覃月寧 ，王芳 ，杜大明 ，宋杰光

固體工業(yè)廢渣的高附加值利用和建筑節(jié)能是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的兩大研究方向。一方面，工業(yè)廢渣開發(fā)研制高性價(jià)比的新型材料；另一方面，建筑物的節(jié)能問題已經(jīng)引起全會(huì)的廣泛關(guān)注，其中利用建筑材料進(jìn)行節(jié)能成為主攻方向。

隨著城市建設(shè)的推進(jìn)，新型墻體材料工業(yè)也得到迅猛發(fā)展，工業(yè)發(fā)達(dá)國家新型墻體材料已占整個(gè)墻體材料的60%～90%，新建住宅80%～100%采用高效保溫材料，目前，發(fā)達(dá)國家墻體材料的發(fā)展方向主要反映在耐久、節(jié)能和功能三大方面，并注重墻體材料生產(chǎn)資源的開發(fā)研究[1]。

針對墻體保溫材料性能低、節(jié)約粘土資源和疏通長江河道三大問題，本文以長江沿岸低品位石英砂為主要原料[3-4]，研究石英砂基多孔陶瓷的制備技術(shù)與材料密度、氣孔率、顯微結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，對石英質(zhì)多孔陶瓷的控制條件與性能關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究和探討，為制備高性能石英質(zhì)多孔陶瓷提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

石英砂：采自九江地區(qū)長江沿岸的低品位河砂，呈黃色，原礦的化學(xué)成分見表1。在自然曬干后，對原料進(jìn)行粗選，然后過50目篩網(wǎng)，去除河砂中尺寸較大的礦物顆粒，避免影響球磨。最后在QM-BP型行星式球磨機(jī)上球磨1 h后取出備用，球磨后顆粒平均粒徑為14 μm。

表1 石英砂的化學(xué)成分

1.2 試樣制備及性能測試

石英質(zhì)多孔陶瓷的原料配比見表2。

表2 石英質(zhì)多孔陶瓷原料的配比

將原料按表2進(jìn)行配料，添加適量水球磨2h獲得漿料備用；采用澆注成形法將漿料澆注到模具中，將裝有漿體的模具一并放入RHY202-3型烘箱，在40℃烘24h，成型Φ80mm×60 mm坯體，將坯體放入SMF1700-40型箱式爐中燒結(jié)。用TESC AN VEGAⅡ型掃描電鏡觀察燒結(jié)后試樣的顯微結(jié)構(gòu)，采用BSA224S-CW型密度分析電子天平測試其密度，并計(jì)算出氣孔率，采用WDW-E100D型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試其抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高嶺土用量對石英質(zhì)多孔陶瓷性能的影響

采用水料比1.4，燒結(jié)溫度1150℃，保溫1 h制備多孔材料，高嶺土用量對石英質(zhì)多孔陶瓷性能的影響見表3。

表3 高嶺土用量對石英質(zhì)多孔陶瓷性能的影響

從表3可以看出，材料氣孔率隨著高嶺土用量增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，抗壓強(qiáng)度則隨高嶺土用量增加變化較小，在高嶺土用量為31%時(shí)，氣孔率最大，為49.88%，此時(shí)多孔材料抗壓強(qiáng)度為5.01 MPa。高嶺土用量對石英質(zhì)多孔陶瓷微觀結(jié)構(gòu)及外觀形貌的影響分別見圖1、圖2。

圖1 高嶺土用量對石英質(zhì)多孔陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的影響

從圖1可見，高嶺土用量為31%的多孔材料燒結(jié)后氣孔數(shù)目比高嶺土含量為32%要多，且氣孔完整程度較好，原因是高嶺土為增塑劑，其用量對坯體組分間的粘合度有影響，增塑劑用量較大時(shí)，相對減少了骨架元素石英砂的用量，導(dǎo)致在燒結(jié)時(shí)由于熱應(yīng)力對骨架結(jié)合處的作用，孔隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠造成孔的不完整，從而使氣孔率較小。因此，當(dāng)高嶺土用量適中時(shí)，無論是在漿料發(fā)泡時(shí)，還是在成型和燒結(jié)過程，高嶺土作為石英砂材料中的增塑劑，都對多孔材料的孔形及數(shù)量起重要作用。

