陶瓷抛磨废料免烧砖的制备与强度研究＊

2014-11-26杨福伟朱方才陈志川郑彩华

陶瓷 2014年2期

谌俊杨福伟朱方才陈志川郑彩华

（1 广东清远职业技术学院广东清远 511510）（2 广东家美陶瓷有限公司广东清远 511510）

近十几年来，我国陶瓷工业得到了迅猛发展，建筑陶瓷产量位居世界总产量第一位。据中国建筑卫生陶瓷协会发布的统计数据，2012年瓷砖产量已达92多亿m2，而其中抛光砖产量占全国瓷砖总产量的35.99%，已达33亿m2。据统计，生产每平方米抛光砖将产生1.5kg抛磨废料，磨头损失约0.6kg，即每平方米抛光砖将产生2.1kg左右的废料［1］，则全国每年将产生690万t抛磨废料。大部分陶瓷企业主要采取填埋方式处理废料，不但占用了大量土地，同时对环境造成了严重污染。

目前，国内学者对陶瓷抛磨废料的回收利用做了大量的研究，如广东宏陶陶瓷有限公司通过技术研发，研制成功掺入18%的陶瓷抛光废渣等作为原料用于生产陶瓷釉面砖［1］，但废料掺入量比例太低，消耗废料的量有限。

华南理工大学的税安泽等［2］以抛磨废料为主要原料，通过烧结研制出轻质多空建筑材料；佛山科学技术学院的周松青等［3］在抛磨废料中加入洁具粒子后经搅拌、陈腐、压制成形、烧成，制备出多孔透水砖［4］。但通过烧结工艺对陶瓷废料加以利用，无疑又会增加了能源的消耗和生产成本。国内利用粉煤灰制备免烧砖的研究［5～6］报道较多，而使用陶瓷抛磨废料制备免烧砖的研究报道极少。采用抛磨废料替代价格日益上涨的粉煤灰制备免烧砖，具有废料使用量大、经济前景广阔，同时节约土地和减少环境污染等优势。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验用原材料

陶瓷废料：选用广东家美陶瓷有限公司的陶瓷抛磨废料，表观密度为2.48g／cm3，堆积密度为0.85g／cm3，细度为80μm筛余3.5%，其化学成分见表1。

表1 陶瓷抛磨废料化学成分（质量%）Tab.1 The chemical analysis results of waste ceramic polishing grinding

水泥：采用海螺牌42.5普通硅酸盐水泥，实测28 d抗压强度为44.2MPa。

砂：河砂，过9.5mm方孔筛，除去大颗粒，细度模数为2.78，表观密度为2.64g／cm3，堆积密度为1.42 g／cm3。

石粉：清远采石场废料，道路所用石粉。激发剂：硫酸钠和石灰混合自制而成。

1.2 试验设备

采用FN101－2A烘箱除去陶瓷抛磨废料中水分；每次称重7块试样质量，装入JJ－5型胶砂搅拌机进行混料，搅拌3min；将搅拌均匀的物料装填入自制的试验砖模具，模具尺寸为50mm×50mm×30mm；在Y32型油压机上压制成形；脱模后放入SHBY－40B型养护箱养护28d，养护温度为（20±1）℃，养护湿度大于80%；用100kN微机万能力学试验机测定砖的抗压强度。

1.3 试验成分配比设计

免烧砖原料成分配比如表2所示，其中未加入激发剂的编号为A，加入激发剂的编号为B，每组成分制备7块试样用于检测抗压强度。由于陶瓷抛磨废料颗粒粒径小，比表面积大，吸水能力强，随着陶瓷废料含量提高，拌合水用量也逐渐提高。试验用硫酸钠和石灰的配比为1∶1。

表2 免烧砖试验原料成分配比Tab.2 Test components of baking－free brick

2 试验结果与分析

2.1 废料、石粉和砂的配比对免烧砖强度的影响

图1为废料、石粉和砂配比的免烧砖强度试验结果。从试验结果可知，在免烧砖中加入抛磨废料会降低抗压强度，陶瓷废料加入量越多强度降低越大。在无激发剂的情况下，陶瓷废料在免烧砖中主要起填料作用，因废料粒径细小，比表面积大，所以对起胶凝作用的水泥需求量大。水泥用量固定时，陶瓷废料表面水泥量少，粘结作用力弱，导致砖坯强度下降。在加入陶瓷废料的成分配比中，A3配方强度最大，原因在于河砂为细骨料，抛磨废料为超细填料，河砂与抛磨废料的级配搭配合理，压制成形的试块孔隙率低，试块强度相对较高。石粉的加入对强度影响不大，其原因在于：石粉粗颗粒较多，压制成形的砖孔隙率大，强度较低，但在加入石粉的配方中，试块表面粗糙，容易挂浆，砖与砖之间的粘结强度增大，便于后续建筑施工。

图1 废料、石粉和砂的配比对免烧砖强度的影响Fig.1 Effects of waste powder and sand ratio on the strength of the brick

2.2 激发剂对免烧砖强度的影响

由图2可知，加入自制外加激发剂，可提高砖坯强度2～3倍。陶瓷抛磨废料与粉煤灰都经历过高温产生，两者都具有较好的活性，陶瓷抛磨废料主要含有大量活性二氧化硅和氧化铝成分［7］。激发剂的加入充分激发了抛磨废料的活性，使废料在试块中发挥了水硬性，提高了试块强度。具体原因为：当硫酸钠与石灰混合作为激发剂时，石灰与水反应生成Ca（OH）2。Ca（OH）2与Al2O3进行反应又生成水化铝酸钙（ASH），与SiO2生成水化硅酸钙（CSH）。这些水化产物可显著提高试块强度。同时硫酸钠与Ca2＋以及Al2O3在水溶液中易生成钙矾石（AFt）：

生成的AFt体积膨胀，可填充水化空间的孔隙，提高试块密实度，进而使得试块的强度有所增加。

图2 激发剂对免烧砖强度的影响Fig.2 Effects of activators on the strength of the brick

2.3 成本分析

对照《砌墙砖试验方法》GB／T 2542－2003，本实验当中制备的免烧砖截面积为砌墙砖标准试验试块截面积的1／4左右，试样尺寸越小，试验检测出的强度数值越大。｀基于强度数据需安全可靠的原则，本实验强度折合成标准砖的换算系数的数值选取0.5，则只有B3和B4编号的试样强度合格。目前市场上销售的原材料的价格见表3。

表3 原材料成本（元／t）Tab.3 Cost of raw material

以广东清远莲塘砖厂的免烧砖配方为基准，水泥∶砂∶石粉＝1∶4.5∶4.5，水灰比为1∶1。按照每块砌墙砖重2.6kg估算，则每块砖的原料成本如图3所示。通过使用陶瓷抛磨废料辅以外加激发剂替代部分石粉和砂，在强度符合要求的同时，可明显降低砖的成本，采用B3配方可降低成本12.0%，采用B4配方可降低成本26.8%。签于考虑后续的施工性能、砖与砖的粘结强度以及生产成本，B4配方强度虽低于B3配方强度，但用B4配方烧制的产品表面粗糙，挂浆能力强，更具竞争优势，所以优选B4作为免烧砌墙砖生产配方。