玻璃上表面均匀施加0.67，0.72，0.77，0.82，0.87 kN/m2的恒定荷载，并以650，680，710，740，770 ℃为目标温度进行烧结。烧结实验起始温度为20 ℃，升温速率为5 ℃/min，保温2 h，冷却方式为随炉冷却。
透水砖试样制备完成后，对试样的抗压强度、抗折强度和透水系数进行测试，对试样形貌进行观察分析。抗压强度和抗折强度均采用WDW-50型微机控制电子万能试验机进行测试，透水系数按照JCT 945—2005《透水砖行业标准》[16]中的测试装置及方法进行测试，形貌特征采用Seepack TX5300型电子显微镜进行分析，所测试样厚度均为20 mm。
2 结果与讨论
2.1 抗压强度测试结果分析
不同荷载下试样的抗压强度随烧结温度变化如图5所示。可知：各组试样的抗压强度均随烧结温度的升高而增大，在同一烧结温度下，荷载越大，试样的抗压强度值越大。当烧结温度在650～680 ℃时，荷载为0.82，0.87 kN/m2时抗压强度速率显著大于其他组别。其中，荷载为0.82 kN/m2时的透水砖抗压强度从0.57 MPa增至1.90 MPa，荷载0.87 kN/m2时的抗压强度从0.98 MPa增至2.28 kN/m2，均已接近稳定值。当烧结温度在680～760 ℃时，荷载为0.67，0.72 kN/m2时的透水砖抗压强度仍持续增长，而其余荷载较大的组别抗压强度值已逐渐趋于平稳。
—0.67 kN/m2； 
—0.72 kN/m2； 
—0.77 kN/m2； 
—0.82 kN/m2； 
—0.87 kN/m2。
图5 玻璃透水砖抗压强度曲线
Figure 5 Compressive strength curves of glass permeable bricks
2.2 抗折强度测试结果分析
不同荷载下试样的抗折强度随着烧结温度变化曲线如图6所示。可知：随着烧结温度升高，各组试样的抗折强度均呈现上升趋势，且具有与抗压强度类似的变化规律。在同一烧结温度下，荷载越大，抗折强度值越大。烧结温度为770 ℃时，各组试样的抗折强度达到峰值，其中荷载为0.82，0.87 kN/m2时试样的抗折强度为3.6 MPa，是所有试样中最大值。当烧结温度在650～680 ℃时，荷载较大的组别抗折强度增长速率较快，其中荷载为0.82 kN/m2时的抗折强度增幅最大，从1.6 MPa增至2.6 MPa。当烧结温度在680～760 ℃时，荷载较小时试样的抗折强度增长速率较快，而荷载为0.82，0.87 kN/m2时试样的抗折强度值增长速率减缓，其中荷载为0.87 kN/m2时的抗折强度从3.1 MPa增至3.6 MPa，仅增加了0.5 MPa。
—0.67 kN/m2； 
—0.72 kN/m2； 
—0.77 kN/m2； 
—0.82 kN/m2； 
—0.87 kN/m2。
图6 玻璃透水砖抗折强度曲线
Figure 6 Flexural strength curves of glass permeable bricks
抗压强度和抗折强度呈现上述变化规律的原因在于玻璃透水砖特殊的成型原理。玻璃透水砖利用玻璃软化后自胶结性质固结成型。当烧结温度达到650 ℃时，基础玻璃颗粒的表面已经软化，在一定荷载下，玻璃颗粒间的接触面就会相互胶结，胶结点越多、胶结面积越大，试样的强度值越大。当烧结温度较低时，玻璃颗粒软化程度较低，在荷载较小的条件下玻璃颗粒间很难发生有效胶结，而当荷载较大时玻璃颗粒在外力作用下会发生变形，增加胶结点的数量与胶结面积。随着烧结温度升高，玻璃颗粒流动性增强，受荷载的影响越来越小，各组试样的胶结面积都不断增大，最终各试样的抗压强度与抗折强度趋于一致。
2.3 透水系数测试结果分析
试样的透水系数随着烧结温度变化曲线如图7所示。可知：各组试样的透水系数都随着烧结温度的提高而下降，下降速率先快后慢，最终所有试样的透水系数趋近于0。此外，在同一烧结温度下，荷载越大,透水系数越小。荷载为0.87 kN/m2时，650 ℃条件下试样的透水系数为0.98 cm/s，而当温度升至680 ℃时其值已趋近于0，透水性能明显劣于其他组别。其余组别的透水系数变化趋势基本一致，最大值出现在650 ℃，随后迅速下降，在740 ℃附近趋近于0。
—0.67 kN/m2； —0.72 kN/m2； —0.77 kN/m2； —0.82 kN/m2； —0.87 kN/m2。
