粉煤灰制備陶瓷地磚的研究

王可楨，王維

(1國(guó)電濮陽(yáng)熱電有限公司，河南濮陽(yáng) 457000;2河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河南洛陽(yáng) 471023)

?

粉煤灰制備陶瓷地磚的研究

王可楨1，王維2

(1國(guó)電濮陽(yáng)熱電有限公司，河南濮陽(yáng) 457000;2河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河南洛陽(yáng) 471023)

摘要本文目的在于研究原料粉末粒徑大小對(duì)粉煤灰質(zhì)陶瓷磚性能的影響。利用粉煤灰和滑石等普通陶瓷原料，經(jīng)過(guò)模壓成型成功制備了粉煤灰質(zhì)陶瓷地磚。通過(guò)高倍電鏡分析，研究了粒徑大小對(duì)粉煤灰陶瓷地磚結(jié)晶和性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，粉煤灰質(zhì)陶瓷坯體最佳燒成溫度為1150 ℃，陶瓷原料粉末粒徑小于250目，粉煤灰質(zhì)陶瓷的性能最佳。粉煤灰中K2O和Na2O促進(jìn)陶瓷晶化形核時(shí)生成透輝石相和降低燒成溫度。本工作為粉煤灰大規(guī)模資源化及綜合利用提出了新思路。

關(guān)鍵詞赤泥；透輝石；陶瓷地磚；粒徑大小

粉煤灰是火力發(fā)電過(guò)程中排出的固體性廢渣，隨著我國(guó)電力工業(yè)的快速發(fā)展，粉煤灰排放量也在不斷增加。大量粉煤灰未得到充分利用，不僅白白浪費(fèi)掉了氧化鋁、二氧化硅等有效成分，而且占用大量的良田，污染了土壤和地下水，對(duì)動(dòng)植物的生存產(chǎn)生很大的危害[1-2]。目前粉煤灰的綜合利用主要在以下兩個(gè)方面：將粉煤灰作為生產(chǎn)水泥的主要原料；利用粉煤灰可以改良土壤的化學(xué)特性生產(chǎn)堆肥?？傊壳按蠖鄶?shù)對(duì)粉煤灰的綜合應(yīng)用的研究都因?yàn)槌杀靖?、效率偏較低，難以在工業(yè)化中廣泛應(yīng)用

粉煤灰中加入含有氧化鎂、氧化鈣天然巖石能夠形成透輝石，透輝石因具有燒成溫度低和吸水率小的特點(diǎn)而作為新型節(jié)能陶瓷原料,得到廣泛的應(yīng)用。吳慶波[3]等以粉煤灰為主要原料,添加膨潤(rùn)土, 制備出了氣孔率較低、抗折強(qiáng)度較高的多孔陶瓷。劉雪吟[4]等以粉煤灰為主要原料燒成了以鈣鈉長(zhǎng)石和莫來(lái)石為主要成分晶相的陶瓷材料。以上文獻(xiàn)的研究重點(diǎn)在于粉煤灰為主要原料制備陶瓷材料后的性能測(cè)量和改善，但沒(méi)有涉及原料粒徑大小對(duì)制備陶瓷的影響。國(guó)電濮陽(yáng)熱電有限公司與河南科技大學(xué)進(jìn)行校企合作，在實(shí)驗(yàn)室中以粉煤灰為主要原料制備陶瓷地磚，研究原料粒徑大小對(duì)陶瓷晶相的影響，為粉煤灰大規(guī)模資源化綜合利用、減小對(duì)環(huán)境的危害提供依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)原料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)原料

粉煤灰中含過(guò)多鐵，含硅、鋁、鎂能夠形成透輝石的物相較少, 單獨(dú)用來(lái)生產(chǎn)陶瓷地磚不能滿足性能的要求，需與滑石(富含Al2O3和SiO2)原料合理搭配使用。為了充分的利用粉煤灰及在燒結(jié)過(guò)程中形成盡可能多的陶瓷晶相，本文選取粉煤灰60%，工業(yè)滑石15%，生石灰粉25%為原料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文用x射線熒光光譜儀分析了粉煤灰、實(shí)驗(yàn)中所用滑石的的化學(xué)成份，見(jiàn)表1。

表1　原料成分

1.2實(shí)驗(yàn)方法

以上各原料按配方稱量后，經(jīng)球磨機(jī)球磨，混料依次過(guò)325目、250目和160目篩子篩分(篩余料制成的試樣分別記為S1、S2、和S3)造粒、陳腐、后在25 Mpa壓力下保壓5 min，半干壓壓制成型，制成Φ20 mm的磚坯。在電阻爐中高溫下焙燒，燒成后自然冷卻，坯料從電阻爐中取出，焙燒升溫曲線如圖2所示。在400 ℃、600 ℃、800 ℃、1000 ℃及1150 ℃均保溫1小時(shí)，保溫的目的有兩方面，一方面使試樣體內(nèi)發(fā)生充分的物理化學(xué)變化，以便生成足夠的液相與固相粘結(jié)在一起和大小合適的晶粒，另一方面使試樣內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)盡可能均勻一致[5]。對(duì)制成粉煤灰陶瓷地磚微觀形貌進(jìn)行SEM分析(日本電子JSM-5610LV 掃描電鏡)。

