淺析預(yù)應(yīng)力建筑陶瓷的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

金國庭 張智鵬 江彬軒 李智鴻 鐘保民

摘 要： 建筑陶瓷在高速發(fā)展過程中一直面臨著高能耗、高污染、高排放、低科技含量等核心問題。在環(huán)保問題日益嚴(yán)峻的今天，如何有效解決此類行業(yè)痛點成為建筑陶瓷行業(yè)發(fā)展的首要問題。預(yù)應(yīng)力技術(shù)因其具有成本低廉、工藝簡單、穩(wěn)定性高、時效性長等特點受到研究人員的廣泛關(guān)注。本文簡要總結(jié)了預(yù)應(yīng)力建筑陶瓷的增強機理及增強方法，簡述了預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展歷程及相應(yīng)研究成果?，F(xiàn)階段結(jié)論表明：預(yù)應(yīng)力增強建筑陶瓷技術(shù)可以有效解決建筑陶瓷行業(yè)所面臨的核心問題，該技術(shù)的發(fā)展可為建筑陶瓷的革新提供新思路。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力技術(shù);建筑陶瓷;發(fā)展趨勢

1 引 言

我國建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展始于改革開放，隨著改革開放的不斷加強和深化，我國建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展速率呈現(xiàn)快速上升趨勢，直至1993年，我國建筑陶瓷產(chǎn)量登頂世界第一，至此以后，我國建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)的體量、規(guī)模、產(chǎn)值始終保持在世界前列，并呈穩(wěn)步上升趨勢[1]。2004年，我國建筑陶瓷磚年產(chǎn)量突破40億平方米大關(guān)，相關(guān)企業(yè)數(shù)量突破4500家，至2017年，我國建筑陶瓷磚產(chǎn)量達(dá)到了114.5億平方米，行業(yè)銷售總額達(dá)到5155億元[2]。至2019年底我國建筑陶瓷行業(yè)營收3079.91億元，同比增長2.89 %[3]。建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展如此迅速主要是依托強大的消費市場、廉價的勞動力、國家政策的扶持和較低的技術(shù)門檻，其帶來的效益顯而易見，但隨著近幾年國內(nèi)和國際市場的不斷優(yōu)化，城市相關(guān)配套政策的逐步完善，我國建筑陶瓷行業(yè)高速發(fā)展所帶來的弊端日益凸顯。

因陶瓷制品在制備過程中的特殊性，企業(yè)在生產(chǎn)過程中必定要面對高能耗、高污染、產(chǎn)品不可降解、低科技含量等諸多問題。能耗方面，陶瓷企業(yè)每年對于能源的消耗量巨大，每年均消耗原材料28億噸和煤碳4870萬噸[14];環(huán)保方面，我國陶瓷行業(yè)早期燃料以煤炭為主，后逐漸開始使用重油，再到后來的煤氣，最后是現(xiàn)今的天然氣。可表明隨著陶瓷行業(yè)的逐漸發(fā)展，生產(chǎn)過程中使用的能源也逐漸清潔化，但其帶來的污染仍不可小覷。另外，企業(yè)每年都會花費一定的資源對產(chǎn)生的污染進(jìn)行清潔處理化，達(dá)到國家所規(guī)定的可排放標(biāo)準(zhǔn)，這同時也是增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本;因此，如何減少污染和能耗是當(dāng)下每個企業(yè)所研究的重點方向，再加上陶瓷企業(yè)對礦物原料與日俱增的需求，導(dǎo)致礦產(chǎn)業(yè)中尾礦渣的處理問題也成為當(dāng)下的一個熱點問題。

眾所周知，陶瓷材料屬于脆性材料，當(dāng)陶瓷受到較大的沖擊時，晶格很難發(fā)生滑移，彈性形變和塑性形變也很難發(fā)生，因此在受到較大載荷的時候，陶瓷產(chǎn)品很容易發(fā)生斷裂。因此如何提升陶瓷斷裂強度也成為了許多學(xué)者的研究方向。

2陶瓷增強技術(shù)

Griffith斷裂理論[4]是由Griffith在1921年提出，該理論表明陶瓷材料存在許多的微裂紋及缺陷，當(dāng)受到外力時，這些裂紋及缺陷附近會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力到達(dá)一定程度時，裂紋擴展從而導(dǎo)致材料斷裂，因此斷裂不是晶體沿整個晶面滑移，而是由于裂紋擴展的結(jié)果，計算公式如式（1）：

式中，為斷裂強度，E為彈性模量（非結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)），為斷裂表面能（與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，單相材料微觀結(jié)構(gòu)對其影響較小，唯一可控的是材料中的微裂紋），c為缺陷尺寸，為泊松比（晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況下，泊松比為常數(shù)）。從上式可知，陶瓷材料的斷裂強度受彈性模量、斷裂表面能及缺陷尺寸三個參數(shù)影響，目前，大多數(shù)學(xué)者都是通過控制陶瓷微裂紋的尺寸和數(shù)量來提高其強度。根據(jù)Griffith從能量的角度分析裂紋擴展的條件：當(dāng)材料內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能的下降大于等于開裂形成兩個新表面所需的表面能，裂紋會發(fā)生擴展，反之，若前者小于后者，則裂紋不會擴展，即物體內(nèi)儲存的彈性應(yīng)變能的降低（或釋放）就是裂紋擴展的動力。目前，提高陶瓷材料強度的辦法主要有：

