硅灰石在陶瓷磚的應(yīng)用以及對瓷質(zhì)磚坯體物理性能的影響研究

張國濤 楊景琪 吉永發(fā) 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(yīng)用和作用機理進行了簡單總結(jié)概述，并在瓷質(zhì)磚坯體配方中引入硅灰石，對硅灰石在瓷質(zhì)坯體中的影響做了基礎(chǔ)性能研究。通過添加不同比例硅灰石，引入瓷質(zhì)釉面磚坯體片配方觀察燒結(jié)后的抗折強度、吸水率等性能的變化。研究發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)燒成溫度1080℃，保溫15 min，抗折強度和吸水率表現(xiàn)最優(yōu)異，與無硅灰石瓷質(zhì)坯體對比，燒成溫度降低80 ～ 100℃。

關(guān)鍵詞：硅灰石;瓷質(zhì)磚 ;物理性能;影響

1 前言

我國對硅灰石的開發(fā)應(yīng)用始于70年代中期，是偏硅酸鈣礦物，化學(xué)式CaO·SiO2，晶體結(jié)構(gòu)式CaOSiO3。硅灰石的晶體結(jié)構(gòu)為一種較特殊的單鏈構(gòu)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?guī)r和酸性巖漿巖的接觸變質(zhì)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(yīng)而成， 具有與層狀硅酸鹽相類似的結(jié)構(gòu)，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(zhì)多象變體：低溫形態(tài)的β-硅灰石、副硅灰石和高溫形態(tài)的α硅灰石。其具有良好的熱膨脹特性，膨脹系數(shù)較小。將硅灰石引入陶瓷磚坯體配方，在900℃之前基本無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，可以大大降低坯料的熱膨脹系數(shù)，利于快速燒成工藝的要求。硅灰石質(zhì)陶瓷較傳統(tǒng)的長石-石英-粘土系統(tǒng)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(yīng)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(zhì)坯體中的硅灰石晶體交叉呈網(wǎng)狀排列，周圍由鈣長石和石英加固，可提高產(chǎn)品的機械強度，且產(chǎn)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(zhì)坯體中， 粘土含量比傳統(tǒng)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(zhuǎn)變所引起的體積變化就小，使硅灰石質(zhì)坯體能適應(yīng)快速預(yù)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(yīng)用

2.1 硅灰石在陶瓷坯體中的應(yīng)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(chǎn)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(tǒng)的坯料體系為硅酸鋁系統(tǒng)中加硅灰石后變成硅酸鋁鈣系統(tǒng)， 該系統(tǒng)中的固相反應(yīng)產(chǎn)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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以有效提高瓷坯機械強度。再者，固相反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)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(zhì)磚工藝性能進行了研究，試驗結(jié)果表明硅灰石的加入能明顯促進坯體的燒結(jié)，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(xiàn)出先減小后增加的趨勢，而抗折強度呈現(xiàn)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(jié)構(gòu)呈過燒狀態(tài)，從而坯體結(jié)構(gòu)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(guī)格瓷質(zhì)磚的生產(chǎn)，在大規(guī)格瓷質(zhì)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(wǎng)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(wěn)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(yīng)用

用于釉料中的硅灰石要求純度高，粒度小。 硅灰石應(yīng)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(chǎn)鈣質(zhì)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(xiàn)象。硅灰石還可以應(yīng)用于半導(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)品釉面質(zhì)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(nèi)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(zhì)坯體配方中加入少量硅灰石，能實現(xiàn)低溫快燒，與傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)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(zhì)瓷質(zhì)坯體燒成過程中物相變化進行了系統(tǒng)研究，研究采用的坯體化學(xué)成分如下：Al2O3：17.57，SiO2：63.07%，K2O：3.26，Na2O：1.34，F(xiàn)e2O3：0.19%，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(xiàn)為高嶺土、長石和雜質(zhì)方解石分解與晶體結(jié)構(gòu)破壞;（2）1000 ～ 1130℃，表現(xiàn)為鈣長石、透輝石大量生成，坯體逐漸燒結(jié);（3）1150 ～ 1170℃表現(xiàn)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(jié)完成。硅灰石質(zhì)瓷質(zhì)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(tǒng)，經(jīng)高溫燒成后會產(chǎn)生自釋釉現(xiàn)象。基于以上理論支撐，在此基礎(chǔ)上做一些實際生產(chǎn)工藝研究[16-17]。

