煤矿废弃物泡沫陶瓷的物理力学及吸放湿性能

胡明玉， 叶晓春， 樊财进(1.南昌大学 建筑工程学院， 江西 南昌 330031； 2.南昌大学 江西省超低能耗建筑重点实验室， 江西 南昌 330031)

中国煤矸石的累计堆存量已达45～50亿t，每年还以3.7～5.5亿t的速度增加[1-2].大量堆积的煤矸石不仅浪费土地资源，其中的有害物质如F，As，Hg，Pb等重金属和自燃释放出的SO2，NOx等有害气体还对生态环境造成严重污染[3-5].因此，煤矿废弃物对生态环境的污染是所有产煤地区亟需解决的问题.利用煤矿废弃物为主要原料制备泡沫陶瓷，不仅能有效利用其中的铝硅酸盐矿物成分，最大限度地利用资源，还能减少煤矸石对生态环境的破坏.泡沫陶瓷中大量分布闭口气孔，具有轻质、保温隔热、阻燃等性能，受到国内外的广泛关注.Lü等[6]以煤矸石和铝矾土为主要原料，玉米淀粉为造孔剂制备多孔莫来石陶瓷，结果表明，玉米淀粉能有效增加多孔陶瓷的开孔率.Li等[7]以煤矸石和废弃石英砂为主要原料，碳酸钙和硅酸钠为添加剂，硼砂为助融剂，制备微晶泡沫玻璃，结果表明，当煤矸石含量为40%(质量分数)时，微晶泡沫玻璃的孔隙率高达(73.0±1.5)%.吴国天等[8]以酸浸处理8h后的煤矸石、碱式碳酸镁和铝矾土为原料，采用有机泡沫浸渍法制备多孔堇青石陶瓷，结果表明，其气孔率(体积分数)和抗压强度分别达到78.78%，3.33MPa.

泡沫陶瓷的轻质多孔、保温隔热等特点使其成为性能优异的建筑节能材料.但是，利用煤矸石制备泡沫陶瓷时，由于原材料化学组成波动及工艺参数不易控制等原因，不仅使其性能不稳定，还会产生一定数量的连通孔隙.当环境潮湿时，在毛细压力等因素作用下，这些连通孔隙与周围环境发生动态热湿交换[9-11]，使材料平衡含湿量提高，热工性能降低，且极易滋生霉菌，影响室内空气品质和建筑寿命.因此，研究泡沫陶瓷的等温吸放湿性能(即平衡含湿量与环境相对湿度的关系)具有理论和应用价值.

本文在前期研究[12-13]的基础上，以煤矸石和煤炭伴生页岩为主要原料，以滑石粉为助熔剂，抛光渣为造孔剂，制备煤矿废弃物泡沫陶瓷，研究不同烧成升温速率对其表观密度、吸水率、孔隙率、抗压强度、微观孔隙特征及等温吸放湿性能的影响.

1 试验

1.1 原材料和煤矿废弃物泡沫陶瓷制备

试验所用煤矸石(C)和煤炭伴生页岩(S)取自江西丰城曲江煤矿，其主要化学组成为SiO2和Al2O3. 滑石粉(T)购自原料市场，其主要矿物组成为含水硅酸镁，起助熔剂作用.抛光渣(P)为造孔剂，取自江西省高安陶瓷基地.原材料的化学组成见表1.

表1 原材料的化学组成Table 1 Chemical compositions(by mass) of raw materials %

根据前期研究，选取综合性能较好的配合比进行研究.泡沫陶瓷原料配合比为：m(C)∶m(S)∶m(T)∶m(P)=56∶14∶15∶15.用粉末压片机以2MPa 的压力干压成型泡沫陶瓷坯体，其尺寸为φ30×5mm，在高温炉中先以10℃/min的烧成升温速率升至900℃，保温30min后，再分别以4，6，8，10℃/min的烧成升温速率升温到1210℃，经自然冷却即得到煤矿废弃物泡沫陶瓷.

