淺析預應力建筑陶瓷的研究現狀及發展趨勢

金國庭 張智鵬 江彬軒 李智鴻 鐘保民

摘 要： 建筑陶瓷在高速發展過程中一直面臨著高能耗、高污染、高排放、低科技含量等核心問題。在環保問題日益嚴峻的今天，如何有效解決此類行業痛點成為建筑陶瓷行業發展的首要問題。預應力技術因其具有成本低廉、工藝簡單、穩定性高、時效性長等特點受到研究人員的廣泛關注。本文簡要總結了預應力建筑陶瓷的增強機理及增強方法，簡述了預應力技術的發展歷程及相應研究成果。現階段結論表明：預應力增強建筑陶瓷技術可以有效解決建筑陶瓷行業所面臨的核心問題，該技術的發展可為建筑陶瓷的革新提供新思路。

關鍵詞：預應力技術;建筑陶瓷;發展趨勢

1 引 言

我國建筑陶瓷行業的發展始于改革開放，隨著改革開放的不斷加強和深化，我國建筑陶瓷行業的發展速率呈現快速上升趨勢，直至1993年，我國建筑陶瓷產量登頂世界第一，至此以后，我國建筑陶瓷產業的體量、規模、產值始終保持在世界前列，并呈穩步上升趨勢[1]。2004年，我國建筑陶瓷磚年產量突破40億平方米大關，相關企業數量突破4500家，至2017年，我國建筑陶瓷磚產量達到了114.5億平方米，行業銷售總額達到5155億元[2]。至2019年底我國建筑陶瓷行業營收3079.91億元，同比增長2.89 %[3]。建筑陶瓷產業在我國發展如此迅速主要是依托強大的消費市場、廉價的勞動力、國家政策的扶持和較低的技術門檻，其帶來的效益顯而易見，但隨著近幾年國內和國際市場的不斷優化，城市相關配套政策的逐步完善，我國建筑陶瓷行業高速發展所帶來的弊端日益凸顯。

因陶瓷制品在制備過程中的特殊性，企業在生產過程中必定要面對高能耗、高污染、產品不可降解、低科技含量等諸多問題。能耗方面，陶瓷企業每年對于能源的消耗量巨大，每年均消耗原材料28億噸和煤碳4870萬噸[14];環保方面，我國陶瓷行業早期燃料以煤炭為主，后逐漸開始使用重油，再到后來的煤氣，最后是現今的天然氣。可表明隨著陶瓷行業的逐漸發展，生產過程中使用的能源也逐漸清潔化，但其帶來的污染仍不可小覷。另外，企業每年都會花費一定的資源對產生的污染進行清潔處理化，達到國家所規定的可排放標準，這同時也是增加了企業的生產成本;因此，如何減少污染和能耗是當下每個企業所研究的重點方向，再加上陶瓷企業對礦物原料與日俱增的需求，導致礦產業中尾礦渣的處理問題也成為當下的一個熱點問題。

眾所周知，陶瓷材料屬于脆性材料，當陶瓷受到較大的沖擊時，晶格很難發生滑移，彈性形變和塑性形變也很難發生，因此在受到較大載荷的時候，陶瓷產品很容易發生斷裂。因此如何提升陶瓷斷裂強度也成為了許多學者的研究方向。

2陶瓷增強技術

Griffith斷裂理論[4]是由Griffith在1921年提出，該理論表明陶瓷材料存在許多的微裂紋及缺陷，當受到外力時，這些裂紋及缺陷附近會產生應力集中現象，當應力到達一定程度時，裂紋擴展從而導致材料斷裂，因此斷裂不是晶體沿整個晶面滑移，而是由于裂紋擴展的結果，計算公式如式（1）：

