廢瓷粉回用瓷質磚的研究

李喜宏，趙威，王正旺，汪成東，黎友海，饒平根

（1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣州 510640；2.廣東天弼陶瓷有限公司，清遠 511533）

研究與探討

廢瓷粉回用瓷質磚的研究

李喜宏1，趙威1，王正旺2，汪成東2，黎友海2，饒平根1

（1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣州 510640；2.廣東天弼陶瓷有限公司，清遠 511533）

本文以廢瓷粉替代瓷質磚生產中的瘠性原料制備瓷質磚試樣，通過XRD、SEM、抗彎強度等測試手段，研究廢瓷粉的理化性能及廢瓷粉含量對瓷質磚試樣燒結性能的影響。實驗結果表明，隨著廢瓷粉含量的增加，在較低燒成溫度條件下試樣的吸水率逐漸增大，而較高燒成溫度時無明顯變化；燒成收縮率及抗彎強度逐漸增加，試樣抵抗高溫變形的能力逐步提高。

廢瓷；瓷質磚；資源綜合利用

1 引言

近年來，我國建筑陶瓷行業在迅猛發展的同時，產生了大量的固體廢料，不僅擠占土地，污染水源，破壞生態，同時還造成了陶瓷資源的極大浪費。建筑陶瓷次品及后續加工工序中產生的廢瓷是最常見的一種固體廢料，其產出量約為產品總量的3%左右，數量巨大。由于廢瓷硬度高，回收利用成本較高、工藝復雜，加之其對燒成后產品色澤有不良影響等原因，長久以來未能得到有效的利用。

利用廢瓷生產陶瓷產品，對解決廢瓷對環境的污染問題，實現資源的綜合利用，保護生態環境有著十分重要的意義[1]。陶瓷企業以往對廢瓷回收利用的途徑主要有以下幾方面：廢瓷粉代替礦物原料在水泥生產中的應用[2-3]，廢瓷粉在釉料中的應用[4-6]，廢瓷回收粉碎后在衛生潔具生產中的應用[7-8]等。廢瓷粉在上述領域中的應用不僅可改善產品某些性能，同時可達到了變廢為寶、保護生態的目的。然而，目前對廢瓷的回收利用仍存在很多不足之處，如：利用率低、所生產產品附加值較低等，沒有達到廢瓷資源綜合利用效益最大化的目的。

在瓷質磚生產中引入廢瓷不但可以拓寬廢瓷回收利用的途徑，達到廢料資源綜合利用的目的，同時可節約大量瓷質磚生產所用的優質礦物資源。目前關于瓷質磚中引入廢瓷的研究鮮見文獻報道。

本文擬采用廢瓷粉替代瓷質磚配方中部分瘠性原料制備瓷質磚試樣，研究廢瓷粉摻量對瓷質磚性能的影響，為瓷質磚生產中有效利用廢瓷提供基礎數據和應用參考。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

本實驗采用的原料由廣東天弼陶瓷有限公司提供，均為瓷質磚生產中常用的各種原料，上述原料粒度均小于40目。

實驗所用廢瓷粉由某建筑施工工地拋光磚廢瓷片經清洗、粉碎過40目篩后得到。

2.2 試驗表征方法

采用荷蘭Panlytical公司Xpert PRO型X射線衍射儀檢測廢瓷粉物相組成，用NETZSCH STA 449C型綜合熱分析儀測定廢瓷粉的DSC-TG曲線。德國ZEISS公司EVO18型掃描電子顯微鏡對廢瓷粉形貌進行觀察，按照國家標準(GB/T 3810.3-1999)要求中煮沸法測定試樣吸水率，采用美國Instron公司5567型萬能材料試驗機測定試樣的三點抗彎強度，用游標卡尺測定試樣燒成前后尺寸并計算試樣的燒成收縮率。

本實驗試樣高溫變形度測試方法如下：將試樣置于直角V形耐火磚支座上，經高溫煅燒，測試拱形高度d作為試樣高溫變形度的參考示意圖如圖1所示。

圖1 高溫變形度測試示意圖

2.3 廢瓷的主要理化性能

2.3.1 廢瓷成份分析

本實驗用廢瓷粉的化學組成如表1所示。

從表1可知，廢瓷粉化學成份及含量與普通瓷質磚成分相當，由于廢瓷屬于燒成后產物，其燒失量（I.L）很小。

圖2為廢瓷的XRD圖譜。從圖2可以看出，廢瓷粉的主要物相為莫來石相、石英相及玻璃相。此廢瓷粉的化學組成及礦物組成與普通瓷質磚坯體相近，引入一定量廢瓷粉不會對瓷質磚坯體組成造成不良影響。

2.3.2 廢瓷粉熱分析

圖3為廢瓷粉的DSC-TG曲線。

圖2 廢瓷粉的XRD圖譜

圖3 廢瓷粉的DSC-DTA曲線

從圖3中可以看出，廢瓷粉在加熱過程中無明顯熱峰出現，即無明顯理化反應發生，無揮發性物質生成。80℃附近較小吸熱峰可能與廢瓷粉吸附空氣中的水分的揮發有關。廢瓷粉加熱過程中質量損失很小，與化學成分分析結果一致。

