烧结透水砖用低温高强粘结剂的研制

武晓宇，魏东，王正，郑林会，高峰

（太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

随着城市现代化的发展，城市地表被建筑物和各种混凝土等阻水性材料逐渐覆盖，不透水区域比例大幅度提高，部分地区覆盖率已超过80%[1]。城市的排水能力越来越差，许多城市一经暴雨，路面雨水无法快速渗透，很容易造成城市内涝。晴天时也会造成“热岛效应”，降低城市舒适度[2]。因此，为解决城市地表硬化难题，营造高质量的自然生活环境，维护城市生态平衡，绿色环保的新型透水砖应运而生，并得到了快速发展[3]。

目前，透水砖从材质与生产工艺可以分为2大类：一类为以普通水泥为主要胶结剂的免烧透水砖[4]；另一类为烧结透水砖，又称陶瓷透水砖。陶瓷透水砖按其制备方法又可以分为2种：一种为添加造孔剂法。李国昌等[5]以煤矸石为造孔剂，采用黄金尾矿82%、煤矸石10%、膨润土8%、外掺0.1%高分子聚合物压制成型后经过1250℃烧成可得性能最佳的陶瓷透水砖。另一种则为颗粒堆积法，即以固体废弃物赤泥[6]、黄金尾矿[5]、废弃陶瓷[7-8]等为主要原料，经过破碎、筛分后添加无机或有机粘结剂，经过烧结后，通过颗粒堆积间的空隙实现透水。王立久和李如林[9]利用伟晶石为原料制成陶粒与水玻璃混合后经压制成型并于1000℃烧制成砖。目前使用的粘结剂（水玻璃、树脂等）虽然可以保证其优良的透水性，但是却存在强度明显不足的问题。釉料作为一种传统的粘结剂，往往只被用于坯体表面，增强其表面硬度及抗腐蚀性或者起到装饰效果[10]，较少有人用于坯体之间的粘结来增强强度。

本文旨在研究一种烧成温度低于900℃的高强度熔块作为粘结剂，通过正交试验，制备R2O-RO-Al2O3-B2O3-SiO2系熔块粘结剂，经过性能测试分析加入的氧化物等因素对粘结剂性能的影响，从而选取最佳配方，通过粘结剂包裹陶粒的方式填充空心砖，从而提升透水砖的耐磨性及抗压强度，增加透水砖的使用寿命。

1 试验

1.1 原材料

矿物原料：山西忻州高岭土（400目）生料、石英粉，化学组成如表1所示；化工原料：硼砂、硼酸、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、氧化镁，均为分析纯。

表1 矿物原料的化学组成 %

1.2 试验设计

以高岭土、石英、硼砂、硼酸、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、氧化镁为主要原料，制备 R2O－RO－Al2O3－B2O3－SiO2系熔块粘结剂，设计了L18（37）正交试验，各因素及水平见表2，各配方配料组成见表3。

表2 粘结剂配方正交试验因素水平

表3 粘结剂配方的矿物组成 %

1.3 试验步骤

按粘结剂配方称取原料100 g，混合均匀，置于SXL－1700箱式电阻炉中以5℃/min升温至1250℃，保温30 min，将熔融的玻璃液直接倒入冷水中进行水淬，得到的玻璃体即为制备好的熔块。用GJ－1000型制样粉碎机研磨加工成粉。称取粉料10～12 g，使用SDJ型手动式液压制样机在35 MPa保压5 min的条件下，将粘结剂压制成40 mm×15 mm×（7～8）mm的块体，放置于箱式电阻炉中，以5℃/min升温至800℃保温30 min后随炉冷却至室温。

1.4 测试方法及仪器

采用HKHR－4C灰熔点测定仪测试各个配方的熔融温度；采用HX－71显微硬度仪对釉块硬度进行测试；使用三点弯曲法测试样品的弯曲抗折强度；采用德国BRUKER D2 PHASER X射线衍射仪分析釉料的物相组成；采用HITACHI TM3030扫描电子显微镜测试及其微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 熔融温度的测试

将粘结剂用模具压制成高20 mm，底边边长7 mm的三角锥体，置于炉中加热，参照GB 219—2008《煤灰熔融性的测定方法》测试灰锥的变形温度[11]，结果如表4所示。

