燒結法制備粉煤灰微晶泡沫玻璃

蔣曉曙朱凱華陸 雷張藝齡

（1.常州工學院土木工程學院，常州市建設工程結構與材料性能研究重點實驗室，江蘇常州 213002；2.南京工業大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210009；3.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，江蘇無錫 214100）

燒結法制備粉煤灰微晶泡沫玻璃

蔣曉曙1朱凱華2陸 雷2張藝齡3

（1.常州工學院土木工程學院，常州市建設工程結構與材料性能研究重點實驗室，江蘇常州 213002；2.南京工業大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210009；3.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，江蘇無錫 214100）

利用粉煤灰通過燒結法制備了微晶泡沫玻璃。研究表明，選用碳酸鈣作為發泡劑，最佳用量為5%。通過正交實驗確定了最佳熱處理條件：發泡溫度1025℃、升溫速率14℃/min、發泡時間30min。通過XRD和SEM研究了微晶泡沫玻璃的析出晶相和顯微結構。主晶相為鈣長石CaAl2Si2O8，次晶相為普通輝石Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6。所制得微晶泡沫玻璃綜合性能優于泡沫玻璃和粘土磚。

微晶泡沫玻璃；制備；性能

0 引言

近年來，我國電力工業的迅速發展，帶來了粉煤灰排放量的急劇增加，給我國國民經濟建設及生態環境造成巨大的壓力。治理粉煤灰變廢為寶、變害為利，已成為我國經濟建設中一項重要的技術經濟政策，充分合理利用粉煤灰，既能保護環境又能增加材料附加值。國內外利用粉煤灰制備微晶玻璃的研究很多，但是制備微晶泡沫玻璃的研究報道卻很少。國外Enrich Bernardo等人[1～3]以碳酸鈣為發泡劑和晶核劑，利用廢舊陰極射線管玻璃在低溫下制備了微晶泡沫玻璃。國內南京大學的陳克榮等人[4]以廢玻璃、粉煤灰和非金屬礦制備了微晶泡沫玻璃。

本文以粉煤灰為主要原料，采用燒結法制備出了性能良好的微晶泡沫玻璃，既變廢為寶又治理了環境，對粉煤灰的綜合開發利用具有重要的意義。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗用的粉煤灰來自江蘇南華電廠(化學組成見表1)，從該粉煤灰的XRD（圖1）分析表明其主要成分為硅鋁酸鹽，其中SiO2主要以石英形式存在，Al2O3主要以莫來石的形式存在。其余均為化學試劑。

1.2 基礎玻璃的制備

首先參照CaO-Al2O3-SiO2系統相圖（如圖2），由圖2可以看出，2號低共熔點的相分布情況如表2所示，從表中可以看出Al2O3與SiO2總量為76.7%，粉煤灰利用率較高，且符合玻璃形成體的需求量，即使成分調整后所需要的熔制溫度高出低共熔點300～400℃，爐溫也完全可以達到。因此把基礎玻璃的配方選擇在鈣長相區2號低共熔點附近。

表1 粉煤灰化學組成（w t%）Tab.1 Chemical composition of coal fly-ash(wt%)

表2 C a O-A l2O3-S i O2相圖2號低共熔點相分布及其組成Tab.2 Phase distribution and composition at the 2nd eutectic point of the CAS phase diagram

表3 基礎玻璃的化學組成（w t%）Tab.3 Chemical composition of the base glass(wt%)

然后將粉煤灰與其它化學原料按質量百分比配料后，用混料機均勻混合16～18h，再將配合料裝入鉑金坩堝中于1500℃熔融60min。將熔融的玻璃倒入冷水中淬冷，制備出基礎玻璃(化學組成見表3)，最后將基礎玻璃球磨過200目篩備用。

1.3 微晶泡沫玻璃的制備

1.3.1 發泡劑的選擇

表4 L 9(33)正交試驗因素與水平Tab.4 Factors and levels of the L9(33)orthogonal experiments

表5 正交實驗結果Tab.5 Results of the orthogonal experiments

本實驗分別選用碳粉、二氧化錳、碳酸鈣作為發泡劑，進行對比研究，由于配合料的軟化溫度高，碳粉氧化溫度在400℃左右，在選擇碳粉作為發泡劑時，形成的氣孔大、分布不均勻（如圖3）；二氧化錳作為發泡劑時，產生的氣孔小且分布不均勻（如圖4）；以碳酸鈣作為發泡劑時，由于碳酸鈣分解溫度與配合料軟化溫度相近，在達到軟化溫度之前其已經部分分解，因此反應強度適中，宜形成分布均勻且孔徑適中的氣孔（如圖5），實驗結果表明，碳酸鈣的最佳用量為5%。

表6 微晶泡沫玻璃的化學組成（w t%）Tab.6 Chemical composition of the foam glass-ceramic（wt%）

1.3.2 熱處理制度的確定

微晶泡沫玻璃熱處理制度主要包括發泡溫度、發泡時間及升溫速率，它們之間存在一個最佳組合，因此，根據碳酸鈣與基礎玻璃粉混合料的差熱曲線（如圖6）安排三水平三因子的正交實驗，確定微晶泡沫玻璃的最佳熱處理制度。由圖6可以看出基礎玻璃軟化溫度在895℃附近，994℃左右產生強烈的吸熱反應，表明碳酸鈣開始分解吸收大量熱量。由于碳酸鈣分解產生的氧化鈣與配合料中的氧化鋁、氧化硅等再次反應產生新的晶相，對應1056℃左右產生強烈的吸熱峰。由圖可以大致確定出配合料的發泡溫度在1000℃～1050℃；再根據前人的研究[6]，設計了表4的正交實驗，實驗結果見表5。

