粉煤灰在再生陶瓷墻地磚中的應(yīng)用＊

王功勛 高 高 周 璇

（湖南科技大學(xué)湖南省普通高等學(xué)校土木工程施工過(guò)程與質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南 湘潭 411201）

粉煤灰在再生陶瓷墻地磚中的應(yīng)用＊

王功勛 高 高 周 璇

（湖南科技大學(xué)湖南省普通高等學(xué)校土木工程施工過(guò)程與質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南 湘潭 411201）

主要研究了粉煤灰在陶瓷墻地磚生產(chǎn)中的應(yīng)用。在引入粉煤灰的同時(shí)，通過(guò)加入不同摻量的陶瓷廢磚粒和拋光磚粉，在用硼砂作為輔助熔劑的條件下，以正交試驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，得出一組最佳配比，在擴(kuò)大廢物利用率的同時(shí)有效提高制品強(qiáng)度。

粉煤灰 陶瓷墻地磚 拋光磚粉 硼砂

前言

粉煤灰是火力發(fā)電廠排放的一種工業(yè)廢渣，是煤粉經(jīng)1100～1700℃燃燒得到的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2000年粉煤灰年排放量就達(dá)1.53億t，近年來(lái)隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電廠粉煤灰的排放量還在不斷增加。目前大量粉煤灰在建材工業(yè)中的應(yīng)用主要有生產(chǎn)粉煤灰水泥，做水泥或混凝土的摻合料，生產(chǎn)粉煤灰磚、粉煤灰砌塊、加氣混凝土等。但粉煤灰整體利用率不高，僅為40%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的70%～80%水平。粉煤灰利用途徑的開(kāi)發(fā)已成為迫切需要［1，2］。

粉煤灰的化學(xué)成分與傳統(tǒng)陶瓷原料成分相似，因此，根據(jù)粉煤灰所含的特有成分研制出具有新性能或使某些性能得到增強(qiáng)的陶瓷材料，開(kāi)拓新的粉煤灰綜合利用途徑，既降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，又能治理環(huán)境污染、造福社會(huì)，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。基于以上分析，本文重點(diǎn)對(duì)粉煤灰在陶瓷墻地磚中的應(yīng)用展開(kāi)了研究。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

陶瓷原料：白泥/紅泥（粘土質(zhì)原料）、石粉（長(zhǎng)石類原料）、幼砂（石英類原料）粉磨過(guò)60目（0.28mm）篩，少量輔助熔劑硼砂。燒成廢料：陶瓷廠墻地磚生產(chǎn)中的燒成廢料，破碎至一定粒徑，其中大于0.6mm的磚粒占64.3%，小于0.6mm的磚粉占35.%。拋光磚廢渣：陶瓷廠

生產(chǎn)拋光磚產(chǎn)生的廢泥渣，經(jīng)烘干破碎，過(guò)60目篩篩余1.4%，比表面積515m2/kg。

粉煤灰取自廣州某電廠。其化學(xué)組成見(jiàn)表1。其礦物組成采用理學(xué)D/max－Ⅲ型全自動(dòng)X－射線衍射儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定條件為：Cu靶，石墨單色器，電壓為40 kV，電流為30mA。結(jié)果見(jiàn)圖1。

表1 粉煤灰的化學(xué)組成（質(zhì)量%）

圖1 粉煤灰X－射線衍射圖譜

從圖1可以看出，粉煤灰的主要礦物組成為石英、CaCO3和Fe2O3。

粉煤灰的玻璃相含量測(cè)定采用1%的HF溶液浸泡20h，用定量濾紙過(guò)濾，將殘留物放入坩堝內(nèi)置于700℃左右的條件下灼燒，計(jì)算粉煤灰浸泡前后的質(zhì)量損失，測(cè)得其玻璃相含量為35%。

粉煤灰顆粒粒徑測(cè)定：顆粒中＞45um的顆粒組成的測(cè)定根據(jù)GB/T1345－2005《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法 篩析法》進(jìn)行；顆粒中＜45um的顆粒組成采用BT－1500離心沉降式粒度分布儀測(cè)定。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰顆粒分布（%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)工藝流程如下：原料處理→配料→攪拌造粒（粒料含水率7%～8%）→裝?！鷫褐瞥尚巍黧w干燥→燒成→性能測(cè)試。燒結(jié)溫度1200℃，保溫時(shí)間1 h，升溫速率15℃/min。所制的圓柱體試樣尺寸如下：直徑35mm，高25mm。

