以粉煤灰和碎玻璃為主要原料研制泡沫玻璃

張 源 源，王 志 強(qiáng)，劉 寶 龍

(大連工業(yè)大學(xué) 紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

粉煤灰泡沫玻璃是在粉煤灰玻璃配合料坯體中加入適量發(fā)泡劑，當(dāng)坯體受熱軟化時(shí)，由于加入坯體的發(fā)泡劑生成一定量氣體，致使坯體生成氣孔結(jié)構(gòu)而形成的一種輕質(zhì)材料。粉煤灰泡沫玻璃是粉煤灰在玻璃工業(yè)中較廣泛的應(yīng)用，它具有導(dǎo)熱系數(shù)低、強(qiáng)度高、密度小、吸聲等特點(diǎn)，可作保溫、吸聲、填充材料和混凝土骨料等[1－4]。

黏土是一種含水鋁硅酸鹽產(chǎn)物，是由地殼中含長(zhǎng)石類巖石經(jīng)過長(zhǎng)期風(fēng)化和地質(zhì)的作用而生成的，在自然界中分布廣泛，種類繁多，藏量豐富，是一種寶貴的天然資源。其特征是與適量水結(jié)合可調(diào)成柔可繞指的軟泥，具有可塑性和結(jié)合性，將塑性成形的泥團(tuán)煅燒后會(huì)變成具有一定濕度的堅(jiān)硬燒結(jié)體。

國(guó)內(nèi)目前對(duì)粉煤灰泡沫玻璃的研究較多，但還沒有人研究添加黏土的粉煤灰泡沫玻璃的性質(zhì)。工業(yè)化的加強(qiáng)，無可避免地產(chǎn)生越來越多的粉煤灰，如果能對(duì)其進(jìn)行更加合理廣泛的應(yīng)用，一方面減少了對(duì)環(huán)境的污染，另一方面又變廢為寶，提高其自身利用價(jià)值。黏土在自然界中分布廣泛，要善于加工利用。目前對(duì)于黏土最廣泛的利用就是制作黏土磚，但黏土磚的性質(zhì)不夠優(yōu)良，需要加以改良。本文研究了黏土對(duì)于粉煤灰泡沫玻璃的影響，并期望得到利用范圍更廣泛、性質(zhì)更好的泡沫玻璃產(chǎn)品。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 主要原材料

粉煤灰：大連電廠灰渣，化學(xué)成分見表1。

碎玻璃：破碎的瓶罐玻璃，經(jīng)洗凈、球磨、烘干后，過100目篩，化學(xué)成分見表1。

黏土：蘇州土，化學(xué)成分見表1。

表1 主要原料化學(xué)組成表Tab.1 Chemical composition of the main raw materials

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

按配方稱取干燥的粉煤灰、碎玻璃、黏土、發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑，加入球磨罐中濕磨1h，放入烘箱中干燥后，用研缽研磨10min，以10MPa的成型壓力采用半濕法成型，壓制出45mm×45mm×10mm的樣品。將成型后的樣品放入烘箱中在80℃下干燥5h，完全干燥后放入電阻爐中按設(shè)定的溫度制度燒結(jié)。

將燒結(jié)后的樣品利用煮沸法測(cè)量密度[5]，測(cè)量出干燥樣品的質(zhì)量m1、飽和吸附液體的樣品在空氣中質(zhì)量m2及其懸掛在液體中質(zhì)量m3，則體積密度D＝m1／(m2－m3)，氣孔率P＝(D0－D)／D0×100%。式中，D0為樣品在1 400℃下燒結(jié)后的真密度。

將樣品切割成10mm×10mm×10mm的立方體，用北京金盛鑫檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn)的RGT－5型微機(jī)控制電子萬能測(cè)驗(yàn)機(jī)測(cè)其平均抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑的選擇

在配合料坯體中能否形成氣孔結(jié)構(gòu)，主要取決于配合料坯體的軟化溫度與發(fā)泡劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放出氣體的溫度是否匹配，軟化時(shí)間長(zhǎng)短與放出氣體時(shí)間長(zhǎng)短是否匹配，這就要求選擇的發(fā)泡劑必須合適。

在備選的3種發(fā)泡劑中炭黑開始生成氣體的溫度大約為500℃，從800℃左右生成二氧化碳的速度加速；碳酸鈣分解生成最大氣體量的溫度約為900℃；碳酸鈉開始生成氣體的溫度約為720℃，生成最大氣體的溫度約為860℃[6]。

用相同的穩(wěn)定劑，不同的發(fā)泡劑制備出一組泡沫玻璃配合料坯體，將坯體按5℃／min的速率升溫至500℃，保溫30min，再以10℃／min升溫至830℃，發(fā)泡60min，以10℃／min升溫至930℃，燒結(jié)60min。選擇碳酸鈣、碳酸鈉和碳粉為發(fā)泡劑[7]，不同的發(fā)泡劑對(duì)泡沫玻璃發(fā)泡效果的影響見表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)選擇碳酸鈉與碳粉共同作為發(fā)泡劑。

表2 不同發(fā)泡劑對(duì)泡沫玻璃發(fā)泡效果的影響Tab.2 Influence on the foaming effect of foam glass from different foaming agent

2.2 確定發(fā)泡劑摻量

選擇碳酸鈉與碳粉共同作為泡沫玻璃發(fā)泡劑，兩種發(fā)泡劑的比例對(duì)泡沫玻璃質(zhì)量的影響見表3。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，選擇碳酸鈉與碳粉的比例為3∶1作為發(fā)泡劑最為適宜。將碳酸鈉與碳粉按照相同的比例、不同的摻量加入到配合料中，其摻量對(duì)泡沫玻璃質(zhì)量的影響見表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻入7.5%碳酸鈉和2.5%碳粉作泡沫玻璃發(fā)泡劑時(shí)泡沫玻璃性能最好。

