渣土基多孔玻璃陶瓷的制備與研究

吳曉珊，關(guān)宇，孫佩文，鄭建平，封錦明

摘 要：本試驗(yàn)將工程渣土和廢玻璃加以利用，與添加劑混合在一定程序下燒結(jié)，制得渣土基多孔玻璃陶瓷。本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到最佳試驗(yàn)方案為工程渣土：廢玻璃質(zhì)量比為1：3、碳酸鈣摻量為5%、燒結(jié)時(shí)間為120min、燒結(jié)溫度為850℃，硼酸摻量3%，得到樣品體積密度為705 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為5.67MPa。

關(guān)鍵詞：工程渣土；廢玻璃；渣土基多孔玻璃陶瓷；正交試驗(yàn)

1 前言

在生產(chǎn)生活中會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊玻璃，其是一種穩(wěn)定性高且不易分解的生活垃圾，廢舊玻璃回收率低，綜合利用率不足30%。工程渣土主要指工程建設(shè)過(guò)程中基坑開(kāi)挖、道路及其它工程建設(shè)換填的廢棄泥土，也包括工程泥漿、盾構(gòu)土等[1]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近幾年，我國(guó)每年產(chǎn)生的建筑垃圾在15.5億-24.0億噸，其中，工程渣土占建筑垃圾總量的70%以上。但是，工程渣土的利用率卻不到5%。

玻璃陶瓷是屬于無(wú)機(jī)玻璃和陶瓷之間的一種材料，其可含大量玻璃相，也可高度晶化，但至少含有一種晶相和一種玻璃相[2]。加入造孔劑后制成的多孔玻璃陶瓷是由玻璃相和均勻的微小氣孔組成的一種材料，氣孔可分為密閉氣孔和相互連接的氣孔，占總體積的80%～90%。多孔玻璃陶瓷與其他的隔熱材料相比具有導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。

工程渣土通常含有SiO2、Al2O3、MgO、CaO等氧化物，這些氧化物是生成玻璃的重要成分，且工程渣土組成中的無(wú)機(jī)成分和助熔成分等堿性金屬氧化物與生產(chǎn)輕質(zhì)陶粒的天然粘土相似[3]，這為以工程渣土為原料生產(chǎn)多孔玻璃陶瓷來(lái)實(shí)現(xiàn)資源化利用提供了基礎(chǔ)。本文以工程渣土和廢玻璃為主要原材料，輔以造孔劑、助熔劑等添加劑，探討利用工程渣土和廢玻璃固體廢物制備輕質(zhì)高強(qiáng)的渣土基多孔玻璃陶瓷的可行性，以期解決大量工程渣土和廢玻璃隨意填埋造成的資源浪費(fèi)、環(huán)境污染問(wèn)題。

2試驗(yàn)

2.1原材料

試驗(yàn)所用工程渣土取自深圳12號(hào)線(xiàn)海上田園東站地鐵站修建挖棄的工程渣土，廢玻璃取自裝修產(chǎn)生廢棄玻璃和玻璃廠(chǎng)廢渣。其中工程渣土的主要化學(xué)成分為SiO2 68.56wt%、Al2O3 15.41wt%、Fe2O3 4.61wt%、CaO 2.08wt%；廢玻璃的主要化學(xué)成分為SiO2 66.03wt%、CaO 8.86wt%、MgO 3.10wt%、Na2O 13.7wt%；試驗(yàn)中的添加劑碳酸鈣、硼酸等為分析純。

2.2制備方法

將工程渣土和廢玻璃分別進(jìn)行粉磨，過(guò)200目篩后與碳酸鈣和硼酸按設(shè)計(jì)含量加到攪拌機(jī)中進(jìn)行混合均勻，其中硼酸添加量固定為總質(zhì)量3%，之后加入總量5%的水一起拌勻成半干混合料后放入模具中進(jìn)行壓制成型，成型壓力為5Mpa，保壓3秒，將壓制成型的坯體放入馬弗爐中進(jìn)行燒制。燒結(jié)程序?yàn)椋海?）預(yù)熱階段：自室溫以3.5℃/min的升溫速率升至400℃，保溫20min；（2）燒結(jié)發(fā)泡階段：再以7.5℃/min升溫至試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度，燒結(jié)時(shí)間根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行；（3）退火階段：之后以10℃/min的降溫速率將溫度降至600℃，為消除應(yīng)力，在600℃左右進(jìn)行保溫20min隨爐冷卻至室溫。

通過(guò)上述燒結(jié)程序可得到渣土基多孔玻璃陶瓷，之后將制得的樣品進(jìn)行體積密度和抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。

2.3測(cè)試方法

（1）體積密度的測(cè)試：樣品的體積密度是指單位體積內(nèi)樣品的質(zhì)量，體積密度是衡量材料性能的重要指標(biāo)之一。將烘干后的樣品切割成50mm×50mm×50mm的試塊，稱(chēng)量試塊質(zhì)量并記錄為M。根據(jù)下列公式計(jì)算體積密度：

ρ=M/V? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（式1-1）

ρ：樣品的體積密度（g/cm3）

M：烘干后樣品質(zhì)量（g）

V：切割后塊狀體積（cm3）

（2）抗壓強(qiáng)度的測(cè)試：抗壓強(qiáng)度是檢驗(yàn)多孔玻璃陶瓷是否符合實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)將樣品切割成50×50×50mm的試塊，在萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)下測(cè)量抗壓壓力值F，然后根據(jù)式1-2計(jì)算抗壓強(qiáng)度。

