金國庭 張智鵬 江彬軒 李智鴻 鐘保民
摘 要: 建筑陶瓷在高速發(fā)展過程中一直面臨著高能耗、高污染、高排放、低科技含量等核心問題。在環(huán)保問題日益嚴(yán)峻的今天,如何有效解決此類行業(yè)痛點(diǎn)成為建筑陶瓷行業(yè)發(fā)展的首要問題。預(yù)應(yīng)力技術(shù)因其具有成本低廉、工藝簡單、穩(wěn)定性高、時(shí)效性長等特點(diǎn)受到研究人員的廣泛關(guān)注。本文簡要總結(jié)了預(yù)應(yīng)力建筑陶瓷的增強(qiáng)機(jī)理及增強(qiáng)方法,簡述了預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展歷程及相應(yīng)研究成果。現(xiàn)階段結(jié)論表明:預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)建筑陶瓷技術(shù)可以有效解決建筑陶瓷行業(yè)所面臨的核心問題,該技術(shù)的發(fā)展可為建筑陶瓷的革新提供新思路。
關(guān)鍵詞:預(yù)應(yīng)力技術(shù);建筑陶瓷;發(fā)展趨勢
1 引 言
我國建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展始于改革開放,隨著改革開放的不斷加強(qiáng)和深化,我國建筑陶瓷行業(yè)的發(fā)展速率呈現(xiàn)快速上升趨勢,直至1993年,我國建筑陶瓷產(chǎn)量登頂世界第一,至此以后,我國建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)的體量、規(guī)模、產(chǎn)值始終保持在世界前列,并呈穩(wěn)步上升趨勢[1]。2004年,我國建筑陶瓷磚年產(chǎn)量突破40億平方米大關(guān),相關(guān)企業(yè)數(shù)量突破4500家,至2017年,我國建筑陶瓷磚產(chǎn)量達(dá)到了114.5億平方米,行業(yè)銷售總額達(dá)到5155億元[2]。至2019年底我國建筑陶瓷行業(yè)營收3079.91億元,同比增長2.89 %[3]。建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展如此迅速主要是依托強(qiáng)大的消費(fèi)市場、廉價(jià)的勞動(dòng)力、國家政策的扶持和較低的技術(shù)門檻,其帶來的效益顯而易見,但隨著近幾年國內(nèi)和國際市場的不斷優(yōu)化,城市相關(guān)配套政策的逐步完善,我國建筑陶瓷行業(yè)高速發(fā)展所帶來的弊端日益凸顯。
因陶瓷制品在制備過程中的特殊性,企業(yè)在生產(chǎn)過程中必定要面對(duì)高能耗、高污染、產(chǎn)品不可降解、低科技含量等諸多問題。能耗方面,陶瓷企業(yè)每年對(duì)于能源的消耗量巨大,每年均消耗原材料28億噸和煤碳4870萬噸[14];環(huán)保方面,我國陶瓷行業(yè)早期燃料以煤炭為主,后逐漸開始使用重油,再到后來的煤氣,最后是現(xiàn)今的天然氣??杀砻麟S著陶瓷行業(yè)的逐漸發(fā)展,生產(chǎn)過程中使用的能源也逐漸清潔化,但其帶來的污染仍不可小覷。另外,企業(yè)每年都會(huì)花費(fèi)一定的資源對(duì)產(chǎn)生的污染進(jìn)行清潔處理化,達(dá)到國家所規(guī)定的可排放標(biāo)準(zhǔn),這同時(shí)也是增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本;因此,如何減少污染和能耗是當(dāng)下每個(gè)企業(yè)所研究的重點(diǎn)方向,再加上陶瓷企業(yè)對(duì)礦物原料與日俱增的需求,導(dǎo)致礦產(chǎn)業(yè)中尾礦渣的處理問題也成為當(dāng)下的一個(gè)熱點(diǎn)問題。
眾所周知,陶瓷材料屬于脆性材料,當(dāng)陶瓷受到較大的沖擊時(shí),晶格很難發(fā)生滑移,彈性形變和塑性形變也很難發(fā)生,因此在受到較大載荷的時(shí)候,陶瓷產(chǎn)品很容易發(fā)生斷裂。因此如何提升陶瓷斷裂強(qiáng)度也成為了許多學(xué)者的研究方向。
2陶瓷增強(qiáng)技術(shù)
