粉煤灰質泡沫陶瓷的研制

陳 芳

（杭州民生陶瓷有限公司，杭州311200）

0 引言

粉煤灰作為電廠煙氣中收集的微細煙灰，堆置或填埋的粉煤灰其有害組分容易浸出而污染土壤、地下水，并導致水質硬度增加，不但破壞土壤和水體的生態平衡，威脅人類健康的同時也浪費了大量的水資源。所以，如何開發既環保又能大批量利用粉煤灰的新技術，是擺在人類面前的一大難題。粉煤灰具有很強的火山灰活性，用粉煤灰及工業廢棄物生產新型墻體材料既可節約土地、利用工業廢渣，又能得到質量優良的墻體材料，因此，粉煤灰在新型墻體材料的應用上具有非常廣闊的應用前景。

本文對粉煤灰發泡燒制新型塊體墻體材料進行了試驗研究，研究了發泡劑的種類及用量、硼酸的用量、燒結制度等因素對泡沫陶瓷氣孔率、機械強度、體積密度等的影響。然后選擇合適的發泡劑，設計合適的原料配方，優化制備工藝，制得具有一定氣孔率，并滿足相應力學性能的塊體狀粉煤灰墻體材料。

1 研究內容

1.1 粉煤灰含量對泡沫陶瓷性能的影響

根據各原料的比例及多孔材料配方的范圍的化學組成，設定如下制度及配方。燒成制度：以6℃/min升溫到600℃再由4℃/min到最高溫度1 025℃，保溫40 min。其它因素不改變，改變粉煤灰和玻璃粉的含量，設計實驗方案見表1。備注：①百分含量均以主要原料總量為基數。②經球磨機磨細的廢玻璃和粉煤灰的細度均為100目。

粉煤灰（%）玻璃粉（%）硼酸（%）發泡劑（%）A1 30 70 3 1.5 A2 40 60 3 1.5 A3 50 50 3 1.5 A4 60 40 3 1.5

1.2 發泡劑種類對泡沫陶瓷性能的影響

其它因素不變，僅改變發泡劑的種類，發泡劑選用了硫酸鎂、硫酸鈉、碳酸鈉，添加量均為1.5%。

1.3 發泡溫度對泡沫陶瓷性能的影響

配方不變，添加劑不變，燒成制度：先以6℃/min升溫到600℃再由4℃/min到發泡溫度，保溫30 min，4℃/min到最高溫1 025℃，保溫40 min，改變發泡溫度為800℃、850℃、900℃。

1.4 燒成溫度對泡沫陶瓷性能的影響

其它因素不變，僅改變燒成溫度，改變了燒成溫度為1 000℃、1 025℃、1 050℃、1 075℃。

1.5 硫酸鈉含量對泡沫陶瓷性能的影響

其它因素不變，僅改變硫酸鈉的含量，改變了硫酸鈉含量為1.5%、2%、2.5%、3%。

1.6 正交實驗

通過探索性實驗，可以初步得出這些參數對材料性能的大致影響程度，但各種因素實際上是相互聯系的，各種參數之間的關聯性和相互影響機制究竟如何，必須通過系統全面的考察，才能獲得具有實用價值的工藝方案，基于影響因素多，變化范圍寬，僅靠簡單的單因素實驗不能有效全面地解決問題，因此有必要選擇科學實驗方法—正交實驗，找出主要的影響因素，獲得最優方案，正交實驗配方見表2。

表2 正交實驗配方

2 結果與分析

2.1 粉煤灰含量對泡沫陶瓷性能的影響

粉煤灰用量對墻體材料試塊抗壓強度、抗折強度、體積密度及吸水率的影響曲線，見圖1、2、3。

圖1 粉煤灰含量對抗壓強度的影響

圖2 粉煤灰含量對體積密度的影響

圖3 粉煤灰含量對吸水率的影響

從圖1、2、3可以看出，隨粉煤灰用量的增大、玻璃粉減少，材料的抗壓強度、抗折強度均增大，材料的體積密度增大。原因為玻璃粉的作用是提高材料中的玻璃相、降低材料的燒結溫度，玻璃相由于它的粘性流動，使它能在粉煤灰顆粒之間的空隙流動，形成以玻璃粉為氣孔壁的許多氣孔。所以玻璃粉越多，泡沫材料的發泡效果就越佳，材料的體積密度就會降低，材料的強度也會相應變小；相反，玻璃粉越少，泡沫材料的發泡效果就越差，材料的密度就會增大，材料的強度也會相應增大。

2.2 發泡劑種類對泡沫陶瓷性能的影響

由表3可知，產生閉口、均勻氣孔的發泡劑有：碳酸鎂、硫酸鈉，其中選用硫酸鈉的產品氣孔更均勻，所以選用硫酸鈉作為發泡劑。

表3 發泡劑探索實驗結果

2.3 發泡溫度對泡沫陶瓷性能的影響

由圖4、5可得，發泡溫度越高，則抗折強度越高，氣孔率越低。硫酸鈉的分解溫度為884℃，在884℃前保溫一段時間，可以讓材料受熱均勻，然后再緩慢發泡到反應完全。而在900℃保溫時，已經發生了反應，跑掉了部分氣泡，故氣孔率下降，抗壓強度增加。而硼酸的加入降低了硫酸鈉的分解溫度，使發泡溫度降低了50℃左右。

圖4 發泡溫度對抗壓強度的影響

圖5 發泡溫度對氣孔率的影響

為了更清楚地觀察樣品的內部組織形式，對實驗樣品進行剖面，見圖6。從圖6可以看出，在800℃保溫的制品產生了大氣孔，發泡不均勻，故出現氣孔率較大，抗折強度較小；在900℃保溫的制品較致密。故選用發泡保溫溫度為850℃。

圖6 樣品形貌圖

2.4 燒結溫度對泡沫陶瓷性能的影響

圖7 燒結溫度對制品抗壓強度的影響

從圖7可知，隨著燒結溫度的提高，制品的機械強度有上升的趨勢，并在1 050℃開始達到飽和。在保證制品具有一定機械強度的情況下，減少能量消耗，而又對制品機械強度影響不大時，選用燒結溫度為1 050℃是合理的。

2.5 發泡劑含量對泡沫陶瓷性能的影響

由圖8可知，當硫酸鈉的用量為2.5%時，氣孔率最好。

圖8 硫酸鈉用量對氣孔率的影響

3 結論

（1）以粉煤灰、玻璃粉和瓷粉為主要原料，添加一定量的發泡劑，試制燒結輕質的泡沫陶瓷磚是可行的。

（2）粉煤灰的最大摻加量是47.5%，玻璃粉的最大摻加量是42.5%，瓷粉的最大摻加量是10%，達到了本實驗的目的。

（3）用硼酸和硫酸鈉作為泡沫陶瓷的發泡劑性能最好。硼酸的摻量是5%，硫酸鈉的摻量是2.5%，1 050℃溫度下保溫40 min，可得到吸水率是0.2%，體積密度是0.645 g/cm3，氣孔率71.5%，抗壓強度是8.01 Mpa的性能優良的粉煤灰質泡沫陶瓷。

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