圖2 高嶺土用量對石英多孔材料外觀形貌的影響

從圖2可見，高嶺土用量為31%的燒結(jié)體表面平整、無裂紋、成型性好。而高嶺土用量為30%的燒結(jié)體表面不平整，燒結(jié)后中部有收縮現(xiàn)象，而且周邊有嚴(yán)重脫落、強(qiáng)度較低。原因在于高嶺土用量對坯體的成型性有很大影響，當(dāng)用量不足時(shí)，組分間的結(jié)合力較差，成型性較差，燒結(jié)前后極易出現(xiàn)坯體部分脫落，影響坯體的完整性和強(qiáng)度，而當(dāng)高嶺土用量過大（32%）時(shí)，燒結(jié)性能很好，形態(tài)完整無脫落現(xiàn)象，但有大氣泡存在，表面可以看出有明顯的燒結(jié)液相出現(xiàn)，而且有部分裂口。這說明高嶺土用量過大時(shí)，骨架支撐的石英砂用量相對就減少，容易從中間位置出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。此外，高嶺土礦在干燥過程中收縮性比石英砂要大得多，隨著高嶺土用量增大，坯體的收縮越嚴(yán)重[4-5]，引起成型性變差，成型性差導(dǎo)致坯體在干燥燒結(jié)后的強(qiáng)度不夠。只有當(dāng)高嶺土用量合適時(shí)，坯體的成型性較好，孔結(jié)構(gòu)也較好，孔的分布均勻，坯體的強(qiáng)度也較好。因此，綜合考慮材料各項(xiàng)性能，高嶺土用量以31%較為適宜。

2.2 水料比對石英質(zhì)多孔陶瓷性能的影響（見圖3、表4）

圖3 水料比對石英多孔材料坯體外觀形貌的影響

從圖3可見，水料比為1.3和1.4時(shí)，干燥后坯體成型較完整、無明顯脫落和開裂現(xiàn)象。而水料比為1.2和1.5的坯體脫模后成型效果不理想，水料比為1.2的坯體底部有部分脫落，水料比為1.5的坯體周邊有明顯凹槽。這是因?yàn)?，在機(jī)械混料過程中由于水料比不同，所得漿料稀稠度不同，發(fā)泡效率也不同，一般來說水料比越大，漿料越稀，氣泡就越多。但對于坯體來說，漿料的稀稠與氣泡的多少都應(yīng)該適當(dāng)。因?yàn)楫?dāng)水料比過小時(shí)，漿料就稠，物料不易混合均勻，氣泡也不易在漿料中存留，同時(shí)坯體成型也較困難，邊界不密實(shí)，如圖3（a）所示。而當(dāng)水料比過大時(shí)，發(fā)泡更加充分，但有很多大氣泡存在，成型時(shí)大氣泡很難清除，造成如圖3（d）所示，表面不平整，坯體強(qiáng)度較低。因?yàn)闈{料過稀，單位體積內(nèi)石英砂的含量減少，作為骨架原料的石英砂不足，必然導(dǎo)致坯體成型后強(qiáng)度不夠。所以當(dāng)水料比在1.3和1.4時(shí)，漿料各項(xiàng)性能都適中，成型性相對較好。

表4 水料比對石英質(zhì)多孔陶瓷性能的影響

從表4可見，當(dāng)原料中各組分的量一定時(shí)，隨著水料比增大，氣孔率先增大后減小。水料比不同的材料氣孔率就不同，主要影響機(jī)理是水量對發(fā)泡機(jī)理的影響。恒定的發(fā)泡劑量，水量充足時(shí)，發(fā)泡量也一定，當(dāng)水量超過某個(gè)特定值時(shí)，發(fā)泡完全，但水量過多，漿料稀化，黏度下降，氣泡成游離態(tài)，由氣泡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可知，氣泡擴(kuò)散到表面阻力減小，因此漿體內(nèi)的氣泡量相應(yīng)減少，從而氣孔率降低[6-7]。綜合成型性和氣孔率分析得到，水料比為1.4較為適宜。

