硅灰石在陶瓷磚的應用以及對瓷質磚坯體物理性能的影響研究

張國濤 楊景琪 吉永發 文圓 黃辛辰 李光偉

摘 要：本文對硅灰石在陶瓷磚坯體中的應用和作用機理進行了簡單總結概述，并在瓷質磚坯體配方中引入硅灰石，對硅灰石在瓷質坯體中的影響做了基礎性能研究。通過添加不同比例硅灰石，引入瓷質釉面磚坯體片配方觀察燒結后的抗折強度、吸水率等性能的變化。研究發現添加量為7%，抗折強度最高;添加量為9%，吸水率最低;選取2種比例添加量探究燒成溫度的變化，發現燒成溫度1080℃，保溫15 min，抗折強度和吸水率表現最優異，與無硅灰石瓷質坯體對比，燒成溫度降低80 ～ 100℃。

關鍵詞：硅灰石;瓷質磚 ;物理性能;影響

1 前言

我國對硅灰石的開發應用始于70年代中期，是偏硅酸鈣礦物，化學式CaO·SiO2，晶體結構式CaOSiO3。硅灰石的晶體結構為一種較特殊的單鏈構造，由硅氧四面體和硅氧孤立四面體沿 2 軸交替連接而成。 硅灰石理論組成為CaO 48.25%，SiO2 51.75%。天然硅灰石主要含CaO、SiO2，此外還含有鐵、鋁、鎂、錳以及堿金屬鉀、鈉等，一般情況下SiO2的含量在43 ～ 52%之間，CaO含量在42 ～ 48%之間。硅灰石礦通常存在不純石灰巖和酸性巖漿巖的接觸變質巖中， 火成巖的富鈣片巖中也能生成硅灰石， 由石英與方解石反應而成， 具有與層狀硅酸鹽相類似的結構，天然硅灰石與透輝石、石榴石、方解石和石英燈礦物共生。

硅灰石有三種同質多象變體：低溫形態的β-硅灰石、副硅灰石和高溫形態的α硅灰石。其具有良好的熱膨脹特性，膨脹系數較小。將硅灰石引入陶瓷磚坯體配方，在900℃之前基本無化學反應發生，可以大大降低坯料的熱膨脹系數，利于快速燒成工藝的要求。硅灰石質陶瓷較傳統的長石-石英-粘土系統陶瓷燒成溫度低80 ～ 120℃，原因在于硅灰石坯體生成鈣長石固相反應溫度在1000 ～ 1050℃，坯體中引入含鈣的硅灰石，降低了體系的低共熔點。硅灰石質坯體中的硅灰石晶體交叉呈網狀排列，周圍由鈣長石和石英加固，可提高產品的機械強度，且產品玻璃相少，堿土金屬氧化物較多， 因而濕膨脹較小。 硅灰石質坯體中， 粘土含量比傳統坯體低，石英含量也少，從而在升溫或冷卻過程中吸附水排出、干燥收縮和石英晶形的轉變所引起的體積變化就小，使硅灰石質坯體能適應快速預熱和冷卻過程，從而縮短燒成周期[1-2]。

2 硅灰石在陶瓷磚的應用

2.1 硅灰石在陶瓷坯體中的應用

硅灰石與高嶺石在1000℃附近生成鈣長石，在1080℃與滑石生成透輝石[3]。將硅灰石引入坯體中可提高產品的抗龜裂性，但是在硅灰石坯料體系中若燒成溫度過低，會形成鈣黃長石（2CaO·Al2O3·SiO2），鈣黃長石易水化生成2CaO·Al2O3·SiO2·8H2O而膨脹對抗龜裂性也不利[4]。在傳統的坯料體系為硅酸鋁系統中加硅灰石后變成硅酸鋁鈣系統， 該系統中的固相反應產物主要是鈣長石和方石英，且鈣長石呈針狀，在坯體中形成交織網狀結構，可以有效提高瓷坯機械強度。再者，固相反應產物所含的石英或方石英量少，生成鈣長石所造成的燒成收縮小于高嶺石生成莫來石反應所造成的收縮， 有利于控制收縮[5-6]。

劉建華對硅灰石在瓷質磚工藝性能進行了研究，試驗結果表明硅灰石的加入能明顯促進坯體的燒結，降低坯體的吸水率。硅灰石的加入促進坯體的燒成收縮呈現出先減小后增加的趨勢，而抗折強度呈現先增大后減小的曲線分布。當添加的硅灰石用量過高，造成坯體結構呈過燒狀態，從而坯體結構反而不致密，反而降低抗折強度[7]。另外，針狀硅灰石也可以用于大規格瓷質磚的生產，在大規格瓷質磚中引入針狀硅灰石，可增加坯體強度及韌性，分析如下：由于硅灰石本身干燥后收縮小，在坯體中針狀硅灰石晶體交叉排列，形成網狀，其周圍有鈣長石和石英加固，不僅增加坯體強度，而且在干燥和燒成開始階段，坯料中的水份能快速排出。再者，灰石原料中的堿金屬氧化物含量很小，在薄型磚中能降低坯體的吸濕膨脹，提高薄磚熱穩定性。硅灰石的燒成收縮也比較小[8-9]。

