利用花崗巖鋸泥制備瓷磚的實驗研究*

崔焱焱，羅永菊，梁梓晗，杜本康，曹 宏，2，薛 俊，2**

(1.武漢工程大學，湖北 武漢 430205；2.國家磷資源開發利用工程技術研究中心，湖北 武漢 430073)

我國花崗巖資源非常豐富。據國土資源部統計，我國建筑用和飾面用花崗巖儲量在24億m3以上。在花崗巖鋸切、打磨、拋光等加工過程中產生的粒徑細小的廢料被稱為花崗巖鋸泥[1]。隨著花崗巖石材加工業的蓬勃發展，鋸泥的生產量日益增多。花崗巖鋸泥的堆存對耕地、水資源、空氣等都造成了污染[2-4]，其資源化利用已迫在眉睫。目前，關于花崗巖鋸泥的利用主要集中在二次工業原料[5-7]、仿石涂料[8-9]、混凝土[10-15]等方面。其中，有少量利用花崗巖鋸泥來制備陶瓷磚的研究。Menezes等[16]通過測定密度、粒度分布、表面積、化學成分以及DTA、TGA、XRD和SEM對花崗巖鋸泥進行表征，表明其具有與傳統陶瓷原料相似的物理和礦物學性質，即鋸泥作為生產陶瓷磚的替代陶瓷原料是可行的。朱家雨等[17]從成分上分析花崗巖石粉的主要成分為SiO2和Al2O3，與制備陶瓷的原料成分相同；從燒結機理上分析，石粉粒度細、表面能高、具有親水性、活性強，可以更好地參與燒結反應，從而分析花崗巖石粉作為陶瓷原料是有望高效利用的。李求忠等[18]在石粉添加量為12%時與生產原料混合后可以制備出滿足指標要求的建筑陶瓷。王修昌等[19]在石粉添加量為30%時與工業Al2O3、粉煤灰、煤矸石比例混合，可以實現制備莫來石陶瓷。詹學武等[20]使用花崗巖加工邊角料通過破碎、過濾、沉淀、干燥、壓碎等多重處理得到細粉，以SiC為高溫發泡劑制備出閉孔發泡陶瓷。在使用花崗巖鋸泥作為陶瓷原料的研究中將鋸泥作為主要原料大量添加并且不需復雜的預處理的研究較少。本文以花崗巖鋸泥為主要原料制備了陶瓷磚，探究了燒成溫度與高嶺土摻量的變化對陶瓷磚性能的影響，所用的花崗巖鋸泥未經過預處理，摻量極高，適于推廣應用，對消耗大量堆存的花崗巖鋸泥有重要意義。

1 實驗部分

1.1 原料

本文所用花崗巖鋸泥取自湖北麻城花崗巖加工基地。對鋸泥進行X射線衍射分析(XRD) (圖1)看出，其主要礦物組成是：石英(SiO2)、鉀長石(KAlSi3O8)、斜長石(Na[AlSi3O8]-Ca[Al2Si2O8])、黑云母(KFeMg2(AlSi3O10)(OH)2)以及少量的金屬鐵(Fe)。對鋸泥進行了X射線熒光光譜(XRF)分析，其化學成分如表1所示。表1中還列出了文獻[21]報道的陶瓷原料化學成分。對比二者發現，鋸泥與陶瓷原料的化學成分十分接近。因此，僅從化學組成的角度來看，所取鋸泥具有直接用作陶瓷原料的可行性。用激光粒度分析儀對其進行了粒度分析(圖2)，其中位徑為 87.32 μm，滿足陶瓷坯料組分顆粒應達到200目的細度要求，節約了加工時間及能耗，且具有合理的粒度分布，考慮使用壓制成型。本文所用高嶺土為市售陶瓷原料。

表1 陶瓷原料化學成分分析

圖1 花崗巖鋸泥及瓷磚的XRD分析圖譜

圖2 花崗巖鋸泥粒度累積分布圖

1.2 制備工藝

考慮到只使用鋸泥壓制成型時有困難，故摻加一定量的高嶺土作為彌補，設計了如表表2所示的配方。

表2 花崗巖鋸泥燒制瓷磚原料配比

所取花崗巖鋸泥原料含水率較高(17.32%)，故在 110 ℃ 下烘干 12 h。通過研磨將其團聚打散，并篩去石屑。按照配方配制原料，充分攪拌使其混勻。將混合料在一般瓷磚的成型壓力(20 MPa)下壓制成型，按照標準[23]制備測試破壞強度與斷裂模數的樣品，每個配方制備6個樣品，測試結果是6個樣品的均值。分析原料的物相組成可知長石類原料較多，參考陶瓷燒成溫度，將生坯置于馬弗爐中在 1050、1100、1150 ℃ 三種溫度下燒成，先以 10 ℃/min 升溫至 800 ℃、再以 5 ℃/min 升溫至燒成溫度，保溫 1 h 后斷電自然冷卻至室溫。

1.3 測試方法

按照標準對燒成樣品進行吸水率[22]、破壞強度與斷裂模數[23]的測定。使用WDW-50微機控制保溫材料試驗機，采用三點彎曲強度法測試材料的斷裂模數，加載速率為 1 mm/min。使用德國布魯克公司生產的D8Advance-XRD衍射儀對花崗巖鋸泥以及燒制的瓷磚進行物相組成分析(CuKα輻射，掃描步長0.02°，掃描速度5°/s，2θ角的掃描范圍為10°～65°)，通過國際衍射數據中心(ICDD)的標準PDF卡片進行比對。使用場發射掃描電子顯微鏡(FESEM，加速電壓范圍為0.5～30 kV)對花崗巖鋸泥瓷磚斷裂面進行顯微結構分析。