2.3 燒結(jié)工藝對石英質(zhì)多孔陶瓷性能的影響（見圖 4、圖 5、表 5）

圖4 燒結(jié)溫度對石英多孔材料外觀形貌的影響

圖5 燒結(jié)溫度對石英質(zhì)多孔陶瓷微觀結(jié)構(gòu)的影響

從圖4可知，燒結(jié)溫度越高，坯體燒結(jié)越徹底。由于燒結(jié)過程中，會(huì)不斷有液相析出，產(chǎn)生玻璃相分子間結(jié)合強(qiáng)度提高，因此，保證燒結(jié)溫度可以提高坯體的強(qiáng)度，但同時(shí)也使坯體的密度增大，會(huì)出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象，從而出現(xiàn)燒結(jié)溫度升高，坯體氣孔率明顯下降（見表5）。因此，如果燒結(jié)溫度過低，坯體燒結(jié)不徹底，導(dǎo)致強(qiáng)度不高，達(dá)不到應(yīng)用性要求，不能滿足生產(chǎn)要求；而燒結(jié)溫度過高，由于玻璃相的出現(xiàn)，材料變得更加致密化，則會(huì)導(dǎo)致氣孔率下降[8-10]，達(dá)不到輕質(zhì)的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)燒結(jié)溫度為1150℃時(shí)，從燒結(jié)外形來看[見圖4（b）]，燒結(jié)體表面既不像圖4（a）試樣因燒結(jié)不完全、液相不足造成強(qiáng)度過低，也不會(huì)像圖4（c）試樣因燒結(jié)溫度過高，造成過燒現(xiàn)象，有較多玻璃相存在使得材料致密化，降低材料的氣孔率（見圖5）。

表5 燒結(jié)溫度對石英質(zhì)多孔陶瓷性能的影響

由表5可見，在1150℃燒結(jié)后材料具有較高氣孔率、適度的燒結(jié)強(qiáng)度，其內(nèi)部還具有穩(wěn)定性好的孔結(jié)構(gòu)。對于多孔材料而言決定其應(yīng)用性能的因素主要包括穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)、高的氣孔率以及材料本身力學(xué)強(qiáng)度。因此燒結(jié)溫度為1150℃時(shí)，坯體的各項(xiàng)性能都能較好地滿足生產(chǎn)要求，達(dá)到制備多孔材料的性能要求。

表6為保溫溫度為1150℃時(shí)，保溫時(shí)間對石英質(zhì)多孔陶瓷性能的影響。

表6 保溫時(shí)間與石英質(zhì)多孔陶瓷性能的關(guān)聯(lián)性

由表6可見，當(dāng)保溫溫度為1150℃時(shí)，在不同的保溫時(shí)間下，燒結(jié)后多孔材料的氣孔率和抗壓強(qiáng)度變化都不明顯。原因在于燒結(jié)溫度一定時(shí)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)溫度達(dá)到保溫溫度時(shí)，在設(shè)定的保溫時(shí)間內(nèi)，達(dá)到一定燒結(jié)程度后，由于溫度的限制，燒結(jié)完全后，多孔材料內(nèi)生成的玻璃相一定，而影響材料性能主要體現(xiàn)在于玻璃相生成的多少[11-12]，因此，結(jié)合低耗能和性能綜合考慮，保溫時(shí)間確定為1 h。

3 結(jié)論

（1）氣孔率隨著高嶺土用量增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，抗壓強(qiáng)度隨高嶺土用量增加變化較小，綜合考慮，高嶺土用量為31%較適合。

（2）水料比為1.3和1.4時(shí)，干燥后坯體成型性較為完整，坯體無明顯脫落和開裂現(xiàn)象；隨著水料比增大，氣孔率先增大后減小，抗壓強(qiáng)度先降低后升高。綜合考慮水料比為1.4較適宜。

（3）隨著燒結(jié)溫度升高，氣孔率降低，而抗壓強(qiáng)度提高，綜合考慮，燒結(jié)溫度為1150℃較合適。

（4）保溫時(shí)間對氣孔率影響不明顯，結(jié)合低耗能和性能綜合考慮，保溫時(shí)間確定為1 h。

（5）優(yōu)化石英質(zhì)多孔陶瓷的工藝條件：高嶺土用量為31%、水料比為1.4、燒結(jié)溫度為1150℃、保溫1 h，制備出外形完整的石英質(zhì)多孔陶瓷，其氣孔率為49.88%，抗壓強(qiáng)度為5.01 MPa。

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