水淬渣多孔建筑材料制備及其性能實驗分析

摘 要：本文旨在探討水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備方法及其性能。通過選擇CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖中的硅灰石、鈣鋁黃長石、鈣長石和硅鈣石區(qū)域作為基礎相，確定了合理的組分配方。實驗中，通過調(diào)整水淬渣與石英砂、碳化硅的比例，研究了不同配方對材料性能的影響，并利用高溫熱臺檢測儀實時監(jiān)測樣品的溫度與形貌變化，確定了最佳發(fā)泡溫度。采用粉末燒結(jié)一步法制備多孔陶瓷材料，并通過宏觀形貌和物理性能測試，評估了材料的孔徑分布、體積密度和抗壓強度。結(jié)果表明，水淬渣摻量45%、石英砂摻量55%的配方制備的樣品具有均勻的孔徑結(jié)構(gòu)和良好的保溫性能，為建筑保溫材料的應用提供了新的思路。

關鍵詞：水淬渣多孔建筑；材料制備；性能實驗分析文章編號：2095-4085（2025）02-0208-03

0 前言

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，建筑行業(yè)對新型環(huán)保建筑材料的需求日益迫切，而傳統(tǒng)建筑材料在生產(chǎn)過程中伴隨著高能耗、高污染等問題，已無法滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，開發(fā)利用工業(yè)固體廢棄物制備新型建筑材料，成為實現(xiàn)資源循環(huán)利用和環(huán)境保護的重要途徑。水淬渣是鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)固體廢棄物，其主要成分為硅酸鹽、鋁酸鹽等，具有潛在的膠凝活性，但由于水淬渣顆粒細小、活性較低，直接利用存在一定局限性。近年來，利用水淬渣制備多孔建筑材料成為研究熱點，多孔材料具有輕質(zhì)、保溫、隔音等優(yōu)良性能，在建筑領域應用前景廣闊。本文旨在利用水淬渣為主要原料，通過合理的工藝設計，制備出性能優(yōu)良的多孔建筑材料，并全面剖析其性能。預期研究成果將為水淬渣的高效資源化再利用開辟新途徑，并為新型環(huán)保建筑材料的研發(fā)提供關鍵技術支撐，兼具深遠的理論價值與實踐意義。

1 水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備及其性能檢測

1.1 材料制備

1.1.1 確定組分配方

在制備水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料時，選擇合適的基礎相是關鍵步驟，本文依據(jù)CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖，這些區(qū)域在相圖中具有穩(wěn)定的化學組成和良好的熱穩(wěn)定性，適用于制備多孔陶瓷材料。其中，SiO2含量為50%～65%、Al2O3為5%～15%、CaO為15%～25%、MgO為2%～6%、R2O（Na2O/K2O）為5%～15%，可制備出具有不同性能的多孔陶瓷材料。為制備具有優(yōu)異保溫性能的水淬渣多孔陶瓷材料，需先確定合理的組分配方，根據(jù)多孔陶瓷玻璃網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)形成條件，SiO2是構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡的主要成分，其比例應超過50%?？紤]到水淬渣中本身含有較高的SiO2，因此，可通過調(diào)整水淬渣與其他原料的比例來達到這一要求。為了驗證不同配方對材料性能的影響，設立了兩組對比實驗，第一組實驗主要考察水淬渣與石英砂的比例對材料性能的影響，第二組實驗則考察水淬渣與碳化硅的比例對材料性能的影響。具體配方見表1。

1.1.2 發(fā)泡溫度

在本實驗中，利用高溫熱臺檢測儀對水淬渣多孔陶瓷樣品進行了溫度與形貌的實時監(jiān)測，詳細觀察了樣品在不同溫度下的膨脹行為，確定了幾個關鍵的特征點溫度，這些溫度點對應于樣品在特定黏度下的形態(tài)變化。為了進一步分析樣品黏度變化，將各特征點溫度與經(jīng)驗黏度值導入反比例公式，其表達式為：

logη=A+B/（T-T0）

公式中：T表示特征點對應溫度；A、B、T0表示擬合的經(jīng)驗常數(shù)。根據(jù)黏度隨溫度變化的曲線，確定了最佳發(fā)泡黏度對應的溫度，在液相黏度為04Pas時，泡沫玻璃熱處理效果最佳，樣品氣孔率均勻性滿足行業(yè)標準。因此，研究人員將發(fā)泡劑和碳化硅實驗發(fā)泡溫度設置為887℃和1046℃，不僅能保證樣品在發(fā)泡過程中具有適當?shù)酿ざ龋苊膺^度膨脹或黏度過高，出現(xiàn)嚴重的結(jié)構(gòu)缺陷，還能確保最終制備的多孔陶瓷材料具有良好的保溫性能和力學強度。