2.3.3 廢瓷粉的顯微形貌

圖4為廢瓷粉形貌圖。

圖4 廢瓷粉的顯微形貌圖

由圖4可知，廢瓷粉為形狀不規則、多棱角的顆粒狀物質，表現為典型的瘠性料特性。

表1 廢瓷粉化學組成/%

2.4 不同廢瓷含量試樣的制備

在前期大量試驗的基礎上，擬采取以廢瓷粉代替瓷質磚配方中砂石原料的方式在坯料中引入廢瓷，廢瓷替代量為坯料總量的0～60 wt%（FC0，FC1，FC2，FC3，FC4，FC5，FC6分別代表配方添加0 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt%、40 wt%、50 wt%、60 wt%的廢瓷量），替代后各坯料化學組成如表2所示。

按配方稱取各原料，在行星式球磨機上進行球磨，料：球：水=1:1.2:0.48，料漿細度控制在250目篩篩余≤1.5%，料漿經干燥、成型等工序制備成尺寸約6.2 mm×5 mm×48 mm試樣后，分別在1150℃、1180℃、1210℃、1230℃燒成。

3 結果分析與討論

3.1 廢瓷粉對試樣吸水率的影響

試樣在不同溫度下燒成后的吸水率與廢瓷粉含量的關系曲線如圖5所示。

圖5 不同燒成溫度廢瓷含量對吸水率的影響

從圖5可以看出，在1150℃時的較低溫度下，吸水率隨著廢瓷粉含量的增加整體呈增大趨勢，這是由于廢瓷粉含量的增加使生坯密度降低，進而導致試樣在燒成過程中致密化程度逐漸降低，燒成后表面氣孔率依次升高所致。在1180℃以上較高溫度時，吸水率進一步降低，試樣完全燒結，此時表面氣孔率不受生坯密度影響，隨著廢瓷粉含量的增加，吸水率無明顯變化。當溫度達到1230℃時，試樣吸水率略微升高，這與試樣過燒導致表面氣孔率升高有關。

3.2 廢瓷粉對試樣燒成后抗彎強度的影響

研究在不同燒成溫度下，廢瓷含量對試樣強度的影響，測試結果如圖6所示。

圖6 不同溫度時廢瓷含量對強度的影響

表2 不同廢瓷含量坯料的化學組成/%

由圖6可以看出，不同燒成溫度下，試樣燒成后強度隨著廢瓷粉含量的增加整體呈增加趨勢。這是由于高溫下廢瓷與其所替代的砂石原料相比，玻璃相含量較低而晶體相含量高，因此隨著廢瓷粉含量增加，試樣內結晶相含量增多而玻璃相含量相對減少，燒成后試樣抗彎強度逐漸升高。1210℃燒成后試樣強度整體降低可能與試樣過燒產生氣孔及廢瓷顆粒內部晶粒局部長大有關。

3.3 廢瓷粉對試樣燒成收縮率的影響

結合廢瓷粉與試樣吸水率及強度關系曲線，研究了1180℃燒成試樣的收縮率與廢瓷粉含量的關系，試驗結果如圖7所示。

圖7 廢瓷含量對收縮率的影響

從圖7中可以看出，試樣收縮率隨廢瓷粉含量的增加而增加，這與生坯密度隨廢瓷粉含量增加而降低，進而導致試樣燒成致密化過程中收縮量增大有關。

3.4 廢瓷粉對試樣高溫變形度的影響

不同燒成溫度下廢瓷粉含量對試樣高溫變形度的影響如圖8所示。

圖8 不同燒成溫度廢瓷含量對試樣高溫變形度的影響

由圖8可知，隨著廢瓷粉含量的增加，試樣抵抗高溫變形能力增強（變形度降低），且在廢瓷粉含量較高范圍（≥30%）顯示出較強抵抗變形能力。這是因為，廢瓷粉與其所替代原料相比，初融溫度較高，無化學反應發生，晶體相含量高而玻璃相含量低，因此含廢瓷粉的試樣高溫粘度較高，且隨著廢瓷粉含量的增加而增加。此外，廢瓷經過高溫煅燒，揮發成分極少，坯體內摻入的廢瓷粉在燒成過程中自身變形量極小。因此試樣抵抗高溫變形的能力隨廢瓷粉含量的增加而增強。

4 結論

（1）通過燒成后試樣收縮率和吸水率分析得到不同廢瓷含量試樣的最佳燒成溫度為1180℃。

（2）對不同溫度燒成試樣的抗彎強度及抵抗高溫變形能力的研究結果表明：試樣抗彎強度及抵抗高溫變形能力均隨著廢瓷含量的增加而增加。當燒成溫度為1180℃時，廢瓷含量從0 wt%增加到60 wt%時，試樣的抗彎強度由66 MPa增加至79 MPa，變形度由9.9mm降為6.2 mm，且廢瓷含量≥30%時，試樣抵抗高溫變形能力提升較快。

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清遠市清城區產學研合作專項資金項目（項目編號2013B04）。