利用煤矸石及廢陶瓷制備泡沫陶瓷的研究

王超男，胡新萍，任 濤，姜 威

山西工程技術(shù)學(xué)院 建筑與土木工程系，山西 陽泉 045000

我國是一個產(chǎn)煤大國，在擁有豐富的煤炭資源的同時也不可避免的帶來了大量煤矸石的堆積，據(jù)統(tǒng)計，我國煤矸石累計堆放量達(dá)40～50億噸，而且每年仍在增加。這些煤矸石不僅占據(jù)了本就稀缺的土地資源，同時還嚴(yán)重污染環(huán)境。因此對于煤礦廢棄物煤矸石的綜合治理與利用迫在眉睫。目前科研工作者們發(fā)現(xiàn)煤矸石可以應(yīng)用在制備泡沫陶瓷方面，這樣不僅能有效利用其中的鋁硅酸鹽礦物成分，將煤矸石變廢為寶，同時還有效地減少了煤矸石對環(huán)境的破壞。

泡沫陶瓷是一類含有大量閉口氣孔的陶瓷材料，孔隙率高、體積密度較小，同時具備陶瓷耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，可以應(yīng)用在保溫、隔熱等領(lǐng)域。呂瑞芳［1］等利用煤矸石和玻璃粉，采用發(fā)泡法制備出了多孔泡沫陶瓷材料，該研究發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度對材料的表觀密度，抗壓強(qiáng)度及吸水率有顯著的影響。同時熱導(dǎo)率隨表觀密度的降低而減小。楊濤［2］等利用煤矸石為主要原料，活性炭粉充當(dāng)造孔劑，聚乙烯醇溶液為結(jié)合劑，在1400℃下燒結(jié)制備堇青石多孔陶瓷。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)造孔劑加入量為5%時，抗折強(qiáng)度達(dá)到29.1MPa。胡明玉［3］等以煤矸石和其他煤炭伴生頁巖為主要原料，陶瓷廠生產(chǎn)的廢棄拋光渣為造孔劑，滑石為助熔劑，在1200℃下燒結(jié)制備出孔抗壓強(qiáng)度大于12MPa的多孔陶瓷。谷玲鈺［4］等用煤矸石，粉煤灰和木屑制備出了多孔陶瓷，研究表明木屑含量會影響孔隙率，隨著燒結(jié)溫度的增加，最大抗壓強(qiáng)度可達(dá)55.13MPa。

本文采用煤矸石、廢棄陶瓷片為主要原料，添加長石粉為助溶劑，碳酸鈣為造孔劑，在不同燒結(jié)溫度下制備出了煤矸石泡沫陶瓷，研究不同燒成溫度對其表觀密度、孔隙率、抗壓強(qiáng)度及微觀孔形貌的影響。

1 試驗

1.1 原材料和煤礦廢棄物泡沫陶瓷的制備

試驗所用的煤矸石取自山西省陽泉市新景煤礦，其主要礦物組成為二氧化硅和氧化鋁，廢棄陶瓷片取自山西省陽泉市平定縣瑩玉陶瓷，長石粉來自原材料市場，其主要的礦物組成為含水硅酸鎂，在其中起助熔劑的作用，碳酸鈣為造孔劑，購自國藥試劑公司。原材料的化學(xué)組成見表1。

表1 原材料的化學(xué)組成 %

將煤矸石和廢陶瓷片破碎球磨后過100目篩備用，然后秤取煤矸石粉60g，廢棄陶瓷片15g，長石25g，碳酸鈣5g，在行星式球磨機(jī)中球磨1h。然后在液壓式壓片機(jī)上以2MPa的壓力干壓成型制得陶瓷生坯，尺寸大小為Φ20×50mm。將壓制好的樣品放置在馬弗爐中以10℃/min的升溫速率上升至800℃，900℃，1000℃，1100℃及1150℃，保溫30min后隨爐冷卻即可得到泡沫陶瓷。

1.2 性能測試

利用阿基米德排水法測定煤矸石泡沫陶瓷的表觀密度，顯氣孔率；采用日本電子的鎢燈絲掃描電子顯微鏡對樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；通過WDW-50型微機(jī)控制萬能試驗機(jī)測試樣品的抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 燒成溫度對表觀密度與顯氣孔率的影響