2 結果與討論

2.1 高嶺土摻量的影響

圖3給出了在 1150 ℃ 燒成時破壞強度、斷裂模數與高嶺土摻量的關系。從圖3中看出，破壞強度在 13 MPa 附近波動，高嶺土摻量為5%時達到最低 8 MPa；斷裂模數在 12 MPa 附近波動，高嶺土摻入量為10%時達到最低 8.3 MPa。標準要求陶瓷磚樣品的厚度≥7.5 mm 時，破壞強度需要達到 5.6 MPa、斷裂模數需要達到 0.6 MPa[24]。與標準進行對比表明，在不同高嶺土摻量下的樣品強度均符合標準要求。圖4給出了吸水率、視密度與高嶺土摻量的關系。從圖4中看出，視密度在 2 g/cm3附近波動、吸水率在0.2%附近波動，變化趨勢不明顯，表明高嶺土摻量對樣品的吸水率與視密度無明顯影響。考慮到在測量樣品強度給其施壓時樣品外緣有細碎片狀掉落，推測在 1150 ℃ 下燒成樣品玻璃化程度較高，脆性變大，致使強度測量值與實際值有偏差。結合不同高嶺土摻量對樣品性能的影響趨勢來看，高嶺土的摻量對樣品性能無明顯影響，因此不摻加高嶺土也可以制備出符合標準要求的陶瓷磚[24]。

圖3 高嶺土摻量對樣品強度的影響

圖4 高嶺土摻量對樣品吸水率、視密度的影響

2.2 燒成溫度的影響

圖5給出了高嶺土摻量為0時破壞強度、斷裂模數與燒成溫度的關系。從圖5看出，破壞強度最低為 8.6 MPa、最高為 32.4 MPa，斷裂模數最低為 1.7 MPa、最高為 8.2 MPa；隨著燒成溫度的增加，破壞強度不斷增加，斷裂模數先增大后減小。與標準對比，三個燒成溫度下的樣品強度均符合要求[24]。圖6給出了吸水率、視密度與燒成溫度的關系。從圖6中看出，吸水率最大達到16.73%，最小為0.19%，隨著燒成溫度的增加，吸水率持續降低；視密度最大達到 2.29 g/cm3，最小為 1.81 g/cm3，隨著燒成溫度的增加，視密度有所增加。綜合三種不同燒成溫度對樣品強度、吸水率、視密度等性能的影響趨勢，在 1050 ℃ 時樣品強度低，吸水率高，可能尚未完全燒結；1100 ℃ 時逐漸開始致密，但仍有許多開孔；在 1150 ℃ 時，視密度無明顯變化，但吸水率大幅度下降至0.19%，說明孔洞閉合，樣品完全燒結。綜合來看，最佳燒成溫度為 1150 ℃。

圖5 燒成溫度對樣品強度的影響

圖6 燒成溫度對樣品吸水率、視密度的影響

2.3 物相組成與結構分析

圖1除原料之外還給出了高嶺土摻量為0%時三個燒成溫度下樣品的XRD衍射圖。從圖1看出，1050 ℃ 時，物相組成為石英、鉀長石、斜長石、黑云母和金屬鐵，鉀長石與斜長石的衍射峰減弱說明此時開始熔融，除衍射峰強度外無明顯變化，沒有莫來石相生成；1100 ℃ 時，斜長石衍射峰消失，出現了新的莫來石衍射峰，石英的衍射峰減弱，說明斜長石與石英反應生成了新的莫來石相，已實現瓷化，表明 1100 ℃ 時已經達到了陶瓷的燒成溫度；1150 ℃ 時，在2θ=22°～25°處有彌散峰，表明此時出現了較多的玻璃相，鉀長石的衍射峰減弱，說明鉀長石一部分變成了玻璃相，一部分生成了莫來石，從而使其更加致密。

圖7給出了高嶺土摻量為0時三個燒成溫度下樣品的斷面SEM圖。從圖7看出，在 1050 ℃ 時燒成的樣品其內部孔隙較多，呈多孔狀結構，有液相出現，此時結構較為疏松，與前述分析結果“吸水率較高，強度較低”相吻合；1100 ℃ 時樣品明顯致密，但還存在較多開孔，所以強度有所提高，吸水率仍然較高；1150 ℃ 時表面光滑，看起來與玻璃無異，開孔基本消失，表明該溫度下樣品的玻璃化程度較高，已完全燒結，因此吸水率明顯降低。綜上所述，樣品在 1150 ℃ 燒成溫度下性能達到最佳。

1050 ℃ 1100 ℃ 1150 ℃

3 結論

綜上所述，可以得出如下結論：

1)無需添加高嶺土，即使用純粹的花崗巖鋸泥在 1150 ℃ 時就可以燒制出符合國家標準的陶瓷磚，其性能如下：破壞強度為 12.6 MPa、斷裂模數為 12.4 MPa、吸水率為0.24%、視密度為 2.27 g/cm3。

2)當鋸泥含水率較高時，需進行烘干處理，以便壓制成型。

3)用花崗巖鋸泥制備陶瓷磚，不僅節約陶土原料，還有望解決花崗巖鋸泥大量產出及亂堆亂放帶來的生態環境與安全問題。