圖1　粉煤灰陶瓷地磚燒成溫度曲線圖

2結(jié)果與討論

物相組成粉煤灰陶瓷磚S1、S2、和S3的XRD譜如圖3所示。

圖2　粉煤灰陶瓷試樣的XRD譜

由圖3可以看出，各個(gè)樣品析晶后的晶相中均含有主晶相透輝石 [CaO·MgO·2SiO2]和鈣長(zhǎng)石[2CaO·Al2O3·2SiO2]，3個(gè)試樣透輝石晶相量的多少和XRD衍射峰的變化與試樣粒徑有很大關(guān)系。在樣品燒成過(guò)程中，試樣中的CaO、SiO2、Al2O3互溶成CaO-SiO2-Al2O3硅酸鹽玻璃相。樣品S1的主晶相透輝石和鈣長(zhǎng)石有較高強(qiáng)度的衍射峰，玻璃相衍射峰強(qiáng)度較低。相反，樣品S3中主晶相透輝石和鈣長(zhǎng)石有較低強(qiáng)度的衍射峰，玻璃相衍射峰強(qiáng)度較高。陶瓷地磚基體化學(xué)成分由骨料和熔劑兩部分組成，骨料主要包含SiO2和Al2O3，構(gòu)成陶瓷地磚的主框架，熔劑的主要作用是降低陶瓷的熔點(diǎn)，包含堿金屬和堿土金屬氧化物，如K2O、Na2O和CaO，在陶瓷樣品燒成過(guò)程中，骨料和熔劑中氧化物經(jīng)固溶反應(yīng)形成透輝石和鈣長(zhǎng)石晶相[6]。樣品粒徑越小，表面自由能越高，形成主晶相透輝石相和鈣長(zhǎng)石相就越多。

2.2 粉煤灰陶瓷試樣樣品SEM分析

試樣S1、S2和S3的微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡( SEM)照片如圖4所示。

圖3　粉煤灰陶瓷試樣的SEM照片

由圖4中可以看出，3個(gè)樣品燒成過(guò)程中均有固相和液相粘結(jié)在一起。在本試驗(yàn)中的原料粉煤灰和滑石中含有大量的SiO2、MgO和Al2O3，這些Al、Si和Mg元素促進(jìn)了陶瓷坯體高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中生成大量的液相，這些液相能夠控制陶瓷坯體內(nèi)晶體生長(zhǎng)速度[7]。較大晶體在坯體晶化反應(yīng)中形成骨架，較小晶體能夠順利的在骨架間的縫隙中鑲嵌，玻璃相充填在大晶體和小晶體晶界間的間縫中，從而使晶坯致密化程度提高，大幅度的增加了瓷質(zhì)地磚的強(qiáng)度。另外，粉煤灰中Fe2O3在陶瓷高溫?zé)蛇^(guò)程中易形成低固溶點(diǎn)化合物，降低了透輝石主晶相燒成溫度。

粉煤灰質(zhì)陶瓷燒成的關(guān)鍵因素發(fā)生以下固溶反應(yīng)：CaO+SiO2+MgO→CaO·MgO·2SiO2，在合適的的壓力下，高溫?zé)蛇^(guò)程中固溶反應(yīng)的反應(yīng)界面變大，陶瓷晶相得到充分生長(zhǎng)。該固溶反應(yīng)是磁化程度的體現(xiàn)，是形成陶瓷的必要條件。試樣S3固相和液相結(jié)合最差，原因在于原料粉末粒徑越大，熱阻越大，只有在較高的溫度下方可吸收小粒徑顆粒在較低溫度下相同的熱量[8]。因此粒徑較大試樣S3粉煤灰中的Al2O3、SiO2未能和滑石中的MgO充分進(jìn)行固溶反應(yīng)。當(dāng)原料粉末粒徑在250目以下時(shí)，高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中氧化物之間發(fā)生了較充分的固溶反應(yīng)，形成了結(jié)構(gòu)緊密的固溶體晶粒，半溶解態(tài)的石英將其包裹，最終所形成的晶體粒度尺寸較均勻。粉煤灰為工業(yè)固體廢棄物，再加上低溫?zé)Y(jié)快燒的工藝特點(diǎn)，能夠在節(jié)約資源的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源。粉煤灰含有一定量的K2O和Na2O，在陶瓷制品焙燒過(guò)程中K2O和Na2O可以起到助燒劑作用，能夠加速坯體致密化進(jìn)程，促進(jìn)陶瓷制品快速燒成；能夠拓寬樣品的燒成范圍和有效降低樣品的燒成溫度。