圖1為燒成溫度對煤矸石泡沫陶瓷的體積密度和顯氣孔率影響。從圖1可以看出，隨著燒成溫度的提高，煤矸石泡沫陶瓷的氣孔呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，體積密度不斷地減小后增加。當(dāng)燒成溫度為800℃時，泡沫陶瓷的表觀密度為1.67g/cm3，氣孔率為36.5%（體積分?jǐn)?shù)）；當(dāng)燒成溫度為900℃時，泡沫陶瓷的表觀密度為1.63g/cm3，氣孔率為38.6%（體積分?jǐn)?shù)），相比前一個溫度氣孔率略有增加；當(dāng)燒成溫度達(dá)到1000℃時，該泡沫陶瓷的表觀密度降為1.28g/cm3，氣孔率為57.1%（體積分?jǐn)?shù)）；當(dāng)燒成溫度達(dá)到1100℃時，氣孔率減少至41.3%，表觀密度增大至1.38g/cm3。這主要是因為碳酸鈣在高溫下受熱分解產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w后在泡沫陶瓷內(nèi)部留下氣孔，同時也包含骨料間相互堆積所形成的孔隙。當(dāng)溫度上升至1150℃時，由于鉀長石的助熔劑作用顯著增加，使得泡沫陶瓷體積收縮變大，阻礙了氣孔的增大，材料變得更加致密化，故氣孔率急劇下降至28.8%。由此觀之，隨著燒成溫度的提高，煤矸石泡沫陶瓷的孔徑先增加后減小，開口孔隙率先增大后降低。

圖1 不同燒成溫度對泡沫陶瓷體積密度和氣孔率的影響

2.2 燒成溫度對抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為燒成溫度對煤矸石泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度影響。從圖中可以看出隨著燒結(jié)溫度的升高，泡沫陶瓷的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，在800～1000℃之間主要是由于燒成溫度升高導(dǎo)致材料氣孔率增加所致，氣孔率高的材料內(nèi)部疏松，抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)溫度超過1000℃時，隨著燒成溫度的增加材料抗壓強(qiáng)度降低主要是由于材料內(nèi)部逐漸有液相產(chǎn)生，液相的流動性降低了材料的抗壓強(qiáng)度。均超過了“高效能符合外墻外保溫材料”抗壓強(qiáng)度＞2 MPa的指標(biāo)。

圖2 不同燒成溫度對抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 燒成溫度對微觀形貌的影響

不同燒成溫度下制備出的煤矸石泡沫陶瓷的SEM圖如圖3所示。從圖中可以看出不同燒成溫度制備出的泡沫陶瓷氣孔大小形狀不同。在800℃下燒制出的煤矸石泡沫陶瓷氣孔小而且分布分散，整體較致密；當(dāng)燒成溫度達(dá)到900℃時，氣孔較之前略微增大，氣孔的密度也稍稍增加，但整體差別不顯著；當(dāng)燒成溫度達(dá)到1000℃時，在高倍下可以看到煤矸石泡沫陶瓷變得更加疏松，形成了各種形狀不規(guī)則的孔洞，孔隙變大；隨著燒成溫度繼續(xù)上升，當(dāng)溫度達(dá)到1100℃時，可以看到視野里出現(xiàn)許多大的氣泡；當(dāng)溫度繼續(xù)升高到1150℃時，可以看到出行了明顯的液相，而且溫度越高液相的粘度越低，流動性越大。由此觀之，溫度越低時，發(fā)泡物質(zhì)碳酸鈣反應(yīng)不充分，導(dǎo)致煤矸石泡沫陶瓷體積密度大，蓬松效果差，隨著反應(yīng)溫度的提高，發(fā)泡物質(zhì)反應(yīng)越充分，生成的氣體越多，因此孔隙變大，氣孔率增加。但溫度過高時，液相的產(chǎn)生阻礙了氣孔的形成和變大，氣孔率反而降低。

圖3 不同燒成溫度下的煤矸石泡沫陶瓷試樣SEM圖

3 結(jié)論

利用煤矸石和廢陶瓷為原料，添加長石為助溶劑，碳酸鈣為造孔劑在不同燒成溫度下合成煤矸石泡沫陶瓷。

（1）隨著燒成溫度的提高，煤矸石泡沫陶瓷的顯氣孔率先增加后急劇減少，當(dāng)燒成溫度為1000℃時氣孔率最大，達(dá)到57.1%，體積密度為1.28g/cm3。

（2）當(dāng)燒成溫度達(dá)到1000℃以上時，鉀長石的助溶劑作用顯著增加，使樣品的顯氣孔率減少，致密性增加，但同時有液相的產(chǎn)生使得抗壓強(qiáng)度降低。