王功勛 高 高 周 璇

（湖南科技大學湖南省普通高等學校土木工程施工過程與質(zhì)量安全控制重點實驗室 湖南 湘潭 411201）

粉煤灰在再生陶瓷墻地磚中的應用＊

王功勛 高 高 周 璇

（湖南科技大學湖南省普通高等學校土木工程施工過程與質(zhì)量安全控制重點實驗室 湖南 湘潭 411201）

主要研究了粉煤灰在陶瓷墻地磚生產(chǎn)中的應用。在引入粉煤灰的同時，通過加入不同摻量的陶瓷廢磚粒和拋光磚粉，在用硼砂作為輔助熔劑的條件下，以正交試驗進行設計與分析，得出一組最佳配比，在擴大廢物利用率的同時有效提高制品強度。

粉煤灰 陶瓷墻地磚 拋光磚粉 硼砂

前言

粉煤灰是火力發(fā)電廠排放的一種工業(yè)廢渣，是煤粉經(jīng)1100～1700℃燃燒得到的。據(jù)統(tǒng)計，僅2000年粉煤灰年排放量就達1.53億t，近年來隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電廠粉煤灰的排放量還在不斷增加。目前大量粉煤灰在建材工業(yè)中的應用主要有生產(chǎn)粉煤灰水泥，做水泥或混凝土的摻合料，生產(chǎn)粉煤灰磚、粉煤灰砌塊、加氣混凝土等。但粉煤灰整體利用率不高，僅為40%左右，遠遠落后于歐美發(fā)達國家的70%～80%水平。粉煤灰利用途徑的開發(fā)已成為迫切需要［1，2］。

粉煤灰的化學成分與傳統(tǒng)陶瓷原料成分相似，因此，根據(jù)粉煤灰所含的特有成分研制出具有新性能或使某些性能得到增強的陶瓷材料，開拓新的粉煤灰綜合利用途徑，既降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、提高市場競爭力，又能治理環(huán)境污染、造福社會，具有重要的經(jīng)濟意義和社會意義。基于以上分析，本文重點對粉煤灰在陶瓷墻地磚中的應用展開了研究。

1 實驗原料及方法

1.1 實驗原料

陶瓷原料：白泥/紅泥（粘土質(zhì)原料）、石粉（長石類原料）、幼砂（石英類原料）粉磨過60目（0.28mm）篩，少量輔助熔劑硼砂。燒成廢料：陶瓷廠墻地磚生產(chǎn)中的燒成廢料，破碎至一定粒徑，其中大于0.6mm的磚粒占64.3%，小于0.6mm的磚粉占35.%。拋光磚廢渣：陶瓷廠

生產(chǎn)拋光磚產(chǎn)生的廢泥渣，經(jīng)烘干破碎，過60目篩篩余1.4%，比表面積515m2/kg。

粉煤灰取自廣州某電廠。其化學組成見表1。其礦物組成采用理學D/max－Ⅲ型全自動X－射線衍射儀進行測定，測定條件為：Cu靶，石墨單色器，電壓為40 kV，電流為30mA。結(jié)果見圖1。

表1 粉煤灰的化學組成（質(zhì)量%）

圖1 粉煤灰X－射線衍射圖譜

從圖1可以看出，粉煤灰的主要礦物組成為石英、CaCO3和Fe2O3。

粉煤灰的玻璃相含量測定采用1%的HF溶液浸泡20h，用定量濾紙過濾，將殘留物放入坩堝內(nèi)置于700℃左右的條件下灼燒，計算粉煤灰浸泡前后的質(zhì)量損失，測得其玻璃相含量為35%。

粉煤灰顆粒粒徑測定：顆粒中＞45um的顆粒組成的測定根據(jù)GB/T1345－2005《水泥細度檢驗方法 篩析法》進行；顆粒中＜45um的顆粒組成采用BT－1500離心沉降式粒度分布儀測定。結(jié)果見表2。

