盾構泥制備多孔陶瓷及性能研究

李俊卓，袁海光，稅安澤，姚彩玉，錢俊杰

（1.華南理工大學 材料科學與工程學院，廣州510640 2.廣東粵海珠三角供水有限公司，廣州 511455）

1 引言

總量大、資源化利用程度低以及處理費用高是我國建筑垃圾處理領域的特點[1,2]。隨著城市軌道交通的建設與發(fā)展，特別是地鐵工程的建設，雖然為人們帶來了許多便利，但同時也帶來了一些不利的影響[3]。地鐵工程的主要施工方式是盾構施工，因此隨著地鐵建設工程的增多，會導致了大量盾構渣土的產生。盾構渣土指的是地下工程的建設常采用盾構機向前挖掘以及推進，推進的同時周圍的土體會被盾構機粉碎以及切削，脫落下來的土體會被運輸工具輸送到地面上做進一步的處理，而經過處理的土體即為盾構渣土[4]。盾構渣土的傳統(tǒng)處理方法主要是自然堆積以及填埋[5]，而這樣的處理方式產生許多負面的影響。負面影響有以下四方面：一是處理過程產生的環(huán)境污染，如堆埋以及運輸過程等，且渣土分子中通常含有許多有機添加劑以及重金屬，會對周邊環(huán)境造成污染[3,6]；二是自然堆積、填埋導致的土地利用率降低；三是傳統(tǒng)處理方法的資源利用率低；四是盾構泥的堆積可能影響人們的生命安全，造成許多安全事故[2]。因此如何將盾構渣土資源化利用就變得十分必要。

盾構渣土經過水洗以及渣土分離的處理可以得到砂和泥，其中盾構砂可直接作為水泥砂漿的原料來使用，而分離出來的盾構泥因為含有大量的鐵以及有機成分而難以資源化利用。經過對盾構泥的成分分析可知，盾構泥所含的礦物成分與制備陶瓷所需的礦物成分類似，因此將盾構泥作為原料應用于陶瓷的制備與生產可能是其資源化利用的重要途徑之一[7,8]。

陶瓷材料主要是通過陶瓷粉體成型以及高溫燒結得到的致密化材料，主要由晶相、玻璃相以及少量氣相組成。而多孔陶瓷與普通陶瓷材料的類似，只是其結構十分不同，其玻璃相以及晶相的含量較少，氣相的含量較高，因此是一種包含大量孔隙的材料[9]。多孔陶瓷可以按照孔排列方式、孔間關系以及孔徑大小乃至用途等方式進行分類[10]，若按孔徑大小可分為微孔陶瓷、介孔陶瓷和宏孔陶瓷等[11]。多孔陶瓷的常用制備方法有添加造孔劑法、發(fā)泡法、固相燒結法、溶膠凝膠法、模板法、冷凍干燥法以及凝膠注模法等，其中添加造孔劑法是在陶瓷原料中添加造孔劑，造孔劑用于占據(jù)坯體的一定空間，然后通過燒結的方式使得造孔劑分解為氣體或者利用其他方式除去，使得基體內形成氣孔，從而得到多孔陶瓷[12]。多孔陶瓷因此優(yōu)異的物理化學性能可以應用于許多領域，可用于隔音、催化劑載體、耐熱磚乃至傳感器、微孔膜等領域[13]。

本研究以珠江三角洲水資源配置工程三個不同標段所產生的盾構泥為研究對象，采用添加造孔劑的方法來制備多孔陶瓷，其中造孔劑主要為煤粉，并詳細研究盾構泥成分、煤粉添加量及燒結溫度等因素對多孔陶瓷的物理性能以及力學性能的影響，并最終制備出性能優(yōu)良的多孔陶瓷，從而探索出盾構泥資源化利用的一條新途徑。

2 實驗原料與工藝流程

2.1 實驗原料及儀器

表1 實驗原料

表2 實驗使用的儀器和設備

2.2 實驗方法以及工藝流程

圖1 多孔陶瓷的制備工藝流程圖

2.3 實驗方案

現(xiàn)有珠江三角洲水資源配置工程公明水庫（以下簡稱GM）、A7 以及B1 三個標段盾構泥原料，采用相同的實驗配方（如表3 所示）。對使用A7 或者B1 標段盾構泥制備的多孔陶瓷樣品，在成型壓力為20 MPa，保壓時間為2 min 時，系統(tǒng)研究燒成溫度以及煤粉添加量對多孔陶瓷的物理性能以及力學性能的影響。對使用GM標段盾構泥制備的多孔陶瓷樣品，研究燒成溫度及煤粉含量對多孔陶瓷物理性能的影響；研究煤粉含量對多孔陶瓷力學性能的影響。

