利用建筑垃圾<br/>——废瓷砖、废玻璃生产玻化砖的工艺性能研究

利用建筑垃圾
——废瓷砖、废玻璃生产玻化砖的工艺性能研究

2018-07-11李小池郭倩绮

佛山陶瓷 2018年4期

李小池，郭倩绮

（西安科技大学材料学院，西安710054）

关健词：玻化砖；建筑垃圾；废瓷砖；废玻璃；工艺性能

1 前言

玻化砖也称瓷质砖，是一种吸水率低、致密度高的建筑陶瓷。它具有较高的机械强度和硬度，以及优异的耐磨性和防冻性；不但可以用作室内地面装饰材料，还可用作外墙饰面材料。以建筑陶瓷的市场前景来看，玻化砖的应用与需求仍在持续地上升。当前玻化砖的生产现状是：大部分厂家仍然用的是钾长石、硅石、高岭土等几种传统优质原料，烧成温度一般在1250～1300℃左右。使用传统优质原料，产品烧制温度高，产品成本高，能量消耗大，坯体透明度低，质量档次较低。同时，优质原料资源正在枯竭，价格不断上涨。因此，利用废料生产低耗、质优的玻化砖，一直是人们非常感兴趣的课题之一[1-3]。

国内利用废玻璃、铁矿、铜矿、稀土矿的尾矿，粉煤灰，煤矸石等成功生产出了玻化砖，减少了生产能耗和污染物排放[4-9]。

国内以建筑垃圾中的废瓷砖和废玻璃为原料生产玻化砖的研究未见报道。本课题对于合理利用我国资源丰富的建筑垃圾，变废为宝，将是一个有益的尝试。利用建筑垃圾（废瓷砖、废玻璃）生产玻化砖，可降低玻化砖的生产成本，提高经济效益。在环保方面，可减少建筑垃圾的堆放，减少可耕地占用，减轻对环境的污染。

2 实验

2.1 实验原料的物理化学性能

实验所用的废瓷砖和废玻璃都取自于建筑垃圾。废瓷砖主要是全瓷地砖和卫浴废瓷件；废玻璃主要是平板建筑玻璃。两种原料通过辊式破碎机碎成2 mm以下的粉状原料，然后堆放均化等待配料用。破碎后的物料通常呈灰白色。废陶瓷密度一般在1.6~2.0 g/cm3之间,废玻璃密度一般在1.8~2.1 g/cm3之间。废瓷砖、废玻璃和配方中所用黏土的化学成分见表1。

2.2 配方的确定

根据两种原料的工艺性能及产品生产要求,本实验选取配方的化学组成范围为SiO2：67~72%；Al2O3：17~21%；Fe2O3：1.0~2.0%；CaO+MgO：3~5%；K2O+Na2O：5.5~9%。具体实验配方（按质量分数wt%计算）见表2。

2.3 试样制备

第一步是按设计配比，将黏土、废瓷砖和废玻璃原料球磨加工成粒度为0.065 mm以细的泥浆,陈腐24 h；第二步是将泥浆通入喷雾干燥器（实验室用小型电热喷雾干燥器）进行造粒，将造出的水分保持在6~8%的粉料陈腐24 h；第三步是将制备好的粉料15 g加入80 mm×10 mm的长条形模具中，在12 MPa的压力下压制成型；第四步是把压制好的样品放入鼓风干燥箱中，105℃下干燥20 h；第五步是将制备好的坯体放入高温电炉中，升温速度控制为3℃/min。根据日用陶瓷工艺学的最高烧成温度和保温时间的确定方法[14-15]，确定在1080℃，1110℃，1140℃，1170℃，1200℃五个不同温度点保温 1 h进行烧结，测试烧结样品的技术性能，对比优选出最优烧结温度点[10]。

2.4 性能测试

2.4.1 吸水率、气孔率、体积密度的测定

用液体浸泡试样，然后再用沸水煮8 h，使试样达到饱和。用液体静力天平和电子天平称量饱和试样表观质量（m2）、饱和试样空气中质量（m3）和试样 105℃烘干恒重质量（m1）。然后根据下面公式计算。

吸水率：Wa=[（m3-m1）/m1]×100%；

气孔率：Pa=[（m3-m1）/（m3-m2）]×100%；

体积密度：Db=[m1×Dl/（m3-m2）]×100%。

测试结果见结果与讨论。

2.4.2 抗折和抗压强度的测定

用WE-10型万能材料试验机测定制品的抗折强度。测试结果见实验结果与讨论。

2.4.3 玻化砖矿相组成及显微结构分析

用荷兰菲利浦公司生产的XL-20型扫描电镜观察制品的微观结构，分析结果见实验结果与讨论。用日本理学公司生产的D/MAX-RA型X衍射仪来分析制品的矿相组成，分析结果见实验结果与讨论。

