利用工業(yè)固廢研制保溫玻璃

孫文洋 馬玉桂 關(guān)清晨 劉鵬 屈嗣筱 孫超

摘?????? 要：隨著中國建筑行業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢棄物，其中廢巖棉和廢玻璃逐年增加，尤其是廢棄巖棉已成為工業(yè)垃圾的處理難題，嚴(yán)重污染了生態(tài)環(huán)境。在“碳達(dá)峰”“碳中和”的目標(biāo)背景下，提出以廢巖棉和廢玻璃為主要原料制作泡沫玻璃的新工藝，基于材料性能和泡沫玻璃的性能要求制定了最佳的溫度制度，在適當(dāng)?shù)臏囟戎贫认录尤脒m量的發(fā)泡劑、助熔劑和泡沫穩(wěn)定劑，采用粉末燒結(jié)法制備了泡沫玻璃。

關(guān)? 鍵? 詞：廢巖棉；廢玻璃；工業(yè)廢棄物；添加劑；泡沫玻璃

中圖分類號(hào)：TQ171?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?????? 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）06-0902-03

近年來，隨著建筑業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢棄物，例如碎磚、廢木材、廢管道、電器廢料、廢巖棉和廢玻璃[1]，其中廢巖棉和廢玻璃逐年增加，尤其是廢棄巖棉已成為工業(yè)垃圾的處理難題，目前尚無完善的處理方案，大部分廢棄巖棉沒有得到很好的處理，對(duì)環(huán)境造成了極大的危害。

國內(nèi)外已有眾多學(xué)者研究利用廢舊玻璃制備泡沫玻璃并對(duì)其性能進(jìn)行研究[2]。雖然國內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)泡沫玻璃的配方和工藝進(jìn)行了優(yōu)化，但是目前國內(nèi)的泡沫玻璃的產(chǎn)量和質(zhì)量還是不能滿足國內(nèi)對(duì)泡沫玻璃的需求[3]。

目前的研究重點(diǎn)是泡沫玻璃的發(fā)泡工藝和應(yīng)用原材料的創(chuàng)新。馬明鑫[4]等以鐵尾礦和玻璃粉為原料、碳化硅為成孔劑制備鐵尾礦泡沫玻璃。結(jié)果表明，由含24.5%鐵尾礦和1%SiC的泡沫玻璃性能最好。吳真先[5]等采用粉末燒結(jié)技術(shù)，以碳化硅為發(fā)泡劑，無堿玻璃粉為主要原料，燒成泡沫玻璃。保溫時(shí)間越長，煅燒溫度越高，材料的表觀密度越小，平均氣泡直徑越大，由此產(chǎn)生的孔隙連通性也越大。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 原材料

廢巖棉：本實(shí)驗(yàn)巖棉是燒制泡沫玻璃的主要原料，主要化學(xué)成分如表1所示。

廢玻璃：玻璃也是燒制泡沫玻璃的主要原材料，主要化學(xué)成分如表2所示。

1.2? 設(shè)備及儀器

本實(shí)驗(yàn)主要使用的設(shè)備為箱式高溫實(shí)驗(yàn)電爐，最高使用溫度1 600 ℃，最大升溫速率15 ℃·min-1。微機(jī)控制電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)最大載荷為5 kN。電子天平量程為0～100 g，精度為0.000 1 g。

1.3? 實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1? 廢巖棉摻量的選擇[6-8]

為確定適當(dāng)?shù)偷臒Y(jié)溫度和最大程度地利用礦棉廢料，本研究采用廢巖棉和廢玻璃的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在40%～60%和60%～100%范圍，并按照廢巖棉和廢玻璃含量100為基準(zhǔn)來計(jì)算各添加劑的含量，發(fā)泡劑碳化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)取1.5%，助溶劑硼砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)取20%，穩(wěn)泡劑磷酸三鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)取2%，擬采用實(shí)驗(yàn)廢巖棉摻量樣品含量見表3。

1.3.2? 發(fā)泡劑摻量的選擇[9]

以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的廢巖棉和60%的廢玻璃為主要基礎(chǔ)原料，分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%、1.5%和2%的碳化硅為發(fā)泡劑，其他添加劑采用2%的磷酸三鈉為穩(wěn)泡劑，20%的硼砂為助熔劑，擬采用的實(shí)驗(yàn)分組見表4。

2? 實(shí)驗(yàn)工藝

2.1? 實(shí)驗(yàn)工藝流程

圖1是制備泡沫玻璃的工藝流程圖，所用的廢巖棉來自設(shè)備更新、維護(hù)而退役下來的廢棄巖棉；廢玻璃取自廢舊的平板玻璃，廢玻璃利用自來水去除表面雜質(zhì)，然后自然晾干。廢巖棉和廢玻璃研磨后都需要過200目（孔徑為0.074 mm）的篩子進(jìn)行篩選，采用粉末燒結(jié)法制備了泡沫玻璃樣品，即放入高溫電阻爐按照預(yù)先設(shè)定的溫度制度進(jìn)行煅燒。

