粉煤灰微晶玻璃的試驗(yàn)研究

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(1.山西經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院 建筑工程系，山西 太原 030024；2.太原工業(yè)學(xué)院 材料工程系，山西 太原 030008)

我國是個(gè)產(chǎn)煤大國，電力生產(chǎn)的基本燃料為煤炭。粉煤灰是熱力發(fā)電廠的主要廢棄物，它們是從煙氣中沉積下來的，在今后相對較長的時(shí)期內(nèi)，燃煤發(fā)電在我國仍占主要地位[1-3]。由于粉煤灰排放量的增多，其危害日益暴露，如形成氣溶膠，嚴(yán)重污染大氣、污染水生生態(tài)環(huán)境并堵塞河道、粉煤灰中凝結(jié)的放射性元素危害人類健康等等。因此，處理粉煤灰的問題已迫在眉睫。

近年來，通過采用成熟的工藝技術(shù)對粉煤灰進(jìn)行加工，將其用于生產(chǎn)建材、化工產(chǎn)品及其他用途。建筑裝飾微晶玻璃具有強(qiáng)度高、硬度大、耐磨損、不吸水、防污抗凍和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛用作建筑物的內(nèi)墻、地面、臺(tái)面、柱石和外墻的裝飾，因此成為現(xiàn)代建筑業(yè)替代天然花崗巖、大理石的綠色環(huán)保裝飾材料，受到越來越多消費(fèi)者的青睞。

文章通過利用固體廢棄物粉煤灰為主要成分制備微晶玻璃，通過不同的粉煤灰添加量對粉煤灰微晶玻璃的晶相、密度進(jìn)行分析對比，采用先形成玻璃塊后晶化的燒成法區(qū)別于傳統(tǒng)的先冷淬后晶化的燒結(jié)法來制備性能優(yōu)良的粉煤灰微晶玻璃，拓展了粉煤灰的利用途徑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

實(shí)驗(yàn)原料有粉煤灰、二氧化硅、碳酸鈉、氧化鎂、氧化鈣、硼酸、玻璃粉等。除粉煤灰和廢棄平板玻璃粉之外的原料均為化學(xué)純試劑，化學(xué)純試劑所引入的氧化物如表1所示。由于粉煤灰比較難燒結(jié)，所以必須加入適量廢玻璃粉以加速其固相反應(yīng)。

表1 原料的化學(xué)組成 %

1.2 配合料的計(jì)算

1.2.1 配比的選擇

首先，根據(jù)相圖的純?nèi)到y(tǒng)，雖然能夠得出配方，但其只是理想化的方法。在實(shí)際當(dāng)中，如果想制備出性能優(yōu)良的粉煤灰微晶玻璃，其合理的配方要根據(jù)實(shí)際條件才能最終確定，所以相平衡法一般只作為參考的方法。另外一種是選配法，該方法是找出理想的粉煤灰微晶玻璃制品的化學(xué)組成與所用原料的化學(xué)組成之間的差別，根據(jù)相差的種類選擇合理的摻入試劑來縮小化學(xué)成分上的差別，它的優(yōu)點(diǎn)是簡易實(shí)用。本次設(shè)計(jì)出制備性能優(yōu)良的粉煤灰微晶玻璃的6組配比見表2。

表2 本實(shí)驗(yàn)的微晶玻璃化學(xué)組成 %

1.2.2 配合料的確定

在計(jì)算實(shí)際使用量時(shí)，以粉煤灰成分的含量和需要添加的量為基礎(chǔ)，計(jì)算出添加梯度為5%所需要的原料含量。配合料中添加1%的著色劑，用重鉻酸鉀和三氧化二鉻混合著色[4]。助溶劑選用CaF2和B2O3。各樣品原材料配比用量詳見表3。

表3 原材料用量 g

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 工藝流程圖

工藝流程圖見圖1。

圖1 工藝流程圖

1.3.2 基礎(chǔ)玻璃的制備

用型號(hào)為TY2002的電子天平精確稱量好各種化學(xué)試劑和原材料后，將其放入研缽中充分研磨，使它們相互均勻的混合在一起，并且過200目篩。之后將過篩的混合料裝填進(jìn)入石墨坩堝中，并手動(dòng)震實(shí)以準(zhǔn)備熔制。熔制工藝是基礎(chǔ)玻璃制備過程中較為重要的因素。根據(jù)熔制過程的不同，玻璃的熔制分為五個(gè)階段：硅酸鹽形成階段、玻璃形成階段、澄清階段、均化階段和玻璃液冷卻階段。首先以2℃/min的升溫速率升溫至300℃，然后再以5℃/min的升溫速率升溫至800℃，最后再以8℃/min的升溫速率加熱至1450℃。之所以采取這種升溫速率，依據(jù)是實(shí)驗(yàn)儀器的實(shí)際使用狀況和為了保證原料能夠充分的熔融反應(yīng)。然后，在1450℃下保溫3個(gè)小時(shí)。由于實(shí)際使用的高溫爐不可以在高溫狀態(tài)下取出，所以，便將其在1450℃保溫3h后，以5℃/min降溫至50℃后取出，得到半透明的玻璃塊。

