利用工業固廢研制保溫玻璃

孫文洋 馬玉桂 關清晨 劉鵬 屈嗣筱 孫超

摘?????? 要：隨著中國建筑行業和工業生產的不斷發展，產生了大量的工業廢棄物，其中廢巖棉和廢玻璃逐年增加，尤其是廢棄巖棉已成為工業垃圾的處理難題，嚴重污染了生態環境。在“碳達峰”“碳中和”的目標背景下，提出以廢巖棉和廢玻璃為主要原料制作泡沫玻璃的新工藝，基于材料性能和泡沫玻璃的性能要求制定了最佳的溫度制度，在適當的溫度制度下加入適量的發泡劑、助熔劑和泡沫穩定劑，采用粉末燒結法制備了泡沫玻璃。

關? 鍵? 詞：廢巖棉；廢玻璃；工業廢棄物；添加劑；泡沫玻璃

中圖分類號：TQ171?????? 文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1004-0935（2024）06-0902-03

近年來，隨著建筑業和工業生產的不斷發展，產生了大量的工業廢棄物，例如碎磚、廢木材、廢管道、電器廢料、廢巖棉和廢玻璃[1]，其中廢巖棉和廢玻璃逐年增加，尤其是廢棄巖棉已成為工業垃圾的處理難題，目前尚無完善的處理方案，大部分廢棄巖棉沒有得到很好的處理，對環境造成了極大的危害。

國內外已有眾多學者研究利用廢舊玻璃制備泡沫玻璃并對其性能進行研究[2]。雖然國內外已有許多學者對泡沫玻璃的配方和工藝進行了優化，但是目前國內的泡沫玻璃的產量和質量還是不能滿足國內對泡沫玻璃的需求[3]。

目前的研究重點是泡沫玻璃的發泡工藝和應用原材料的創新。馬明鑫[4]等以鐵尾礦和玻璃粉為原料、碳化硅為成孔劑制備鐵尾礦泡沫玻璃。結果表明，由含24.5%鐵尾礦和1%SiC的泡沫玻璃性能最好。吳真先[5]等采用粉末燒結技術，以碳化硅為發泡劑，無堿玻璃粉為主要原料，燒成泡沫玻璃。保溫時間越長，煅燒溫度越高，材料的表觀密度越小，平均氣泡直徑越大，由此產生的孔隙連通性也越大。

1? 實驗部分

1.1? 原材料

廢巖棉：本實驗巖棉是燒制泡沫玻璃的主要原料，主要化學成分如表1所示。

廢玻璃：玻璃也是燒制泡沫玻璃的主要原材料，主要化學成分如表2所示。

1.2? 設備及儀器

本實驗主要使用的設備為箱式高溫實驗電爐，最高使用溫度1 600 ℃，最大升溫速率15 ℃·min-1。微機控制電子萬能實驗機最大載荷為5 kN。電子天平量程為0～100 g，精度為0.000 1 g。

1.3? 實驗方案

1.3.1? 廢巖棉摻量的選擇[6-8]

為確定適當低的燒結溫度和最大程度地利用礦棉廢料，本研究采用廢巖棉和廢玻璃的質量分數分別在40%～60%和60%～100%范圍，并按照廢巖棉和廢玻璃含量100為基準來計算各添加劑的含量，發泡劑碳化硅的質量分數取1.5%，助溶劑硼砂的質量分數取20%，穩泡劑磷酸三鈉的質量分數取2%，擬采用實驗廢巖棉摻量樣品含量見表3。

1.3.2? 發泡劑摻量的選擇[9]

以質量分數為40%的廢巖棉和60%的廢玻璃為主要基礎原料，分別以質量分數1%、1.5%和2%的碳化硅為發泡劑，其他添加劑采用2%的磷酸三鈉為穩泡劑，20%的硼砂為助熔劑，擬采用的實驗分組見表4。

2? 實驗工藝

2.1? 實驗工藝流程

圖1是制備泡沫玻璃的工藝流程圖，所用的廢巖棉來自設備更新、維護而退役下來的廢棄巖棉；廢玻璃取自廢舊的平板玻璃，廢玻璃利用自來水去除表面雜質，然后自然晾干。廢巖棉和廢玻璃研磨后都需要過200目（孔徑為0.074 mm）的篩子進行篩選，采用粉末燒結法制備了泡沫玻璃樣品，即放入高溫電阻爐按照預先設定的溫度制度進行煅燒。

2.2? 溫度制度

模壓成型的樣品在馬弗爐中加熱到500 ℃并保持20 min，以除去留在樣品中的水并防止樣品因偏斜加熱而破裂。然后，將樣品以20 ℃·min-1的速度加熱到820、830、840、850 ℃的峰值溫度，并在峰值溫度下再保持10、20、30 min，然后自然冷卻至室溫，根據實驗結果確定合適的發泡時間和發泡? 溫度[10]。

3? 結果與分析

3.1? 廢巖棉摻量對泡沫玻璃性能的影響

3.1.1? 廢巖棉摻量對表觀密度和孔徑的影響

圖2是不同巖棉含量對表觀密度和孔徑的影響。隨著廢巖棉含量的增加，密度在不斷增加，由366.7 kg·cm-3增加到了412.5 kg·cm-3。所以隨著巖棉含量的增加，樣品中的液相含量降低，限制了大孔隙的形成，此外，隨著巖棉含量的增加，液相中的堿金屬離子和堿土金屬離子（Na+、K+、Ca2+和 Mg2+）減少[11]，提高了液相的黏度，黏度的增加也會增加孔隙生長的阻力。隨著廢巖棉添加量的增加，孔徑有減小的趨勢。