表2 粉煤灰顆粒分布（%）

1.2 實驗方法

整個實驗工藝流程如下：原料處理→配料→攪拌造粒（粒料含水率7%～8%）→裝?！鷫褐瞥尚巍黧w干燥→燒成→性能測試。燒結(jié)溫度1200℃，保溫時間1 h，升溫速率15℃/min。所制的圓柱體試樣尺寸如下：直徑35mm，高25mm。

主要實驗設備包括振動磨、液壓機、鼓風電熱恒溫干燥箱、箱式電阻爐等。性能測試按相關(guān)國家標準進行。

2 試驗方案及原理

因粉煤灰熔點較高，需加入熔劑性原料長石，以便與粉煤灰及其它原料形成低溫共熔體，降低燒成溫度，形成的液相還能填充坯體的孔隙，減少氣孔率，增大致密度，從而提高坯體的機械強度。

本試驗中的石粉即為鉀長石，白泥和紅泥主要用來改善坯料的可塑性與粘結(jié)性，便于造粒、成形，提高生坯的干燥強度。幼砂（即石英）在燒成過程中的體積膨脹，能補償粉煤灰及其它原料熔融、分解引起的坯體收縮，降低收縮率。高溫下石英能熔解于液相中，提高液相的粘度，未熔解的石英顆粒構(gòu)成坯體的骨架，起增強作用，這都減少了坯體變形的可能性。瘠性原料石英、長石不僅能提供生坯水分快速排出的通道，縮短干燥時間，而且能為粉煤灰中有機碳粒燃燒和無機礦物分解產(chǎn)生的氣體提供排出通路。

本試驗中摻入了部分陶瓷廠產(chǎn)生的燒成廢料—廢磚粒。一方面廢磚粒的粒徑較大，在擠出機的擠壓作用下會使坯體表面略顯粗糙，提高了墻地磚的抗滑性及其外觀質(zhì)感，另一方面也提高廢料利用率。根據(jù)筆者早期的研究，當配比組合為：廢磚粒∶白泥∶紅泥∶幼砂∶石粉＝1.7∶1.7∶1.3∶1∶1時，制品在強度及表觀方面表現(xiàn)最佳，故本次試驗確定這一配比不變。另外，由早期研究可知，摻入少量的陶瓷廢料—拋光磚廢渣（拋光粉），會對制品強度有所影響，但影響不大，本試驗為提高廢料的綜合利用率，故添加了少量的拋光磚粉。

本試驗還引入了少量硼砂作為輔助熔劑，所使用的硼砂，其熔點為741℃，遠低于鉀長石開始熔融溫度。添加少量硼酸鹽作為陶瓷坯體中的助熔劑，使鉀長石與硼砂復合作為多元熔劑，可降低坯體的最低共熔溫度點，使坯體出現(xiàn)液相的溫度大大降低。較早出現(xiàn)的液相在其表面張力的作用下把坯體中共存的晶相顆粒膠結(jié)在一起，促使SiO2和Al2O3的進一步擴散，有利于莫來石晶體的生成及線性生長，提高坯體的機械強度。隨著溫度進一步上升，液相量將不斷產(chǎn)生增多，充分填充坯體孔隙，排除氣孔，促進坯體的致密度。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 單摻粉煤灰對制品強度的影響

大量研究表明，粉煤灰對粘土制品焙燒性能有很大影響，這主要取決于粉煤灰的摻量多少，粉煤灰的顆粒尺寸及粘土制品的燒成溫度。隨著粉煤灰摻量的增加，F(xiàn)e2O3、CaO含量增大，坯體中形成含F(xiàn)e2O3、CaO的玻璃相，高溫粘度隨溫度的升高而迅速降低，此時易產(chǎn)生變形［3］。另一方面，粉煤灰是經(jīng)高溫燒制而成的多組分混合物，從其化學成分析比較，它與傳統(tǒng)的弱塑性粘土很相近，但從其礦物組成來看，由于粉煤灰含有大量的玻璃相，致使粉煤灰陶瓷坯體在高溫下因玻璃相熔融而產(chǎn)生大量熔體而造成坯體收縮大、易變形，且坯體強度低；同時，粉煤灰中碳及其它鹽類的氧化分解速度慢，并伴有大量氣體產(chǎn)生，致使坯體升溫速度緩慢，否則坯體易開裂并伴有黑心，同時坯體在高溫下的莫來石化反應也使坯體在燒成中的升溫速度不宜過快，由此產(chǎn)生的坯體燒成周期延長［4］。