2.2? 溫度制度

模壓成型的樣品在馬弗爐中加熱到500 ℃并保持20 min，以除去留在樣品中的水并防止樣品因偏斜加熱而破裂。然后，將樣品以20 ℃·min-1的速度加熱到820、830、840、850 ℃的峰值溫度，并在峰值溫度下再保持10、20、30 min，然后自然冷卻至室溫，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定合適的發(fā)泡時(shí)間和發(fā)泡? 溫度[10]。

3? 結(jié)果與分析

3.1? 廢巖棉摻量對(duì)泡沫玻璃性能的影響

3.1.1? 廢巖棉摻量對(duì)表觀密度和孔徑的影響

圖2是不同巖棉含量對(duì)表觀密度和孔徑的影響。隨著廢巖棉含量的增加，密度在不斷增加，由366.7 kg·cm-3增加到了412.5 kg·cm-3。所以隨著巖棉含量的增加，樣品中的液相含量降低，限制了大孔隙的形成，此外，隨著巖棉含量的增加，液相中的堿金屬離子和堿土金屬離子（Na+、K+、Ca2+和 Mg2+）減少[11]，提高了液相的黏度，黏度的增加也會(huì)增加孔隙生長的阻力。隨著廢巖棉添加量的增加，孔徑有減小的趨勢(shì)。

3.1.2? 廢巖棉含量對(duì)吸水率和抗壓強(qiáng)度的影響

隨著廢巖棉含量的增加，其吸水率是呈下降的趨勢(shì)。隨著廢巖棉含量的增加，樣品的抗壓強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)。

3.2? 發(fā)泡劑摻量對(duì)泡沫玻璃性能的影響

3.2.1? 發(fā)泡劑摻量對(duì)表觀密度和孔徑的影響[11]

圖3給出了發(fā)泡劑含量與成品密度和孔徑的關(guān)系。發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%、2%時(shí)，所得成品的體積密度比質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%配合料成品的體積密度有較大的減小。隨著發(fā)泡劑碳化硅摻量的增加， 孔徑呈增大的趨勢(shì)，當(dāng)其為2%時(shí)泡沫玻璃試樣的平均孔徑達(dá)到最大，為3 mm。

3.2.2? 發(fā)泡劑摻量對(duì)吸水率和抗壓強(qiáng)度的影響

圖4為發(fā)泡劑含量與吸水率和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖。由圖4可以看出，隨著發(fā)泡劑摻量的增加，材料的吸水率呈降低的趨勢(shì)，在發(fā)泡劑摻量為1.0%時(shí)，吸水率為0.031%，發(fā)泡劑摻量為2.0%時(shí)，吸水率為0.024%。觀察發(fā)泡劑含量與成品抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，配合料發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%時(shí)，所得泡沫玻璃成品的抗壓強(qiáng)度較高，為0.541 MPa，當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，成品抗壓強(qiáng)度低于發(fā)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的成品抗壓強(qiáng)度。

4? 結(jié) 論

本文以廢巖棉和廢玻璃為主要原料，通過添加SiC為發(fā)泡劑，Na2B4O7為助熔劑，Na3PO4為泡沫穩(wěn)定劑，成功制備了泡沫玻璃樣品。分析了配合料和發(fā)泡劑的熱行為，通過測(cè)定制品的表觀密度、吸水率、孔徑和抗壓強(qiáng)度研究探討了廢巖棉摻量、發(fā)泡劑摻量對(duì)泡沫玻璃性能的影響，得到的主要結(jié)論如下：

1）隨著廢巖棉摻量的增加，配合料的軟化溫度升高，不利于熔融軟化，表觀密度增大，抗壓強(qiáng)度、吸水率和孔徑相應(yīng)降低。

2）隨著發(fā)泡劑含量的增加，孔徑增大，表觀密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度相應(yīng)降低。

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Development of Thermal Insulation Glass by Using Industrial Solid Waste

SUN Wenyang， MA Yugui， GUAN Qingchen， LIU Peng， QU Sixiao， SUN Chao

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：? With the continuous development of the construction industry and industrial production in China， a large amount of industrial waste has been generated， among which waste rock wool and waste glass are increasing year by year. In particular， waste rock wool has become a difficult problem in the treatment of industrial waste， seriously polluting the ecological environment. Under the background of "carbon peak" and "carbon neutrality"， a new process of making foam glass with waste rock wool and waste glass as the main raw materials was proposed. Based on the material properties and the performance requirements of foam glass， the best temperature system was formulated. Under the appropriate temperature system， appropriate foaming agent， flux and foam stabilizer were added， and foam glass was prepared by powder sintering method.

Key words： Waste rock wool; Waste glass; Industrial waste; Additive; Foam glass