陶瓷废渣在二次烧陶质砖中的应用研究*

周锡荣 王贤超 刘荣传 彭滨

(1 蒙娜丽莎集团股份有限公司 广东 佛山 528211) (2 中国轻工业无机材料重点实验室 广东 佛山 528211)

前言

建筑陶瓷行业产生的废渣一直以来是令企业头疼的问题。十年前，市场上的抛光砖占据主流地位，制造1 m3的抛光砖大致产生2.1 Kg左右的抛光砖废渣。如此多的废渣最初靠填埋处理，随着环保政策的趋紧，科研人员开展了抛光废渣的回收利用研究工作[1～3]。近几年来，随着全抛釉的开发成功，全抛釉产品立即风靡市场。然而无论是以前的抛光砖，还是现在的全抛釉产品，都需要经过抛光工序，不可避免的产生大量的陶瓷废渣，虽然数量不如以前那么庞大，但依然可观。由于抛光过的废渣里含有抛光磨块，里面包含在高温下能发泡的磨料如SiC、金刚石等，这就限制了这类废渣的回收利用。目前科研人员依旧在不断地努力研究陶瓷废渣的利用问题，并拓展它的应用范围，如利用它研制墙体隔热保温材料[4]、吸声材料[5]、调湿材料[6]、微晶玻璃[7]等高附加值产品。陶质砖施加底釉、面釉的量比较多，好的遮盖力给劣质原料的使用提供了很大的空间，研究人员也不断研究劣质、低品位原料在陶质砖中的应用[8]。陶瓷废渣具有高温发泡性能，而二次烧陶质砖的烧成温度一般比较低，给陶瓷废渣在陶质砖中的应用提供了空间。余国明利用抛光废渣研制了吸水率17.2%、断裂模数24.8 MPa的陶质砖[9]，笔者研究了陶瓷废渣在陶质砖中的影响情况，配方中废渣掺入量达20%，制得的产品吸水率低、断裂模数高，整体性能优异，取得了较为不错的效果，给抛釉废渣的处理提供了新的途径。

1 实验

1.1 原材料

实验用的原材料为本厂生产陶质砖常用的原材料，陶瓷废渣来自于本厂收集，它主要是全抛釉产品磨边、抛光后的污水、另外还混有少量的废釉污水和原料加工产生的污水，几种污水共同沉淀后、压滤产生的废渣。各原材料的化学成份分析结果见表1。

表1 原材料化学组成

1.2 实验过程及工艺参数

工艺流程：原料均混→称量→球磨→除铁、过筛→喷粉造粒→成型→干燥→素烧→施釉→印花→釉烧→磨边

工艺参数：浆料细度：3.1%～3.3% (250目筛余)

浆料密度：1.69～1.73g/cm3

颗粒级配：30目上：8%～12%；30～60目：68%～80%；60～80目：8%～12%

粉料水分：6.4%～7.0%

成形厚度：9.2±0.3 mm

成形压力：30～35 MPa

砖坯干燥周期： 16 min

素烧温度：1 045～1 060 ℃

釉烧温度：1 025～1 035 ℃

素烧周期：36～42 min

釉烧周期：40～45 min

1.3 性能测试

用S8 TIGER X射线荧光光谱仪分析了原材料及配方化学组成；用ZEISS EVO 10型扫描电镜测试了陶瓷废渣的微观形貌；用Dino-Lite显微镜观察了产品截面形貌；根据国家标准GB/T3810.1-16-2006《陶瓷砖试验方法》测试了样品的吸水率、收缩率等相关性能。

2 结果与讨论

2.1 温度对陶瓷废渣性能的影响

图1 抛釉废渣在不同温度下的收缩率

陶瓷废渣含有弹性磨块碎屑，弹性磨块主要由树脂、SiC或金刚石磨料组成。这种磨料在高温下就会氧化，有液相的存在会加速它的氧化发泡并阻止气体的排出，在内部形成闭口气孔。因此，对陶瓷废渣使用要么利用废渣在高温下的发泡性能，要么尽量低烧成温度下使用。

图1显示的是陶瓷废渣在不同温度下的收缩率，在1 095 ℃之前，坯体的收缩逐渐变大并达到平衡，之后才开始膨胀。这是因为在1 095 ℃前，废渣的发泡非常少，这时在升温过程中主要以收缩为主，在1 095 ℃之后，废渣开始发泡，会抵消坯体的收缩，因此它的收缩率又开始变小。因此对于二次烧砖来说，只要素烧温度或者釉烧温度都低于1 095 ℃，这样可以避免废渣在高温下发泡的影响，但是在此温度区间不断的收缩，对坯体尺码影响比较大。