刑偉宏對粉煤灰的高溫燒結(jié)性能進行了研究［5］，結(jié)果見圖2。從他的研究中可以發(fā)現(xiàn)，1000℃以前，樣品基本沒有外觀體積的變化；1050℃，樣品明顯收縮；1250℃，樣品收縮到最小體積，表明樣品內(nèi)部大部分氣體已經(jīng)排出，密實度增大；1270℃開始膨脹，1308℃膨脹到最大值，隨后樣品逐漸軟化。

圖2 粉煤灰隨溫度變化的收縮曲線

鑒于粉煤灰的這種特性，因此，本試驗確定粉煤灰摻量在15%以下，采用內(nèi)摻法，在摻入粉煤灰的同時確保原料其他組分的比例不變。試驗配比見表3。從表3中可以看出，白泥∶紅泥∶幼砂∶石粉＝1.7∶1.3∶1∶1。燒結(jié)溫度1200℃，保溫時間1h，升溫速率15℃/min。

表3 粉煤灰摻量對強度與吸水率的影響

從表3可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，制品強度呈現(xiàn)先下降后增加，隨之又下降的過程。當粉煤灰摻量在10%時，制品強度最高，相比未摻粉煤灰的試樣強度增幅達34.6%?？梢?，粉煤灰有一最佳摻量，在本試驗中，其最佳摻量值在10%。另外，從表3可以看出，隨粉煤灰摻量增加，制品的吸水率明顯下降。這說明適量粉煤灰的摻入提高了制品的致密度，使得制品氣孔率下降，制品吸水率也隨之明顯降低。可見，適量粉煤灰的摻入在1200℃高溫下起到了一定的熔劑作用，粉煤灰所含的玻璃相熔融，產(chǎn)生的液相有利于坯體粉末顆粒的流動傳質(zhì)，從而促進制品燒結(jié)致密化，使得制品強度增加，吸水率下降。

3.2 復摻粉煤灰及其他熔劑對制品強度的影響

在單摻粉煤灰的基礎上，摻入不少于20%的陶瓷廢磚粒，外摻少量拋光磚粉及輔助以少量硼砂作為復合熔劑組分。在本次試驗中，將粉煤灰、硼砂、拋光磚粉作為變化的三個因素，選取不同的摻量，采用三因素三水平的正交試驗表頭來設計本次試驗。具體配比組成見表4，其因素及水平分布見表5，正交試驗極差分析見表6。

表4 正交試驗中各配比組成（質(zhì)量%）

表5 正交試驗中的影響因素及其水平分布

表6 正交試驗結(jié)果的極差分析

從表4的試驗結(jié)果看，編號8的這組配比強度最高，效果最佳，對比空白樣而言強度提高幅度達35%。試驗說明，在粉煤灰、硼砂、拋光粉的三者作用下，當其摻量分別為6%、0.8%、5%時，即為A2B3C2組合配比時，對強度提高作用最明顯。根據(jù)表6的極差分析，選取三因素各自最大值所對應的水平，即為組合的最佳配比。從表6可以看出，當因素A列當中，選擇第2個水平值，也即K2時，所對應的結(jié)果最大為66.0。同理，在因素B列中，K3所對應的值最大；而在因素C列當中K2所對應的結(jié)果最大。故由極差分析得到的結(jié)果是：A2B3C2組合配比為最佳。根據(jù)直觀的試驗結(jié)果和極差分析所得到的最佳配比一致，可確定本次試驗的最優(yōu)選組合即為A2B3C2。另外，通過極差分析表中的R值可知，三因素對試驗結(jié)果的影響顯著程度依次為B＞C＞A。根據(jù)三者R值均較大，而相互之間相差并不大，足見這三個因素對試驗結(jié)果的影響程度均較大，改變其中任何一個因素的水平，都將導致試驗結(jié)果的極大變化。