Griffith斷裂理論[4]是由Griffith在1921年提出,該理論表明陶瓷材料存在許多的微裂紋及缺陷,當(dāng)受到外力時(shí),這些裂紋及缺陷附近會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,當(dāng)應(yīng)力到達(dá)一定程度時(shí),裂紋擴(kuò)展從而導(dǎo)致材料斷裂,因此斷裂不是晶體沿整個(gè)晶面滑移,而是由于裂紋擴(kuò)展的結(jié)果,計(jì)算公式如式(1):
式中,為斷裂強(qiáng)度,E為彈性模量(非結(jié)構(gòu)敏感參數(shù)),為斷裂表面能(與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān),單相材料微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其影響較小,唯一可控的是材料中的微裂紋),c為缺陷尺寸,為泊松比(晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況下,泊松比為常數(shù))。從上式可知,陶瓷材料的斷裂強(qiáng)度受彈性模量、斷裂表面能及缺陷尺寸三個(gè)參數(shù)影響,目前,大多數(shù)學(xué)者都是通過控制陶瓷微裂紋的尺寸和數(shù)量來提高其強(qiáng)度。根據(jù)Griffith從能量的角度分析裂紋擴(kuò)展的條件:當(dāng)材料內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的下降大于等于開裂形成兩個(gè)新表面所需的表面能,裂紋會(huì)發(fā)生擴(kuò)展,反之,若前者小于后者,則裂紋不會(huì)擴(kuò)展,即物體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能的降低(或釋放)就是裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力。目前,提高陶瓷材料強(qiáng)度的辦法主要有:
(1)增強(qiáng)致密度,如:采用熱壓工藝制備Si3N4陶瓷[5],其密度接近理論值,材料幾乎沒有氣孔。
(2)晶粒細(xì)化增強(qiáng):根據(jù)Hall-Petch關(guān)系[7]可知:在多晶材料中,晶界相對(duì)于晶粒內(nèi)部而言自由能較高,在外力的作用下,為了使相鄰晶粒產(chǎn)生剪切變形,晶界處必須有足夠大的應(yīng)力集中,而細(xì)化晶??梢援a(chǎn)生更多的晶界,因此,當(dāng)晶界的結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變時(shí),則需要施加更大的外力才能使陶瓷內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生位錯(cuò),從而使材料強(qiáng)化。但這種方法成本較高,且受制于材料本身的性能。
(3)增強(qiáng)相增強(qiáng):增強(qiáng)相可以通過原位合成法[8]或直接引入法[9]形成。在建筑陶瓷中,原位合成法的應(yīng)用比較常見,其原理是在陶瓷內(nèi)部形成更多的莫來石晶相,從而達(dá)到提高材料的強(qiáng)度的目的;另外一種則是直接引入具有高強(qiáng)度的第二相如莫來石晶須[10]或ZrO2[11]顆粒,雖然該方法能在一定程度上提高其強(qiáng)度,但提升的幅度有限,另外考慮到成本高、燒成溫度難以控制等限制因素,很難使這種方法得到大規(guī)模的應(yīng)用。
雖然上述三種方法都能使材料增強(qiáng),但各有其局限性。因此,在專家的致力研究下,預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的原理是指在加工或者制備成品過程中,通過物理或化學(xué)方法在結(jié)構(gòu)上預(yù)加壓應(yīng)力,施加的壓應(yīng)力能使結(jié)構(gòu)在使用過程中抵消部分乃至全部的拉應(yīng)力載荷,避免構(gòu)件結(jié)構(gòu)被破壞,以達(dá)到改善結(jié)構(gòu)服役表現(xiàn)的目的,提高構(gòu)件的時(shí)效性、穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度、抗熱震性、斷裂韌性等性能[14]。該技術(shù)有著成本低、工藝簡單、穩(wěn)定性高、時(shí)效性長等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于水泥、玻璃和陶瓷等行業(yè)。