利用廢棄玻璃制備多孔透水材料及其性能研究*

賀云鵬 趙彥釗 胡智敏 文成琨

(1 陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710021)(2 大和陶瓷材料有限公司 四川 威遠(yuǎn) 642450)

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，玻璃廣泛應(yīng)用于房屋建筑和人們的日常生活中。與此同時也不可避免的產(chǎn)生和形成大量廢棄玻璃。根據(jù)歐美一些發(fā)達(dá)國家統(tǒng)計，廢棄玻璃量占城市垃圾總量的4%～8%。我國每年產(chǎn)生的廢棄玻璃有1 000多萬t，占固體廢物總量的5%[1～2]。我國的廢棄玻璃回收率僅為13%左右，大量的廢棄玻璃還沒有得到有效的回收與利用[3]。對于廢棄玻璃一般情況的處理方法是：將混入玻璃的生活垃圾進(jìn)行焚燒，被焚燒后的玻璃形狀雖然改變，但體積不變，以填埋的方法解決，不僅占地面積大，而且完全降解需要4 000年，對土壤的破壞力也大。因廢棄玻璃很難通過自然循環(huán)和一般的物理化學(xué)方法加以分解和處理，為此嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境的凈化。經(jīng)濟(jì)地利用廢棄玻璃不僅是提高社會和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的途徑之一，而且也將對改善環(huán)境起到一定的作用[4]。利用廢棄玻璃制備透水材料的使用能夠解決積水、污水過濾凈化等方面的問題，可以有效地節(jié)約資源，降低成本，減少環(huán)境污染，促進(jìn)環(huán)境保護(hù)。

筆者以廢棄玻璃為主要原料，根據(jù)顆粒級配原理，采用相近粒徑的玻璃顆粒通過堆積的方式自然成形，依靠玻璃在軟化溫度下自身具有粘結(jié)作用，從而形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)良好的連通孔和較大的孔隙率。本實驗研究了玻璃粒徑、燒成溫度對透水玻璃材料吸水率、顯氣孔率、體積密度、容重及抗壓和抗折強(qiáng)度的影響，為廢棄玻璃的再利用和透水材料的研究提供一定參考。

1 實驗

1.1 樣品制備

本實驗采用的是最常見的日用廢棄平板玻璃，其主要成分為Na2O、CaO、SiO2等氧化物。首先將收集到的廢棄玻璃經(jīng)過清洗、干燥后，在鐵研缽中砸成小碎塊，然后用XRF-Φ175型圓盤粉碎機(jī)將碎玻璃塊粉磨至一定的粒度范圍，過網(wǎng)篩后再進(jìn)行分級。將細(xì)度為8～20目、20～40目、40～80目、80目以下的玻璃分成A、B、C、D4個組，再將分級的玻璃顆粒稱量后放入底部規(guī)格為60 mm×60 mm的不銹鋼模具中，自然堆積在一起，然后放入高溫電阻爐中進(jìn)行熱處理，以5 ℃/min升溫速率升溫，在設(shè)定的溫度下保溫1 h，隨后隨爐自然冷卻至室溫。采用單因素實驗，熱處理溫度見表1。熱處理后的試樣進(jìn)行測試分析。其工藝流程如圖1所示。

表1 實驗熱處理方案Tab.1 Heat treatment scheme of the experiment

圖1 利用廢棄玻璃制備透水材料的工藝流程Fig.1 Process for preparing porous material by using waste glass

1.2 樣品的性能及表征

樣品的性能測試標(biāo)準(zhǔn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3810.3-2006《陶瓷磚試驗方法》中第3部分[5]對其吸水率、顯氣孔率、表觀相對密度和容重進(jìn)行測試計算，采用煮沸法測出樣品的開口氣孔吸入飽和的水的質(zhì)量；采用多功能固體/液體兩用密度測定儀QL-120S來測量樣品的干重、濕重以及在水中的懸浮質(zhì)量。

1.2.1 吸水率

計算每一塊磚的吸水率E(b，v)，用干磚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)表示，計算公式如下：

(1)

