粉煤灰在再生陶瓷墙地砖中的应用＊

2011-11-20王功勋

陶瓷 2011年8期

关键词：硼砂熔剂坯体

王功勋高高周璇

（湖南科技大学湖南省普通高等学校土木工程施工过程与质量安全控制重点实验室湖南湘潭 411201）

粉煤灰在再生陶瓷墙地砖中的应用＊

王功勋高高周璇

（湖南科技大学湖南省普通高等学校土木工程施工过程与质量安全控制重点实验室湖南湘潭 411201）

主要研究了粉煤灰在陶瓷墙地砖生产中的应用。在引入粉煤灰的同时，通过加入不同掺量的陶瓷废砖粒和抛光砖粉，在用硼砂作为辅助熔剂的条件下，以正交试验进行设计与分析，得出一组最佳配比，在扩大废物利用率的同时有效提高制品强度。

粉煤灰陶瓷墙地砖抛光砖粉硼砂

前言

粉煤灰是火力发电厂排放的一种工业废渣，是煤粉经1100～1700℃燃烧得到的。据统计，仅2000年粉煤灰年排放量就达1.53亿t，近年来随着电力工业的迅速发展，电厂粉煤灰的排放量还在不断增加。目前大量粉煤灰在建材工业中的应用主要有生产粉煤灰水泥，做水泥或混凝土的掺合料，生产粉煤灰砖、粉煤灰砌块、加气混凝土等。但粉煤灰整体利用率不高，仅为40%左右，远远落后于欧美发达国家的70%～80%水平。粉煤灰利用途径的开发已成为迫切需要［1，2］。

粉煤灰的化学成分与传统陶瓷原料成分相似，因此，根据粉煤灰所含的特有成分研制出具有新性能或使某些性能得到增强的陶瓷材料，开拓新的粉煤灰综合利用途径，既降低产品的生产成本、提高市场竞争力，又能治理环境污染、造福社会，具有重要的经济意义和社会意义。基于以上分析，本文重点对粉煤灰在陶瓷墙地砖中的应用展开了研究。

1 实验原料及方法

1.1 实验原料

陶瓷原料：白泥/红泥（粘土质原料）、石粉（长石类原料）、幼砂（石英类原料）粉磨过60目（0.28mm）筛，少量辅助熔剂硼砂。烧成废料：陶瓷厂墙地砖生产中的烧成废料，破碎至一定粒径，其中大于0.6mm的砖粒占64.3%，小于0.6mm的砖粉占35.%。抛光砖废渣：陶瓷厂

生产抛光砖产生的废泥渣，经烘干破碎，过60目筛筛余1.4%，比表面积515m2/kg。

粉煤灰取自广州某电厂。其化学组成见表1。其矿物组成采用理学D/max－Ⅲ型全自动X－射线衍射仪进行测定，测定条件为：Cu靶，石墨单色器，电压为40 kV，电流为30mA。结果见图1。

表1 粉煤灰的化学组成（质量%）

图1 粉煤灰X－射线衍射图谱

从图1可以看出，粉煤灰的主要矿物组成为石英、CaCO3和Fe2O3。

粉煤灰的玻璃相含量测定采用1%的HF溶液浸泡20h，用定量滤纸过滤，将残留物放入坩埚内置于700℃左右的条件下灼烧，计算粉煤灰浸泡前后的质量损失，测得其玻璃相含量为35%。

粉煤灰颗粒粒径测定：颗粒中＞45um的颗粒组成的测定根据GB/T1345－2005《水泥细度检验方法筛析法》进行；颗粒中＜45um的颗粒组成采用BT－1500离心沉降式粒度分布仪测定。结果见表2。

表2 粉煤灰颗粒分布（%）

1.2 实验方法

整个实验工艺流程如下：原料处理→配料→搅拌造粒（粒料含水率7%～8%）→装模→压制成形→坯体干燥→烧成→性能测试。烧结温度1200℃，保温时间1 h，升温速率15℃/min。所制的圆柱体试样尺寸如下：直径35mm，高25mm。