2.2 硅灰石在陶瓷釉料中的應用

用于釉料中的硅灰石要求純度高，粒度小。 硅灰石應用于釉料中可以減少或消除釉面針孔、提高釉面耐磨性、提高釉層透明度和光澤度，利用硅灰石還可以生產鈣質無光釉。

在釉料中添加一定量的硅灰石，還可以降低鈣釉的吸煙現象。硅灰石還可以應用于半導體釉中，改善釉的工藝性能。硅灰石在釉料配方中的加入量一般在 5 ～ 12%，多則易產生析晶或無光釉[10]。

在釉中采用硅灰石代替部分方解石和石英，能改善產品釉面質量，在燒成時不易吸咽，能熔融充分，釉面平滑，無針孔，無光效果好，色白而不艷，色澤柔和淡雅，內外墻釉面磚裝飾效果均好[11-13]。

2.3 硅灰石在陶瓷磚坯體中的作用機理

在瓷質坯體配方中加入少量硅灰石，能實現低溫快燒，與傳統陶瓷生產中采用以硅鋁為主要體系的原料相比，坯體抗折強度明顯提高，燒成線收縮顯著減小。

李曉琴、孫傳敏等人對硅灰石質瓷質坯體燒成過程中物相變化進行了系統研究，研究采用的坯體化學成分如下：Al2O3：17.57，SiO2：63.07%，K2O：3.26，Na2O：1.34，Fe2O3：0.19%，CaO：5.48%，MgO：3.43%，燒失量4.41，其研究表明整個低溫快燒分3個階段：（1）1000℃以下，主要表現為高嶺土、長石和雜質方解石分解與晶體結構破壞;（2）1000 ～ 1130℃，表現為鈣長石、透輝石大量生成，坯體逐漸燒結;（3）1150 ～ 1170℃表現為已有礦物溶解，玻璃相增大，液相填充空隙，孔隙率降低，此時坯體燒結完成。硅灰石質瓷質坯體中板柱狀鈣長石、透輝石物相，保證了素坯的抗壓抗折強度高，燒成線收縮小，燒成后坯體呈光澤較好的米色[14-15]。

由加入適量硅灰石所組成的坯料系統，經高溫燒成后會產生自釋釉現象。基于以上理論支撐，在此基礎上做一些實際生產工藝研究[16-17]。

3 硅灰石對瓷質磚坯體物理性能的影響

3.1 實驗方案

采用正常大生產使用瓷質釉面磚坯體配方（表1）作為基礎，通過添加不同比例硅灰石，以及不同燒成制度，對燒后樣品做抗折強度、吸水率性能測試，從而分析硅灰石對瓷質釉面磚坯體性能的影響。本次試驗采用的部分原料化學分析，如表2所示。

通過對瓷質釉面磚化學組成和原料成分分析，調出適合工業化大生產的瓷質坯體配方如下：四會石粉：7，衡陽鉀鈉砂：11，藤縣石粉：20，新城混合泥：3.5，中溫砂：11，廣西砂：7，水洗泥：5，高白混合泥：4.5，高鋁泥：7，煙臺鉀鈉砂：18，滑石：3，膨潤土：3，標記該粉料為K方。

K方在粉料制備過程中需要控制粉料的細度在0.8 ～ 1.2%之間，粉料水分6.5 ～ 7.0%之間，其它工藝參數跟大生產粉料工藝參數相同。

3.2 實驗結果與分析

（1）以K方為基礎，分別外加0%、1%、3%、5%、7%、9%、11%、15%的硅灰石到K方，球磨制粉打餅，按照既定瓷質釉面磚生產線燒成制度（圖1）進窯燒成，分別檢測燒成后成品的抗折強度、吸水率、收縮、燒失數據并制作曲線變化圖，觀察強度、吸水率變化走勢。

在瓷質釉面磚坯體配方中引入硅灰石作為熔劑對瓷質釉面磚坯體性能有較大影響：引入1%的硅灰石后，產品吸水率明顯降低，隨著添加量的增加總體變化較小，均低于0.6%;添加不同量的硅灰石，產品燒失量在1.25 ～ 1.40%之間波動，總體影響不大。在產品收縮方面，添加量為1%左右時，收縮減小，但隨著硅灰石量的增加呈明顯加大趨勢;抗折強度在硅灰石添加量為5 ～ 9%時，達到最高值，但隨著加入量的增加出現波動，總體強度上升。

根據數據變化，作出如下分析：將硅灰石引入瓷質釉面磚坯體配方，可以有效降低燒成溫度，隨著加入量的增加燒成溫度不變，玻璃相增大，液相填充空隙，孔隙率降低，產品致密度增加可使吸水率降低;在坯體中引入硅灰石，硅灰石晶體交叉呈網狀排列，周圍由鈣長石和石英加固，可提高產品的機械強度，從而導致抗折強度增加，但隨著添加量增加燒成溫度走變低，坯體結構呈過燒狀態，從而坯體結構反而不致密，抗折強度出現波動，呈走低趨勢;另外，當硅灰石添加量在1 ～ 3%范圍內，配方體系中固相反應為鈣長石和方石英，固相反應產物所含的石英或方石英量少，生成鈣長石所造成的燒成收縮小，但硅灰石加入量增大后，坯體過燒也會導致收縮急劇增加。

