不同发泡剂对泡沫玻璃性能的影响

王海斌，赫亚军，封鉴秋（.郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州　45000；.中建二局第二建筑有限公司，广东 深圳　58000）

不同发泡剂对泡沫玻璃性能的影响

王海斌1，赫亚军2，封鉴秋1
（1.郑州大学 材料科学与工程学院，河南 郑州450001；2.中建二局第二建筑有限公司，广东 深圳518000）

以赤泥、粉煤灰、煤矸石等为主要原料，采用不同的发泡剂，通过不同的原料处理、成形、烧成等工艺过程，制备出不同泡沫状况的玻璃材料。通过体视显微镜等仪器对材料气孔的数量、尺寸大小、体积密度以及导热率等性能的测试，比较不同发泡剂的优缺点，确定出适合泡沫玻璃使用的发泡剂种类。结果表明：碳化硅最适合作为泡沫玻璃的发泡剂，所制产品体积密度小，导热系数很小，且添加量在15%时气孔率最高。

发泡剂；泡沫玻璃；性能

0　引言

目前我国工业废渣的利用率较低，特别是冶金废渣，不仅占据大量土地、危害环境，而且也浪费资源［1］。如何对其进行合理的综合利用，减轻对环境的污染，使之产生巨大的经济效益、环境效益和社会效益，是目前比较关注的问题。据统计，目前国内墙体材料生产能耗和建筑采暖能耗近15 000万t燃煤，约占我国全年能耗总量的15%左右［2-3］。由此可见，节能环保的新型墙体材料取代能耗大的黏土砖己经刻不容缓［4］。

随着我国建筑节能发展需要，泡沫玻璃在建筑节能与防火领域得到普遍认可和应用，并因此获得迅速推广应用［5-6］。但是目前国内对泡沫玻璃巨大需求量与我国泡沫玻璃生产能力之间存在较大的需求矛盾［7］。根据目前发泡剂及泡沫玻璃的生产和应用情况，找出发泡效果好、综合性能优良、价格合理的发泡剂对制备强度高、体积密度低、保温性能良好的泡沫玻璃是非常迫切的，这也是本次研究的出发点［8］。

鉴于此，本研究从易操作性、发泡效果以及成本，综合各个因素，采用粉煤灰等工业废渣作为基础玻璃组分，选择合适的发泡剂以及合适的掺量，将其进一步应用于泡沫玻璃中，为制备出具有更好性能的泡沫玻璃制品提供参考［9-13］。

1　实验

1.1原材料

粉煤灰，登封煤化集团；赤泥、煤矸石，工业废渣，河南煤化集团；长石、白云石，工业纯，荥阳峰景陶瓷厂；铅硼熔块，工业纯，开封景达化学原料有限公司；碳酸钙、碳化硅、碳酸钠，分析纯，郑州志诚有限公司；抛光瓷粉，工业废渣，新郑宇升陶瓷精工砖厂；黄河泥沙，含沙量约30 kg/m3，取自郑州市惠济区邙山黄河附近。

其中粉煤灰、煤矸石、赤泥、黄河泥沙、长石、铅硼熔块为制备基础玻璃的原料，碳酸钠为添加剂。碳酸钙、煤矸石、白云石、碳化硅、抛光瓷粉为发泡剂。

1.2泡沫玻璃配方

基础玻璃配方为（质量百分比）：

用碳酸钙和白云石发泡的：煤矸石20%、长石40%、铅硼熔块25%、碳酸钠15%；

用煤矸石发泡的：煤矸石20%、黄河泥沙10%、长石40%、铅硼熔块10%、碳酸钠20%。

用碳化硅和抛光瓷粉发泡的：粉煤灰17%、赤泥17%、黄河泥沙10%、长石20%、铅硼熔块18%、碳酸钠18%。

实验在基础玻璃配方中加入发泡剂制备泡沫玻璃。固定基础玻璃和发泡剂总质量100 g不变，通过改变发泡剂种类和掺量来设计泡沫玻璃配方。

1.3泡沫玻璃的制备

（1）配料：根据设计配方，依次称量各种原料，精确到0.01 g，配得基础玻璃粉所需要的各种原料。将发泡剂过200目筛后加入其中。

（2）混料：为了使料混合均匀，将称量好的原料放入搅拌盆中，搅拌时间30 min。

（3）成形：填料前在自制模具内表面上刷1层氧化铝脱模剂，刷2～3遍后放入干燥炉，在温度为102℃下，干燥10～20 min后取出，将配好的原料填入自制模具，把原料表面用适当的压力压平。