图2是陶瓷废渣在1 035 ℃～1 060 ℃时不同温度下烧成的微观形貌。从图中可以看出，陶瓷废渣在此温度区间烧成时，基本看不到气泡的存在，二次烧陶质砖的烧成温度只要不高于此温度区间，基本上可以忽略它的发泡对坯体的影响，本实验中控制窑炉最高温度不超过1 060 ℃。

(a)1035℃ (b)1060℃

2.2 陶瓷废渣对配方的影响

图3 陶瓷废渣的内部形貌

图4 陶质砖中陶瓷废渣不同比例的收缩率

图3是陶瓷废渣的内部形貌，可以看出，废渣的结构松散，因此废渣的引入对坯体的尺码影响比较大，烧成过程收缩比不加废渣的坯体收缩要大。同时它含脊性料多，又有树脂在内，会降低坯体的生坯强度。

图4为配方中不同比例废渣对坯体烧成后尺码的影响，可以看出，废渣引入量越多，坯体的收缩越大，这是它的结构松散所造成的。没加废渣时，坯体的收缩率为0.33%，当废渣的引入量达20%时，收缩率为1.8%。由于陶质砖对坯体的收缩控制、平整度要求比较高，因此收缩偏大对窑炉烧成是个考验。

图5 陶质砖中陶瓷废渣不同比例与强度的关系

众所周知，陶质砖因为要求坯体吸水率大，坯体收缩小，因此坯体配方中的钾、钠含量低，所用的原材料大多是含钾、钠很低的高温砂。从表1可以看到，陶瓷废渣含钾、钠比较高，因此它的温度比较低。把这种废渣引入到陶质砖配方中，必然会导致配方中的钾、钠含量增加。一方面会降低坯体的吸水率，同时会导致坯体中钾钠长石含量的增加，也使得坯体的强度有明显的增加。图5是不同比例陶瓷废渣对强度的影响，可以看出，加入废渣后，强度明显增加。

2.3 配方体系设计的影响

表2 坯体化学组成实例对比(%)

陶质砖的吸水率高，为了防止砖坯热稳定性差以及后期龟裂，配方设计中一是需要考虑的是坯体、底釉、面釉膨胀系数的匹配，二是要求配方中的K2O、Na2O含量低，这是因为坯体的吸水率高，容易产生吸湿膨胀。基于以上特点，釉面内墙砖的配方一般是低钾、钠，高钙、镁体系，提高玻璃相的抗侵蚀能力，减少湿膨胀率[10]。由于陶瓷废渣的钾、钠含量高，坯体里引入大量废渣后，不可避免的会增加坯体中的钾钠含量，部分可以通过原材料的调整，控制配方中的钾、钠含量的增加。另外可以在烧成中控制坯体的吸水率，使它控制在一个较低水平，减少湿膨胀率。表2是加入陶瓷废渣20%前后坯体配方组成对比。从表2中可以看出，配方中铝、钾、钠含量总量略有增加，但钙、镁含量有较大增加，同时调整了配方组成，降低了配方的烧失，可以弥补一些因废渣造成的较大收缩。

表3给出了添加陶瓷废渣20%的坯体主要性能。从表中可以看出，添加陶瓷废渣后，在吸水率相差不大的情况下，坯体强度明显提高。虽然配方的钾、钠含量增加了0.22%，在坯体吸水率控制比较低时，坯体的湿膨胀率也没有变化。由于调整了配方组成，降低了烧失，坯体的收缩由原来的1.8%降低到了1.46%，也能够减轻部分烧成对砖形控制方面的压力，其它各方面性能表现与没有加废渣没有什么区别。

表3 坯体主要性能

综上所述，可得到以下结论：①通过陶瓷废渣的性能研究，控制二次烧陶瓷砖素烧、釉烧温度，陶瓷废渣的发泡不会对坯体产生影响。②随着陶瓷废渣的加入，坯体的收缩会逐渐增大，断裂模数也会随着废渣加入量的增加而增大。③通过合理配方体系的设计，掺入20%陶瓷废渣坯体吸水率14.72%，断裂模数33.20 MPa，整体性能优异。④陶瓷废渣在陶质砖中的成功应用，给陶瓷废渣提供了一条好的解决途径。