1.2 测试方法

采用阿基米德排水法测定煤矿废弃物泡沫陶瓷的表观密度、孔隙率；按照GB/T 3299—2011《日用陶瓷吸水率测定方法》和GB/T 4740—1999《陶瓷材料抗压强度试验方法》分别测定煤矿废弃物泡沫陶瓷的吸水率、抗压强度.

根据GB/T 20312—2006《建筑材料及制品的湿热性能吸湿性能的测定》测定煤矿废弃物泡沫陶瓷的等温吸放湿曲线.利用饱和盐溶液控制干燥器中的相对湿度(32.78%～97.30%).25℃下饱和盐溶液对应的空气相对湿度见表2.采用式(1)计算煤矿废弃物泡沫陶瓷的平衡含湿量U(φ).

U(φ)=(m1-m0)/m0

(1)

式中：φ为空气相对湿度；m0为试样干燥质量；m1为试样吸放湿平衡后的质量.

表2 25℃下饱和盐溶液对应的空气相对湿度Table 2 Relative humidity of saturated salt in water(25℃) %

2 结果与分析

2.1 表观密度与抗压强度

图1为烧成升温速率对煤矿废弃物泡沫陶瓷表观密度和抗压强度的影响.从图1可知，随着烧成升温速率的提高，煤矿废弃物泡沫陶瓷的表观密度和抗压强度逐渐增加，当烧成升温速率从4℃/min提高到10℃/min时，其表观密度从0.50g/cm3增加到0.67g/cm3，抗压强度从1.58MPa提高12.44MPa.当烧成升温速率较低时，高温液相中气体压力释放慢致微孔扩大，孔径增加，使煤矿废弃物泡沫陶瓷的孔隙率和开口孔隙率增大，表观密度减小，抗压强度降低.提高烧成升温速率，气压释放快，形成泡核密度大，孔径减小，开口孔隙率降低，且孔壁上的孔隙数量减少，从而使煤矿废弃物泡沫陶瓷的抗压强度提高.

图1 烧成升温速率对煤矿废弃物泡沫陶瓷表观密度和 抗压强度的影响Fig.1 Influence of heating rate on the bulk density and compressive strength of coal mine waste foam ceramics

2.2 孔隙率与吸水率

图2为烧成升温速率对煤矿废弃物泡沫陶瓷孔隙率和吸水率的影响.从图2可知，随着烧成升温速率的提高，煤矿废弃物泡沫陶瓷的孔隙率和吸水率降低.当烧成升温速率为4℃/min时，煤矿废弃物泡沫陶瓷的孔隙率为82.91%(体积分数)，吸水率为0.38%(质量分数)；当烧成升温速率为8～10℃/min 时，煤矿废弃物泡沫陶瓷的孔隙率为75.09%～74.81%，吸水率为0.03%～0.02%.由此可见，提高烧成升温速率，煤矿废弃物泡沫陶瓷的孔径减小，开口孔隙率降低，导致吸水率降低.

图2 烧成升温速率对煤矿废弃物泡沫陶瓷孔隙率和 吸水率的影响Fig.2 Influence of heating rate on the porosity and water absorption of coal mine waste foam ceramics

2.3 等温吸放湿曲线

不同烧成升温速率下煤矿废弃物泡沫陶瓷的等温吸放湿曲线如图3所示.

图3 不同烧成升温速率下煤矿废弃物泡沫陶瓷的等温吸放湿曲线Fig.3 Sorption isotherms of coal mine waste foam ceramics at different heating rate

由图3可知，煤矿废弃物泡沫陶瓷的平衡含湿量随相对湿度呈幂函数变化.随着烧成升温速率的提高，煤矿废弃物泡沫陶瓷的平衡含湿量有降低的趋势.当烧成升温速率为4℃/min时，煤矿废弃物泡沫陶瓷的平衡含湿量最大，在相对湿度97.30%下，其平衡含湿量为0.049kg/kg.当烧成升温速率从6℃/min升到8℃/min， 煤矿废弃物泡沫陶瓷的平衡含湿量明显降低.这是因为在4，6℃/min的烧成升温速率下制备的煤矿废弃物泡沫陶瓷有较多的开口孔隙，水蒸气容易进入、扩散.当烧成升温速率为10℃/min时，煤矿废弃物泡沫陶瓷的平衡含湿量最小，在相对湿度97.30%下，其平衡含湿量小于0.0031kg/kg.