由以上分析可知，B因素即硼砂摻量的大小對試驗結(jié)果的影響顯著程度最大，其摻量的略微改變都將引起制品強度的極大變化。這主要體現(xiàn)了硼砂作為輔助熔劑組分所起到的巨大作用。試驗結(jié)果表明，硼砂與鉀長石多元熔劑的組合可降低坯體的最低共熔溫度點，使坯體出現(xiàn)液相的溫度大大降低，促使SiO2和Al2O3的進一步擴散，有利于莫來石晶體的生成及線性生長，提高坯體的機械強度。同時，硼砂與硅酸鹽熔體高溫反應，易形成均勻一致的低粘度玻璃相。這大大改善了液相對固相的潤濕能力，提高了固相在液相中的溶解度及擴散速度，促進溶解－沉淀傳質(zhì)過程而引起坯體迅速致密化，從而提高燒成速度和燒后產(chǎn)品的性能。

本試驗中粉煤灰玻璃相含量大，其大量液相的產(chǎn)生，可充分填充坯體孔隙，排除氣孔，這也進一步促進了坯體的致密度。另外，本試驗中的拋光磚粉顆粒粒徑小，比表面積值高達515m2/kg，其平均中位粒徑為7.47um。在高溫及適當液相量的作用下，坯體中拋光粉的細小顆粒具有比大顆粒更大的溶解度，拋光粉的細小顆粒將會優(yōu)先溶解，并通過液相擴散在大顆粒表面沉淀析出。這也會使粒界不斷推移，空隙被填充，從而達到致密化的目的。

4 結(jié)論

1）隨著粉煤灰摻量的增加，制品強度呈現(xiàn)先下降后上升再下降的變化趨勢，制品吸水率隨粉煤灰摻量的增加而下降。粉煤灰在坯體中最佳摻量為10%，可提高制品強度達34.6%。

2）在保持陶瓷其他原料比例不變的情況下，摻入占原料總重的粉煤灰6%、硼砂0.8%、拋光磚粉5%、廢磚粒22.3%，可提高制品強度達35%，廢料利用率高達30%以上。

3）適量粉煤灰的摻入在1200℃高溫下起到了一定的熔劑作用，粉煤灰所含的玻璃相熔融，產(chǎn)生的液相有利于坯體粉末顆粒的流動傳質(zhì)，從而促進制品燒結(jié)致密化，使得制品強度增加，吸水率下降。

4）硼砂作為輔助熔劑與鉀長石組合，可降低坯體的最低共熔溫度點，促進液相的產(chǎn)生及莫來石晶體的生成，有利于提高坯體的機械強度。拋光磚粉因其顆粒細小有利于坯體燒結(jié)致密化。

1 劉雪吟，姜斌，黃朝暉，等.以粉煤灰和赤泥為原料燒結(jié)陶瓷工藝與性能研究.硅酸鹽通報，2010（2）：188～192

2 徐研.用粉煤灰生產(chǎn)陶瓷制品粉煤灰綜合利用.粉煤灰綜合利用，2005（5）：27～28

3 王志芹.粉煤灰在陶瓷制品上的應用.河北理工學院學報，2003（8）：108～110

4 陳冀渝.輕質(zhì)多空粉煤灰陶瓷的研制.全國性建材科技期刊——陶瓷，2006（1）：38～39

5 刑偉宏.粉煤灰陶瓷墻地磚黑芯及鼓泡形成原因分析.全國性建材科技期刊——陶瓷，1999（1）：40～41

TQ177.3＋9

A

1002－2872（2011）08－0028－03

王功勛（1979－ ），講師，博士；主要從事新型建筑材料的研究。Email：gongxunwang@yahoo.com.cn