渣土基多孔玻璃陶瓷的制備與研究

吳曉珊，關宇，孫佩文，鄭建平，封錦明

摘 要：本試驗將工程渣土和廢玻璃加以利用，與添加劑混合在一定程序下燒結，制得渣土基多孔玻璃陶瓷。本試驗采用正交試驗設計，得到最佳試驗方案為工程渣土：廢玻璃質量比為1：3、碳酸鈣摻量為5%、燒結時間為120min、燒結溫度為850℃，硼酸摻量3%，得到樣品體積密度為705 kg/m3，抗壓強度為5.67MPa。

關鍵詞：工程渣土；廢玻璃；渣土基多孔玻璃陶瓷；正交試驗

1 前言

在生產生活中會產生大量的廢舊玻璃，其是一種穩(wěn)定性高且不易分解的生活垃圾，廢舊玻璃回收率低，綜合利用率不足30%。工程渣土主要指工程建設過程中基坑開挖、道路及其它工程建設換填的廢棄泥土，也包括工程泥漿、盾構土等[1]。據相關數據顯示，近幾年，我國每年產生的建筑垃圾在15.5億-24.0億噸，其中，工程渣土占建筑垃圾總量的70%以上。但是，工程渣土的利用率卻不到5%。

玻璃陶瓷是屬于無機玻璃和陶瓷之間的一種材料，其可含大量玻璃相，也可高度晶化，但至少含有一種晶相和一種玻璃相[2]。加入造孔劑后制成的多孔玻璃陶瓷是由玻璃相和均勻的微小氣孔組成的一種材料，氣孔可分為密閉氣孔和相互連接的氣孔，占總體積的80%～90%。多孔玻璃陶瓷與其他的隔熱材料相比具有導熱系數小、強度高、耐腐蝕、耐高溫的優(yōu)點。

工程渣土通常含有SiO2、Al2O3、MgO、CaO等氧化物，這些氧化物是生成玻璃的重要成分，且工程渣土組成中的無機成分和助熔成分等堿性金屬氧化物與生產輕質陶粒的天然粘土相似[3]，這為以工程渣土為原料生產多孔玻璃陶瓷來實現(xiàn)資源化利用提供了基礎。本文以工程渣土和廢玻璃為主要原材料，輔以造孔劑、助熔劑等添加劑，探討利用工程渣土和廢玻璃固體廢物制備輕質高強的渣土基多孔玻璃陶瓷的可行性，以期解決大量工程渣土和廢玻璃隨意填埋造成的資源浪費、環(huán)境污染問題。

2試驗

2.1原材料

試驗所用工程渣土取自深圳12號線海上田園東站地鐵站修建挖棄的工程渣土，廢玻璃取自裝修產生廢棄玻璃和玻璃廠廢渣。其中工程渣土的主要化學成分為SiO2 68.56wt%、Al2O3 15.41wt%、Fe2O3 4.61wt%、CaO 2.08wt%；廢玻璃的主要化學成分為SiO2 66.03wt%、CaO 8.86wt%、MgO 3.10wt%、Na2O 13.7wt%；試驗中的添加劑碳酸鈣、硼酸等為分析純。

2.2制備方法

將工程渣土和廢玻璃分別進行粉磨，過200目篩后與碳酸鈣和硼酸按設計含量加到攪拌機中進行混合均勻，其中硼酸添加量固定為總質量3%，之后加入總量5%的水一起拌勻成半干混合料后放入模具中進行壓制成型，成型壓力為5Mpa，保壓3秒，將壓制成型的坯體放入馬弗爐中進行燒制。燒結程序為：（1）預熱階段：自室溫以3.5℃/min的升溫速率升至400℃，保溫20min；（2）燒結發(fā)泡階段：再以7.5℃/min升溫至試驗設計溫度，燒結時間根據試驗設計進行；（3）退火階段：之后以10℃/min的降溫速率將溫度降至600℃，為消除應力，在600℃左右進行保溫20min隨爐冷卻至室溫。

通過上述燒結程序可得到渣土基多孔玻璃陶瓷，之后將制得的樣品進行體積密度和抗壓強度的測試。

2.3測試方法

（1）體積密度的測試：樣品的體積密度是指單位體積內樣品的質量，體積密度是衡量材料性能的重要指標之一。將烘干后的樣品切割成50mm×50mm×50mm的試塊，稱量試塊質量并記錄為M。根據下列公式計算體積密度：

ρ=M/V? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（式1-1）

ρ：樣品的體積密度（g/cm3）

M：烘干后樣品質量（g）

V：切割后塊狀體積（cm3）

（2）抗壓強度的測試：抗壓強度是檢驗多孔玻璃陶瓷是否符合實際應用價值的重要指標。本試驗將樣品切割成50×50×50mm的試塊，在萬能壓力試驗機下測量抗壓壓力值F，然后根據式1-2計算抗壓強度。

