随着国民经济的飞速发展，各类矿产资源需求及开采量急剧增加，尾矿和废石处理问题日趋严峻。矿山废石是在矿产资源开采过程中产生的非矿石废弃物，主要为围岩和夹石；尾矿则是选出精矿后分离出来的固体废料。两者既有资源化再利用的潜力，也存在环境污染的风险^{［ ［1］ 杜金晶，鲍彦如，王雪，等. 提钒尾矿综合回收利用研究现状［J］. 矿冶工程，2024，44（2）：153-159，166.
1 ］}。目前，我国每年产生的尾矿和废石超过200亿吨，其利用率不足19%^{［ ［1］ 杜金晶，鲍彦如，王雪，等. 提钒尾矿综合回收利用研究现状［J］. 矿冶工程，2024，44（2）：153-159，166.
［2］ 张一丁，蔡晓光，黄鑫，等. 某尾矿坝动力抗震分析［J］. 铜业工程，2024（5）：154-160.
1-2 ］}。巨量固废的堆存不仅浪费大量土地资源，还会对当地生态环境造成严重影响，一旦处置不当，将会成为严重的安全隐患^{［ ［2］ 张一丁，蔡晓光，黄鑫，等. 某尾矿坝动力抗震分析［J］. 铜业工程，2024（5）：154-160.
［3］ Li Q，Zhang L Y，Zhang L M，et al. Optimizing energy efficiency and thermal comfort in building green retrofit［J］. Energy，2021，237：121509.
2-3 ］}。废石可制成机制砂，替代河砂用于制备混凝土。而尾矿由于存在成分复杂、粒度细等问题，其应用受到限制^{［ ［4］ 施麟芸，匡敬忠，刘松柏，等. 铜尾矿建材化应用研究现状及矿物组成影响作用规律［J］. 硅酸盐通报，2022，41（10）：3511-3524.
4 ］}。

透水砖用于“海绵城市”建设，可缓解城市内涝，降低极端天气下城市排水压力^{［ ［5］ 王惠，陈磊，苗夏雨，等. 水泥基透水砖在海绵城市的应用［J］. 四川建材，2024，50（3）：155-157.
5 ］}。根据生产工艺不同，透水砖分为免烧透水砖和烧结透水砖两大类^{［ ［6］ 张锐. 浅谈城市道路透水砖的发展及其应用［J］. 四川水泥，2025（2）：266-268.
6 ］}。免烧透水砖由砂石等骨料与水泥制得，不用高温烧结，生产能耗低，但存在孔隙易堵塞、抗冻性差等问题，且很难利用尾矿等细粒径固废^{［ ［7］ 段思宇. 钢渣—粉煤灰—脱硫石膏复合胶凝体系的反应机制及应用研究［D］. 太原：山西大学，2020.
7 ］}。烧结透水砖采用煤矸石、废旧陶瓷、废弃石材等固废作为主要原料，通过高温烧结制得，其强度较高，吸水和保水性能优于免烧透水砖^{［ ［8］ 朱晓霞. 透水砖材料的吸水保水性能比较研究［J］. 工程建设与设计，2025（1）：161-163.
8 ］}，因此受到广泛关注。

Kim等^{［ ［9］ Kim Y，Lee Y，Kim M，et al. Preparation of high porosity bricks by utilizing red mud and mine tailing［J］. Journal of Cleaner Production，2019，207：490-497.
9 ］}以赤泥和金尾矿为主要原料，成功制备了高孔隙率的烧结透水砖，但砖体强度较低，限制了其应用前景。贺晓梅等^{［ ［10］ 贺晓梅，段旭晨，郭伟，等. 高掺量煤矸石制备烧结透水砖的试验研究［J］. 陶瓷，2023（3）：17-20.
10 ］}采用煤矸石为主要原料，并添加了适量膨润土、长石和钢渣，烧结制备的透水砖性能仅满足国家标准B级要求，透水性并不理想。张佳硕等^{［ ［11］ 张佳硕，王永斌，彭军，等. 白云尾矿与转炉渣制备烧结透水砖及性能研究［J］. 中国陶瓷，2024，60（2）：60-68.
11 ］}采用稀土金属尾矿与转炉渣为原料烧制透水砖，制得的透水砖具有良好的透水性和强度，但尾矿添加量仅为25%。尽管针对工业固废制备烧结透水砖的研究较多，但大多数产品性能不理想，或者对尾矿等细粒径固废的利用率低。