式中，為斷裂強度，E為彈性模量（非結構敏感參數），為斷裂表面能（與微觀結構有關，單相材料微觀結構對其影響較小，唯一可控的是材料中的微裂紋），c為缺陷尺寸，為泊松比（晶體結構穩定情況下，泊松比為常數）。從上式可知，陶瓷材料的斷裂強度受彈性模量、斷裂表面能及缺陷尺寸三個參數影響，目前，大多數學者都是通過控制陶瓷微裂紋的尺寸和數量來提高其強度。根據Griffith從能量的角度分析裂紋擴展的條件：當材料內儲存的彈性應變能的下降大于等于開裂形成兩個新表面所需的表面能，裂紋會發生擴展，反之，若前者小于后者，則裂紋不會擴展，即物體內儲存的彈性應變能的降低（或釋放）就是裂紋擴展的動力。目前，提高陶瓷材料強度的辦法主要有：

（1）增強致密度，如：采用熱壓工藝制備Si3N4陶瓷[5]，其密度接近理論值，材料幾乎沒有氣孔。

（2）晶粒細化增強：根據Hall-Petch關系[7]可知：在多晶材料中，晶界相對于晶粒內部而言自由能較高，在外力的作用下，為了使相鄰晶粒產生剪切變形，晶界處必須有足夠大的應力集中，而細化晶粒可以產生更多的晶界，因此，當晶界的結構未發生改變時，則需要施加更大的外力才能使陶瓷內部結構發生位錯，從而使材料強化。但這種方法成本較高，且受制于材料本身的性能。

（3）增強相增強：增強相可以通過原位合成法[8]或直接引入法[9]形成。在建筑陶瓷中，原位合成法的應用比較常見，其原理是在陶瓷內部形成更多的莫來石晶相，從而達到提高材料的強度的目的;另外一種則是直接引入具有高強度的第二相如莫來石晶須[10]或ZrO2[11]顆粒，雖然該方法能在一定程度上提高其強度，但提升的幅度有限，另外考慮到成本高、燒成溫度難以控制等限制因素，很難使這種方法得到大規模的應用。

雖然上述三種方法都能使材料增強，但各有其局限性。因此，在專家的致力研究下，預應力技術應運而生。預應力技術的原理是指在加工或者制備成品過程中，通過物理或化學方法在結構上預加壓應力，施加的壓應力能使結構在使用過程中抵消部分乃至全部的拉應力載荷，避免構件結構被破壞，以達到改善結構服役表現的目的，提高構件的時效性、穩定性、機械強度、抗熱震性、斷裂韌性等性能[14]。該技術有著成本低、工藝簡單、穩定性高、時效性長等特點，廣泛應用于水泥、玻璃和陶瓷等行業。近年，預應力技術也在嘗試性應用于建筑陶瓷行業，用以提高建筑陶瓷磚的強度、可加工性、斷裂韌性等性能指標。同時，隨著預應力技術在建筑陶瓷磚上的應用，也為瓷磚的薄型化和輕量化提供了切實可行的研究思路[12]，該技術可以有效的降低建筑陶瓷產品燒成過程中的能源消耗，減少建筑陶瓷磚制備過程中礦物原料的使用，提高了瓷磚產品的技術含量和產品附加值，從源頭上解決了建筑陶瓷行業高能耗、高污染的生產格局，為建筑陶瓷未來發展趨勢奠定了基礎。

3預應力陶瓷增強技術的發展歷程及研究現狀

預應力混凝土概念的首次提出是源自1866年美國工程師Jackson，但其首次實際應用是建立在法國工程師Freyssinet的研究基礎上的[16]，Freyssinet對混凝土和鋼材性能的研究中設計進行了大量實驗，研究結果表明：

采用高強度混凝土和高強度鋼材可以減少混凝土的收縮和徐變[17]。此后，越來越多的研究人員開始對預應力混凝土技術展開了系統的研究，逐步發現，預應力混凝土技術不僅可以改善混凝土結構的強度和抗裂性，還可以提高混凝土構件的承載力，節約了混凝土和鋼材的使用量，在建筑行業的應用中，真正做到了提高房屋跨度的同時，降低了房屋本身的自重[18]的目的。