表3 實驗配方（wt.%）

2.4 性能測試方法

2.4.1 體積密度、吸水率以及顯氣孔率的測定

體積密度的測定基于阿基米德原理，而顯氣孔率以及吸水率的測定基于體積密度的測定。本實驗采用阿基米德排水法測量多孔陶瓷圓片試樣的物理性能。

M0：干燥試樣的質量，g；M1：試樣吸滿水后在空氣中所稱的質量，g；M2：試樣吸滿水后在水中所稱的質量，g。

2.4.2 線收縮率的測定

陶瓷的線收縮率表征的是陶瓷的燒結活性，指的是陶瓷在高溫燒結過程中線性尺寸變化與初始尺寸的比值。

2.4.3 抗彎強度的測試

本研究采用三點抗彎法測量多孔陶瓷長條試樣的抗彎強度?？箯潖姸扔嬎愎饺缦拢?/p>

式中，δf：抗彎強度，MPa；P：試樣斷裂時中部所受最大壓力，N；L：儀器跨距30 mm；B：試樣斷裂處橫截面寬度，mm；H：試樣斷裂處橫截面厚度，mm。

3 實驗結果分析

3.1 盾構泥原料氧化物成分分析

表4 是GM、A7、B1 標段三種盾構泥的成分分析結果。盾構泥的主要成分為和，還含有少量的，而會使坯體著色，是有害成分。除此之外，GM標段盾構泥的的含量較高，達到4.06%，而是強熔劑，適當引入可以大大降低坯體的燒成溫度，并且在高溫時與可形成流動性好的鉀玻璃，提高坯體的強度，但會減少坯體的氣孔率；B1 標段盾構泥的的含量偏高，大于70%，會產生游離石英，易使坯體在燒成時變形和開裂；A7 標段盾構泥的的含量也較高，達到8.03%，能夠與形成硅酸鈣玻璃相，起到助熔作用，但會縮小燒成范圍。

表4 盾構泥的氧化物組成（%）

3.2 原料配方、工藝條件對公明水庫標段盾構泥制備的多孔陶瓷性能的影響

圖2 為煤粉含量以及燒成溫度對多孔陶瓷試樣物理性能的影響。由圖2 可知，在一定燒成溫度下，隨著煤粉含量的增加，試樣的顯氣孔率以及吸水率在增大，體積密度在降低，而線收縮率在各燒成溫度下隨煤粉含量的增加的變化趨勢是不一致的。在煤粉含量一定時，隨著燒成溫度的升高，試樣的顯氣孔率、吸水率呈現(xiàn)一樣的減小的趨勢，而其體積密度、線收縮率呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖2 煤粉含量以及燒成溫度對GM陶瓷試樣的物理性能的影響

圖3 為在燒成溫度為1100°C 下，煤粉添加量對多孔陶瓷試樣力學性能的影響。由圖3 可知，隨著煤粉添加量的增加，試樣的抗彎強度在不斷減小，但變化幅度呈下降的趨勢，由49.99 MPa 下降至23.81 MPa。這是由于陶瓷坯體中氣孔率隨著煤粉含量的增加逐漸升高，導致承載破壞的能力降低。

圖3 燒成溫度為1100 ℃時，煤粉含量對GM陶瓷試樣抗彎強度的影響

3.3 原料配方、工藝條件對A7 盾構泥制備的多孔陶瓷性能的影響

由圖4 可知，在煤粉添加量一定時，隨著燒成溫度的升高，陶瓷試樣的顯氣孔率以及吸水率在降低，而其體積密度在增大。在燒成溫度一定時，隨著煤粉添加量的變化，陶瓷試樣的顯氣孔率和吸水率有著相同的變化趨勢，而其顯氣孔率與體積密度的變化趨勢正好相反。在煤粉含量為30 wt.%時，達到最大的顯氣孔率為52.95%，最低體積密度為1.3。對于線收縮率，煤粉添加量與燒成溫度對試樣線收縮率的變化沒有明顯的相關關系。當燒成溫度為1150 ℃時，線收縮率急劇增加，最大線收縮率為7.6%。

圖4 煤粉含量以及燒成溫度對A7 陶瓷試樣物理性能的影響

圖5 分析的是煤粉含量以及燒成溫度對A7 盾構泥制備的多孔陶瓷試樣的力學性能的影響。由圖5 可知，在燒成溫度為1100 ℃和1125 ℃下，試樣的抗彎強度有著相同的變化趨勢，隨著加入煤粉比例增加會導致試樣的抗彎強度急劇降低，而之后隨著煤粉含量的提高，試樣的抗彎強度沒有明顯變化。隨著燒結溫度提高，陶瓷致密性增強，強度提高，所以在燒成溫度為1150 ℃時，抗彎強度的變化與其它溫度相比有著顯著的不同，即煤粉含量為0 以及30 wt.%這兩種試樣的抗彎強度是相近的，而之后的抗彎強度變化也是先急劇降低再基本保持不變。