式中：E(b，v)——吸水率，%；

m2(b,v)——濕樣品的質(zhì)量，g；

m1——干樣品的質(zhì)量，g；

m2b——磚在沸水中吸水飽和的質(zhì)量，g；

m2v——磚在真空下吸水飽和的質(zhì)量，g。

Eb表示用m2b測定的吸水率；Eb代表水僅注入容易進(jìn)入的氣孔；Ev表示用m2v測定的吸水率；Ev代表水最大可能地注入所有氣孔。

1.2.2 顯氣孔率

用下列公式計算表觀體積V(cm3)

V=m2v-m3

(2)

式中：m3——在水中的懸浮質(zhì)量，g。

用下列公式計算開口氣孔部分體積V0和不透水部分V1的體積(cm3)，計算公式如下：

V0=m2v-m1

(3)

V1=m1-m3

(4)

顯氣孔率P用試樣的開口氣孔體積與表觀體積的關(guān)系式的百分?jǐn)?shù)表示，計算公式如下：

(5)

1.2.3 表觀相對密度

計算試樣不透水部分的表觀相對密度T，計算公式如下：

(6)

1.2.4 容重

試樣的容重B(g/cm3)用試樣的干重除以表觀體積(包括氣孔)所得的商表示，計算公式如下：

(7)

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗結(jié)果

實驗樣品按照表1所示方案熱處理后分別測試其干重、濕重和水中懸浮的質(zhì)量，進(jìn)而計算后得出能直接表示透水性能的參數(shù)。測試結(jié)果和樣品的外觀描述見表2。

由表2可以明顯看出，在不同的熱處理溫度和粒徑下樣品產(chǎn)生不一樣的效果。同時還從外觀可以明顯看出來，隨溫度的升高，樣品由掉渣逐漸轉(zhuǎn)變到不掉渣，顏色也是由原來的綠色，轉(zhuǎn)化為白色，再到最后的褐色；隨著粒徑的減小，樣品表面從開始的毛糙，逐漸變得細(xì)密，再到后來的出現(xiàn)氣泡狀的開口。

表2 實驗結(jié)果Tab.2 Experimental result

樣品掉渣是因為在溫度比較低或者顆粒尺寸較大時，玻璃未能很好的粘結(jié)在一起。顏色變化是因為隨著溫度的升高，玻璃原料中Fe在高溫的影響下，不斷的被氧化，所以顏色會不斷變深，由原來的Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，從而由綠色轉(zhuǎn)化為紅褐色。當(dāng)顆粒尺寸較小時，堆積在一起形成的孔隙很小，隨著溫度升高玻璃開始軟化，發(fā)脹產(chǎn)生氣泡逸出時會將周圍的玻璃擠開，因此會在樣品表面留下氣泡狀開口。

2.2 吸水率與溫度和粒徑的關(guān)系

圖2為樣品的吸水率隨著熱處理溫度和粒徑的改變而變化的曲線圖。

圖2 試樣吸水率隨溫度和粒徑改變的變化曲線

Fig.2 Curves of water absorption of samples with the change of temperature and particle size

由圖2可知，A、B、C組試樣燒結(jié)溫度從720 ℃升到760 ℃，A、B、C的3組隨著溫度的升高都會產(chǎn)生吸水率下降的現(xiàn)象，760 ℃以后變化幅度較小。這是因為隨著溫度的升高，玻璃會發(fā)生燒結(jié)現(xiàn)象，使玻璃顆粒間粘接，氣孔封閉，吸水率下降；而D組粒徑下的透水磚吸水率的變化，表明在720 ℃以前已完成燒結(jié)，氣孔封閉，隨著溫度的變化，吸水率基本變化不大。這說明樣品的吸水率在較大粒徑時玻璃表面軟化溫度較高，顆粒間粘接需要較高溫度、氣孔封閉需要一個時間過程；而所用玻璃原料的粒徑較小時玻璃原料軟化溫度較低，顆粒間粘接、氣孔封閉在較低溫度就已完成。

2.3 顯氣孔率與溫度和粒徑的關(guān)系

圖3是試樣在利用不同粒徑的玻璃在不同溫度下所制備樣品的顯氣孔率的變化情況。

由圖3可以看出，燒結(jié)溫度從720 ℃升到760 ℃，A、B、C的3組的顯氣孔率快速減??；隨著溫度繼續(xù)升高，變化幅度較小。D組樣品的顯氣孔率整體波動較小，性能相對穩(wěn)定，原因同吸水率變化一樣。