預應力技術的另一成熟應用是在玻璃行業。1874年，法國人De la Basti首次制備出物理鋼化玻璃，其制備過程是將普通玻璃加熱至軟化點，使其在冷卻介質下快速冷卻[19]，在此過程中，玻璃表面率先冷卻，此時表面冷卻的玻璃已經凝固，具有極小的收縮速率以及較強的剛性，而玻璃內部由于熱傳導的遲滯性仍處于熔融狀態，繼續冷卻會造成玻璃表面產生壓縮的殘余應力[20]。此種方法制備出的鋼化玻璃具有安全性高，熱穩定性好，機械強度高等特點，廣泛應用于各個行業[20-21]。

由于建筑陶瓷磚本身也是以玻璃相為主的無機非金屬材料，其結構和性質與玻璃相仿，故科學家們在研究預應力技術的同時，也在嘗試將預應力技術應用于建筑陶瓷磚中，旨在提高陶瓷磚的機械強度、抗熱震性、斷裂韌性等基本性能的同時，降低建筑陶瓷產業的能耗、污染、成本等生產指標。研究人員通過調節坯體和釉層的熱膨脹系數、Si/Al比等參數，利用建筑陶瓷材料的坯體和釉層在冷卻收縮過程中收縮率的不同，賦予釉層一定強度的壓應力。據報道，Insley[13]等人將氧化鋁陶瓷進行二次高溫加熱至熔融狀態下并進行快速冷卻，實驗結果表明強度提高了30%;增加建筑陶瓷磚預應力的例子。另外，談翔[14]等通過離子交換法引入預壓應力層，其原理是在一定的溫度條件下，利用半徑大的堿金屬離子去置換半徑小的堿金屬離子，破壞材料的內部結構，當材料冷卻時，半徑大的離子會受到附近半徑小離子的擠壓從而產生釘扎效應，為材料表面提供預應力層（這幾個例子說的是 玻璃的化學鋼化，考慮合理與否）。該方法是一種新型增強法，很多學者也采用這種方法來達到提高材料強度的目的，潘國翔[15]等以KNO3作為離子交換源，置換坯體中的Na+，其離子交換后的抗折強度較之前提升至45%。總的來說，預應力增強建筑陶瓷技術的原理與鋼化玻璃的制備原理相類似，但目前預應力建筑陶瓷的起步較晚，其研究還處于實驗室研究階段，距離大規模工業生產還存在一定距離。

4結論與展望

綜上所述，雖然現在行業內提高建筑陶瓷磚強度的方法很多，但大多具有其應用化的局限性，如通過配方的調整來提高強度，爐內的燒成溫度難以控制;而通過改進燒結工藝、細化晶粒等方式來提高強度則工序復雜，成本較高，且提升幅度有限，難以應用化。相比較之下，預應力增強技術工藝簡單、成本低廉且提升幅度較大，而且目前預應力大部分都是應用在水泥、玻璃方面，在建筑陶瓷方面研究甚少。因此，將該技術應用到建筑陶瓷磚領域前景廣泛。

建筑陶瓷作為三高（高耗能、高污染、高排放）行業，不僅在資源和能源上耗費巨大，且對自然環境也有著一定的危害，這并不符合我國生態的發展理念。因此，制備薄型化、減量化和生態化陶瓷磚已迫在眉睫，該類陶瓷磚不僅在一定程度上降低能源消耗，而且可以減少有害氣體的排放，降低運輸成本，提高產品的性價比，這也是未來建筑陶瓷行業發展前景的大熱門[22]。加之現今陶瓷行業內掀起了一股“巖板風”，讓諸多企業都置身于巖板生產當中。但巖板產品因其尺寸、工藝等問題，在制備過程中存在諸多技術難點。由于巖板是在高壓力和高溫下加工而成，所以巖板內存在的很多不均勻的殘余應力，在外加力的作用下，很容易導致內部殘余應力釋放，造成巖板突然開裂或爆裂，而且不易運輸[23]。針對巖板這一問題，許多研究學者嘗試過各種方法，例如嚴格控制爐內的燒成溫度，改進配方等，但此類方法無法高效、快捷的解決巖板制備過程中殘余應力較大且分布不均的情況。而隨著預應力技術的產生，可以將其應用到巖板上，在巖板表面形成預應力層的過程中，巖板內部的殘余應力與拉應力實現相互抵消，使內部應力得到均化，有效地解決了巖板的加工易開裂的問題，大大的提高了巖板的強度，也能實現巖板的薄型和輕量化，減少建筑陶瓷磚生產中高能耗，高污染問題，降低礦物原料使用量，降低生產成本，提高企業環保能力。

參考文獻

[1] 吳甲甲， 汪平生， 張真. 淺談我國建筑陶瓷[J]. 商情， 2010， 000（015）：115-115.