铜尾矿和矿山废石富含SiO₂和Al₂O₃，是制备烧结透水砖、发泡陶瓷等产品的优质原料。利用铜尾矿和矿山废石制备高强度透水砖，不仅可以实现这些固体废弃物的资源化再利用，还能有效解决因堆积而引发的安全和环境问题，为尾矿废石的高效利用开辟了新途径^{［ ［12］ 蓝卓越，高天锐，吕晋芳，等. 矿山废石对环境的污染及其综合利用研究现状［J］. 矿产保护与利用，2021，41（3）：126-131.
［13］ 朱秋飞，周坤. 九江城门山铜矿尾矿综合回收利用试验研究［J］. 铜业工程，2021（6）：28-30.
12-13 ］}。

为实现透水砖强度与透水性能的协同优化，同时高效利用铜尾矿，本研究以矿山废石作为骨料、铜尾矿作为黏结材料，通过调控骨料与黏结材料的比例，构建高孔隙率结构，经一次烧结制备烧结透水砖，并探究烧制温度、保温时间、废石骨料粒径以及尾矿掺量4个关键参数对透水砖综合性能的影响，以期获得具有高强度和高透水性的透水砖，为铜尾矿的资源化利用提供理论依据和技术支撑，推动该领域的可持续发展。

透水砖制备流程如图1所示。将废石和尾矿烘干后，使用标准筛分机将废石筛分为粒径为2.00~3.35 mm（6~10目）、0.85~2.00 mm（10~20目）、0.60~0.85 mm（20~30目）等不同粒度级别，尾矿则筛选出粒径74 µm（200目）以下的细粉。按照设计配比，将不同粒径废石和74 µm（200目）以下尾矿用搅拌机混合均匀，加入原料总质量8%的水，搅拌均匀后制得混合料。称取250 g混合料，放入100 mm×100 mm的方形模具中，压制成型。将成型的砖坯以105 ℃烘干12 h，随即转移至马弗炉中，以10 ℃/min的升温速率加热至设定的烧成温度。保温一定时间后，随炉冷却至室温。最终得到透水砖，用于性能测试。

理化性能表征：采用X射线荧光光谱仪（XRF）和X射线衍射光谱仪（XRD）分析铜尾矿和废石的化学成分及物相组成，采用马尔文粒度分析仪分析铜尾矿的粒度分布。

抗折强度测试：按照《透水路面砖和透水路面板》（GB/T 25993—2023）中附录A的方法进行测试。

透水系数测试：按照《透水路面砖和透水路面板》（GB/T 25993—2023）中附录C的方法进行测试。计算公式见式（1）：

式中：K为透水系数，cm/s；Q为时间t内的透水量，mL；L为试样厚度，cm；A为试样上表面积，cm²；H为水头差，cm；t为透水时间，s。

显气孔率测试：依据国家标准《陶瓷砖测试方法 第3部分：吸水率、显气孔率、表观相对密度和容重的测定》（GB/T 3810.3—2016）的规定进行测试。

本研究使用的铜尾矿和废石来自江西省某铜矿。原料经充分干燥后筛分，废石粒径范围控制在0.60~3.35 mm（6~30目），尾矿选用粒径74 μm（200目）以下。图2为74 μm（200目）以下尾矿的粒度分布图，尾矿粒径主要分布在0.25~200 μm，D₅₀为9.118 μm。