（2）分別選取加入量為5%和9%硅灰石的方案，制粉打餅且在不同燒成溫度下試燒，觀察吸水率、抗折強度變化（圖3）。

通過實驗（1）的結果，選取硅灰石添加量為5%和9%的2個方案探討在瓷質釉面磚坯體中引入硅灰石后燒成溫度的變化：兩種不同比例硅灰石添加量，在不同燒成條件下，抗折強度和吸水率走勢近似相同，添加量為5%硅灰石坯體在燒成溫度為1080 ～ 1100℃時，吸水率和抗折強度較為優異，但隨著燒成溫度的提高，產品過燒強度呈下降趨勢;添加量為9%硅灰石的坯體，不同溫度下的吸水率均低于5%硅灰石添加量坯體，但抗折強度下降急劇。

根據數據變化分析如下：加入5 ～ 9%硅灰石，對于坯體燒成溫度降低明顯，燒成溫度在1120℃以上均出現過燒情況，從而導致在吸水率波動不大的情況下，抗折強度急劇走低。燒成溫度在1080 ～ 1100℃之間，吸水率和抗折強度處于合理區間，其性能同正常生產瓷質釉面磚坯體抗折強度、吸水率接近（燒成溫度1200℃）。由此，可以推測加入5 ～ 9%硅灰石可以使坯體燒成溫度降低約100℃左右，但需要綜合考慮燒失、收縮、抗折強度、吸水率等綜合因素，坯體的高溫抗荷性也是需要考慮的重要因素。坯體的高溫抗荷性可以通過加入一定量的高鋁礦物來提升，如鋁礬土原礦、煅燒鋁礬土等[18]。

4 小結

將硅灰石引入瓷質釉面磚坯體配方，可以有效降低燒成溫度;合理的硅灰石添加量可以提升瓷質磚坯體物理性能，提升產品品質：硅灰石引入瓷質釉面磚坯體，燒成收縮先減少后增加，同樣抗折強度也是呈現增高后降低的拋物線趨勢。另外，過多添加硅灰石，可能會影響坯體與窯爐的適應性，燒成范圍變窄不利于實際生產，且過量硅灰石容易導致過燒而出現坯體結構不致密的現象，抗折強度等性能會受到較大影響。因此，在實際生產中要多方面考慮。

參考文獻

[1] 卓克祥. 陶瓷工業的幾種低溫陶瓷原料[J]. 中國陶瓷， 1996（4）：41-45.

[2] 余祖球，梁愛蓮.低溫陶瓷原料硅灰石的特性[J].佛山陶瓷.2002，12（10）：17-20.

[3] 李曉琴等. 硅灰石質瓷質坯體焙燒過程物相變化研究[J].. 非金屬礦，1999（1）.

[4] 江顯異等. 抗龜裂性內墻磚的生產實踐. 佛山陶瓷，2002，12（2）：1-4.

[5] 劉潤宵. 硅灰石在地磚中的應用[J].佛山陶瓷，1998，8（3）：25-26.

[6] 戴長祿. 硅灰石、透輝石在陶瓷中的基本反應作用[J].. 地質科學，1990（4）：361-366.

[7] 劉建華.硅灰石對瓷質磚工藝性能影響的研究[J].陶瓷學報.2013.34（3）：353-359.

[8] 劉培功， 等.一次燒成大規格超薄瓷質磚的研制及市場應用[J]..全國性建材科技期刊―陶瓷， 2007（9）：35-41.

[9] 王曉蘭.針狀硅灰石在大規格薄型瓷質磚中的應用[J].陶瓷.2009（2）：35-38.

[10] 楊 明 .一次快燒炻 （瓷 ）質施釉墻地磚的研制 .陶瓷 ，1996， （ 4）： 12～ 16.

[11] 祝桂洪，周健兒編譯 . 陶瓷釉配制基礎 [M]. 北京： 中國輕工業出版社，1989，2.

[12] 錢錦，余炳鋒.硅灰石在陶瓷釉面磚中的應用試驗[J].中國陶瓷.2008，44（10）：50-52.

[13] 蔡克勤，張強.硅灰石在陶瓷工業中的應用[J].佛山陶瓷.2009，93（9）：11-13.

[14] 張師，等 .硅灰石原料及硅灰石釉面磚坯焙燒過程物相變化的 x射線研究[J].中國陶瓷，1995，61（2）：11-15.

[15] 李曉琴，孫傳敏.硅灰石質瓷質坯體焙燒過車物相變化研究[J].非金屬礦，1999，22（1）：12-13.

[16] 劉康時.陶瓷工藝原理[M].廣州：華南理工大學出版，1989.

[17] 繆松蘭.陶瓷工藝學[M]..北京：中國輕工業出版社，2010.

[18] 張國濤，柯善軍.鋁礬土在陶瓷生產中的應用[J].佛山陶瓷，2013，23（1）：24-29.