（1）增強致密度，如：采用熱壓工藝制備Si3N4陶瓷[5]，其密度接近理論值，材料幾乎沒有氣孔。

（2）晶粒細(xì)化增強：根據(jù)Hall-Petch關(guān)系[7]可知：在多晶材料中，晶界相對于晶粒內(nèi)部而言自由能較高，在外力的作用下，為了使相鄰晶粒產(chǎn)生剪切變形，晶界處必須有足夠大的應(yīng)力集中，而細(xì)化晶?？梢援a(chǎn)生更多的晶界，因此，當(dāng)晶界的結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變時，則需要施加更大的外力才能使陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生位錯，從而使材料強化。但這種方法成本較高，且受制于材料本身的性能。

（3）增強相增強：增強相可以通過原位合成法[8]或直接引入法[9]形成。在建筑陶瓷中，原位合成法的應(yīng)用比較常見，其原理是在陶瓷內(nèi)部形成更多的莫來石晶相，從而達(dá)到提高材料的強度的目的;另外一種則是直接引入具有高強度的第二相如莫來石晶須[10]或ZrO2[11]顆粒，雖然該方法能在一定程度上提高其強度，但提升的幅度有限，另外考慮到成本高、燒成溫度難以控制等限制因素，很難使這種方法得到大規(guī)模的應(yīng)用。

雖然上述三種方法都能使材料增強，但各有其局限性。因此，在專家的致力研究下，預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)運而生。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的原理是指在加工或者制備成品過程中，通過物理或化學(xué)方法在結(jié)構(gòu)上預(yù)加壓應(yīng)力，施加的壓應(yīng)力能使結(jié)構(gòu)在使用過程中抵消部分乃至全部的拉應(yīng)力載荷，避免構(gòu)件結(jié)構(gòu)被破壞，以達(dá)到改善結(jié)構(gòu)服役表現(xiàn)的目的，提高構(gòu)件的時效性、穩(wěn)定性、機械強度、抗熱震性、斷裂韌性等性能[14]。該技術(shù)有著成本低、工藝簡單、穩(wěn)定性高、時效性長等特點，廣泛應(yīng)用于水泥、玻璃和陶瓷等行業(yè)。近年，預(yù)應(yīng)力技術(shù)也在嘗試性應(yīng)用于建筑陶瓷行業(yè)，用以提高建筑陶瓷磚的強度、可加工性、斷裂韌性等性能指標(biāo)。同時，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)在建筑陶瓷磚上的應(yīng)用，也為瓷磚的薄型化和輕量化提供了切實可行的研究思路[12]，該技術(shù)可以有效的降低建筑陶瓷產(chǎn)品燒成過程中的能源消耗，減少建筑陶瓷磚制備過程中礦物原料的使用，提高了瓷磚產(chǎn)品的技術(shù)含量和產(chǎn)品附加值，從源頭上解決了建筑陶瓷行業(yè)高能耗、高污染的生產(chǎn)格局，為建筑陶瓷未來發(fā)展趨勢奠定了基礎(chǔ)。

3預(yù)應(yīng)力陶瓷增強技術(shù)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

預(yù)應(yīng)力混凝土概念的首次提出是源自1866年美國工程師Jackson，但其首次實際應(yīng)用是建立在法國工程師Freyssinet的研究基礎(chǔ)上的[16]，F(xiàn)reyssinet對混凝土和鋼材性能的研究中設(shè)計進(jìn)行了大量實驗，研究結(jié)果表明：

采用高強度混凝土和高強度鋼材可以減少混凝土的收縮和徐變[17]。此后，越來越多的研究人員開始對預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)展開了系統(tǒng)的研究，逐步發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)不僅可以改善混凝土結(jié)構(gòu)的強度和抗裂性，還可以提高混凝土構(gòu)件的承載力，節(jié)約了混凝土和鋼材的使用量，在建筑行業(yè)的應(yīng)用中，真正做到了提高房屋跨度的同時，降低了房屋本身的自重[18]的目的。

預(yù)應(yīng)力技術(shù)的另一成熟應(yīng)用是在玻璃行業(yè)。1874年，法國人De la Basti首次制備出物理鋼化玻璃，其制備過程是將普通玻璃加熱至軟化點，使其在冷卻介質(zhì)下快速冷卻[19]，在此過程中，玻璃表面率先冷卻，此時表面冷卻的玻璃已經(jīng)凝固，具有極小的收縮速率以及較強的剛性，而玻璃內(nèi)部由于熱傳導(dǎo)的遲滯性仍處于熔融狀態(tài)，繼續(xù)冷卻會造成玻璃表面產(chǎn)生壓縮的殘余應(yīng)力[20]。此種方法制備出的鋼化玻璃具有安全性高，熱穩(wěn)定性好，機械強度高等特點，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)[20-21]。