P= F/A? ? ? ? ? ? ?（式1-2）

P：樣品抗壓強度（MPa）

F：樣品受到破壞時的荷載值（N）

A：樣品的受力面積（mm2）

2.4正交試驗設計

正交試驗是研究多因素多水平的試驗方法，通過正交性從全面試驗中挑選部分具有代表性的點。由于各試驗條件會對渣土基多孔玻璃陶瓷性能造成影響，從而造成相互制約的情況，因此本試驗將采用正交試驗確定原材料摻比、造孔劑摻量、燒結時間和燒結溫度對渣土基多孔玻璃陶瓷性能影響的最佳方案，本試驗不考慮各因素交互作用的影響。

根據初步試驗確定以原材料摻比A、碳酸鈣摻量B、燒結時間C、燒結溫度D為四個因素，各選擇三個水平分別為：工程渣土和廢玻璃的質量比為1：2、1：3、1：4；碳酸鈣摻量為3%、5%、7%；燒結時間為40min、80min、120min；燒結溫度為800℃、850℃、900℃。通過正交試驗來優(yōu)化制備渣土基多孔玻璃陶瓷的工藝方案，從而提高樣品性能。四種因素對渣土基多孔玻璃陶瓷的性能影響的正交試驗結果分別見表1。

之后，用Ki表示各個試驗因素第i水平下試驗結果的平均值。極差R為對應列中Ki的最大值減去最小值，R表示所對應的因素水平對試驗結果影響的主次作用。對渣土基多孔玻璃陶瓷體積密度和抗壓強度性能指標測試結果作極差分析結果見表2。

不同要求所需要的最優(yōu)方案如下所述：

（1）考慮體積密度需求，體積密度越小越好，因此選擇Ki值最小的水平，最佳方案為A2、B2、C2、D2。

（2）考慮抗壓強度需求，抗壓強度越大好，因此選擇Ki值最大的水平，最佳方案為A2、B3、C3、D2。

由上述正交試驗數據分析可知，對體積密度和抗壓強度影響最顯著的是原材料摻比。且對于體積密度和抗壓強度而言，均為A2為最佳方案，因此選取A2為最佳方案。

碳酸鈣摻量對體積密度影響較大，對抗壓強度影響程度較小，所以為同時達到輕質高強的目的，選擇B2為最佳方案。對于體積密度，燒結時間的最佳方案為C2，對于抗壓強度，燒結時間的最佳方案為C3，考慮到燒結時間對體積密度的影響程度最弱，因此選擇C3為最佳方案。對于燒結溫度，分別考慮體積密度和抗壓強度的最佳方案均為D2，因此選擇D2，為最佳方案。

基于以上分析，暫定制備渣土基多孔玻璃陶瓷的最佳方案為A2、B2、C3、D2，即工程渣土：廢玻璃質量比為1：3、碳酸鈣摻量為5%、燒結時間為120min、燒結溫度為850℃。

2.5試驗結果

根據上述試驗步驟，將工程渣土與廢玻璃的質量比設為1：3，碳酸鈣摻量為總質量的5%，硼酸摻量為總質量的3%，燒結溫度為850℃，燒結時間為120min。所得樣品經測試，體積密度為705 kg/m3，抗壓強度為5.67MPa。

3結論與展望

3.1結論

（1）在渣土基多孔玻璃陶瓷體積密度的影響因素中：不同影響因素對其作用大小排序為RA>RB>RD>RC，原材料摻比影響最強，碳酸鈣摻量影響次之，再次為燒結溫度，燒結時間影響最弱。

（2）對渣土基多孔玻璃陶瓷抗壓強度的影響因素中：不同影響因素對其作用大小排序為RA>RC>RD>RB，原材料摻比影響最強，燒結時間影響次之，再次為燒結溫度摻量，碳酸鈣影響最弱。

（3）由于用工程渣土制備渣土基多孔玻璃陶瓷過程復雜，影響因素較多，通過正交試驗得到最佳試驗方案為工程渣土：廢玻璃質量比為1：3、碳酸鈣摻量為5%、燒結時間為120min、燒結溫度為850℃、硼酸摻量3%、得到樣品體積密度為705 kg/m3、抗壓強度為5.67MPa。

3.2展望

（1）本試驗對渣土基多孔玻璃陶瓷的性能指標研究過少，為得到綜合性能優(yōu)良的渣土基多孔玻璃陶瓷，還應對其孔隙率、吸水率、導熱系數等指標進行檢測試驗，以滿足實際應用的價值。

（2）采用正交試驗法選取少部分試驗來驗證各個試驗因素對試驗結果的影響趨勢，從而迅速找到最優(yōu)化的工藝參數，但優(yōu)選結果是否符合客觀實際，還需要通過試驗來驗證。因此，采用正交試驗方法是有局限性的，為取得更優(yōu)化結果，應再次進行多組試驗，進一步完善。

參考文獻

[1]羅琦，孟凡威，劉旭等.工業(yè)廢渣復合固化工程渣土試驗研究[J].湖南交通科技，2022，48（04）：45-50.

[2]劉道春，崔利軍.玻璃陶瓷的研究與發(fā)展[J].陶瓷，2019（11）：18-24. [3]萬文豪，楊飛華，王發(fā)洲等.助熔成分對工程渣土燒制輕質陶粒性能的影響[J].材料導報，2023，37（07）：114-119.