2.3 粉煤灰陶瓷試樣樣品性能測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，做出3個(gè)不同粒徑粉煤灰質(zhì)陶瓷地磚抗彎強(qiáng)度、吸水率和真密度比較圖。

圖4　粉煤灰陶瓷試樣的物理性能

從圖中可以看出，試樣粒徑的越小，赤泥質(zhì)陶瓷抗彎強(qiáng)度越高，吸水率越低，體積密度越大。當(dāng)原料粉末粒徑小于250目時(shí)，粉煤灰質(zhì)陶瓷抗彎強(qiáng)度超過(guò)了99 MPa，當(dāng)原料粉末粒徑大于160 目時(shí)，粉煤灰質(zhì)陶瓷抗彎強(qiáng)度為95.48 MPa，尚未達(dá)到建筑陶瓷的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4100-2006。在生產(chǎn)中從獲得性能優(yōu)良的陶瓷材料又減少不必要的能量消耗考慮，應(yīng)選擇原料粉末粒徑250目為宜。

3結(jié)論

利用工業(yè)廢棄物粉煤灰、滑石和消石灰粉制備了粉煤灰質(zhì)陶瓷磚，綜合考慮生產(chǎn)粉煤灰質(zhì)陶瓷磚的能量消耗和性能，原料粉末粒徑小于250目時(shí)，1150℃燒成樣品的密度2.14 g/cm3，吸水率0.05%，抗彎強(qiáng)度99.73 MPa，達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

樣品的主晶相是透輝石(CaMgSi2O4)和鈣長(zhǎng)石(Ca2Al2Si2O7)，樣品粒徑越小，越有利于透輝石相和鈣長(zhǎng)石的形成。

原料粉煤灰中K2O和Na2O可做為燒結(jié)反應(yīng)的助燒劑，降低透輝石相形成溫度。

參考文獻(xiàn)

[1]Blissett R S，Rowson N A A review of the multi-component utilisation of coal fly ash[J]．Fuel,2012，97：l-23．

[2]Qi L，Yuan Y Characteristics and the behavior in electrostatic precipitators of high-alumina coal fly ash from the Jungar power plant, Inner Mongolia, Henan[J]．Journal of hazardous materials，2011，192(1)：222—225．

[3]吳慶波，劉立強(qiáng)，趙 東，王明國(guó)，張全鵬，牛文賀. 膨潤(rùn)土含量對(duì)粉煤灰-赤泥多孔陶瓷性能的影響[J]．2013, 49(3)：56-58

[4]劉雪吟, 姜斌, 黃朝暉, 劉艷改, 房明浩. 以粉煤灰和赤泥為原料燒結(jié)陶瓷工藝與性能研究[J] ．硅酸鹽通報(bào)，2010,29(1)：188-192

[5]Dana K., Dey J., Das S. K. Synergistic effect of fly ash and blast furnace slag on the mechanical strength of traditional porcelain tiles. Ceramics International, 2005, 31(1): 147-152

[6]Ma J., Chen C. Z., Wang D. G., et al. Effect of magnesia on the degradability and bioactivity of sol-gel derived SiO2-CaO-MgO-P2O5system glasses. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2010, 81(1): 87-95

[7]Tsakiridis P. E., Papadimitriou G. D., Tsivilis S., et al. Utilization of steel slag for portland cement clinker production. Journal of Hazardous Materials, 2008, 152(2): 805-811

[8]徐曉虹，滕方雄，吳建鋒，等. 赤泥質(zhì)陶瓷內(nèi)墻磚的制備及結(jié)構(gòu)研究[J] 陶瓷學(xué)報(bào)，2007，28(3)：164-169

作者簡(jiǎn)介：王可楨(1988-)，男，助理工程師

中圖分類號(hào)：TU55

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-3818(2016)02-0012-04

Study on ceramic floor tiles prepared from fly ash

Wang kezhen1Wang wei2

1Guodian Puyang thermoelectricity limited company, Puyang 457000, Henan2College of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023，Henan

AbstractThe objective of the present investigation was to study the effect of grain sizes on ceramic floor tiles prepared from fly ash. Green body of buildings ceramic can be produced from fly ash and talc by compression molding. The effect of grain sizes on crystal growth of fly ash-ceramic was studied by scanning electron microscopy (SEM). The result showed that when the optimal firing temperature is 1150 ℃. The particle size of the raw material powder being smaller than 250 mesh, the performance of the fly ash-ceramic is best. Sodium oxide and potassium oxide can improve the combining solid phase with liquid phase in the fly ash-ceramic successfully while crystallizing. This work is useful for the resourcing and comprehensive utilization of the red mud.

Key wordsfly ash; diopside; ceramic floor tiles; grain sizes