（4）烧结和发泡：用托盘将填料的模具送到高温炉旁并放入其中，在模具下面和周围铺1层氧化铝粉以防止意外。准备完毕后开启电源让样品在设定的温度制度下升温烧结，在适合的温度下发泡。对于发泡温度的选择，本实验先根据相关文献的经验，制定不同发泡剂的发泡温度：碳酸钙和白云石为发泡剂的发泡温度为850℃，煤矸石、碳化硅、抛光瓷粉为发泡剂的发泡温度为1050℃。

在发泡温度下保温结束后，关闭高温炉并打开看火孔，使样品快速冷却。

（5）脱模：将冷却后的模子取出，并小心脱模，得到样品。

1.4测试方法

首先参照GB/T 1966—1996《多孔陶瓷显气孔率、容量试验方法》，并根据相应公式计算泡沫玻璃的体积密度、吸水率、显气孔率；同时参照GB/T 1964—1996《多孔陶瓷压缩强度试验方法》，利用YWE-300型恒加载压力试验机对泡沫玻璃进行抗压强度测试；然后根据YB/T 4130—2005《耐火材料 导热系数试验方法（水流量平板法）》，利用PBD—02型高温导热仪分析泡沫玻璃的导热系数；最后利用SMZ1000型体视显微镜观察泡沫玻璃的表面形貌结构。

1.5烧成制度实验

对于烧成制度，主要研究发泡温度和保温时间对发泡效果的影响。共设计A、B、C、D、E 5组泡沫玻璃配方，对应5种发泡剂：碳酸钙、白云石、煤矸石、碳化硅、抛光瓷粉，发泡剂掺量为2%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%，编号为A1～A10，...，E1～E10。

（1）发泡温度：碳酸钙、白云石发泡剂发泡温度选取850、875、900、925、950℃5个温度点；煤矸石、碳化硅、抛光瓷粉发泡剂发泡温度选取1050、1075、1100、1125、1150℃5个温度点。首先测试不同发泡剂不同掺量的泡沫玻璃发泡效果，每种发泡剂选取2组发泡效果较好的发泡剂掺量作温度对比实验，得出最佳发泡温度。保温时间均取30 min。

（2）保温时间：在最佳发泡温度下，保温时间分别选取10、20、30、40、50、60 min，得出最佳保温时间。

2　结果与讨论

2.1不同发泡剂及其掺量对泡沫玻璃性能的影响（见图1）

图1　不同发泡剂及其掺量对泡沫玻璃性能的影响

从图1（a）可以看出，不同发泡剂泡沫玻璃的体积密度随着发泡剂掺量的增加而减小。其中碳化硅作为发泡剂时样品的体积密度最低，煤矸石作发泡剂时样品的体积密度最高。而碳酸钙和抛光瓷粉作发泡剂时，它们的体积密度随发泡剂掺量变化曲线十分接近。可见用碳化硅作为发泡剂，可以极大的降低泡沫玻璃的体积密度。这为泡沫玻璃作为墙体材料提供了很大的优势，可以降低墙体对底层承重墙的压力。

从图1（b）可以看出，随着发泡剂掺量的增加泡沫玻璃的吸水率不断增大。其中碳酸钙、碳化硅和抛光瓷粉为发泡剂时吸水率受发泡剂掺量影响较大。碳化硅为发泡剂时在相同发泡剂掺量的条件下吸水率高于其它试样。而用白云石作为发泡剂时，泡沫玻璃的吸水率很低而且波动不大，一般在0.5%左右，基本不吸水，适合在潮湿环境及地下管道中作为保温材料使用。

从图1（c）可以看出，随着发泡剂掺量的增加泡沫玻璃的抗压强度下降。其中碳酸钙、碳化硅和抛光瓷粉发泡剂的泡沫玻璃整体强度都很低，大部分低于10 MPa。白云石发泡制备的样品强度稍微高些，大部分在10～20 MPa。而煤矸石发泡制备的样品抗压强度最高，在15～25 MPa。这种结果主要和它们的气孔率和孔径有关。碳酸钙、碳化硅和抛光瓷粉发泡制备的样品气孔率高、泡壁很薄，所以抗压强度就很低。而白云石和煤矸石发泡制备的样品气孔率相对较低、泡壁较厚，因此样品抗压强度很高。

由图1（d）可以看出，随着发泡剂掺量的增加，泡沫玻璃的导热系数不断减小。其中碳化硅为发泡剂时导热系数最小，碳酸钙、抛光瓷粉和白云石次之，煤矸石发泡制备的样品的导热系数比其它组大很多。所以本实验煤矸石发泡制备的泡沫玻璃不适合做墙体保温材料，它的导热系数很高的原因是样品中气泡较少，真气孔率较低，孔壁较厚。

