以粉煤灰和碎玻璃为主要原料研制泡沫玻璃

张 源 源，王 志 强，刘 宝 龙

(大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

0 引 言

粉煤灰泡沫玻璃是在粉煤灰玻璃配合料坯体中加入适量发泡剂，当坯体受热软化时，由于加入坯体的发泡剂生成一定量气体，致使坯体生成气孔结构而形成的一种轻质材料。粉煤灰泡沫玻璃是粉煤灰在玻璃工业中较广泛的应用，它具有导热系数低、强度高、密度小、吸声等特点，可作保温、吸声、填充材料和混凝土骨料等[1－4]。

黏土是一种含水铝硅酸盐产物，是由地壳中含长石类岩石经过长期风化和地质的作用而生成的，在自然界中分布广泛，种类繁多，藏量丰富，是一种宝贵的天然资源。其特征是与适量水结合可调成柔可绕指的软泥，具有可塑性和结合性，将塑性成形的泥团煅烧后会变成具有一定湿度的坚硬烧结体。

国内目前对粉煤灰泡沫玻璃的研究较多，但还没有人研究添加黏土的粉煤灰泡沫玻璃的性质。工业化的加强，无可避免地产生越来越多的粉煤灰，如果能对其进行更加合理广泛的应用，一方面减少了对环境的污染，另一方面又变废为宝，提高其自身利用价值。黏土在自然界中分布广泛，要善于加工利用。目前对于黏土最广泛的利用就是制作黏土砖，但黏土砖的性质不够优良，需要加以改良。本文研究了黏土对于粉煤灰泡沫玻璃的影响，并期望得到利用范围更广泛、性质更好的泡沫玻璃产品。

1 实 验

1.1 主要原材料

粉煤灰：大连电厂灰渣，化学成分见表1。

碎玻璃：破碎的瓶罐玻璃，经洗净、球磨、烘干后，过100目筛，化学成分见表1。

黏土：苏州土，化学成分见表1。

表1 主要原料化学组成表Tab.1 Chemical composition of the main raw materials

1.2 实验方法

按配方称取干燥的粉煤灰、碎玻璃、黏土、发泡剂和稳定剂，加入球磨罐中湿磨1h，放入烘箱中干燥后，用研钵研磨10min，以10MPa的成型压力采用半湿法成型，压制出45mm×45mm×10mm的样品。将成型后的样品放入烘箱中在80℃下干燥5h，完全干燥后放入电阻炉中按设定的温度制度烧结。

将烧结后的样品利用煮沸法测量密度[5]，测量出干燥样品的质量m1、饱和吸附液体的样品在空气中质量m2及其悬挂在液体中质量m3，则体积密度D＝m1／(m2－m3)，气孔率P＝(D0－D)／D0×100%。式中，D0为样品在1 400℃下烧结后的真密度。

将样品切割成10mm×10mm×10mm的立方体，用北京金盛鑫检测仪器有限公司生产的RGT－5型微机控制电子万能测验机测其平均抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂的选择

在配合料坯体中能否形成气孔结构，主要取决于配合料坯体的软化温度与发泡剂发生化学反应放出气体的温度是否匹配，软化时间长短与放出气体时间长短是否匹配，这就要求选择的发泡剂必须合适。

在备选的3种发泡剂中炭黑开始生成气体的温度大约为500℃，从800℃左右生成二氧化碳的速度加速；碳酸钙分解生成最大气体量的温度约为900℃；碳酸钠开始生成气体的温度约为720℃，生成最大气体的温度约为860℃[6]。

用相同的稳定剂，不同的发泡剂制备出一组泡沫玻璃配合料坯体，将坯体按5℃／min的速率升温至500℃，保温30min，再以10℃／min升温至830℃，发泡60min，以10℃／min升温至930℃，烧结60min。选择碳酸钙、碳酸钠和碳粉为发泡剂[7]，不同的发泡剂对泡沫玻璃发泡效果的影响见表2。实验结果表明，应选择碳酸钠与碳粉共同作为发泡剂。

表2 不同发泡剂对泡沫玻璃发泡效果的影响Tab.2 Influence on the foaming effect of foam glass from different foaming agent

2.2 确定发泡剂掺量

选择碳酸钠与碳粉共同作为泡沫玻璃发泡剂，两种发泡剂的比例对泡沫玻璃质量的影响见表3。由实验结果可知，选择碳酸钠与碳粉的比例为3∶1作为发泡剂最为适宜。将碳酸钠与碳粉按照相同的比例、不同的掺量加入到配合料中，其掺量对泡沫玻璃质量的影响见表4。实验结果表明，掺入7.5%碳酸钠和2.5%碳粉作泡沫玻璃发泡剂时泡沫玻璃性能最好。

表3 碳酸钠与碳粉比例对泡沫玻璃质量的影响Tab.3 Impact on quality of foam glass from the proportion of Na2CO3and carbon powder