图7 玻璃透水砖透水系数曲线
Figure 7 Permeability coefficient curves of glass permeable bricks
在基础玻璃铺装时，玻璃颗粒相互支撑形成了大量孔道，在烧结过程中随着玻璃颗粒的软化，孔道会逐渐减少直至消失[17]。在玻璃颗粒表面施加荷载会促使孔道闭合，孔道闭合的数量及速率与荷载大小密切相关。当荷载较大时，基础玻璃颗粒在软化初期即在外力作用下发生变形，导致大量孔道闭合消失。当荷载较小时，孔道在低温时会大量保留，温度升高后孔道数量减少但不会立即消失，使试样高温条件下仍具备透水性。
2.4 玻璃透水砖形貌分析
图8为荷载为0.83 kN/m2时不同烧结温度下样品形貌。可知：650 ℃时玻璃颗粒间界限清晰，玻璃颗粒间胶结面积小，试样表面凹凸不平，结构较为松散，孔道数量较多。随着烧结温度提高，玻璃颗粒间胶结面积逐渐增大，试样结构更加致密，孔道数量逐渐减小，试样表面趋于平整。当温度提高到770 ℃时，玻璃颗粒间的界限已基本消失，试样表面基本融为一体，未观察到有明显孔道存在。
图8 荷载为0.83 kN/m2时的样品形貌
Figure 8 Morphology of samples with a pressing load of 0.83 kN/m2
结合玻璃颗粒形态演化过程(图9)，对基础玻璃颗粒形态演化做进一步分析。在烧结前，基础玻璃颗粒之间呈点接触并相互支撑，存在大量相互贯通的孔道。当烧结温度达到玻璃软化温度时，玻璃颗粒开始产生软化和键合过程[18]，玻璃颗粒因键合而相互胶结在一起，此时的颗粒间仍以点接触为主，大部分孔道得以保留。随着烧结温度的提高，玻璃颗粒流动性增加，在自由能减小的驱动下[19]，物质向颗粒界面处和孔道部位填充，固-气表面积减小，孔道逐渐收缩。孔道的收缩伴随着颗粒胶结面的增大，颗粒间由点接触转化为面接触，并最终融为一体。
图9 玻璃颗粒形态演化过程
Figure 9 Morphological evolution of the glass particles
综合分析，铅锌尾矿玻璃透水砖的抗压强度、抗折强度、透水系数与热压烧结时的荷载及烧结温度有密切联系。在同一烧结温度下，试样的抗压强度和抗折强度随着荷载的增大而增大，而试样的透水系数随着荷载的增大而减小，当荷载达到0.87 kN/m2时试样的透水系数急剧减小。说明在烧结过程中对基础玻璃颗粒施加一定荷载可以有效提高试样的部分力学性能，但是也会显著降低透水性能。对比分析各组测试结果可以看出：当烧结温度为680 ℃、荷载为0.82 kN/m2时，试样的各项性能较为理想，此时试样的抗压强度为1.90 MPa，抗折强度为2.60 MPa，透水系数为0.6 cm/s，可使玻璃透水砖在具备优良力学性能的前提下具有较好的透水性能。
将本研究所涉及的主要性能指标同相关规范以及现有研究成果对比可以看出：试样的抗折强度达到GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》[20]中的Rf3.5等级，属中等级别；透水系数达到A级，且远高于2.0×10-2 cm/s的标准；抗压强度明显小于标准值，JCT 945—2005[16]中要求单块抗压强度≥25 MPa，且丁海萍等[21]以粉煤灰和煤矸石为原料制备的透水砖抗压强度达到31.2 MPa。抗压强度偏小主要原因在于试样厚度小于规定值，行业标准要求透水砖的厚度为40～120 mm，而本研究所得试样厚度只有20 mm。玻璃透水砖作为一种新型透水材料目前还处于实验室研究阶段，实验数据可为进一步研究提供参考，产品在工业应用方面还需进一步探索，特别是在模具、加载装置等设备的生产方面。
3 结 论
1)以铅锌尾矿为原料通过热压烧结法制备玻璃透水砖，当烧结温度为680 ℃、荷载为0.82 kN/m2时，试样抗压强度、抗折强度和透水系数等性能较为理想。此时试样的抗压强度为1.90 MPa，抗折强度为2.60 MPa，透水系数为0.6 cm/s。
2)在烧结过程中，对基础玻璃颗粒施加一定荷载可有效提高玻璃透水砖的抗压强度和抗折强度，但也会显著降低其透水性。
3)以铅锌尾矿为原料通过热压烧结法制备玻璃透水砖，是铅锌尾矿综合利用的一条有效途径，具有很好的推广应用前景。
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