2.2泡沫玻璃的表面形貌

不同发泡剂泡沫玻璃的表面形貌照片见图2，其中发泡剂掺量分别为：碳酸钙15%、白云石30%、煤矸石40%、碳化硅15%、抛光瓷粉20%。

图2　不同发泡剂泡沫玻璃的表面形貌照片

从图2可以看出，所有样品内部的孔洞结构非常发达，孔的形态多成圆球状，大部分气孔皆为闭气孔，孔与孔之间由玻璃相隔开。不同的配方气孔大小及分布不同。从图2（a）可以看出，当碳酸钙为剂发泡时，气孔率较高，孔径较大，气孔分布均匀，有个别气孔较大；从图2（b）可以看出，当白云石为发泡剂时，气泡虽然看起来很多而且分布很均匀，但是泡径较小，孔壁较厚；从图2（c）可以看出，当煤矸石发泡时，气泡大小不一，气泡分布不均匀，孔壁较厚；从图2（d）可以看出，当碳化硅为发泡剂时，气孔率很高，孔径较大，气孔分布均匀，孔壁很薄；从图2（e）可以看出，当抛光瓷粉为发泡剂时，气孔率较高，孔径中等，气孔分布均匀。泡沫玻璃的气孔的大小和多少主要由发泡剂颗粒的粒径和含量所决定，同时还与坯料的粒径、烧成制度等因素有关，无机盐类发泡剂在加热过程中不断分解，从而在坯体中留下空隙，而坯料的堆积也会产生一定的空隙。

2.3不同发泡剂泡沫玻璃烧成制度的确定

2.3.1发泡温度

首先根据使用不同发泡剂泡沫玻璃的发泡烧结结果，选取每种发泡剂中效果较好的2组分别为：A5、A6、B7、B8、C5、C6、D4、D5、E5、E6，用于确定不同发泡剂最佳发泡温度的对比实验，保温时间均为30 min。结果如表1所示。

表1　不同发泡剂泡沫玻璃烧成制度实验结果

从表1可以看出，碳酸钙的最佳发泡温度是900℃；白云石的最佳发泡温度是925℃；煤矸石的最佳发泡温度是1075℃；碳化硅的最佳发泡温度是1100℃；抛光瓷粉的最佳发泡温度是1100℃。

2.3.2保温时间

各组样品在9℃/min的速度下升温到各自最佳发泡温度，分别保温10、20、30、40、50、60 min，然后自然冷却。最后得出结果为：当保温时间过短时，样品熔融不完全，泡径小，气孔少；当保温时间过长时，样品黏度很低，形成很多大气泡，且有气泡从表面跑出。各组最适保温时间均为30 min。

3　结语

研究了发泡剂种类、掺量、发泡温度、保温时间等对泡沫玻璃性能的影响。结果表明，碳化硅是最适合作为泡沫玻璃的发泡剂，用其制备的泡沫玻璃体积密度最小为800 kg/m3，导热系数最小为0.08 W/（m·K），掺量在15%时气孔率最高，适合的发泡温度为1100℃。而对于抛光瓷粉、白云石、煤矸石等来说，均存在不同程度的不足，如导热系数和体积密度太大、气孔率太低等，而且如果对碳化硅发泡的泡沫玻璃通过技术改进降低生产成本，更有利于其的工业化生产。

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Effect of different foaming agents on properties of foam glass

WANG Haibin1，HE Yajun2，FENG Jianqiu1
（1.School of Materials Science and Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China；2.China Construction Second Engineering Bureau LTD.，Shenzhen 518000，China）

In this passage，mud，fly ash and coal gangue as main raw materials along with different foaming agents are prepared for foam glasses through the raw material processing，forming and sintering process.The stereo microscope and other instruments are used to test the physical properties of pores in the foam glass such as the morphology，number and size to compare the advantages and disadvantages of different foaming agents simultaneously and finally determine suitable types of foaming agents for foam glasses.By comparison，it is found that SiC is the most suitable foaming agent for foam glass with both small volume density and thermal conductivity coefficient.The porosity of the foam glass is highest when the adding amount was 15%.

foaming agent，foam glass，performance

TU52；TQ171.72文献标示码：A

1001-702X（2016）04-0017-04

2015-11-02；

2015-12-04

王海斌，男，1993年生，主要研究方向为无机非金属材料。E-mail：haibinwangzzu@163.com。通讯作者：封鉴秋，地址：郑州市高新区科学大道100号，E-mail：13603710566@139.com。