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括振動(dòng)磨、液壓機(jī)、鼓風(fēng)電熱恒溫干燥箱、箱式電阻爐等。性能測(cè)試按相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 試驗(yàn)方案及原理

因粉煤灰熔點(diǎn)較高，需加入熔劑性原料長(zhǎng)石，以便與粉煤灰及其它原料形成低溫共熔體，降低燒成溫度，形成的液相還能填充坯體的孔隙，減少氣孔率，增大致密度，從而提高坯體的機(jī)械強(qiáng)度。

本試驗(yàn)中的石粉即為鉀長(zhǎng)石，白泥和紅泥主要用來(lái)改善坯料的可塑性與粘結(jié)性，便于造粒、成形，提高生坯的干燥強(qiáng)度。幼砂（即石英）在燒成過(guò)程中的體積膨脹，能補(bǔ)償粉煤灰及其它原料熔融、分解引起的坯體收縮，降低收縮率。高溫下石英能熔解于液相中，提高液相的粘度，未熔解的石英顆粒構(gòu)成坯體的骨架，起增強(qiáng)作用，這都減少了坯體變形的可能性。瘠性原料石英、長(zhǎng)石不僅能提供生坯水分快速排出的通道，縮短干燥時(shí)間，而且能為粉煤灰中有機(jī)碳粒燃燒和無(wú)機(jī)礦物分解產(chǎn)生的氣體提供排出通路。

本試驗(yàn)中摻入了部分陶瓷廠產(chǎn)生的燒成廢料—廢磚粒。一方面廢磚粒的粒徑較大，在擠出機(jī)的擠壓作用下會(huì)使坯體表面略顯粗糙，提高了墻地磚的抗滑性及其外觀質(zhì)感，另一方面也提高廢料利用率。根據(jù)筆者早期的研究，當(dāng)配比組合為：廢磚粒∶白泥∶紅泥∶幼砂∶石粉＝1.7∶1.7∶1.3∶1∶1時(shí)，制品在強(qiáng)度及表觀方面表現(xiàn)最佳，故本次試驗(yàn)確定這一配比不變。另外，由早期研究可知，摻入少量的陶瓷廢料—拋光磚廢渣（拋光粉），會(huì)對(duì)制品強(qiáng)度有所影響，但影響不大，本試驗(yàn)為提高廢料的綜合利用率，故添加了少量的拋光磚粉。

本試驗(yàn)還引入了少量硼砂作為輔助熔劑，所使用的硼砂，其熔點(diǎn)為741℃，遠(yuǎn)低于鉀長(zhǎng)石開(kāi)始熔融溫度。添加少量硼酸鹽作為陶瓷坯體中的助熔劑，使鉀長(zhǎng)石與硼砂復(fù)合作為多元熔劑，可降低坯體的最低共熔溫度點(diǎn)，使坯體出現(xiàn)液相的溫度大大降低。較早出現(xiàn)的液相在其表面張力的作用下把坯體中共存的晶相顆粒膠結(jié)在一起，促使SiO2和Al2O3的進(jìn)一步擴(kuò)散，有利于莫來(lái)石晶體的生成及線性生長(zhǎng)，提高坯體的機(jī)械強(qiáng)度。隨著溫度進(jìn)一步上升，液相量將不斷產(chǎn)生增多，充分填充坯體孔隙，排除氣孔，促進(jìn)坯體的致密度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單摻粉煤灰對(duì)制品強(qiáng)度的影響

大量研究表明，粉煤灰對(duì)粘土制品焙燒性能有很大影響，這主要取決于粉煤灰的摻量多少，粉煤灰的顆粒尺寸及粘土制品的燒成溫度。隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)e2O3、CaO含量增大，坯體中形成含F(xiàn)e2O3、CaO的玻璃相，高溫粘度隨溫度的升高而迅速降低，此時(shí)易產(chǎn)生變形［3］。另一方面，粉煤灰是經(jīng)高溫?zé)贫傻亩嘟M分混合物，從其化學(xué)成分析比較，它與傳統(tǒng)的弱塑性粘土很相近，但從其礦物組成來(lái)看，由于粉煤灰含有大量的玻璃相，致使粉煤灰陶瓷坯體在高溫下因玻璃相熔融而產(chǎn)生大量熔體而造成坯體收縮大、易變形，且坯體強(qiáng)度低；同時(shí)，粉煤灰中碳及其它鹽類的氧化分解速度慢，并伴有大量氣體產(chǎn)生，致使坯體升溫速度緩慢，否則坯體易開(kāi)裂并伴有黑心，同時(shí)坯體在高溫下的莫來(lái)石化反應(yīng)也使坯體在燒成中的升溫速度不宜過(guò)快，由此產(chǎn)生的坯體燒成周期延長(zhǎng)［4］。