3 硅灰石對瓷質(zhì)磚坯體物理性能的影響

3.1 實驗方案

采用正常大生產(chǎn)使用瓷質(zhì)釉面磚坯體配方（表1）作為基礎(chǔ)，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(zhì)釉面磚坯體性能的影響。本次試驗采用的部分原料化學(xué)分析，如表2所示。

通過對瓷質(zhì)釉面磚化學(xué)組成和原料成分分析，調(diào)出適合工業(yè)化大生產(chǎn)的瓷質(zhì)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(shù)跟大生產(chǎn)粉料工藝參數(shù)相同。

3.2 實驗結(jié)果與分析

（1）以K方為基礎(chǔ)，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(zhì)釉面磚生產(chǎn)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(shù)據(jù)并制作曲線變化圖，觀察強度、吸水率變化走勢。

在瓷質(zhì)釉面磚坯體配方中引入硅灰石作為熔劑對瓷質(zhì)釉面磚坯體性能有較大影響：引入1%的硅灰石后，產(chǎn)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(chǎn)品燒失量在1.25 ～ 1.40%之間波動，總體影響不大。在產(chǎn)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(xiàn)波動，總體強度上升。

根據(jù)數(shù)據(jù)變化，作出如下分析：將硅灰石引入瓷質(zhì)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(chǎn)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(wǎng)狀排列，周圍由鈣長石和石英加固，可提高產(chǎn)品的機械強度，從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)呈過燒狀態(tài)，從而坯體結(jié)構(gòu)反而不致密，抗折強度出現(xiàn)波動，呈走低趨勢;另外，當硅灰石添加量在1 ～ 3%范圍內(nèi)，配方體系中固相反應(yīng)為鈣長石和方石英，固相反應(yīng)產(chǎn)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(dǎo)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(jié)果，選取硅灰石添加量為5%和9%的2個方案探討在瓷質(zhì)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(yōu)異，但隨著燒成溫度的提高，產(chǎn)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(jù)數(shù)據(jù)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(xiàn)過燒情況，從而導(dǎo)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(qū)間，其性能同正常生產(chǎn)瓷質(zhì)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(jié)

將硅灰石引入瓷質(zhì)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(zhì)磚坯體物理性能，提升產(chǎn)品品質(zhì)：硅灰石引入瓷質(zhì)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(xiàn)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(yīng)性，燒成范圍變窄不利于實際生產(chǎn)，且過量硅灰石容易導(dǎo)致過燒而出現(xiàn)坯體結(jié)構(gòu)不致密的現(xiàn)象，抗折強度等性能會受到較大影響。因此，在實際生產(chǎn)中要多方面考慮。

參考文獻

[1] 卓克祥. 陶瓷工業(yè)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(zhì)瓷質(zhì)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(nèi)墻磚的生產(chǎn)實踐. 佛山陶瓷，2002，12（2）：1-4.

[5] 劉潤宵. 硅灰石在地磚中的應(yīng)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(yīng)作用[J].. 地質(zhì)科學(xué)，1990（4）：361-366.

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

[8] 劉培功， 等.一次燒成大規(guī)格超薄瓷質(zhì)磚的研制及市場應(yīng)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(guī)格薄型瓷質(zhì)磚中的應(yīng)用[J].陶瓷.2009（2）：35-38.

[10] 楊 明 .一次快燒炻 （瓷 ）質(zhì)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(chǔ) [M]. 北京： 中國輕工業(yè)出版社，1989，2.

[12] 錢錦，余炳鋒.硅灰石在陶瓷釉面磚中的應(yīng)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(yè)中的應(yīng)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(zhì)瓷質(zhì)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(xué)出版，1989.

[17] 繆松蘭.陶瓷工藝學(xué)[M]..北京：中國輕工業(yè)出版社，2010.

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