3.1.2? 廢巖棉含量對吸水率和抗壓強度的影響

隨著廢巖棉含量的增加，其吸水率是呈下降的趨勢。隨著廢巖棉含量的增加，樣品的抗壓強度呈下降的趨勢。

3.2? 發泡劑摻量對泡沫玻璃性能的影響

3.2.1? 發泡劑摻量對表觀密度和孔徑的影響[11]

圖3給出了發泡劑含量與成品密度和孔徑的關系。發泡劑質量分數為1.5%、2%時，所得成品的體積密度比質量分數1%配合料成品的體積密度有較大的減小。隨著發泡劑碳化硅摻量的增加， 孔徑呈增大的趨勢，當其為2%時泡沫玻璃試樣的平均孔徑達到最大，為3 mm。

3.2.2? 發泡劑摻量對吸水率和抗壓強度的影響

圖4為發泡劑含量與吸水率和抗壓強度的關系圖。由圖4可以看出，隨著發泡劑摻量的增加，材料的吸水率呈降低的趨勢，在發泡劑摻量為1.0%時，吸水率為0.031%，發泡劑摻量為2.0%時，吸水率為0.024%。觀察發泡劑含量與成品抗壓強度的關系，配合料發泡劑質量分數1.0%時，所得泡沫玻璃成品的抗壓強度較高，為0.541 MPa，當發泡劑質量分數為1.5%時，成品抗壓強度低于發泡劑質量分數為1.0%的成品抗壓強度。

4? 結 論

本文以廢巖棉和廢玻璃為主要原料，通過添加SiC為發泡劑，Na2B4O7為助熔劑，Na3PO4為泡沫穩定劑，成功制備了泡沫玻璃樣品。分析了配合料和發泡劑的熱行為，通過測定制品的表觀密度、吸水率、孔徑和抗壓強度研究探討了廢巖棉摻量、發泡劑摻量對泡沫玻璃性能的影響，得到的主要結論如下：

1）隨著廢巖棉摻量的增加，配合料的軟化溫度升高，不利于熔融軟化，表觀密度增大，抗壓強度、吸水率和孔徑相應降低。

2）隨著發泡劑含量的增加，孔徑增大，表觀密度、吸水率、抗壓強度相應降低。

參考文獻：

［1］張靈.利用建筑垃圾和工業廢渣制備新型燒結磚及其性能研究[D]. 鄭州：鄭州大學，2019.

［2］張永福.利用廢玻璃制備泡沫玻璃的試驗研究[J].新型建筑材料，2020，47（6）：106-109.

［3］田英良，戰梅，孫詩兵，等.國內外泡沫玻璃生產技術發展和生產線代別綜述[J].玻璃與搪瓷，2014，42（3）：26-32.

［4］馬明鑫. 鐵尾礦泡沫玻璃制備及添加量研究[D].西安：陜西科技大學，2017.

［5］吳真先，朱紹峰，李萍，等.燒結工藝對泡沫玻璃孔結構的影響[J]. 功能材料，2014，45（2）：2114-2118.

［6］牛永紅，樊曉陽，任達，等.新型陶瓷粉/冶煉渣微晶泡沫玻璃研制[J]. 功能材料，2020，51（10）：10194-10201.

［7］姜曉波. 利用工業廢渣制備泡沫玻璃的研究[J].科技傳播，2021，5（14）：67-68.

［8］孫強強，楊文凱，李兆.低硅鐵尾礦高強度微晶泡沫玻璃的研制[J]. 商洛學院學報，2020，34（4）：26-32.

［9］牛永紅，任達，康旭峰，等. 硼砂對水淬渣制備多孔玻璃陶瓷性能的影響[J]. 當代化工，2022，51（7）：1513-1519.

［10］渠亞男，謝永江，仲新華，等. 利用多孔微球發泡法制備泡沫玻璃及其燒成工藝研究[J]. 材料導報，2023，37（1）：62-66.

［11］ 智廣林，劉晶，袁堅. 低密度泡沫玻璃制備及影響因素研究[J]. 玻璃，2022，49（7）：1-5.

Development of Thermal Insulation Glass by Using Industrial Solid Waste

SUN Wenyang， MA Yugui， GUAN Qingchen， LIU Peng， QU Sixiao， SUN Chao

（School of Mechanical and Power Engineering， Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142， China）

Abstract：? With the continuous development of the construction industry and industrial production in China， a large amount of industrial waste has been generated， among which waste rock wool and waste glass are increasing year by year. In particular， waste rock wool has become a difficult problem in the treatment of industrial waste， seriously polluting the ecological environment. Under the background of "carbon peak" and "carbon neutrality"， a new process of making foam glass with waste rock wool and waste glass as the main raw materials was proposed. Based on the material properties and the performance requirements of foam glass， the best temperature system was formulated. Under the appropriate temperature system， appropriate foaming agent， flux and foam stabilizer were added， and foam glass was prepared by powder sintering method.

Key words： Waste rock wool; Waste glass; Industrial waste; Additive; Foam glass