為獲得孔徑較為均勻的多孔陶瓷，本實驗參考了前人的研究成果，并結(jié)合自身的料性特點，設定各種溫控程序。在升溫階段，將樣品從室溫升溫至400℃，升溫速率為5℃/min，逐步去除樣品中的水分和有機物，避免其快速升溫，導致樣品出現(xiàn)開裂。在保溫階段，將其放置在400℃下保溫30min，主要目的是促使樣品內(nèi)部的溫度均勻分布，確保水分和有機物充分揮發(fā)，從而為后續(xù)發(fā)泡過程做好準備［1］。在再次升溫階段，從400℃升溫至發(fā)泡溫度，升溫速率為10℃/min，發(fā)泡溫度是多孔陶瓷形成的關鍵溫度，通過快速升溫可以促進樣品內(nèi)部氣體的生成和膨脹，形成均勻的孔隙結(jié)構(gòu)。在發(fā)泡保溫階段，放在發(fā)泡溫度下保溫1h，使樣品內(nèi)部的氣體充分膨脹，形成均勻的多孔結(jié)構(gòu)。等到發(fā)泡保溫結(jié)束后，樣品隨爐冷卻至室溫，將其快速冷卻，可防止樣品出現(xiàn)開裂變形問題，確保最終產(chǎn)品的完整性。

在實驗過程中，對比了多種升溫程序?qū)λ阍嗫滋沾尚阅艿挠绊憽＝Y(jié)果表明，采用升溫保溫再升溫再保溫的程序，可以有效控制孔徑的均勻性，避免因溫度波動導致的孔徑不均勻問題。通過優(yōu)化升溫速率和保溫時間，得到了孔徑較為均勻、性能優(yōu)良的水淬渣多孔陶瓷保溫材料。

1.1.3 多孔陶瓷材料制備方法

多孔陶瓷材料制備方法多種多樣，主要包括溶膠-凝膠法、發(fā)泡法、粉末燒結(jié)法等，每種方法都有其獨特的優(yōu)勢和適用范圍［2］。溶膠-凝膠法能夠制備出孔徑均勻、結(jié)構(gòu)致密的陶瓷材料，但工藝復雜，成本較高；發(fā)泡法通過在材料中引入氣體形成孔隙，制備出的多孔陶瓷具有較高的孔隙率和較低的密度，但孔徑分布不均勻；粉末燒結(jié)法則利用粉末顆粒燒結(jié)和孔隙形成，制備出具有良好力學性能和保溫性能的多孔陶瓷材料。粉末燒結(jié)法是一種較為成熟的制備多孔陶瓷的方法，其基本原理是將原料粉末通過壓制成型后，在高溫下進行燒結(jié)，使顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，形成具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。

在本實驗中，采用粉末燒結(jié)一步法制備水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料，具體步驟如下。

（1）根據(jù)計算基礎配方比例，稱取適量的水淬渣、粘結(jié)劑和其他添加劑。

（2）將稱取的原料放置于球磨機中，設定球磨機的轉(zhuǎn)速為310轉(zhuǎn)/min，正、反旋轉(zhuǎn)各20min，使原料顆粒充分混合，并細化顆粒尺寸，從而為后續(xù)燒結(jié)過程提供均勻的原料基礎。

（3）將球磨后的配合料從球磨機中取出，噴灑少量純凈水進行混合，進一步增加顆粒之間的粘結(jié)力。隨后，將混合料放入模具中，以100千牛（KN）的壓力壓制30s，使混合料成型為具有規(guī)定形狀和密度的坯體［3］。

（4）將壓制成型的坯體放入發(fā)泡爐中，設定加熱程序，先以較低升溫速率將坯體加熱至發(fā)泡溫度，使坯體內(nèi)部產(chǎn)生氣體，形成孔隙結(jié)構(gòu)。隨后，在發(fā)泡溫度下保持一定時間，使孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，等到其冷卻至與室溫基本相同時，可得到具有多孔結(jié)構(gòu)的泡沫玻璃產(chǎn)品［4］。

1.2 性能檢測

1.2.1 宏觀形貌

為了深入了解水淬渣多孔陶瓷的宏觀形貌特征，對制備的樣品進行切割和顯微觀察。通過切割樣品，發(fā)現(xiàn)1-4號樣品在高溫燒結(jié)過程中未形成玻璃相，進一步分析表明，這是由于配合料中的硅含量不足，導致黏度降低，未能形成均勻的孔結(jié)構(gòu)。1-3號樣品也存在類似問題，表明硅含量不足是影響材料性能的關鍵因素。相比之下，1-2號和1-1號樣品在高溫燒結(jié)過程中表現(xiàn)出較好的性能，這兩個樣品在發(fā)泡劑產(chǎn)生氣泡時，形成了均勻孔徑的多孔玻璃陶瓷材料［5］?；谏鲜龇治觯x擇水淬渣摻量45%、石英砂摻量55%的原料配比作為基礎配方，并計劃在后續(xù)實驗中進一步優(yōu)化該配方，以期獲得性能更優(yōu)的水淬渣多孔陶瓷材料。

