陶瓷拋磨廢料免燒磚的制備與強(qiáng)度研究＊

諶 俊 楊福偉 朱方才 陳志川 鄭彩華

（1 廣東清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 清遠(yuǎn) 511510）（2 廣東家美陶瓷有限公司 廣東 清遠(yuǎn) 511510）

近十幾年來，我國陶瓷工業(yè)得到了迅猛發(fā)展，建筑陶瓷產(chǎn)量位居世界總產(chǎn)量第一位。據(jù)中國建筑衛(wèi)生陶瓷協(xié)會發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2012年瓷磚產(chǎn)量已達(dá)92多億m2，而其中拋光磚產(chǎn)量占全國瓷磚總產(chǎn)量的35.99%，已達(dá)33億m2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)每平方米拋光磚將產(chǎn)生1.5kg拋磨廢料，磨頭損失約0.6kg，即每平方米拋光磚將產(chǎn)生2.1kg左右的廢料［1］，則全國每年將產(chǎn)生690萬t拋磨廢料。大部分陶瓷企業(yè)主要采取填埋方式處理廢料，不但占用了大量土地，同時(shí)對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。

目前，國內(nèi)學(xué)者對陶瓷拋磨廢料的回收利用做了大量的研究，如廣東宏陶陶瓷有限公司通過技術(shù)研發(fā)，研制成功摻入18%的陶瓷拋光廢渣等作為原料用于生產(chǎn)陶瓷釉面磚［1］，但廢料摻入量比例太低，消耗廢料的量有限。

華南理工大學(xué)的稅安澤等［2］以拋磨廢料為主要原料，通過燒結(jié)研制出輕質(zhì)多空建筑材料；佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院的周松青等［3］在拋磨廢料中加入潔具粒子后經(jīng)攪拌、陳腐、壓制成形、燒成，制備出多孔透水磚［4］。但通過燒結(jié)工藝對陶瓷廢料加以利用，無疑又會增加了能源的消耗和生產(chǎn)成本。國內(nèi)利用粉煤灰制備免燒磚的研究［5～6］報(bào)道較多，而使用陶瓷拋磨廢料制備免燒磚的研究報(bào)道極少。采用拋磨廢料替代價(jià)格日益上漲的粉煤灰制備免燒磚，具有廢料使用量大、經(jīng)濟(jì)前景廣闊，同時(shí)節(jié)約土地和減少環(huán)境污染等優(yōu)勢。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用原材料

陶瓷廢料：選用廣東家美陶瓷有限公司的陶瓷拋磨廢料，表觀密度為2.48g／cm3，堆積密度為0.85g／cm3，細(xì)度為80μm篩余3.5%，其化學(xué)成分見表1。

表1 陶瓷拋磨廢料化學(xué)成分（質(zhì)量%）Tab.1 The chemical analysis results of waste ceramic polishing grinding

水泥：采用海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥，實(shí)測28 d抗壓強(qiáng)度為44.2MPa。

砂：河砂，過9.5mm方孔篩，除去大顆粒，細(xì)度模數(shù)為2.78，表觀密度為2.64g／cm3，堆積密度為1.42 g／cm3。

石粉：清遠(yuǎn)采石場廢料，道路所用石粉。激發(fā)劑：硫酸鈉和石灰混合自制而成。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用FN101－2A烘箱除去陶瓷拋磨廢料中水分；每次稱重7塊試樣質(zhì)量，裝入JJ－5型膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行混料，攪拌3min；將攪拌均勻的物料裝填入自制的試驗(yàn)磚模具，模具尺寸為50mm×50mm×30mm；在Y32型油壓機(jī)上壓制成形；脫模后放入SHBY－40B型養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28d，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±1）℃，養(yǎng)護(hù)濕度大于80%；用100kN微機(jī)萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)測定磚的抗壓強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)成分配比設(shè)計(jì)

免燒磚原料成分配比如表2所示，其中未加入激發(fā)劑的編號為A，加入激發(fā)劑的編號為B，每組成分制備7塊試樣用于檢測抗壓強(qiáng)度。由于陶瓷拋磨廢料顆粒粒徑小，比表面積大，吸水能力強(qiáng)，隨著陶瓷廢料含量提高，拌合水用量也逐漸提高。試驗(yàn)用硫酸鈉和石灰的配比為1∶1。

表2 免燒磚試驗(yàn)原料成分配比Tab.2 Test components of baking－free brick

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 廢料、石粉和砂的配比對免燒磚強(qiáng)度的影響

圖1為廢料、石粉和砂配比的免燒磚強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從試驗(yàn)結(jié)果可知，在免燒磚中加入拋磨廢料會降低抗壓強(qiáng)度，陶瓷廢料加入量越多強(qiáng)度降低越大。在無激發(fā)劑的情況下，陶瓷廢料在免燒磚中主要起填料作用，因廢料粒徑細(xì)小，比表面積大，所以對起膠凝作用的水泥需求量大。水泥用量固定時(shí)，陶瓷廢料表面水泥量少，粘結(jié)作用力弱，導(dǎo)致磚坯強(qiáng)度下降。在加入陶瓷廢料的成分配比中，A3配方強(qiáng)度最大，原因在于河砂為細(xì)骨料，拋磨廢料為超細(xì)填料，河砂與拋磨廢料的級配搭配合理，壓制成形的試塊孔隙率低，試塊強(qiáng)度相對較高。石粉的加入對強(qiáng)度影響不大，其原因在于：石粉粗顆粒較多，壓制成形的磚孔隙率大，強(qiáng)度較低，但在加入石粉的配方中，試塊表面粗糙，容易掛漿，磚與磚之間的粘結(jié)強(qiáng)度增大，便于后續(xù)建筑施工。