主要实验设备包括振动磨、液压机、鼓风电热恒温干燥箱、箱式电阻炉等。性能测试按相关国家标准进行。

2 试验方案及原理

因粉煤灰熔点较高，需加入熔剂性原料长石，以便与粉煤灰及其它原料形成低温共熔体，降低烧成温度，形成的液相还能填充坯体的孔隙，减少气孔率，增大致密度，从而提高坯体的机械强度。

本试验中的石粉即为钾长石，白泥和红泥主要用来改善坯料的可塑性与粘结性，便于造粒、成形，提高生坯的干燥强度。幼砂（即石英）在烧成过程中的体积膨胀，能补偿粉煤灰及其它原料熔融、分解引起的坯体收缩，降低收缩率。高温下石英能熔解于液相中，提高液相的粘度，未熔解的石英颗粒构成坯体的骨架，起增强作用，这都减少了坯体变形的可能性。瘠性原料石英、长石不仅能提供生坯水分快速排出的通道，缩短干燥时间，而且能为粉煤灰中有机碳粒燃烧和无机矿物分解产生的气体提供排出通路。

本试验中掺入了部分陶瓷厂产生的烧成废料—废砖粒。一方面废砖粒的粒径较大，在挤出机的挤压作用下会使坯体表面略显粗糙，提高了墙地砖的抗滑性及其外观质感，另一方面也提高废料利用率。根据笔者早期的研究，当配比组合为：废砖粒∶白泥∶红泥∶幼砂∶石粉＝1.7∶1.7∶1.3∶1∶1时，制品在强度及表观方面表现最佳，故本次试验确定这一配比不变。另外，由早期研究可知，掺入少量的陶瓷废料—抛光砖废渣（抛光粉），会对制品强度有所影响，但影响不大，本试验为提高废料的综合利用率，故添加了少量的抛光砖粉。

本试验还引入了少量硼砂作为辅助熔剂，所使用的硼砂，其熔点为741℃，远低于钾长石开始熔融温度。添加少量硼酸盐作为陶瓷坯体中的助熔剂，使钾长石与硼砂复合作为多元熔剂，可降低坯体的最低共熔温度点，使坯体出现液相的温度大大降低。较早出现的液相在其表面张力的作用下把坯体中共存的晶相颗粒胶结在一起，促使SiO2和Al2O3的进一步扩散，有利于莫来石晶体的生成及线性生长，提高坯体的机械强度。随着温度进一步上升，液相量将不断产生增多，充分填充坯体孔隙，排除气孔，促进坯体的致密度。

3 实验结果与讨论

3.1 单掺粉煤灰对制品强度的影响

大量研究表明，粉煤灰对粘土制品焙烧性能有很大影响，这主要取决于粉煤灰的掺量多少，粉煤灰的颗粒尺寸及粘土制品的烧成温度。随着粉煤灰掺量的增加，Fe2O3、CaO含量增大，坯体中形成含Fe2O3、CaO的玻璃相，高温粘度随温度的升高而迅速降低，此时易产生变形［3］。另一方面，粉煤灰是经高温烧制而成的多组分混合物，从其化学成分析比较，它与传统的弱塑性粘土很相近，但从其矿物组成来看，由于粉煤灰含有大量的玻璃相，致使粉煤灰陶瓷坯体在高温下因玻璃相熔融而产生大量熔体而造成坯体收缩大、易变形，且坯体强度低；同时，粉煤灰中碳及其它盐类的氧化分解速度慢，并伴有大量气体产生，致使坯体升温速度缓慢，否则坯体易开裂并伴有黑心，同时坯体在高温下的莫来石化反应也使坯体在烧成中的升温速度不宜过快，由此产生的坯体烧成周期延长［4］。

刑伟宏对粉煤灰的高温烧结性能进行了研究［5］，结果见图2。从他的研究中可以发现，1000℃以前，样品基本没有外观体积的变化；1050℃，样品明显收缩；1250℃，样品收缩到最小体积，表明样品内部大部分气体已经排出，密实度增大；1270℃开始膨胀，1308℃膨胀到最大值，随后样品逐渐软化。

图2 粉煤灰随温度变化的收缩曲线

鉴于粉煤灰的这种特性，因此，本试验确定粉煤灰掺量在15%以下，采用内掺法，在掺入粉煤灰的同时确保原料其他组分的比例不变。试验配比见表3。从表3中可以看出，白泥∶红泥∶幼砂∶石粉＝1.7∶1.3∶1∶1。烧结温度1200℃，保温时间1h，升温速率15℃/min。