[2] 閆浩，胡澄清.中國建筑衛生陶瓷行業發展現狀及趨勢[J].中國陶瓷，2006（06）：5-7.

[3] 談一兵， 伍川生. 我國建筑陶瓷行業新產品發展現狀[J]. 中國建材科技， 2020， 29（3）：2.

[4] GRIFFITH A A. The phenomena of rupture and flow in solids. Phil.Trans.， 1921， 221（2）： 163–198.

[5] 戴金輝， 李建保， 楊曉戰. β-Si3N4晶種的制備和自增韌Si3N4陶瓷[J]. 稀有金屬材料與工程， 2004， 33（4）：5.

[6] Niihara K. New Design Concept of Structural Ceramics： Ceramic Nanocomposites： Composities[J]. Journal of the Ceramic Society of Japan， 2010， 99（1154）：974-982.

[7] 鄒章雄， 項金鐘， 許思勇. Hall-Petch關系的理論推導及其適用范圍討論[J]. 物理測試， 2012， 30（6）：13-17.

[8] 穆柏春. 原位合成莫來石晶須增強氧化鋁基陶瓷[J]. 耐火材料， 1998， 32（2）：70-73.

[9] Valadez-Gonzalez A， Cervantes-Uc J M， Olayo R. Effect of fiber surface treatment on the fiber-matrix bond strength of natural fiber reinforced composites[J]. Composites B， 1999， 30B（3）： 309-320.

[10] Er C， Ya T， Ben Z. Development of the researches on whiskers and the composites[J]. Polymeric Materials Science and Cngineering， 2002， 18（4）： 51-55.

[11] Young-Jo Park， Boo-Won Park， Jae-WookLee，et al. Increases in the strength of Si-additive mixture granules by presintering[J]. Ceramics International， 2011， 37（3）： 1109-1113.

[12] 孫熠、包亦望、李月明、萬德田、李愷、潘國翔、吳天野. 預應力增強傳統陶瓷的研究進展——從鋼化玻璃到鋼化陶瓷[J]. 陶瓷學報， 2020， v.41（04）：30-37.

[13]INSLEY R H， BARCZAK V J. Thermal conditioning ofpolycrystalline aluminaceramics [J]. Journal of theAmerican Ceramic Society， 2006， 47（1）： 1-4.

[14] 談翔. 離子交換增強建筑陶瓷的研究[D].景德鎮陶瓷大學，2020.

[15]潘國翔， 酆輝平， 沈宗洋，等. 離子交換增強建筑陶瓷釉面磚及其影響因素[J]. 中國陶瓷， 2019（11）：51-57.

[16] 包亦望，孫熠，曠峰華，李月明，萬德田.高強度預應力陶瓷的發展與探索[J].無機材料學報，2020，35（04）：399-406.

[17] 李國平. 預應力混凝土結構設計原理[M]. 人民交通出版社， 2000.

[18] Nawy E G . Reinforced concrete ： a fundamental approach[J]. Upper Saddle River Nj， 1996（1）：58-63.

[19] 劉志海， 胡桂萍. 鋼化玻璃發展現狀及趨勢[J]. 玻璃， 2004， 31（2）：4.

[20] 鄭光賢. 鋼化玻璃應力測試系統的研究和運用[D]. 天津大學.

[21] Narayanswamy O S. Stress and structural relaxation in tempering glass [J]. Journal of the American Ceramic Society， 1978， 61（3-4）： 146-152.

[22] 王彥靜， 劉宇， 崔素萍， 等. 我國建筑陶瓷行業碳排放及減排潛力分析[J]. 材料導報，2018，32（22）：3967-3972

[23] 陶瓷大板/巖板的現狀與發展思路[J]. 佛山陶瓷， 2020， 30（5）：4.