表4 发泡剂掺量对泡沫玻璃的影响Tab.4 Effect on foam glass from the quantity of foaming agent

2.3 确定发泡温度

发泡温度是影响泡沫玻璃质量的一个重要因素。因为在加热过程中，一方面坯体逐步软化，黏度降低，另一方面发泡剂开始分解和发生化学反应产生气体。如发泡温度过高，则玻璃液黏度和表面张力过低，而产生的气体压力过大，容易造成气体穿越孔壁，孔洞融合、联通致使气体排出体外。反之，若发泡温度过低，则玻璃黏度和表面张力过大而产生的气体压力偏小，产生发泡困难、密度大、中心发泡不均匀的现象[8]。

根据炭黑和碳酸钠产生气体的情况，分别选择810、830、850℃作为发泡温度，发泡时间均为60min。坯体主要组成不变，得到的泡沫玻璃密度分别为697、580和705kg／m3。由于850℃时黏度、表面张力小，气泡逸出坯体致密度增大，切开发现烧结的样品中间部分已呈实心状态，故选择830℃为发泡温度。

2.4 确定发泡时间

将坯体以5℃／min升至500℃，保温30min后以10℃／min升至830℃，发泡时间对泡沫玻璃密度的影响见图1。从图1可以看到，泡沫玻璃的密度随着发泡时间的延长而减小，但60和90min时的密度相差不大，从能量消耗和产品质量双方面进行考虑，选择发泡时间为60min最为适宜。

2.5 确定烧结温度

要使得泡沫玻璃具有一定强度，需寻找合适的烧结温度。在烧结时间为60min情况下，在910、930和950℃烧结出的泡沫玻璃的密度分别为637、580和596kg／m3，抗压强度分别为4.8、4.9和4.9MPa。根据实验结果，选择930℃为烧结温度。

图1 发泡时间对泡沫玻璃密度的影响Fig.1 Impact on density of foam glass from foaming time

2.6 烧结时间的影响

要使坯体具有一定强度，需要一定的烧结时间。烧结温度为930℃时烧结时间对泡沫玻璃的影响见图2。由图2可知，随着烧结时间的延长，密度降低，但60min后随着逐渐有气体排出开始增加，抗压强度随着烧结时间的延长而增大，后趋于平稳。综合两方面考虑，选择烧结时间为60min。

2.7 添加黏土对泡沫玻璃性能的影响

除了上述几项指标外，本实验着重分析添加黏土对泡沫粉煤灰性能的影响，添加黏土与不添加黏土的粉煤灰泡沫玻璃性能见表5。

由表5结果可以看出，黏土对于泡沫玻璃的性能有一定影响。随着添加黏土量的增多，密度减小但不明显，抗压强度增大。这是因为黏土具有黏结剂的作用，在成型时可以减小颗粒间距离，发泡过程中减少气体从坯体中的逸出，从而减小泡沫玻璃的密度。而黏土本身烧结后可形成硬烧结体，这在一定程度上又增大了泡沫玻璃的抗压强度。从泡沫玻璃质量和能源利用双方面考虑，选择添加5%黏土制作粉煤灰泡沫玻璃。

图2 烧结时间对泡沫玻璃密度的影响Fig.2 Influence on density of foam glass from sintering time

表5 黏土对粉煤灰泡沫玻璃性能影响Tab.5 Impact on the property of foam glass from clay

3 结 论

(1)通过对粉煤灰泡沫玻璃性能的影响因素进行系统研究得到最佳的工艺条件为：①组成：粉煤灰37%，碎玻璃58%，黏土5%，发泡剂为碳酸钠7.5%和碳粉2.5%，稳定剂为1.5%磷酸钠，助熔剂为1.5%硼酸。②温度制度：按5℃／min的速率升温至500℃，保温30min；以10℃／min的速率升温至830℃，发泡60min；以10℃／min升温至930℃，烧结60min。在此条件下制备的泡沫玻璃密度为580kg／m3，抗压强度为4.9MPa。

(2)添加黏土对粉煤灰泡沫玻璃具有一定影响，黏土的添加可以减小泡沫玻璃的密度和增加其抗压强度。

[1]孙莉莉，祁元春.泡沫玻璃的研究进展[J].化学工程与装备，2012(1)：111－113.

[2]王玉玲，梁忠友.粉煤灰在玻璃工业中的应用[J].科技信息，2007(22)：23.

[3]PUCHKA O V，IMINKO N，STEPANOVA M N.Foam－glass based composite heat－insulating material with a protective－decorative coating on the front surface[J].Glass and Ceramics，2009，66(1)：43－45.

[4]田英良，张磊，顾振华，等.国内外泡沫玻璃发展概况和生产工业[J].玻璃与搪瓷，2010，38(1)：37－41.

[5]田仕，王为民，张帆，等.致密陶瓷材料密度和气孔率的测试方法[J].试验研究，2011，47(8)：476－479.

[6]方荣利，刘敏，周元林.利用粉煤灰研制泡沫玻璃[J].保温材料与建筑节能，2003(6)：38－40.

[7]FERNANDES H R，TULYAGANOV D U，FERREIRA J M F.Preparation and characterization of foams from sheet glass and fly ash using carbonates as foaming agents[J].Ceramics International，2009，35(1)：229－235.

[8]李东斌，刘学慧，刘利峰.粉煤灰泡沫玻璃的研究与开发[J].油气田地面工程，1999，18(2)：71－73.