圖5 煤粉含量以及燒成溫度對A7 陶瓷試樣抗彎強度能的影響

3.4 原料配方、工藝條件對B1 盾構泥制備的多孔陶瓷性能的影響

由圖6 可知，在煤粉含量以及燒成溫度等因素的影響下，試樣的顯氣孔率與吸水率有著相同的變化趨勢，而其顯氣孔率與體積密度有著相反的變化趨勢。在煤粉含量一定時，隨著燒成溫度的升高，試樣的顯氣孔率和吸水率在降低，而其體積密度在增大。在燒成溫度一定時，隨著煤粉含量的提高，各曲線的變化趨勢是不一致的，有很大差別。對于試樣的線收縮率各曲線的變化，其趨勢應該是隨著煤粉添加量的提高，呈現(xiàn)先增后減的趨勢，但增加或者降低的程度都不明顯；而對于偏離變化趨勢的燒成溫度為1100 ℃，煤粉含量為50 wt.%的點，可能有實驗誤差的影響。

圖6 煤粉含量以及燒成溫度對B1 陶瓷試樣物理性能的影響

由圖7 可知，對于含有煤粉的試樣，在燒成溫度一定時，隨著煤粉含量的提高，其抗彎強度基本不變；而當煤粉含量一定時，隨著燒成溫度的提高，試樣的抗彎強度在增大且變化幅度也在增大。對于純盾構泥制備的試樣，其抗彎強度與燒成溫度沒有明顯的關系。

圖7 煤粉含量以及燒成溫度對B1 陶瓷試樣抗彎強度的影響

4 分析及討論

4.1 物理性能分析

對于上述三種盾構泥，在煤粉添加量一定時，其吸水率、顯氣孔率以及體積密度隨燒成溫度的變化是相同的，即隨著燒成溫度的升高，顯氣孔率以及吸水率降低，而體積密度增加。其原因可能是隨著燒成溫度的升高，試樣燒成逐漸致密化，其體積密度增大，同時氣孔率降低，氣孔連通形成顯氣孔的幾率降低，顯氣孔率降低，導致吸水率降低。在燒成溫度一定時，不同標段盾構泥為原料，隨煤粉含量的變化是不同的，GM盾構泥制備的陶瓷試樣的變化有明顯的規(guī)律，即隨著煤粉含量的增加，其顯氣孔率以及吸水率在升高，而體積密度則在減?。粚τ贏7 盾構泥制備的陶瓷試樣，煤粉含量為0 到煤粉含量為30 wt.%兩點間的變化趨勢與GM盾構泥是相似的，但之后的物理性能變化沒有明確的規(guī)律；對于B1 盾構泥制備的陶瓷試樣，不同燒成溫度下的曲線變化趨勢都是不一樣的。

4.2 力學性能分析

對比A7 和B1 兩種盾構泥制備的陶瓷試樣，在添加了煤粉的試樣中，在煤粉含量一定時，隨著燒成溫度的提高，A7 試樣的抗彎強度呈現(xiàn)降低的趨勢，而B1 試樣的抗彎強度則呈現(xiàn)升高的趨勢；在1100 ℃以及1125 ℃兩個燒成溫度下，不同煤粉含量的試樣的抗彎強度基本保持不變，說明此時煤粉含量對試樣抗彎強度沒有明顯的影響。

對比圖3 和圖5，GM陶瓷試樣在燒結溫度為1100 ℃時，A7 標段的試樣強度明顯低于GM標段的試樣強度，對比成分分析可知，A7 標段原料中Al2O3含量低于GM標段。在高溫時與可形成流動性好的鉀玻璃，可提高坯體的強度，因此A7 標段的強度明顯降低。

對比圖5 和圖7，可知B1 樣品的抗彎強度略高于A7 樣品，原因在于，B1 原料相對于A7 原料，A7 含有較高含量的CaO 和MgO，能夠與形成硅酸鈣玻璃相，玻璃相含量增加，主晶相含量減少，陶瓷強度降低。

將添加了煤粉的試樣與純盾構泥試樣的抗彎強度進行對比可知，添加造孔劑會降低A7 制備的試樣的抗彎強度；而對于B1 制備的陶瓷試樣，在1125 ℃和1150℃兩個燒成溫度下，添加造孔劑煤粉反而會提高試樣的抗彎強度。

5 結論

本論文以珠江三角洲水資源配置工程不同標段盾構泥為原料，以煤粉為造孔劑制備多孔陶瓷，系統(tǒng)研究了不同氧化物含量、煤粉添加量和燒成溫度對盾構泥制備多孔陶瓷的物理性能及力學性能的影響。在煤粉添加量一定時，其吸水率、顯氣孔率以及體積密度隨燒成溫度的變化是相同的，即隨著燒成溫度的升高，顯氣孔率以及吸水率不斷降低，而體積密度不斷增加。在燒結溫度為1100 ℃時，GM陶瓷樣品的力學性能最高，A7 陶瓷樣品的力學性能最低。因此，本研究可為盾構泥資源化利用提供新途徑。