P= F/A? ? ? ? ? ? ?（式1-2）

P：樣品抗壓強(qiáng)度（MPa）

F：樣品受到破壞時(shí)的荷載值（N）

A：樣品的受力面積（mm2）

2.4正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是研究多因素多水平的試驗(yàn)方法，通過(guò)正交性從全面試驗(yàn)中挑選部分具有代表性的點(diǎn)。由于各試驗(yàn)條件會(huì)對(duì)渣土基多孔玻璃陶瓷性能造成影響，從而造成相互制約的情況，因此本試驗(yàn)將采用正交試驗(yàn)確定原材料摻比、造孔劑摻量、燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)溫度對(duì)渣土基多孔玻璃陶瓷性能影響的最佳方案，本試驗(yàn)不考慮各因素交互作用的影響。

根據(jù)初步試驗(yàn)確定以原材料摻比A、碳酸鈣摻量B、燒結(jié)時(shí)間C、燒結(jié)溫度D為四個(gè)因素，各選擇三個(gè)水平分別為：工程渣土和廢玻璃的質(zhì)量比為1：2、1：3、1：4；碳酸鈣摻量為3%、5%、7%；燒結(jié)時(shí)間為40min、80min、120min；燒結(jié)溫度為800℃、850℃、900℃。通過(guò)正交試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化制備渣土基多孔玻璃陶瓷的工藝方案，從而提高樣品性能。四種因素對(duì)渣土基多孔玻璃陶瓷的性能影響的正交試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表1。

之后，用Ki表示各個(gè)試驗(yàn)因素第i水平下試驗(yàn)結(jié)果的平均值。極差R為對(duì)應(yīng)列中Ki的最大值減去最小值，R表示所對(duì)應(yīng)的因素水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的主次作用。對(duì)渣土基多孔玻璃陶瓷體積密度和抗壓強(qiáng)度性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果作極差分析結(jié)果見(jiàn)表2。

不同要求所需要的最優(yōu)方案如下所述：

（1）考慮體積密度需求，體積密度越小越好，因此選擇Ki值最小的水平，最佳方案為A2、B2、C2、D2。

（2）考慮抗壓強(qiáng)度需求，抗壓強(qiáng)度越大好，因此選擇Ki值最大的水平，最佳方案為A2、B3、C3、D2。

由上述正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，對(duì)體積密度和抗壓強(qiáng)度影響最顯著的是原材料摻比。且對(duì)于體積密度和抗壓強(qiáng)度而言，均為A2為最佳方案，因此選取A2為最佳方案。

碳酸鈣摻量對(duì)體積密度影響較大，對(duì)抗壓強(qiáng)度影響程度較小，所以為同時(shí)達(dá)到輕質(zhì)高強(qiáng)的目的，選擇B2為最佳方案。對(duì)于體積密度，燒結(jié)時(shí)間的最佳方案為C2，對(duì)于抗壓強(qiáng)度，燒結(jié)時(shí)間的最佳方案為C3，考慮到燒結(jié)時(shí)間對(duì)體積密度的影響程度最弱，因此選擇C3為最佳方案。對(duì)于燒結(jié)溫度，分別考慮體積密度和抗壓強(qiáng)度的最佳方案均為D2，因此選擇D2，為最佳方案。

基于以上分析，暫定制備渣土基多孔玻璃陶瓷的最佳方案為A2、B2、C3、D2，即工程渣土：廢玻璃質(zhì)量比為1：3、碳酸鈣摻量為5%、燒結(jié)時(shí)間為120min、燒結(jié)溫度為850℃。

2.5試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)步驟，將工程渣土與廢玻璃的質(zhì)量比設(shè)為1：3，碳酸鈣摻量為總質(zhì)量的5%，硼酸摻量為總質(zhì)量的3%，燒結(jié)溫度為850℃，燒結(jié)時(shí)間為120min。所得樣品經(jīng)測(cè)試，體積密度為705 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為5.67MPa。

3結(jié)論與展望

3.1結(jié)論

（1）在渣土基多孔玻璃陶瓷體積密度的影響因素中：不同影響因素對(duì)其作用大小排序?yàn)镽A>RB>RD>RC，原材料摻比影響最強(qiáng)，碳酸鈣摻量影響次之，再次為燒結(jié)溫度，燒結(jié)時(shí)間影響最弱。

（2）對(duì)渣土基多孔玻璃陶瓷抗壓強(qiáng)度的影響因素中：不同影響因素對(duì)其作用大小排序?yàn)镽A>RC>RD>RB，原材料摻比影響最強(qiáng)，燒結(jié)時(shí)間影響次之，再次為燒結(jié)溫度摻量，碳酸鈣影響最弱。

（3）由于用工程渣土制備渣土基多孔玻璃陶瓷過(guò)程復(fù)雜，影響因素較多，通過(guò)正交試驗(yàn)得到最佳試驗(yàn)方案為工程渣土：廢玻璃質(zhì)量比為1：3、碳酸鈣摻量為5%、燒結(jié)時(shí)間為120min、燒結(jié)溫度為850℃、硼酸摻量3%、得到樣品體積密度為705 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為5.67MPa。

3.2展望

（1）本試驗(yàn)對(duì)渣土基多孔玻璃陶瓷的性能指標(biāo)研究過(guò)少，為得到綜合性能優(yōu)良的渣土基多孔玻璃陶瓷，還應(yīng)對(duì)其孔隙率、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

（2）采用正交試驗(yàn)法選取少部分試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證各個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響趨勢(shì)，從而迅速找到最優(yōu)化的工藝參數(shù)，但優(yōu)選結(jié)果是否符合客觀(guān)實(shí)際，還需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。因此，采用正交試驗(yàn)方法是有局限性的，為取得更優(yōu)化結(jié)果，應(yīng)再次進(jìn)行多組試驗(yàn)，進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

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