粉煤灰微晶玻璃的试验研究

2019-01-17，，

山东化工 2018年24期

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(1.山西经济管理干部学院建筑工程系，山西太原 030024；2.太原工业学院材料工程系，山西太原 030008)

我国是个产煤大国，电力生产的基本燃料为煤炭。粉煤灰是热力发电厂的主要废弃物，它们是从烟气中沉积下来的，在今后相对较长的时期内，燃煤发电在我国仍占主要地位[1-3]。由于粉煤灰排放量的增多，其危害日益暴露，如形成气溶胶，严重污染大气、污染水生生态环境并堵塞河道、粉煤灰中凝结的放射性元素危害人类健康等等。因此，处理粉煤灰的问题已迫在眉睫。

近年来，通过采用成熟的工艺技术对粉煤灰进行加工，将其用于生产建材、化工产品及其他用途。建筑装饰微晶玻璃具有强度高、硬度大、耐磨损、不吸水、防污抗冻和化学稳定性好等特点，广泛用作建筑物的内墙、地面、台面、柱石和外墙的装饰，因此成为现代建筑业替代天然花岗岩、大理石的绿色环保装饰材料，受到越来越多消费者的青睐。

文章通过利用固体废弃物粉煤灰为主要成分制备微晶玻璃，通过不同的粉煤灰添加量对粉煤灰微晶玻璃的晶相、密度进行分析对比，采用先形成玻璃块后晶化的烧成法区别于传统的先冷淬后晶化的烧结法来制备性能优良的粉煤灰微晶玻璃，拓展了粉煤灰的利用途径。

1 实验部分

1.1 原材料

实验原料有粉煤灰、二氧化硅、碳酸钠、氧化镁、氧化钙、硼酸、玻璃粉等。除粉煤灰和废弃平板玻璃粉之外的原料均为化学纯试剂，化学纯试剂所引入的氧化物如表1所示。由于粉煤灰比较难烧结，所以必须加入适量废玻璃粉以加速其固相反应。

表1 原料的化学组成 %

1.2 配合料的计算

1.2.1 配比的选择

首先，根据相图的纯三元系统，虽然能够得出配方，但其只是理想化的方法。在实际当中，如果想制备出性能优良的粉煤灰微晶玻璃，其合理的配方要根据实际条件才能最终确定，所以相平衡法一般只作为参考的方法。另外一种是选配法，该方法是找出理想的粉煤灰微晶玻璃制品的化学组成与所用原料的化学组成之间的差别，根据相差的种类选择合理的掺入试剂来缩小化学成分上的差别，它的优点是简易实用。本次设计出制备性能优良的粉煤灰微晶玻璃的6组配比见表2。

表2 本实验的微晶玻璃化学组成 %

1.2.2 配合料的确定

在计算实际使用量时，以粉煤灰成分的含量和需要添加的量为基础，计算出添加梯度为5%所需要的原料含量。配合料中添加1%的着色剂，用重铬酸钾和三氧化二铬混合着色[4]。助溶剂选用CaF2和B2O3。各样品原材料配比用量详见表3。

表3 原材料用量 g

1.3 实验方法

1.3.1 工艺流程图

工艺流程图见图1。

图1 工艺流程图

1.3.2 基础玻璃的制备

用型号为TY2002的电子天平精确称量好各种化学试剂和原材料后，将其放入研钵中充分研磨，使它们相互均匀的混合在一起，并且过200目筛。之后将过筛的混合料装填进入石墨坩埚中，并手动震实以准备熔制。熔制工艺是基础玻璃制备过程中较为重要的因素。根据熔制过程的不同，玻璃的熔制分为五个阶段：硅酸盐形成阶段、玻璃形成阶段、澄清阶段、均化阶段和玻璃液冷却阶段。首先以2℃/min的升温速率升温至300℃，然后再以5℃/min的升温速率升温至800℃，最后再以8℃/min的升温速率加热至1450℃。之所以采取这种升温速率，依据是实验仪器的实际使用状况和为了保证原料能够充分的熔融反应。然后，在1450℃下保温3个小时。由于实际使用的高温炉不可以在高温状态下取出，所以，便将其在1450℃保温3h后，以5℃/min降温至50℃后取出，得到半透明的玻璃块。

将制得的玻璃块先用颚式破碎机破碎成粗颗粒，再在反击式破碎机中破碎成更加细小的颗粒，最后放入研钵中手动研磨成细粉并过220目筛，得到基础玻璃粉末。

1.3.3 微晶玻璃的制备

分别取不同比例的基础玻璃粉末与适量的硅酸钠搅拌均匀，研磨充分后装填入外径30mm高40mm的石墨坩埚中，分三到四次装填，每次装填后都应当手动震动密实以确保其密实度便于烧结。采用一步烧结法，根据热重图，取晶化温度为940℃，首先以2℃/min的升温速率升温至300℃，然后再以5℃/min的升温速率升温至800℃，最后以1℃/min的升温速率从800℃直接升温至晶化温度940℃并保温3h。完成后再以5℃/min的速率降温至50℃再取出样品，如图2所示。在整个烧制过程中，析晶阶段对材料的组织结构起着至关重要的作用，所以采取适宜的烧结工艺是烧制成功微晶玻璃的关键。

图2 粉煤灰微晶玻璃

2 实验结果

2.1 晶相分析

对1#～6#粉煤灰微晶玻璃试样进行X射线粉末衍射分析并进行晶相鉴定。本实验过程中采用丹东通达仪器有限公司的TD-3000型X射线衍射分析仪，在Cu靶、Ka线辐射、管电压40kV、管电流30mA、扫描范围10°～80°、测试温度为室温的条件下，对研磨后经过220目筛分得到的粉煤灰微晶玻璃样品进行XRD测试，并通过软件Jade5进行分析，结果如图3所示。

图3 粉煤灰微晶玻璃的XRD曲线

从图3中可以清楚的看到，在1#～6#样品中2θ=30°左右都出现了较强的衍射峰，说明玻璃样品的主要物相是晶体。通过Jade5分析软件确定出的最强峰均为CaSiO3的衍射峰，说明其主晶相为硅灰石晶体，属于单斜链状结构的单斜晶系。对于1#～3#样品，随着粉煤灰含量的增加，制备出的样品主晶相和次晶相均不变，仍为硅灰石和副硅灰石晶体，图中显示的峰值清晰尖锐，这表示其结晶的程度很高。而对于4#-6#样品，随着粉煤灰含量的增加，其烧结之后从外观来看已经不再是微晶玻璃，而是简单的疏松多孔状的轻质材料，明显没有达到微晶玻璃的基本条件。从其衍射图谱来看，主晶相和次晶相虽然还是硅灰石，但是结晶度已经很低，而且明显出现了玻璃态物质的弥散峰，说明粉煤灰添加量达到40%后已经无法形成较多的微晶相分散于玻璃网状结构之中，即使结晶，形成的晶相已经不再明显，说明粉煤灰的最大添加量超过35%后，粉煤灰微晶玻璃基本无法成型。