尾矿和废石的主要化学成分见表1。两者的主要化学组成均为SiO₂和Al₂O₃，尾矿中SiO₂、Al₂O₃、CaO质量分数总和达到84.41%，这种成分配比有利于在烧结过程中形成含辉石矿物的体系，有助于增加材料的致密度，是一种理想的烧结材料^{［ ［11］ 张佳硕，王永斌，彭军，等. 白云尾矿与转炉渣制备烧结透水砖及性能研究［J］. 中国陶瓷，2024，60（2）：60-68.
11 ］}。图3为铜尾矿的XRD图谱，显示其主要矿物成分为石英、正长石、石膏、高岭石，另含少量方解石、黄铁矿和金云母等矿物。尾矿中的碱金属化合物可降低烧结温度，促进液相形成。烧制过程中，分解的碳酸盐和硫酸盐可提高材料的孔隙率，从而提升砖体的透水性能。

图4是骨料废石的XRD图谱，其主要矿相为石英、伊利石、利蛇纹石和正长石。其中的石英和长石相具有较高的硬度，作为骨料能增强砖体的整体强度^{［ ［14］ 邢益强，吴晓鹏，潘孟博，等. 铝矾土尾矿基陶瓷透水砖的制备及其性能研究［J］. 中国陶瓷，2021，57（2）：46-54.
14 ］}。

为确定最佳烧结温度，选取粒径为0.85~2.00 μm（10~20目）的废石为骨料，保温时间设定为60 min，尾矿掺量为50%，烧结温度控制在1 160~1 200 ℃。尾矿中含有K₂O、Na₂O等碱金属氧化物，可作为助熔剂降低体系的共熔点，使其在1 160~1 200 ℃内能够生成足量液相；而废石骨料的主要成分石英（SiO₂）和长石的熔点均高于1 200 ℃，在烧成过程中主要起骨架支撑作用。因此，在此温度区间内，尾矿熔融并填充、黏结高熔点的废石骨料，是实现砖体烧结与孔隙成型的关键。

图5显示了不同烧结温度对砖体抗折强度和透水性能的影响。可以看出：砖体的抗折强度随烧结温度的升高而增大，1 200 ℃时达4.65 MPa；砖体的透水性能则呈相反趋势，随着烧结温度的上升而降低，1 200 ℃时几乎为0，不具备透水能力。这是由于升温过程中，废石表面包裹附着的尾矿颗粒逐渐形成熔融液相，使骨料颗粒产生黏连，且温度过高会加快黏连物质的反应速率^{［ ［14］ 邢益强，吴晓鹏，潘孟博，等. 铝矾土尾矿基陶瓷透水砖的制备及其性能研究［J］. 中国陶瓷，2021，57（2）：46-54.
14 ］}。骨料颗粒间的孔隙逐渐被熔融液相填充，颗粒结合更加致密，砖体抗折强度得到提高。而在较低烧结温度时，生成的熔融液相较少，烧结程度不足，骨料颗粒间存在大量孔隙，因此透水系数较大，为42.2×10⁻² cm/s。随着温度的进一步升高，这些孔隙被新生成的熔融液相填充，透水通道被堵塞，导致透水系数急剧下降^{［ ［15］ 李洪亮，刘次啟，周波，等. 重矿渣透水砖研究现状综述［J］. 砖瓦，2022（6）：41-43.
15 ］}。

图6是烧结温度分别为1 160、1 170、1 180、1 200 ℃，保温时间均为60 min的透水砖试样的断面照片。由图可知，温度为1 160 ℃时，废石颗粒之间的烧结程度较低，界限清晰，存在大量通孔且孔隙大小分布不均。随着温度升高，废石颗粒在熔融尾矿包裹下结合得更为紧密，孔隙数量变少。当温度为1 200 ℃时，骨料颗粒间几乎被熔融尾矿填满，孔隙细小，通孔较少。

在1 180 ℃烧成温度下，烧结透水砖断面骨料黏合紧密，存在较多较大通孔，砖体综合性能优异，抗折强度为3.59 MPa，透水系数为6.1×10⁻² cm/s，达到《透水路面砖和透水路面板》GB/T 25993—2023要求，远超透水等级A级标准（2.0×10⁻² cm/s）。温度继续升至1 190 ℃，尽管砖体的抗折强度提升至4.49 MPa，透水系数却降至1.9×10⁻² cm/s，低于国家标准透水等级A级要求。综上所述，1 180 ℃是烧结透水砖的最佳烧成温度。