研究[10]表明，当墙体材料平衡含湿量为0.007kg/kg 时，微生物的质量浓度为400μg/m3；当墙体材料平衡含湿量大于0.015kg/kg时，微生物的质量浓度高达2080μg/m3.常用的膨胀聚苯乙烯板(EPS)、挤塑聚苯乙烯板(XPS)和聚氨酯(PU)在相对湿度97.3%下的平衡吸放湿量分别为0.015，0.010，0.030kg/kg[11].因此，在热湿地区使用EPS，XPS，PU保温材料容易引发霉菌滋生.当烧成升温速率为8，10℃/min时，煤矿废弃物泡沫陶瓷在相对湿度97.3%下的平衡吸放湿量分别为0.0040，0.0031kg/kg，潮湿环境下其含湿量较小，能有效减少霉菌的滋生.

2.4 XRD分析与成孔机理

图4为煤矿废弃物泡沫陶瓷(烧成升温速率为10℃/min)的XRD图谱.由图4可以看出，煤矿废弃物泡沫陶瓷的主晶相为堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)和石英(SiO2)，且XRD图谱中还出现了非晶体弥散峰，说明存在一定量的玻璃相.堇青石不仅具有膨胀系数低、热稳定性好和弹性模量高等优良性能，还具有一定的机械强度[14].

图4 煤矿废弃物泡沫陶瓷的XRD图谱Fig.4 XRD pattern of coal mine waste foam ceramics

抛光渣是抛光陶瓷玻化砖时产生的废渣，含有抛光磨头引入的SiC[15]，当烧成温度高于1100℃时，SiC被氧化生成CO或CO2气体.原料中存在K2O， Na2O，MgO等熔剂型碱性氧化物可以腐蚀或破坏SiO2氧化膜，使O2的扩散速率大幅提高，SiC被不断氧化生成CO或CO2气体而被封闭在高温液相中，随着烧成温度的升高不断膨胀，导致发泡.

2.5 SEM分析

不同烧成升温速率下煤矿废弃物泡沫陶瓷的SEM照片如图5所示.从图5可看出，当烧成升温速率为4～6℃/min时，煤矿废弃物泡沫陶瓷的孔隙尺寸极不均匀，形状极不规则，大孔隙破裂形成开放状，会导致吸水率增大，气体容易流动，引起热湿传递量增大；当烧成升温速率为8℃/min时，煤矿废弃物泡沫陶瓷的孔隙直径减小，分布均匀，且开口孔隙减少；当烧成升温速率为10℃/min时，煤矿废弃物泡沫陶瓷的孔隙直径分布更为均匀，孔隙直径及开口孔隙率进一步减小.这是由于烧成升温速率较小时，煤矿废弃物泡沫陶瓷坯体经历高温的时间较长，产生的液相较多，高温液相中SiC氧化产生的CO或CO2气体压力增大，容易形成大孔隙.当烧成升温速率较大时，煤矿废弃物泡沫陶瓷坯体经历高温的时间较短，导致气泡成核速率大，生长速率小，容易形成小而封闭的气孔.因此，煤矿废弃物泡沫陶瓷不仅能有效减少热湿传递，还能减少霉菌的滋生，有利于降低建筑能耗并营造健康的室内空气环境.

图5 不同烧成升温速率下煤矿废弃物泡沫陶瓷的SEM照片Fig.5 SEM photos of coal mine waste foam ceramics at different heating rates

3 结论

提高升温速率，有利于烧制具有均匀封闭小孔隙结构的煤矿废弃物泡沫陶瓷.当烧成升温速率为10℃/min时，煤矿废弃物泡沫陶瓷的表观密度小于0.7g/cm3，孔隙率大于70%，吸水率约为0.02%，抗压强度达到12MPa，在相对湿度97.3%下的平衡含湿量小于0.0031kg/kg，有利于减少霉菌的滋生，降低建筑能耗并营造健康的室内空气环境.

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