刑偉宏對(duì)粉煤灰的高溫?zé)Y(jié)性能進(jìn)行了研究［5］，結(jié)果見(jiàn)圖2。從他的研究中可以發(fā)現(xiàn)，1000℃以前，樣品基本沒(méi)有外觀體積的變化；1050℃，樣品明顯收縮；1250℃，樣品收縮到最小體積，表明樣品內(nèi)部大部分氣體已經(jīng)排出，密實(shí)度增大；1270℃開(kāi)始膨脹，1308℃膨脹到最大值，隨后樣品逐漸軟化。

圖2 粉煤灰隨溫度變化的收縮曲線

鑒于粉煤灰的這種特性，因此，本試驗(yàn)確定粉煤灰摻量在15%以下，采用內(nèi)摻法，在摻入粉煤灰的同時(shí)確保原料其他組分的比例不變。試驗(yàn)配比見(jiàn)表3。從表3中可以看出，白泥∶紅泥∶幼砂∶石粉＝1.7∶1.3∶1∶1。燒結(jié)溫度1200℃，保溫時(shí)間1h，升溫速率15℃/min。

表3 粉煤灰摻量對(duì)強(qiáng)度與吸水率的影響

從表3可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，制品強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后增加，隨之又下降的過(guò)程。當(dāng)粉煤灰摻量在10%時(shí)，制品強(qiáng)度最高，相比未摻粉煤灰的試樣強(qiáng)度增幅達(dá)34.6%。可見(jiàn)，粉煤灰有一最佳摻量，在本試驗(yàn)中，其最佳摻量值在10%。另外，從表3可以看出，隨粉煤灰摻量增加，制品的吸水率明顯下降。這說(shuō)明適量粉煤灰的摻入提高了制品的致密度，使得制品氣孔率下降，制品吸水率也隨之明顯降低?？梢?jiàn)，適量粉煤灰的摻入在1200℃高溫下起到了一定的熔劑作用，粉煤灰所含的玻璃相熔融，產(chǎn)生的液相有利于坯體粉末顆粒的流動(dòng)傳質(zhì)，從而促進(jìn)制品燒結(jié)致密化，使得制品強(qiáng)度增加，吸水率下降。

3.2 復(fù)摻粉煤灰及其他熔劑對(duì)制品強(qiáng)度的影響

在單摻粉煤灰的基礎(chǔ)上，摻入不少于20%的陶瓷廢磚粒，外摻少量拋光磚粉及輔助以少量硼砂作為復(fù)合熔劑組分。在本次試驗(yàn)中，將粉煤灰、硼砂、拋光磚粉作為變化的三個(gè)因素，選取不同的摻量，采用三因素三水平的正交試驗(yàn)表頭來(lái)設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)。具體配比組成見(jiàn)表4，其因素及水平分布見(jiàn)表5，正交試驗(yàn)極差分析見(jiàn)表6。

表4 正交試驗(yàn)中各配比組成（質(zhì)量%）

表5 正交試驗(yàn)中的影響因素及其水平分布

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

從表4的試驗(yàn)結(jié)果看，編號(hào)8的這組配比強(qiáng)度最高，效果最佳，對(duì)比空白樣而言強(qiáng)度提高幅度達(dá)35%。試驗(yàn)說(shuō)明，在粉煤灰、硼砂、拋光粉的三者作用下，當(dāng)其摻量分別為6%、0.8%、5%時(shí)，即為A2B3C2組合配比時(shí)，對(duì)強(qiáng)度提高作用最明顯。根據(jù)表6的極差分析，選取三因素各自最大值所對(duì)應(yīng)的水平，即為組合的最佳配比。從表6可以看出，當(dāng)因素A列當(dāng)中，選擇第2個(gè)水平值，也即K2時(shí)，所對(duì)應(yīng)的結(jié)果最大為66.0。同理，在因素B列中，K3所對(duì)應(yīng)的值最大；而在因素C列當(dāng)中K2所對(duì)應(yīng)的結(jié)果最大。故由極差分析得到的結(jié)果是：A2B3C2組合配比為最佳。根據(jù)直觀的試驗(yàn)結(jié)果和極差分析所得到的最佳配比一致，可確定本次試驗(yàn)的最優(yōu)選組合即為A2B3C2。另外，通過(guò)極差分析表中的R值可知，三因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著程度依次為B＞C＞A。根據(jù)三者R值均較大，而相互之間相差并不大，足見(jiàn)這三個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度均較大，改變其中任何一個(gè)因素的水平，都將導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的極大變化。