表4 釉料配方熔融温度

SiO2在粘结剂中形成网络结构体，Al2O3在粘结剂中形成网络中间体，是粘结剂熔融温度的主要决定因素，Si与Al的熔点比较高，熔融比较困难，含量过高会影响釉料的熔融温度偏高；B2O3既可以替代SiO2成为网络体，又是一种良好的助溶剂，适量的引入可以降低釉的熔融温度[12]，但B2O3含量过高，会由于硼反常，降低釉面的硬度；碱金属与碱土金属氧化物为离子型化合物，其键能较小，比较容易断裂，而SiO2为共价型化合物，Si—O键键能较大，因此，在釉熔体中，添加碱金属或碱土金属氧化物，硅氧四面体中的Si4+会夺取RO或者R2O 中的氧离子，使 Si—O—Si变成 Si—O+Si—O，从而使原来的Si—O键断裂[13]，进而导致釉的烧结温度大大降低。在大量基础实验的前提下，合理使用配比B2O3、Na2O、K2O等氧化物的因素水平，使其正交试验所涉及的配方熔融温度都在900℃以下，满足低温釉的要求，远远低于传统熔块釉的烧成温度1250～1380℃，可大大节约能耗，降低成本。

2.2 熔块测试结果

用正交表安排试验见表5。方差分析又称F检验，方差分析的目的是通过数据分析找出对该事物有显著性影响的因素以及显著性影响的最佳水平等。抗折强度Rf方差分析表见表6，维氏硬度HV方差分析表见表7。

表5 正交实验方案及实验结果

表6 抗折强度方差分析

表7 维氏硬度方差分析

对表5进行直观分析可知，抗折强度最为优良的为4#配方，即高岭土8.828%，石英40.382%，硼砂22.06%，碳酸钾4.725%，碳酸钠2.128%，碳酸钙18.657%，氧化镁3.22%，抗折强度达76.03 MPa；维氏硬度最为优良的为11#配方，即高岭土13.458%，石英34.965%，硼砂22.419%，碳酸钾3.601%，碳酸钠4.96%，碳酸钙18.96%，氧化镁1.636%，维氏硬度达7208 MPa。

由方差分析表6与表7可知，对于抗折强度影响的显著关系为：B2O3>CaO>SiO2>MgO>Al2O3>Na2O>K2O。对于维氏硬度影响的显著关系为：CaO>SiO2>K2O>Al2O3>Na2O>MgO>B2O3。其中，CaO与SiO2对于抗折强度和维氏硬度都有较为显著的影响。

2.3 微观结构分析

对1#、4#熔块的XRD、SEM分析分别见图1、图2。

图1 熔块的XRD图谱

图2 熔块的SEM照片

由图1（a）可以明显看出，1#熔块中无晶体，全部为玻璃体，无晶体生成是该样品抗折强度不高，硬度偏低的主要原因。由图2（a）可以清晰的看到，1#熔块全部为玻璃相。由图1（b）4#配方（抗折强度最高）的XRD发现有晶体相CaSiO3出现，虽然在SEM图2（b）中同样几乎为玻璃相，但这可能就是因为大量的玻璃相将CaSiO3晶体包裹，从而增强了熔块的强度。硬度最高的11#配方与4#配方有类似的情况，在XRD中发现了CaSiO3晶体，而在SEM中只能观察到玻璃相。

3 结论

（1）以高岭土、石英、硼砂、硼酸、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、氧化镁为主要原料，可制得熔融温度在800～900℃的R2ORO-Al2O3-SiO2-B2O3系低温高强粘结剂熔块。

（2）以高岭土8.828%、石英40.382%、硼砂22.06%、碳酸钾4.725%、碳酸钠2.128%、碳酸钙18.657%、氧化镁3.22%为配方，釉块抗折强度可达76.03 MPa；高岭土13.458%、石英34.965%、硼砂22.419%、碳酸钾3.601%、碳酸钠4.96%、碳酸钙18.96%、氧化镁1.636%为配方，釉块釉面维氏硬度可达7208 MPa。

（3）玻璃相与CaSiO3晶体的包裹与结合，对于熔块的性能有积极影响，从而提升透水砖的性能。