將制得的玻璃塊先用顎式破碎機(jī)破碎成粗顆粒，再在反擊式破碎機(jī)中破碎成更加細(xì)小的顆粒，最后放入研缽中手動(dòng)研磨成細(xì)粉并過220目篩，得到基礎(chǔ)玻璃粉末。

1.3.3 微晶玻璃的制備

分別取不同比例的基礎(chǔ)玻璃粉末與適量的硅酸鈉攪拌均勻，研磨充分后裝填入外徑30mm高40mm的石墨坩堝中，分三到四次裝填，每次裝填后都應(yīng)當(dāng)手動(dòng)震動(dòng)密實(shí)以確保其密實(shí)度便于燒結(jié)。采用一步燒結(jié)法，根據(jù)熱重圖，取晶化溫度為940℃，首先以2℃/min的升溫速率升溫至300℃，然后再以5℃/min的升溫速率升溫至800℃，最后以1℃/min的升溫速率從800℃直接升溫至晶化溫度940℃并保溫3h。完成后再以5℃/min的速率降溫至50℃再取出樣品，如圖2所示。在整個(gè)燒制過程中，析晶階段對材料的組織結(jié)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用，所以采取適宜的燒結(jié)工藝是燒制成功微晶玻璃的關(guān)鍵。

圖2 粉煤灰微晶玻璃

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 晶相分析

對1#～6#粉煤灰微晶玻璃試樣進(jìn)行X射線粉末衍射分析并進(jìn)行晶相鑒定。本實(shí)驗(yàn)過程中采用丹東通達(dá)儀器有限公司的TD-3000型X射線衍射分析儀，在Cu靶、Ka線輻射、管電壓40kV、管電流30mA、掃描范圍10°～80°、測試溫度為室溫的條件下，對研磨后經(jīng)過220目篩分得到的粉煤灰微晶玻璃樣品進(jìn)行XRD測試，并通過軟件Jade5進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 粉煤灰微晶玻璃的XRD曲線

從圖3中可以清楚的看到，在1#～6#樣品中2θ=30°左右都出現(xiàn)了較強(qiáng)的衍射峰，說明玻璃樣品的主要物相是晶體。通過Jade5分析軟件確定出的最強(qiáng)峰均為CaSiO3的衍射峰，說明其主晶相為硅灰石晶體，屬于單斜鏈狀結(jié)構(gòu)的單斜晶系。對于1#～3#樣品，隨著粉煤灰含量的增加，制備出的樣品主晶相和次晶相均不變，仍為硅灰石和副硅灰石晶體，圖中顯示的峰值清晰尖銳，這表示其結(jié)晶的程度很高。而對于4#-6#樣品，隨著粉煤灰含量的增加，其燒結(jié)之后從外觀來看已經(jīng)不再是微晶玻璃，而是簡單的疏松多孔狀的輕質(zhì)材料，明顯沒有達(dá)到微晶玻璃的基本條件。從其衍射圖譜來看，主晶相和次晶相雖然還是硅灰石，但是結(jié)晶度已經(jīng)很低，而且明顯出現(xiàn)了玻璃態(tài)物質(zhì)的彌散峰，說明粉煤灰添加量達(dá)到40%后已經(jīng)無法形成較多的微晶相分散于玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中，即使結(jié)晶，形成的晶相已經(jīng)不再明顯，說明粉煤灰的最大添加量超過35%后，粉煤灰微晶玻璃基本無法成型。

2.2 密度分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JC/T 872-2000《建筑裝飾用微晶玻璃標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)的試驗(yàn)方法，根據(jù)阿基米德原理，采用排水法來測試粉煤灰微晶玻璃的密度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從圖4中可知，隨著粉煤灰含量的增加，其密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在粉煤灰添加量達(dá)到35%時(shí)，密度達(dá)到最大值2.56g/cm3，其結(jié)構(gòu)更致密，強(qiáng)度更大，性能更好。

表4 樣品密度 g/cm3

圖4 粉煤灰添加量與密度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)從材料過程工程學(xué)理論出發(fā)，以廢棄物粉煤灰和廢玻璃作為制備微晶玻璃的原料對其進(jìn)行再生利用，參照較佳的微晶玻璃配方來確定粉煤灰微晶玻璃原材料用量，添加1%的重鉻酸鉀和氧化鉻混合著色劑，采用一步燒結(jié)晶化法工藝，成功制備出粉煤灰微晶玻璃。

(2)粉煤灰微晶玻璃的主晶相是具有單斜鏈狀結(jié)構(gòu)的硅灰石，次晶相為副硅灰石；本實(shí)驗(yàn)六組樣品中，前三組隨著粉煤灰添加量的增加，主晶相和次晶相均未改變，樣品密度不斷增加；后三組隨著粉煤灰添加量的增加，主次晶相均不在明顯，樣品密度不斷下降。最佳添加量為35%。

(3)本實(shí)驗(yàn)采用先燒制成基礎(chǔ)玻璃塊再直接一步晶化燒結(jié)的方法制備出的粉煤灰微晶玻璃，性能較佳，密度達(dá)到2.56g/cm3。

(4)本課題采用重鉻酸鉀和三氧化二鉻混合著色，添加量為1%時(shí)呈現(xiàn)明顯的綠色。燒制過程中雖未壓制但質(zhì)地緊密，外觀酷似天然石材。