由于建筑陶瓷磚本身也是以玻璃相為主的無機非金屬材料，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與玻璃相仿，故科學(xué)家們在研究預(yù)應(yīng)力技術(shù)的同時，也在嘗試將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于建筑陶瓷磚中，旨在提高陶瓷磚的機械強度、抗熱震性、斷裂韌性等基本性能的同時，降低建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)的能耗、污染、成本等生產(chǎn)指標(biāo)。研究人員通過調(diào)節(jié)坯體和釉層的熱膨脹系數(shù)、Si/Al比等參數(shù)，利用建筑陶瓷材料的坯體和釉層在冷卻收縮過程中收縮率的不同，賦予釉層一定強度的壓應(yīng)力。據(jù)報道，Insley[13]等人將氧化鋁陶瓷進(jìn)行二次高溫加熱至熔融狀態(tài)下并進(jìn)行快速冷卻，實驗結(jié)果表明強度提高了30%;增加建筑陶瓷磚預(yù)應(yīng)力的例子。另外，談翔[14]等通過離子交換法引入預(yù)壓應(yīng)力層，其原理是在一定的溫度條件下，利用半徑大的堿金屬離子去置換半徑小的堿金屬離子，破壞材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)材料冷卻時，半徑大的離子會受到附近半徑小離子的擠壓從而產(chǎn)生釘扎效應(yīng)，為材料表面提供預(yù)應(yīng)力層（這幾個例子說的是 玻璃的化學(xué)鋼化，考慮合理與否）。該方法是一種新型增強法，很多學(xué)者也采用這種方法來達(dá)到提高材料強度的目的，潘國翔[15]等以KNO3作為離子交換源，置換坯體中的Na+，其離子交換后的抗折強度較之前提升至45%?？偟膩碚f，預(yù)應(yīng)力增強建筑陶瓷技術(shù)的原理與鋼化玻璃的制備原理相類似，但目前預(yù)應(yīng)力建筑陶瓷的起步較晚，其研究還處于實驗室研究階段，距離大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還存在一定距離。

4結(jié)論與展望

綜上所述，雖然現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)提高建筑陶瓷磚強度的方法很多，但大多具有其應(yīng)用化的局限性，如通過配方的調(diào)整來提高強度，爐內(nèi)的燒成溫度難以控制;而通過改進(jìn)燒結(jié)工藝、細(xì)化晶粒等方式來提高強度則工序復(fù)雜，成本較高，且提升幅度有限，難以應(yīng)用化。相比較之下，預(yù)應(yīng)力增強技術(shù)工藝簡單、成本低廉且提升幅度較大，而且目前預(yù)應(yīng)力大部分都是應(yīng)用在水泥、玻璃方面，在建筑陶瓷方面研究甚少。因此，將該技術(shù)應(yīng)用到建筑陶瓷磚領(lǐng)域前景廣泛。

建筑陶瓷作為三高（高耗能、高污染、高排放）行業(yè)，不僅在資源和能源上耗費巨大，且對自然環(huán)境也有著一定的危害，這并不符合我國生態(tài)的發(fā)展理念。因此，制備薄型化、減量化和生態(tài)化陶瓷磚已迫在眉睫，該類陶瓷磚不僅在一定程度上降低能源消耗，而且可以減少有害氣體的排放，降低運輸成本，提高產(chǎn)品的性價比，這也是未來建筑陶瓷行業(yè)發(fā)展前景的大熱門[22]。加之現(xiàn)今陶瓷行業(yè)內(nèi)掀起了一股“巖板風(fēng)”，讓諸多企業(yè)都置身于巖板生產(chǎn)當(dāng)中。但巖板產(chǎn)品因其尺寸、工藝等問題，在制備過程中存在諸多技術(shù)難點。由于巖板是在高壓力和高溫下加工而成，所以巖板內(nèi)存在的很多不均勻的殘余應(yīng)力，在外加力的作用下，很容易導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放，造成巖板突然開裂或爆裂，而且不易運輸[23]。針對巖板這一問題，許多研究學(xué)者嘗試過各種方法，例如嚴(yán)格控制爐內(nèi)的燒成溫度，改進(jìn)配方等，但此類方法無法高效、快捷的解決巖板制備過程中殘余應(yīng)力較大且分布不均的情況。而隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的產(chǎn)生，可以將其應(yīng)用到巖板上，在巖板表面形成預(yù)應(yīng)力層的過程中，巖板內(nèi)部的殘余應(yīng)力與拉應(yīng)力實現(xiàn)相互抵消，使內(nèi)部應(yīng)力得到均化，有效地解決了巖板的加工易開裂的問題，大大的提高了巖板的強度，也能實現(xiàn)巖板的薄型和輕量化，減少建筑陶瓷磚生產(chǎn)中高能耗，高污染問題，降低礦物原料使用量，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)環(huán)保能力。

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