由以上分析可知，B因素即硼砂摻量的大小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著程度最大，其摻量的略微改變都將引起制品強(qiáng)度的極大變化。這主要體現(xiàn)了硼砂作為輔助熔劑組分所起到的巨大作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，硼砂與鉀長(zhǎng)石多元熔劑的組合可降低坯體的最低共熔溫度點(diǎn)，使坯體出現(xiàn)液相的溫度大大降低，促使SiO2和Al2O3的進(jìn)一步擴(kuò)散，有利于莫來(lái)石晶體的生成及線性生長(zhǎng)，提高坯體的機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)，硼砂與硅酸鹽熔體高溫反應(yīng)，易形成均勻一致的低粘度玻璃相。這大大改善了液相對(duì)固相的潤(rùn)濕能力，提高了固相在液相中的溶解度及擴(kuò)散速度，促進(jìn)溶解－沉淀傳質(zhì)過(guò)程而引起坯體迅速致密化，從而提高燒成速度和燒后產(chǎn)品的性能。

本試驗(yàn)中粉煤灰玻璃相含量大，其大量液相的產(chǎn)生，可充分填充坯體孔隙，排除氣孔，這也進(jìn)一步促進(jìn)了坯體的致密度。另外，本試驗(yàn)中的拋光磚粉顆粒粒徑小，比表面積值高達(dá)515m2/kg，其平均中位粒徑為7.47um。在高溫及適當(dāng)液相量的作用下，坯體中拋光粉的細(xì)小顆粒具有比大顆粒更大的溶解度，拋光粉的細(xì)小顆粒將會(huì)優(yōu)先溶解，并通過(guò)液相擴(kuò)散在大顆粒表面沉淀析出。這也會(huì)使粒界不斷推移，空隙被填充，從而達(dá)到致密化的目的。

4 結(jié)論

1）隨著粉煤灰摻量的增加，制品強(qiáng)度呈現(xiàn)先下降后上升再下降的變化趨勢(shì)，制品吸水率隨粉煤灰摻量的增加而下降。粉煤灰在坯體中最佳摻量為10%，可提高制品強(qiáng)度達(dá)34.6%。

2）在保持陶瓷其他原料比例不變的情況下，摻入占原料總重的粉煤灰6%、硼砂0.8%、拋光磚粉5%、廢磚粒22.3%，可提高制品強(qiáng)度達(dá)35%，廢料利用率高達(dá)30%以上。

3）適量粉煤灰的摻入在1200℃高溫下起到了一定的熔劑作用，粉煤灰所含的玻璃相熔融，產(chǎn)生的液相有利于坯體粉末顆粒的流動(dòng)傳質(zhì)，從而促進(jìn)制品燒結(jié)致密化，使得制品強(qiáng)度增加，吸水率下降。

4）硼砂作為輔助熔劑與鉀長(zhǎng)石組合，可降低坯體的最低共熔溫度點(diǎn)，促進(jìn)液相的產(chǎn)生及莫來(lái)石晶體的生成，有利于提高坯體的機(jī)械強(qiáng)度。拋光磚粉因其顆粒細(xì)小有利于坯體燒結(jié)致密化。

1 劉雪吟，姜斌，黃朝暉，等.以粉煤灰和赤泥為原料燒結(jié)陶瓷工藝與性能研究.硅酸鹽通報(bào)，2010（2）：188～192

2 徐研.用粉煤灰生產(chǎn)陶瓷制品粉煤灰綜合利用.粉煤灰綜合利用，2005（5）：27～28

3 王志芹.粉煤灰在陶瓷制品上的應(yīng)用.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（8）：108～110

4 陳冀渝.輕質(zhì)多空粉煤灰陶瓷的研制.全國(guó)性建材科技期刊——陶瓷，2006（1）：38～39

5 刑偉宏.粉煤灰陶瓷墻地磚黑芯及鼓泡形成原因分析.全國(guó)性建材科技期刊——陶瓷，1999（1）：40～41

TQ177.3＋9

A

1002－2872（2011）08－0028－03

王功勛（1979－ ），講師，博士；主要從事新型建筑材料的研究。Email：gongxunwang@yahoo.com.cn