表1 废瓷砖废玻璃的化学成分（wt%）

表2 配方的组成（wt%）

3 实验结果与分析

3.1 优化生产工艺的分析讨论

图1、图2和图3是根据实验数据绘制的不同烧结温度下不同配比的密度、吸水率、抗折强度的变化曲线图。

图1 不同温度下的密度变化曲线

图2 不同温度下的吸水率变化曲线

图3 不同温度下的抗折强度变化曲线

由图1，2，3可以看出：1号配方随烧结温度的升高，密度和抗折强度线性提高，吸水率线性下降。这是由于：1号配方中的废玻璃加量很少（3%），在设计温度范围内，没有达到最佳的烧结温度，没有出现过烧，因此没有密度、强度下降，吸水率升高的现象；2号配方随烧结温度升高，密度、吸水率和强度的变化趋势和1号相近，只是达到最高烧结温度点（1180℃）时，密度有小幅降低，吸水率有小幅升高，但抗折强度还有小幅提高。这是由于配方中废玻璃量增加了6%，使得熔剂相小幅增加。因此烧结温度下降，到1150℃完全烧结。其密度最大，吸水率最低，超过1150℃到1180℃时，其密度下降，吸水率升高。从3号配方到6号配方，在6个烧结温度点中，随废玻璃含量增加，烧结温度点降低。从6个配方在不同温度下，密度、吸水率和抗折强度变化规律看，在1150℃时3号配方烧结样品的密度抗折强度最高，吸水率较低。玻化砖要能抛光，要求有较高的密度和抗折强度与较低的吸水率。3号样在1150℃烧结后，具有密度、抗折强度最高，吸水率最低的性能。因此1150℃是烧结实验中的最佳烧结温度。3号配方的玻璃相含量适中，超过3号配方的玻璃含量随玻璃相增加，可以降低烧结温度。但玻璃相过多、烧结温度过低时，产品的密度、强度下降幅度大，气孔率上升幅度大，物理性能大幅下降，达不到玻化砖的国家标准（GB/T3810.3）。而3号样在1150℃下烧结的样品性能是最优的。因此，1150℃为最佳烧结温度，所以3号样为最佳配比。

本实验的特点是：以废瓷砖和废玻璃为主要原料，加入部分黏土原料生产玻化砖。3种原料的选择及其加入量要符合一次烧成的工艺要求。由于废瓷砖和废玻璃都为脊性原料，没有可塑性，因此配方要加入20%的黏土作为成型塑性黏结剂。本实验配方根据玻化砖配方原理，选择适量高可塑黏土，使素坯成型和干燥后具有足够的强度，以便素坯在运输和搬动时不破损。黏土的成分主要是高岭土。它可以给坯体烧成时提供有用的矿相和化学成分，使得烧成产品中产生莫来石、长石、石英晶体和玻璃相。另外，为了提高废瓷砖、废玻璃用量，减少黏土加量，选择了水溶性聚乙烯醇来弥补素坯可塑性的不足。小分子量的水溶性聚乙烯醇，黏性高，和磨细的脊性废瓷砖、废玻璃原料结合性好，形成的泥浆黏性好、密度大。喷雾干燥成的粉料，成球性好、硬度高，不容易破损，对玻化砖素坯成型有利。另外，废瓷砖、废玻璃可以提供玻化砖形成所需要的晶相、玻璃相和化学成分。该研究的原料配比简单，容易控制。配比中的黏结剂是有机高分子材料，烧结过程中会在较低温度下分解挥发掉，不会造成烧成收缩。本配方的废瓷砖，已经烧过一次，烧成收缩量不大，废玻璃烧成收缩量更小，由于有收缩性的黏土原料加入较少，因此本实验配比的坯体烧成收缩量较小，干燥和烧成成品率较高[11]。

3.2 配比中废玻璃加量对玻化砖性能的影响

图4 1，3，5号配方在1150℃烧结的SEM照片

由图2的SEM照片可以清楚看出：在1150℃的烧结温度下，1号样加入的废玻璃少，主要是废瓷砖和黏土反应，生产的玻璃相较少，气泡较小，贯穿气孔较多、坯体有裂纹，烧结不够理想，对应于图1，2，3的吸水率较高，密度和抗折强度较低；3号样加入的废玻璃量适中，气泡较少，玻化良好，坯体致密，烧结反应完全，烧结性能好；5号样气泡和气孔多，对应于图1，2，3的5号样品1150℃的密度和抗折强度曲线较低。出现上述规律，主要原因是：1，3，5号样品配方中，废玻璃由少到多，1号样中废玻璃最少，只有3%，玻璃的助熔作用不够强，因此坯体中玻璃相较少，烧结作用较差，坯体中有未完全烧结的裂纹，对应图1，2，3中1号样的是气孔率较3号样高，密度、抗折强度较3号样低；3号样中废玻璃的量增加到了9%，废玻璃和废瓷砖及黏土的熔融烧结反应充分，其中的玻璃相较多，坯体致密，坯体烧结较好，对应图1的3号样气孔率低，密度高、抗折强度高；5号样中废玻璃的量增加到了15%，废玻璃和废瓷砖及黏土的熔融烧结反应由于玻璃相量增大，坯体中气泡增多，对应图1中5号样的是气孔率高，密度、抗折强度下降。该实验的特点是：配方中废瓷砖的加量最大，占到一半以上，黏土的量不变化，废瓷砖变化幅度较小，废玻璃和黏土是配方中的次要成分。在成瓷反应中废瓷砖和黏土反应形成玻化砖的主要晶相和玻璃相，在相同温度黏土和废瓷砖反应生成的晶相和玻璃相基本稳定。加入的废玻璃主要提供玻化砖中的玻璃相，因此图2的形貌变化主要受配比中废玻璃的加入量的影响。