为进一步确定最优烧结条件下的保温时间，在1 180 ℃烧结温度下，设定保温时间40~100 min，研究保温时间对透水砖性能的影响规律。图7显示了不同保温时间对烧结透水砖抗折强度和透水系数的影响。由图可知：砖体抗折强度随保温时间的延长逐步增大，从1.15 MPa增至5.13 MPa；与之相反，透水系数呈现递减趋势，从32.9×10⁻² cm/s降至1.5×10⁻² cm/s。

延长保温时间，砖体内部烧结反应更充分，砖体内的熔融液相增多，骨料颗粒之间结合更紧密，黏结力更强，整体强度得到了提高。然而，保温时间过长会产生过多熔融液相，进而填充砖体内部的孔隙，减少水流通道，降低砖体的透水系数^{［ ［16］ 汪永清，鲍志蕾，杨柯，等. 利用赣南稀土尾砂制备陶瓷透水砖的研究［J］. 陶瓷学报，2015，36（3）：260-265.
16 ］}。由此可见，保温时间的控制对于烧结透水砖综合性能具有关键作用。

图8为烧结温度1 180 ℃时，保温时间分别为40、80、100 min的透水砖试样的断面照片。由图8可知，当保温时间为40 min时，断面的熔融尾矿较少，废石颗粒之间黏结疏松，孔隙大小不均，多为通孔。当保温时间为60 min时，砖体内部烧结程度有所提高，骨料黏结改善，但孔隙结构开始被液相填充，通孔数量较40 min时减少。随着保温时间增加，尾矿烧结更充分，熔融液相增多且流动性更好，填充废石颗粒之间的孔隙，导致通孔尺寸变小、数量减少。当保温时间为100 min时，骨料颗粒之间黏结充分，结构致密，但大量孔隙被堵塞，通孔很少。

保温时间为60 min时，砖体抗折强度为3.58 MPa，透水系数为8.7×10⁻² cm/s。虽然其透水性优于80 min试样，但抗折强度较低，而80 min的样品在强度（4.01 MPa）和透水性（4.6×10⁻² cm/s）之间取得了最佳平衡，均满足国标A级要求。保温时间延长至100 min时，虽然砖体的抗折强度提高至5.13 MPa，但透水系数显著降低至1.5×10⁻² cm/s，未能满足A级透水砖的要求。因此，从综合性能角度出发，选择80 min作为最佳保温时间。

在1 180 ℃烧成温度和80 min保温时间的烧结制度下，进一步探究骨料废石粒径对透水砖性能的影响，结果如图9所示。可以看出，随着骨料粒径的增大，透水砖的抗折强度和透水系数都呈上升趋势。当骨料粒径为2.00~3.35 mm（6~10目）时，试样的抗折强度达到峰值4.23 MPa。这可能是因为较大粒径的骨料在熔融尾矿内部能形成更多、更强的黏结桥，使砖体更加牢固。同时，形状不规则的大骨料颗粒间堆积形成的间隙较大，为透水提供了更多、更大的通道，从而增强了透水性能^{［ ［17］ 孔祥法，单玉玺，周梓林，等. 基于正交试验的铁尾矿烧结透水砖性能影响因素分析［J］. 安徽工业大学学报（自然科学版），2022，39（2）：145-152.
17 ］}。

图10为上述烧结工艺下，不同骨料废石粒径[2.00~3.35 mm（6~10目）、0.85~2.00 mm（10~20目）、0.60~0.85 mm（20~30目）]的透水砖样本断面照片。可以看出：大粒径骨料之间黏结紧密，透水孔隙较大，通孔居多；反之，小粒径废石之间孔隙较小，互不相连。因此，使用2.00~3.35 mm（6~10目）的废石骨料时，烧结透水砖综合性能最佳。

在烧成温度为1 180 ℃、保温时间80 min、废石粒径为2.00~3.35 mm（6~10目）条件下，进一步考察尾矿掺量对砖体综合性能的影响，结果见图11。由图可知，抗折强度随着尾矿掺量的增加而逐渐提高，透水系数随着尾矿掺量的增加逐渐降低。这是因为砖体尾矿含量高，高温熔融液相增多，骨料颗粒黏结更为紧密，从而提高了抗折强度。同时液相量的增加会造成砖体孔隙堵塞，透水通道减少，导致透水性降低。