從正交實驗結果可以得到，發泡溫度對微晶泡沫玻璃性能的影響最大，升溫速率其次，發泡時間影響最小。以體積密度為指標最佳的熱處理制度為1025℃、14℃/min、30min。所制得的微晶泡沫玻璃化學組成見表6。

2 實驗結果

2.1 微晶泡沫玻璃的物相分析

對所制得的微晶泡沫玻璃樣品進行物相分析，從圖7可以看出微晶泡沫玻璃主晶相為鈣長石（CaAl2Si2O8），次晶相為普通輝石（Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6），衍射峰分布彼此獨立且形成很窄的“尖峰”，說明鈣長石和普通輝石的晶體顆粒尺寸較大且晶粒完整[7]，試樣強度高。

表7 微晶泡沫玻璃的性能指標Tab.7 The capability of foam glass-ceramic

2.2 微晶泡沫玻璃的結構分析

將微晶泡沫玻璃試樣表面經拋光處理后，用1%濃度的氫氟酸腐蝕30s，用日本島津公司SSX-550掃描電子顯微鏡對其進行分析。圖8是該微晶泡沫玻璃的宏觀形貌，可以看到試樣中均勻分布著大量氣孔。圖9是微觀形貌，微晶泡沫玻璃內部析出大量粒狀晶體，也更好地說明了析出的主晶相為鈣長石。

2.3 微晶泡沫玻璃的性能指標

對制得的微晶泡沫玻璃進行性能測試，并與其他建筑材料進行比較，結果如表7[8,9]。從表7可以看出利用粉煤灰所制得的微晶泡沫玻璃滿足質輕強度高的優點，其性能指標完全可以滿足輕質承重墻體材料的要求。

3 結論

（1）以粉煤灰為主要原料可以制備出性能優良的微晶泡沫玻璃，增加了粉煤灰利用的附加值。

（2）在本實驗條件下，碳酸鈣作為發泡劑，最佳用量為5%，最佳的熱處理條件為發泡溫度1025℃、升溫速率14℃/min、發泡時間30min，其中發泡溫度對微晶泡沫玻璃的密度影響最大，升溫速率其次，發泡時間最小。

（3）制備的微晶泡沫玻璃密度為 1.02g·cm-3，導熱系數為0.54W/（m·k），抗彎強度為16.3MPa，主晶相為鈣長石CaAl2Si2O8，次晶相為普通輝石Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6。

1 BERNARDO E,SCARINCI G.Foam glass as a way of recycling glasses from cathode ray tubes.Glass Sci.Technol.,2005,78(1):7～11

2 GUTMANN R.Thermal technologies to convert solid waste residuals into technical glass products.Glastech Ber.Glass Sci.Technol.,1996,69(9):285～299

3 HREGLICH S,FALCONE R.The recycling of end of life panel glass from TV sets in glass fibers and ceramic productions//Dhir R K,Limbachiya M C,Dyer T D,et al.Recycling and Reuse of Glass Cullet:Proc.International Symposium,Dundee(UK),2001.London:Thomas Telford,2001:123～134

4 陳克榮,曾家湖,陳小明.微晶泡沫玻璃墻體材料及其制法.中國專利:02137953.X.

5 張銳,許紅亮,王海龍等.玻璃工藝學.北京:化學工業出版社,2008

6 馮宗玉,薛向欣,李勇等.以油頁巖渣為原料制備微晶泡沫玻璃.過程工程學報,2008,8(2):378～383

7 楊南如.無機非金屬材料測試方法.湖北:武漢理工大學出版社,1990

8 陳克榮,吳義軍.泡沫玻璃與微晶泡沫玻璃.南京大學學報，2000，36(1):360～362

9 謝建忠.利用粉煤灰制備泡沫玻璃.礦產保護與利用,1999(3):53～54

Preparation of Foam Glass-Ceramic from Fly Ash by Sintering Process

JIANG Xiaoshu1ZHU Kaihua2LU Lei2ZHANG Yiling3
(1.College of Civil Engineering and Construction,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002;2.School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing Jiangsu 210009;3.Wuxi Branch of Jiangsu Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection,Wuxi Jiangsu 214100)

Foam glass-ceramic is prepared through sintering method from fly ash.The results show that the most appropriate foaming agent is carbonate and the optimum content is 5%.The most optimal conditions of heat treatment are determined by orthogonal experiment.The most optimal foaming temperature,heating rate and holding time are 1025°C,14°C/min and 30min,respectively.The microstructure and crystallization phase of the foam glass-ceramic are studied by means of XRD and SEM.The primary crystallization phase is anorthite and the sub-phase is augite.The performances of the prepared foam glass-ceramic are better than foam glass and clay brick.

foam glass-ceramic;preparation;performance

on Mar. 28, 2012

T Q 1 7 1.7 3

A

1000-2278（2012）03-0324-06

2012-03-38

朱凱華，E-mail:zhkhzhkh@163.com

ZHU Kaihua, E-mail: zhkhzhkh@163.com