通過肉眼觀察和顯微鏡放大觀察，發(fā)現(xiàn)樣品中存在大量的大孔和連通孔，孔的形狀不規(guī)則，呈現(xiàn)出明顯的非均勻分布特征，這些大孔和連通孔的存在，使得樣品在宏觀上表現(xiàn)出明顯的多孔結(jié)構(gòu)。進一步分析發(fā)現(xiàn)，樣品中孔隙的不規(guī)則形狀和分布主要源于碳化硅發(fā)泡溫度與樣品高溫黏度發(fā)泡溫度區(qū)間的不匹配，碳化硅作為一種常用的發(fā)泡劑，在高溫下能夠產(chǎn)生大量氣體，從而形成多孔結(jié)構(gòu)。但由于碳化硅的發(fā)泡溫度與樣品的高溫黏度發(fā)泡溫度區(qū)間不匹配，導致氣體在樣品中的分布不均勻，無法形成均勻的多孔材料。具體表現(xiàn)為部分區(qū)域氣體聚集形成大孔，而其他區(qū)域則因氣體不足而形成較小的孔隙，最終導致樣品整體孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。此外，還觀察到2-3號和2-4號樣品存在明顯的燒結(jié)現(xiàn)象，燒結(jié)是指在高溫下，樣品中的顆粒通過表面擴散和體積擴散相互結(jié)合，形成致密的結(jié)構(gòu)。燒結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)表明樣品中的硅含量不足，無法形成具有高溫黏度的玻璃相，玻璃相在高溫下具有較高的黏度，能夠有效抑制顆粒的擴散和結(jié)合，從而保持多孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，由于硅含量不足，樣品在高溫下無法形成足夠的玻璃相，導致顆粒間的結(jié)合加劇，最終形成燒結(jié)現(xiàn)象。

1.2.2 物理性能

在本次實驗中，通過對水淬渣多孔陶瓷樣品的宏觀形貌進行觀察，全面了解了不同發(fā)泡劑對樣品孔徑結(jié)構(gòu)的影響［6］。在實驗中，分別采用了碳化硅和工業(yè)純堿作為發(fā)泡劑，制備了兩組樣品。在碳化硅為發(fā)泡劑的實驗中，樣品宏觀形貌顯示孔徑分布不均勻，部分區(qū)域孔徑較大，部分區(qū)域孔徑較小，且孔壁較薄，存在明顯的孔徑不均現(xiàn)象。主要原因是碳化硅在高溫下分解產(chǎn)生的氣體量不穩(wěn)定，導致孔徑分布不均勻［7］。且碳化硅分解產(chǎn)物與水淬渣中的硅酸鹽發(fā)生反應，影響了孔壁的形成，進一步加劇了孔徑不均的問題，表明工業(yè)純堿在高溫下分解產(chǎn)生的氣體量較為穩(wěn)定，能夠均勻地分布在樣品中，從而形成均勻的孔徑結(jié)構(gòu)。此外，工業(yè)純堿的分解產(chǎn)物與水淬渣中的硅酸鹽反應，生成了均勻的玻璃相，增強了孔壁的強度，進一步提高了孔徑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［8］。

2 結(jié)語

綜上所述，本文通過系統(tǒng)地探討水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備方法及其性能，成功制備出具有優(yōu)異保溫性能和力學強度的多孔陶瓷材料。實驗結(jié)果表明，合理選擇基礎相和優(yōu)化組分配方是制備高性能多孔陶瓷材料的關鍵。通過高溫熱臺檢測儀的實時監(jiān)測，確定了最佳發(fā)泡溫度，可確保材料的孔徑均勻性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用粉末燒結(jié)一步法制備的多孔陶瓷材料，其宏觀形貌和物理性能均達到了預期目標，特別是以工業(yè)純堿為發(fā)泡劑制備的樣品，其孔徑分布均勻，體積密度和抗壓強度適中，符合建筑保溫材料的要求。本文為水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的進一步研究奠定了基礎，具有重要的理論和實踐意義。

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［8］任達.水淬渣多孔建筑材料制備及其性能實驗研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學，2021.

作者簡介：宋磊（1982—），男，漢族，安徽肥東人，大學本科，工程師。研究方向：建筑材料檢驗檢測。