電解錳渣－廢玻璃低溫?zé)Y(jié)制備陶瓷磚的研究*

冉 嵐 ，劉少友 ，2，文正康

（1.貴州省微介孔與納米材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州凱里 556011；2.凱里學(xué)院）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們消費(fèi)水平的提高，玻璃材料的使用出現(xiàn)遞增的態(tài)勢(shì)，與此同時(shí)，日常生活中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量的廢玻璃垃圾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅以北京為例，每天都會(huì)產(chǎn)生800 t左右的廢棄玻璃。就玻璃生產(chǎn)企業(yè)來說，在正常生產(chǎn)條件下，從平板玻璃原片上切裁下來的邊角材料占玻璃生產(chǎn)總量的15%～25%左右［1］。錳是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中重要的基礎(chǔ)物質(zhì)，近年來中國(guó)每年電解錳產(chǎn)量超過100萬t，占全球總量的98%［2］，然而電解錳工業(yè)面臨著資源大量消耗與環(huán)境污染等問題，平均生產(chǎn)1 t的電解錳，會(huì)產(chǎn)生6～9 t的固體廢棄物［3-4］。電解錳渣的有害成分和廢玻璃的放置對(duì)環(huán)境和人的健康生活造成了極大威脅。吸水率是評(píng)價(jià)陶瓷磚內(nèi)在質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一，它的大小對(duì)陶瓷磚的強(qiáng)度、線性膨脹、抗凍性、抗沖擊等性能有著重要的影響。吸水率大表明陶瓷磚內(nèi)部空隙多、結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度低，反之表明燒結(jié)程度好、內(nèi)部空隙少、結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高［5］。筆者利用電解錳渣和廢玻璃制備陶瓷磚，通過調(diào)整兩者的比例，研究電解錳渣及廢玻璃對(duì)陶瓷磚吸水率和體積密度的影響規(guī)律，得到最佳的錳渣和廢玻璃的配比，以最大程度地提高廢棄物的利用率。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

電解錳渣（51 μm）：w（SiO2）=24.2%，w（MnO2）=1%，w（Al2O3）=7.1%，w（CaSO4·H2O）=67.7%；廢玻璃（77 μm）：普通玻璃。

1.2 試樣的制備

將40 g原料烘干后過篩，加入15 mL水混均后利用44 MPa壓力濕成型，含水率為15%以下。然后放入烘箱中，在100℃下使含水率降為3%以下，按照設(shè)定溫度進(jìn)行煅燒，保溫30 min即可。

2 性能檢測(cè)

2.1 吸水率的測(cè)定

計(jì)算每塊試樣的吸水率 E（b，v），用干磚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示。計(jì)算公式如下：

式中：m1為干磚的質(zhì)量，g；m2為濕磚的質(zhì)量，g；Eb為用m2b測(cè)定的吸水率，%；Ev為用m2v測(cè)定的吸水率，%；Eb代表水僅注入容易進(jìn)入的氣孔，而Ev代表水最大可能地注入所有的氣孔。

2.2 體積密度［6］

試樣的體積密度（又稱為表觀密度，單位為g/cm3）的計(jì)算公式為：

式中：m1為干磚的質(zhì)量，g；m2v為吸水后飽和磚的表觀質(zhì)量，g；m3為飽和磚在空氣中質(zhì)量，g；ρ為水的密度，g/cm3；V 為表觀體積，cm3；B 為體積密度，g/cm3。

3 結(jié)果與討論

3.1 錳渣含量對(duì)陶瓷吸水率和體積密度的影響

圖1是錳渣含量逐漸增加時(shí)陶瓷含水率的變化曲線，3條曲線玻璃質(zhì)量分別為4、6、10 g。由圖1可以看出，隨著錳渣含量的增加，陶瓷含水率逐漸增大。當(dāng)玻璃質(zhì)量為10 g時(shí)，錳渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)從24%增加到32%時(shí)，吸水率變化很小。圖2是錳渣含量逐漸增加時(shí)陶瓷體積密度的變化曲線，兩條曲線玻璃質(zhì)量分別為4 g和6 g。由圖2可以看出，隨著錳渣含量的增加，陶瓷的體積密度逐漸減小。當(dāng)錳渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)從28%增加至32%時(shí)，曲線變化趨于平緩。從圖1和圖2可明顯看出，吸水率越低，證明燒結(jié)程度越高，致密性越好。