表3 粉煤灰掺量对强度与吸水率的影响

从表3可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，制品强度呈现先下降后增加，随之又下降的过程。当粉煤灰掺量在10%时，制品强度最高，相比未掺粉煤灰的试样强度增幅达34.6%。可见，粉煤灰有一最佳掺量，在本试验中，其最佳掺量值在10%。另外，从表3可以看出，随粉煤灰掺量增加，制品的吸水率明显下降。这说明适量粉煤灰的掺入提高了制品的致密度，使得制品气孔率下降，制品吸水率也随之明显降低。可见，适量粉煤灰的掺入在1200℃高温下起到了一定的熔剂作用，粉煤灰所含的玻璃相熔融，产生的液相有利于坯体粉末颗粒的流动传质，从而促进制品烧结致密化，使得制品强度增加，吸水率下降。

3.2 复掺粉煤灰及其他熔剂对制品强度的影响

在单掺粉煤灰的基础上，掺入不少于20%的陶瓷废砖粒，外掺少量抛光砖粉及辅助以少量硼砂作为复合熔剂组分。在本次试验中，将粉煤灰、硼砂、抛光砖粉作为变化的三个因素，选取不同的掺量，采用三因素三水平的正交试验表头来设计本次试验。具体配比组成见表4，其因素及水平分布见表5，正交试验极差分析见表6。

表4 正交试验中各配比组成（质量%）

表5 正交试验中的影响因素及其水平分布

表6 正交试验结果的极差分析

从表4的试验结果看，编号8的这组配比强度最高，效果最佳，对比空白样而言强度提高幅度达35%。试验说明，在粉煤灰、硼砂、抛光粉的三者作用下，当其掺量分别为6%、0.8%、5%时，即为A2B3C2组合配比时，对强度提高作用最明显。根据表6的极差分析，选取三因素各自最大值所对应的水平，即为组合的最佳配比。从表6可以看出，当因素A列当中，选择第2个水平值，也即K2时，所对应的结果最大为66.0。同理，在因素B列中，K3所对应的值最大；而在因素C列当中K2所对应的结果最大。故由极差分析得到的结果是：A2B3C2组合配比为最佳。根据直观的试验结果和极差分析所得到的最佳配比一致，可确定本次试验的最优选组合即为A2B3C2。另外，通过极差分析表中的R值可知，三因素对试验结果的影响显著程度依次为B＞C＞A。根据三者R值均较大，而相互之间相差并不大，足见这三个因素对试验结果的影响程度均较大，改变其中任何一个因素的水平，都将导致试验结果的极大变化。

由以上分析可知，B因素即硼砂掺量的大小对试验结果的影响显著程度最大，其掺量的略微改变都将引起制品强度的极大变化。这主要体现了硼砂作为辅助熔剂组分所起到的巨大作用。试验结果表明，硼砂与钾长石多元熔剂的组合可降低坯体的最低共熔温度点，使坯体出现液相的温度大大降低，促使SiO2和Al2O3的进一步扩散，有利于莫来石晶体的生成及线性生长，提高坯体的机械强度。同时，硼砂与硅酸盐熔体高温反应，易形成均匀一致的低粘度玻璃相。这大大改善了液相对固相的润湿能力，提高了固相在液相中的溶解度及扩散速度，促进溶解－沉淀传质过程而引起坯体迅速致密化，从而提高烧成速度和烧后产品的性能。

本试验中粉煤灰玻璃相含量大，其大量液相的产生，可充分填充坯体孔隙，排除气孔，这也进一步促进了坯体的致密度。另外，本试验中的抛光砖粉颗粒粒径小，比表面积值高达515m2/kg，其平均中位粒径为7.47um。在高温及适当液相量的作用下，坯体中抛光粉的细小颗粒具有比大颗粒更大的溶解度，抛光粉的细小颗粒将会优先溶解，并通过液相扩散在大颗粒表面沉淀析出。这也会使粒界不断推移，空隙被填充，从而达到致密化的目的。