圖1 廢料、石粉和砂的配比對免燒磚強(qiáng)度的影響Fig.1 Effects of waste powder and sand ratio on the strength of the brick

2.2 激發(fā)劑對免燒磚強(qiáng)度的影響

由圖2可知，加入自制外加激發(fā)劑，可提高磚坯強(qiáng)度2～3倍。陶瓷拋磨廢料與粉煤灰都經(jīng)歷過高溫產(chǎn)生，兩者都具有較好的活性，陶瓷拋磨廢料主要含有大量活性二氧化硅和氧化鋁成分［7］。激發(fā)劑的加入充分激發(fā)了拋磨廢料的活性，使廢料在試塊中發(fā)揮了水硬性，提高了試塊強(qiáng)度。具體原因?yàn)椋寒?dāng)硫酸鈉與石灰混合作為激發(fā)劑時(shí)，石灰與水反應(yīng)生成Ca（OH）2。Ca（OH）2與Al2O3進(jìn)行反應(yīng)又生成水化鋁酸鈣（ASH），與SiO2生成水化硅酸鈣（CSH）。這些水化產(chǎn)物可顯著提高試塊強(qiáng)度。同時(shí)硫酸鈉與Ca2＋以及Al2O3在水溶液中易生成鈣礬石（AFt）：

生成的AFt體積膨脹，可填充水化空間的孔隙，提高試塊密實(shí)度，進(jìn)而使得試塊的強(qiáng)度有所增加。

圖2 激發(fā)劑對免燒磚強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of activators on the strength of the brick

2.3 成本分析

對照《砌墻磚試驗(yàn)方法》GB／T 2542－2003，本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中制備的免燒磚截面積為砌墻磚標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試塊截面積的1／4左右，試樣尺寸越小，試驗(yàn)檢測出的強(qiáng)度數(shù)值越大。｀基于強(qiáng)度數(shù)據(jù)需安全可靠的原則，本實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度折合成標(biāo)準(zhǔn)磚的換算系數(shù)的數(shù)值選取0.5，則只有B3和B4編號的試樣強(qiáng)度合格。目前市場上銷售的原材料的價(jià)格見表3。

表3 原材料成本（元／t）Tab.3 Cost of raw material

以廣東清遠(yuǎn)蓮塘磚廠的免燒磚配方為基準(zhǔn)，水泥∶砂∶石粉＝1∶4.5∶4.5，水灰比為1∶1。按照每塊砌墻磚重2.6kg估算，則每塊磚的原料成本如圖3所示。通過使用陶瓷拋磨廢料輔以外加激發(fā)劑替代部分石粉和砂，在強(qiáng)度符合要求的同時(shí)，可明顯降低磚的成本，采用B3配方可降低成本12.0%，采用B4配方可降低成本26.8%。簽于考慮后續(xù)的施工性能、磚與磚的粘結(jié)強(qiáng)度以及生產(chǎn)成本，B4配方強(qiáng)度雖低于B3配方強(qiáng)度，但用B4配方燒制的產(chǎn)品表面粗糙，掛漿能力強(qiáng)，更具競爭優(yōu)勢，所以優(yōu)選B4作為免燒砌墻磚生產(chǎn)配方。

圖3 免燒磚的原料成本示意圖Fig.3 Cost of each brick raw material

3 結(jié)論

1）在無激發(fā)劑激發(fā)條件下，陶瓷拋磨廢料粒徑小，水泥用量大，降低了免燒磚抗壓強(qiáng)度。

2）通過加入混制的無機(jī)激發(fā)劑，與陶瓷拋磨廢料中活性Al2O3和SiO2生成水化產(chǎn)物，可使免燒磚強(qiáng)度提高2～3倍。

3）在免燒磚的配方中，以陶瓷拋磨廢料替代部分石粉和砂，既減少了環(huán)境污染，又大幅降低了磚的原料成本，最大成本降低率可達(dá)到26.8%。

1 鄭彩華，諶俊，朱方才，等.拋光磚拋磨廢料的綜合利用［J］.中國陶瓷工業(yè)，2012，19（2）：34～36

2 稅安澤，夏海斌，曾令可，等.利用拋光磚廢料制備多孔保溫建筑材料［J］.硅酸鹽通報(bào)，2008，27（1）：191～195

3 周松青，林偉，肖漢寧，等.利用破損陶瓷和陶瓷廢料制造陶瓷透水磚［J］.佛山陶瓷，2007，8：7～10

4 喬術(shù)，王欣丹，王艷，等.拋光磚拋光廢料的回收利用途徑分析［J］.中國陶瓷，2011，47（1）：25～28

5 何惠，王超會，劉劍虹，等.粉煤灰免燒磚的制備及性能研究［J］.環(huán)境保護(hù)，2009，2：53～55

6 陳恩清，王枝勝.粉煤灰燒結(jié)磚制作工藝研究［J］.混凝土與水泥制品，2007（3）：60～61

7 蘇達(dá)根，王功勛，鐘小敏.陶瓷拋光磚粉的組成及火山灰性能研究［J］.水泥技術(shù)，2008（4）：22～24