近年,預(yù)應(yīng)力技術(shù)也在嘗試性應(yīng)用于建筑陶瓷行業(yè),用以提高建筑陶瓷磚的強(qiáng)度、可加工性、斷裂韌性等性能指標(biāo)。同時(shí),隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)在建筑陶瓷磚上的應(yīng)用,也為瓷磚的薄型化和輕量化提供了切實(shí)可行的研究思路[12],該技術(shù)可以有效的降低建筑陶瓷產(chǎn)品燒成過程中的能源消耗,減少建筑陶瓷磚制備過程中礦物原料的使用,提高了瓷磚產(chǎn)品的技術(shù)含量和產(chǎn)品附加值,從源頭上解決了建筑陶瓷行業(yè)高能耗、高污染的生產(chǎn)格局,為建筑陶瓷未來發(fā)展趨勢奠定了基礎(chǔ)。
3預(yù)應(yīng)力陶瓷增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀
預(yù)應(yīng)力混凝土概念的首次提出是源自1866年美國工程師Jackson,但其首次實(shí)際應(yīng)用是建立在法國工程師Freyssinet的研究基礎(chǔ)上的[16],F(xiàn)reyssinet對(duì)混凝土和鋼材性能的研究中設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),研究結(jié)果表明:
采用高強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)度鋼材可以減少混凝土的收縮和徐變[17]。此后,越來越多的研究人員開始對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)展開了系統(tǒng)的研究,逐步發(fā)現(xiàn),預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)不僅可以改善混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和抗裂性,還可以提高混凝土構(gòu)件的承載力,節(jié)約了混凝土和鋼材的使用量,在建筑行業(yè)的應(yīng)用中,真正做到了提高房屋跨度的同時(shí),降低了房屋本身的自重[18]的目的。
預(yù)應(yīng)力技術(shù)的另一成熟應(yīng)用是在玻璃行業(yè)。1874年,法國人De la Basti首次制備出物理鋼化玻璃,其制備過程是將普通玻璃加熱至軟化點(diǎn),使其在冷卻介質(zhì)下快速冷卻[19],在此過程中,玻璃表面率先冷卻,此時(shí)表面冷卻的玻璃已經(jīng)凝固,具有極小的收縮速率以及較強(qiáng)的剛性,而玻璃內(nèi)部由于熱傳導(dǎo)的遲滯性仍處于熔融狀態(tài),繼續(xù)冷卻會(huì)造成玻璃表面產(chǎn)生壓縮的殘余應(yīng)力[20]。此種方法制備出的鋼化玻璃具有安全性高,熱穩(wěn)定性好,機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)[20-21]。
由于建筑陶瓷磚本身也是以玻璃相為主的無機(jī)非金屬材料,其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與玻璃相仿,故科學(xué)家們在研究預(yù)應(yīng)力技術(shù)的同時(shí),也在嘗試將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于建筑陶瓷磚中,旨在提高陶瓷磚的機(jī)械強(qiáng)度、抗熱震性、斷裂韌性等基本性能的同時(shí),降低建筑陶瓷產(chǎn)業(yè)的能耗、污染、成本等生產(chǎn)指標(biāo)。研究人員通過調(diào)節(jié)坯體和釉層的熱膨脹系數(shù)、Si/Al比等參數(shù),利用建筑陶瓷材料的坯體和釉層在冷卻收縮過程中收縮率的不同,賦予釉層一定強(qiáng)度的壓應(yīng)力。據(jù)報(bào)道,Insley[13]等人將氧化鋁陶瓷進(jìn)行二次高溫加熱至熔融狀態(tài)下并進(jìn)行快速冷卻,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明強(qiáng)度提高了30%;增加建筑陶瓷磚預(yù)應(yīng)力的例子。