圖1 錳渣含量對(duì)吸水率的影響

圖2 錳渣含量對(duì)體積密度的影響

3.2 玻璃含量對(duì)陶瓷吸水率和體積密度的影響

圖3和圖4分別是玻璃含量對(duì)陶瓷吸水率和體積密度的影響。兩條曲線錳渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%和32%。由圖3和圖4可以看出，陶瓷磚的吸水率隨著玻璃含量的增加而降低，體積密度則隨著玻璃含量的增加而增加。因?yàn)?，?jīng)過高溫?zé)Y(jié)后，玻璃熔融轉(zhuǎn)化為體積較小的熔體，熔體充填坯體的孔隙，使固相顆粒相互靠攏，使制品燒成后致密度升高［7］。

圖3 玻璃含量對(duì)吸水率的影響

圖4 玻璃含量對(duì)體積密度的影響

3.3 溫度對(duì)陶瓷吸水率和體積密度的影響

圖5和圖6分別是溫度對(duì)陶瓷吸水率和體積密度的影響。兩條曲線分別為20%錳渣加6 g玻璃和32%錳渣加10 g玻璃。由圖5可以看出，當(dāng)溫度為900℃時(shí)，陶瓷的吸水率最低。由圖6可以看出，32%錳渣加10 g玻璃時(shí)，當(dāng)溫度為900℃時(shí)，體積密度最大。而20%錳渣加6 g玻璃時(shí)，當(dāng)溫度為800℃時(shí)，體積密度最大，可能是由于溫度較低時(shí)，錳渣和玻璃的含量同時(shí)增加，導(dǎo)致反應(yīng)沒有進(jìn)行完全，所以體積密度較大；反應(yīng)完全后，體積密度在900℃時(shí)最大。綜上所述，從圖5和圖6可以看出，當(dāng)反應(yīng)完全后，溫度為900℃時(shí)，吸水率最小，體積密度最大。

圖5 溫度對(duì)陶瓷吸水率的影響

圖6 溫度對(duì)陶瓷體積密度的影響

4 結(jié)論

1）利用錳渣－廢玻璃制備陶瓷磚，可以直接降低陶瓷磚的燒結(jié)溫度，而且當(dāng)溫度在900℃時(shí)，其吸水率最低，體積密度最大。2）隨著錳渣含量的增加，陶瓷磚的吸水率增大，體積密度減??；隨著玻璃含量的增加，陶瓷磚的吸水率減小，體積密度增大。3）錳渣和玻璃對(duì)陶瓷的影響是相反的，因此，綜合其性能，40 g陶瓷原料，當(dāng)錳渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32%、玻璃質(zhì)量為10 g時(shí)，陶瓷磚的性能最佳。

［1］陳瑞軍，朱曉麗，任春利.廢玻璃代替部分水玻璃在低溫陶瓷坯體配方設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)陶瓷，2006，42（3）： 23-25.

［2］段寧，但智鋼，宋丹娜.中國(guó)電解錳行業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和方向［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，1（1）： 75-81.

［3］熊素玉，張?jiān)诜?我國(guó)電解金屬錳工業(yè)存在的問題與對(duì)策［J］.中國(guó)錳業(yè)，2005，23（1）： 10-12，22.

［4］錢覺時(shí)，侯鵬坤，王智，等.可用于建筑材料的電解錳渣性能試驗(yàn)研究［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（5）：59-61，74.

［5］董飛，李莉莉，申玉芳.真空度對(duì)干壓陶瓷磚吸水率的影響［J］.中國(guó)建材科技，2010（S2）：200-204.

［6］方文，吳建鋒，徐曉虹，等.成型壓力對(duì)基體體積密度、吸水率和顯氣孔率影響的探討［J］.中國(guó)陶瓷，2007，43（4）：25-27.

［7］陳云霞，蘇小麗，曾濤，等.粉煤灰固體廢棄物制備瓷質(zhì)磚的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)陶瓷，2013，49（3）：48-51.