對比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，試樣的吸水率和顯氣孔率隨著燒結(jié)溫度和粒徑改變時有著相似的變化曲線。對燒結(jié)溫度來說，760 ℃是個很明顯的分界點(diǎn)；對玻璃粒徑來說，80目是個顯著的分界點(diǎn)。在分界點(diǎn)上下，試樣的性能差異很大。

圖3 試樣顯氣孔率隨溫度和粒徑改變的變化曲線

Fig.3 Curves of apparent porosity of samples with the change of temperature and particle size

2.4 表觀相對密度與溫度和粒徑的關(guān)系

圖4是隨著溫度的變化，在不同粒徑下的試樣的表觀相對密度變化情況。

圖4 試樣表觀相對密度隨溫度和粒徑改變的變化曲線

Fig.4 Curves of apparent relative density of samples with the change of temperature and particle size

由圖4可以看出，A、B、C 3組的性能變化不是很大，但總體上都會隨著溫度升高先稍微上升，然后再下降；而D組表現(xiàn)為大幅度下降，之后基本保持不變。A、B、C 3組是因為玻璃在燒結(jié)過程中隨著溫度升高先發(fā)生收縮后趨向熔融膨脹；而D是由于玻璃粒徑太小，內(nèi)部空隙過小，幾乎已經(jīng)致密，收縮幅度很小，表現(xiàn)不明顯。

2.5 容重與溫度和粒徑的關(guān)系

圖5是隨著溫度變化，在不同粒徑下的試樣的容重變化情況。

圖5 試樣容重隨溫度和粒徑改變的變化曲線

Fig.5 Curves of bulk density of samples with the change of temperature and particle size

由圖5可知，A、B、C 3組都是隨著溫度的升高，先大幅度升高后保持相對穩(wěn)定的小幅度波動，而D組是先下降再趨于穩(wěn)定。A、B、C的3組是在溫度上升過程中，由于玻璃燒結(jié)體積會發(fā)生收縮，所以會導(dǎo)致容重上升，達(dá)到一定溫度后就不會再繼續(xù)收縮。D組是因為玻璃粒徑過小，結(jié)構(gòu)致密，會導(dǎo)致玻璃燒結(jié)快速完成，在溫度升高后，玻璃熔融發(fā)脹，導(dǎo)致容重下降。

對比圖4和圖5我們發(fā)現(xiàn)，試樣的表觀相對密度和容重隨著燒結(jié)溫度和粒徑改變時也有著相似的變化曲線。當(dāng)玻璃粒徑在80目時，試樣的性能產(chǎn)生了近似相反的變化趨勢，由此可知玻璃粒徑的大小對透水性能起著重要的作用。

3 結(jié)論

1)從上述實驗中可以看出，隨著溫度的上升，樣品的透水性能逐漸下降，吸水率和顯氣孔率具有相同的變化趨勢，而表觀相對密度與容重也表現(xiàn)出相同的變化趨勢。

2)實驗熱處理溫度過高或者過低對于玻璃顆粒之間的黏結(jié)程度和連通骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。熱處理溫度過低，玻璃顆粒熔化不充分，不能很好的粘連在一起，造成試樣整體松散，容易掉渣；熱處理溫度過高，玻璃顆粒過熔，緊密的粘連遮擋了內(nèi)部的連通孔，造成試樣致密化，使透水性能變差。

3)玻璃粒徑的大小會對樣品的透水性能產(chǎn)生重要影響。粒徑越大，表面積越小，顆粒之間的連接面積越小，使得樣品整體結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，易掉渣。

4)實驗結(jié)果表明，粒徑為20～40目的玻璃經(jīng)過720 ℃、1 h熱處理后，吸水率為10.02%，顯氣孔率為19.63%，表觀相對密度為2.19 g·cm-3，容重為1.76 g·cm-3，透水性能良好。

1 徐美君.國際國內(nèi)廢棄玻璃的回收與利用(上).綠色建材,2007(1):51～55

2 宋俊紅.廢棄玻璃處理與資源化.黑龍江環(huán)境通報,2010,34(4):68～70

3 徐美君.國際國內(nèi)廢玻璃的回收與利用(下).綠色建材,2007(3):55～59

4 卞致璋.從發(fā)達(dá)國家的做法看我國廢棄玻璃的回收與利用.中國建材,2003(6):51～55

5 中華人民國內(nèi)共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 3810.3-2006.陶瓷磚試驗方法.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006-09-01