另外,談翔[14]等通過離子交換法引入預(yù)壓應(yīng)力層,其原理是在一定的溫度條件下,利用半徑大的堿金屬離子去置換半徑小的堿金屬離子,破壞材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),當(dāng)材料冷卻時(shí),半徑大的離子會(huì)受到附近半徑小離子的擠壓從而產(chǎn)生釘扎效應(yīng),為材料表面提供預(yù)應(yīng)力層(這幾個(gè)例子說的是 玻璃的化學(xué)鋼化,考慮合理與否)。該方法是一種新型增強(qiáng)法,很多學(xué)者也采用這種方法來達(dá)到提高材料強(qiáng)度的目的,潘國翔[15]等以KNO3作為離子交換源,置換坯體中的Na+,其離子交換后的抗折強(qiáng)度較之前提升至45%??偟膩碚f,預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)建筑陶瓷技術(shù)的原理與鋼化玻璃的制備原理相類似,但目前預(yù)應(yīng)力建筑陶瓷的起步較晚,其研究還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,距離大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)還存在一定距離。
4結(jié)論與展望
綜上所述,雖然現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)提高建筑陶瓷磚強(qiáng)度的方法很多,但大多具有其應(yīng)用化的局限性,如通過配方的調(diào)整來提高強(qiáng)度,爐內(nèi)的燒成溫度難以控制;而通過改進(jìn)燒結(jié)工藝、細(xì)化晶粒等方式來提高強(qiáng)度則工序復(fù)雜,成本較高,且提升幅度有限,難以應(yīng)用化。相比較之下,預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)技術(shù)工藝簡單、成本低廉且提升幅度較大,而且目前預(yù)應(yīng)力大部分都是應(yīng)用在水泥、玻璃方面,在建筑陶瓷方面研究甚少。因此,將該技術(shù)應(yīng)用到建筑陶瓷磚領(lǐng)域前景廣泛。
建筑陶瓷作為三高(高耗能、高污染、高排放)行業(yè),不僅在資源和能源上耗費(fèi)巨大,且對(duì)自然環(huán)境也有著一定的危害,這并不符合我國生態(tài)的發(fā)展理念。因此,制備薄型化、減量化和生態(tài)化陶瓷磚已迫在眉睫,該類陶瓷磚不僅在一定程度上降低能源消耗,而且可以減少有害氣體的排放,降低運(yùn)輸成本,提高產(chǎn)品的性價(jià)比,這也是未來建筑陶瓷行業(yè)發(fā)展前景的大熱門[22]。加之現(xiàn)今陶瓷行業(yè)內(nèi)掀起了一股“巖板風(fēng)”,讓諸多企業(yè)都置身于巖板生產(chǎn)當(dāng)中。但巖板產(chǎn)品因其尺寸、工藝等問題,在制備過程中存在諸多技術(shù)難點(diǎn)。由于巖板是在高壓力和高溫下加工而成,所以巖板內(nèi)存在的很多不均勻的殘余應(yīng)力,在外加力的作用下,很容易導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力釋放,造成巖板突然開裂或爆裂,而且不易運(yùn)輸[23]。針對(duì)巖板這一問題,許多研究學(xué)者嘗試過各種方法,例如嚴(yán)格控制爐內(nèi)的燒成溫度,改進(jìn)配方等,但此類方法無法高效、快捷的解決巖板制備過程中殘余應(yīng)力較大且分布不均的情況。而隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的產(chǎn)生,可以將其應(yīng)用到巖板上,在巖板表面形成預(yù)應(yīng)力層的過程中,巖板內(nèi)部的殘余應(yīng)力與拉應(yīng)力實(shí)現(xiàn)相互抵消,使內(nèi)部應(yīng)力得到均化,有效地解決了巖板的加工易開裂的問題,大大的提高了巖板的強(qiáng)度,也能實(shí)現(xiàn)巖板的薄型和輕量化,減少建筑陶瓷磚生產(chǎn)中高能耗,高污染問題,降低礦物原料使用量,降低生產(chǎn)成本,提高企業(yè)環(huán)保能力。
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