表3 碳酸鈉與碳粉比例對(duì)泡沫玻璃質(zhì)量的影響Tab.3 Impact on quality of foam glass from the proportion of Na2CO3and carbon powder

表4 發(fā)泡劑摻量對(duì)泡沫玻璃的影響Tab.4 Effect on foam glass from the quantity of foaming agent

2.3 確定發(fā)泡溫度

發(fā)泡溫度是影響泡沫玻璃質(zhì)量的一個(gè)重要因素。因?yàn)樵诩訜徇^程中，一方面坯體逐步軟化，黏度降低，另一方面發(fā)泡劑開始分解和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體。如發(fā)泡溫度過高，則玻璃液黏度和表面張力過低，而產(chǎn)生的氣體壓力過大，容易造成氣體穿越孔壁，孔洞融合、聯(lián)通致使氣體排出體外。反之，若發(fā)泡溫度過低，則玻璃黏度和表面張力過大而產(chǎn)生的氣體壓力偏小，產(chǎn)生發(fā)泡困難、密度大、中心發(fā)泡不均勻的現(xiàn)象[8]。

根據(jù)炭黑和碳酸鈉產(chǎn)生氣體的情況，分別選擇810、830、850℃作為發(fā)泡溫度，發(fā)泡時(shí)間均為60min。坯體主要組成不變，得到的泡沫玻璃密度分別為697、580和705kg／m3。由于850℃時(shí)黏度、表面張力小，氣泡逸出坯體致密度增大，切開發(fā)現(xiàn)燒結(jié)的樣品中間部分已呈實(shí)心狀態(tài)，故選擇830℃為發(fā)泡溫度。

2.4 確定發(fā)泡時(shí)間

將坯體以5℃／min升至500℃，保溫30min后以10℃／min升至830℃，發(fā)泡時(shí)間對(duì)泡沫玻璃密度的影響見圖1。從圖1可以看到，泡沫玻璃的密度隨著發(fā)泡時(shí)間的延長(zhǎng)而減小，但60和90min時(shí)的密度相差不大，從能量消耗和產(chǎn)品質(zhì)量雙方面進(jìn)行考慮，選擇發(fā)泡時(shí)間為60min最為適宜。

2.5 確定燒結(jié)溫度

要使得泡沫玻璃具有一定強(qiáng)度，需尋找合適的燒結(jié)溫度。在燒結(jié)時(shí)間為60min情況下，在910、930和950℃燒結(jié)出的泡沫玻璃的密度分別為637、580和596kg／m3，抗壓強(qiáng)度分別為4.8、4.9和4.9MPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇930℃為燒結(jié)溫度。

圖1 發(fā)泡時(shí)間對(duì)泡沫玻璃密度的影響Fig.1 Impact on density of foam glass from foaming time

2.6 燒結(jié)時(shí)間的影響

要使坯體具有一定強(qiáng)度，需要一定的燒結(jié)時(shí)間。燒結(jié)溫度為930℃時(shí)燒結(jié)時(shí)間對(duì)泡沫玻璃的影響見圖2。由圖2可知，隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)，密度降低，但60min后隨著逐漸有氣體排出開始增加，抗壓強(qiáng)度隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，后趨于平穩(wěn)。綜合兩方面考慮，選擇燒結(jié)時(shí)間為60min。

2.7 添加黏土對(duì)泡沫玻璃性能的影響

除了上述幾項(xiàng)指標(biāo)外，本實(shí)驗(yàn)著重分析添加黏土對(duì)泡沫粉煤灰性能的影響，添加黏土與不添加黏土的粉煤灰泡沫玻璃性能見表5。

由表5結(jié)果可以看出，黏土對(duì)于泡沫玻璃的性能有一定影響。隨著添加黏土量的增多，密度減小但不明顯，抗壓強(qiáng)度增大。這是因?yàn)轲ね辆哂叙そY(jié)劑的作用，在成型時(shí)可以減小顆粒間距離，發(fā)泡過程中減少氣體從坯體中的逸出，從而減小泡沫玻璃的密度。而黏土本身燒結(jié)后可形成硬燒結(jié)體，這在一定程度上又增大了泡沫玻璃的抗壓強(qiáng)度。從泡沫玻璃質(zhì)量和能源利用雙方面考慮，選擇添加5%黏土制作粉煤灰泡沫玻璃。

圖2 燒結(jié)時(shí)間對(duì)泡沫玻璃密度的影響Fig.2 Influence on density of foam glass from sintering time

表5 黏土對(duì)粉煤灰泡沫玻璃性能影響Tab.5 Impact on the property of foam glass from clay

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)粉煤灰泡沫玻璃性能的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)研究得到最佳的工藝條件為：①組成：粉煤灰37%，碎玻璃58%，黏土5%，發(fā)泡劑為碳酸鈉7.5%和碳粉2.5%，穩(wěn)定劑為1.5%磷酸鈉，助熔劑為1.5%硼酸。②溫度制度：按5℃／min的速率升溫至500℃，保溫30min；以10℃／min的速率升溫至830℃，發(fā)泡60min；以10℃／min升溫至930℃，燒結(jié)60min。在此條件下制備的泡沫玻璃密度為580kg／m3，抗壓強(qiáng)度為4.9MPa。

(2)添加黏土對(duì)粉煤灰泡沫玻璃具有一定影響，黏土的添加可以減小泡沫玻璃的密度和增加其抗壓強(qiáng)度。

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