在上述烧结制度下，废石粒径为2.00~3.35 mm（6~10目）、不同尾矿掺量（20%~70%）的透水砖试样断面照片如图12所示。可以看出，随着尾矿占比的提高，高温熔融相增多，骨料废石之间黏结更紧密，结构更致密，透水通孔显著变少。当尾矿掺量为60%时，试样抗折强度可达5.81 MPa，透水系数却降至1.1×10⁻² cm/s，未能满足国家标准A级透水指标。综合考虑，烧结透水砖的最佳尾矿掺量应控制在50%。

烧结透水砖的抗折强度主要取决于尾矿与骨料废石的黏结强度^{［ ［18］ Gao S，Cui X W，Zhang S M. Utilization of molybdenum tailings in concrete manufacturing：a review［J］. Applied Sciences，2020，10（1）：138.
18 ］}，同时受到烧结过程中砖坯的物理、化学以及矿物学变化的影响。不同温度烧结得到的透水砖XRD图谱见图13。当烧成温度为1 160 ℃时，尾矿中石膏、高岭石、方解石、黄铁矿、金云母，以及废石中伊利石、蛇纹石等矿相衍射峰均消失，表明这些矿相在高温下发生了分解；同时，新晶相钠长石和赤铁矿随温度的升高而增多。

在固相烧结阶段，尾矿中各种矿物的晶格被破坏后，形成的非晶态物质结晶生成钠长石，部分长石与石英、硅铝酸盐形成低共熔物，促使尾矿熔融，形成液相，充填于骨料颗粒之间，起到黏结作用。综上所述，推测此过程反应如下[式（2~7）]^{［ ［15］ 李洪亮，刘次啟，周波，等. 重矿渣透水砖研究现状综述［J］. 砖瓦，2022（6）：41-43.
［16］ 汪永清，鲍志蕾，杨柯，等. 利用赣南稀土尾砂制备陶瓷透水砖的研究［J］. 陶瓷学报，2015，36（3）：260-265.
15-16 ］}：

在冷却阶段，随着温度降低，高温熔体逐渐冷却生成玻璃相，玻璃相与石英、赤铁矿、钾长石一同形成致密烧结体，将废石颗粒黏结起来。同时，玻璃相在冷却过程中体积收缩，会在废石颗粒之间形成孔洞。因此，制备的透水砖保持了良好的透水性，同时又有良好的强度^{［ ［19］ 陈永亮，张一敏，陈铁军，等. 鄂西铁尾矿烧结砖的烧结过程及机理［J］. 建筑材料学报，2014，17（1）：159-163.
［20］ 于漧. 烧结砖中矿物相的研究［J］. 砖瓦世界，2008（2）：32-33.
19-20 ］}。

在最佳工艺条件下，透水砖的显气孔率为28.7%，表明砖体具有高透水性。图14为最佳工艺条件下透水砖断面SEM图，由图中砖体微观结构可知，废石骨料与熔融尾矿之间形成了牢固结合，同时存在大量孔道。这从微观尺度证实了砖体强度与透水性的平衡机制。

本研究以铜尾矿和矿山废石为原料制备烧结透水砖，探究了烧制温度、保温时间、废石骨料粒径及尾矿掺量4个关键参数对透水砖抗折强度和透水系数的影响规律。结论如下：

1）最优工艺参数为：烧成温度1 180 ℃，保温时间80 min，骨料粒径2.00~3.35 mm（6~10目），尾矿掺量50%。基于此工艺制备的透水砖样品表现出优异的综合性能，其抗折强度为4.23 MPa，透水系数为10.1×10⁻² cm/s，性能指标满足国家标准《透水路面砖及透水路面板》（GB/T 25993—2023）要求。

2）透水砖生坯烧结过程中，尾矿形成熔融液相并逐渐生成新晶相，冷却后会形成致密的烧结体，将废石颗粒黏结起来。新晶相在冷却过程中体积收缩，在废石颗粒之间形成孔洞，使透水砖既保持了良好的透水性，又有良好的强度。