水淬渣多孔建筑材料制備及其性能實驗分析

摘 要：本文旨在探討水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備方法及其性能。通過選擇CaO-Al2O3-SiO2系統相圖中的硅灰石、鈣鋁黃長石、鈣長石和硅鈣石區域作為基礎相，確定了合理的組分配方。實驗中，通過調整水淬渣與石英砂、碳化硅的比例，研究了不同配方對材料性能的影響，并利用高溫熱臺檢測儀實時監測樣品的溫度與形貌變化，確定了最佳發泡溫度。采用粉末燒結一步法制備多孔陶瓷材料，并通過宏觀形貌和物理性能測試，評估了材料的孔徑分布、體積密度和抗壓強度。結果表明，水淬渣摻量45%、石英砂摻量55%的配方制備的樣品具有均勻的孔徑結構和良好的保溫性能，為建筑保溫材料的應用提供了新的思路。

關鍵詞：水淬渣多孔建筑；材料制備；性能實驗分析文章編號：2095-4085（2025）02-0208-03

0 前言

隨著社會經濟快速發展，建筑行業對新型環保建筑材料的需求日益迫切，而傳統建筑材料在生產過程中伴隨著高能耗、高污染等問題，已無法滿足可持續發展的要求。因此，開發利用工業固體廢棄物制備新型建筑材料，成為實現資源循環利用和環境保護的重要途徑。水淬渣是鋼鐵冶煉過程中產生的一種工業固體廢棄物，其主要成分為硅酸鹽、鋁酸鹽等，具有潛在的膠凝活性，但由于水淬渣顆粒細小、活性較低，直接利用存在一定局限性。近年來，利用水淬渣制備多孔建筑材料成為研究熱點，多孔材料具有輕質、保溫、隔音等優良性能，在建筑領域應用前景廣闊。本文旨在利用水淬渣為主要原料，通過合理的工藝設計，制備出性能優良的多孔建筑材料，并全面剖析其性能。預期研究成果將為水淬渣的高效資源化再利用開辟新途徑，并為新型環保建筑材料的研發提供關鍵技術支撐，兼具深遠的理論價值與實踐意義。

1 水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備及其性能檢測

1.1 材料制備

1.1.1 確定組分配方

在制備水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料時，選擇合適的基礎相是關鍵步驟，本文依據CaO-Al2O3-SiO2系統相圖，這些區域在相圖中具有穩定的化學組成和良好的熱穩定性，適用于制備多孔陶瓷材料。其中，SiO2含量為50%～65%、Al2O3為5%～15%、CaO為15%～25%、MgO為2%～6%、R2O（Na2O/K2O）為5%～15%，可制備出具有不同性能的多孔陶瓷材料。為制備具有優異保溫性能的水淬渣多孔陶瓷材料，需先確定合理的組分配方，根據多孔陶瓷玻璃網絡結構形成條件，SiO2是構成玻璃網絡的主要成分，其比例應超過50%。考慮到水淬渣中本身含有較高的SiO2，因此，可通過調整水淬渣與其他原料的比例來達到這一要求。為了驗證不同配方對材料性能的影響，設立了兩組對比實驗，第一組實驗主要考察水淬渣與石英砂的比例對材料性能的影響，第二組實驗則考察水淬渣與碳化硅的比例對材料性能的影響。具體配方見表1。

1.1.2 發泡溫度

在本實驗中，利用高溫熱臺檢測儀對水淬渣多孔陶瓷樣品進行了溫度與形貌的實時監測，詳細觀察了樣品在不同溫度下的膨脹行為，確定了幾個關鍵的特征點溫度，這些溫度點對應于樣品在特定黏度下的形態變化。為了進一步分析樣品黏度變化，將各特征點溫度與經驗黏度值導入反比例公式，其表達式為：

logη=A+B/（T-T0）

公式中：T表示特征點對應溫度；A、B、T0表示擬合的經驗常數。根據黏度隨溫度變化的曲線，確定了最佳發泡黏度對應的溫度，在液相黏度為04Pas時，泡沫玻璃熱處理效果最佳，樣品氣孔率均勻性滿足行業標準。因此，研究人員將發泡劑和碳化硅實驗發泡溫度設置為887℃和1046℃，不僅能保證樣品在發泡過程中具有適當的黏度，避免過度膨脹或黏度過高，出現嚴重的結構缺陷，還能確保最終制備的多孔陶瓷材料具有良好的保溫性能和力學強度。

為獲得孔徑較為均勻的多孔陶瓷，本實驗參考了前人的研究成果，并結合自身的料性特點，設定各種溫控程序。在升溫階段，將樣品從室溫升溫至400℃，升溫速率為5℃/min，逐步去除樣品中的水分和有機物，避免其快速升溫，導致樣品出現開裂。在保溫階段，將其放置在400℃下保溫30min，主要目的是促使樣品內部的溫度均勻分布，確保水分和有機物充分揮發，從而為后續發泡過程做好準備［1］。在再次升溫階段，從400℃升溫至發泡溫度，升溫速率為10℃/min，發泡溫度是多孔陶瓷形成的關鍵溫度，通過快速升溫可以促進樣品內部氣體的生成和膨脹，形成均勻的孔隙結構。在發泡保溫階段，放在發泡溫度下保溫1h，使樣品內部的氣體充分膨脹，形成均勻的多孔結構。等到發泡保溫結束后，樣品隨爐冷卻至室溫，將其快速冷卻，可防止樣品出現開裂變形問題，確保最終產品的完整性。

在實驗過程中，對比了多種升溫程序對水淬渣多孔陶瓷性能的影響。結果表明，采用升溫保溫再升溫再保溫的程序，可以有效控制孔徑的均勻性，避免因溫度波動導致的孔徑不均勻問題。通過優化升溫速率和保溫時間，得到了孔徑較為均勻、性能優良的水淬渣多孔陶瓷保溫材料。

1.1.3 多孔陶瓷材料制備方法

多孔陶瓷材料制備方法多種多樣，主要包括溶膠-凝膠法、發泡法、粉末燒結法等，每種方法都有其獨特的優勢和適用范圍［2］。溶膠-凝膠法能夠制備出孔徑均勻、結構致密的陶瓷材料，但工藝復雜，成本較高；發泡法通過在材料中引入氣體形成孔隙，制備出的多孔陶瓷具有較高的孔隙率和較低的密度，但孔徑分布不均勻；粉末燒結法則利用粉末顆粒燒結和孔隙形成，制備出具有良好力學性能和保溫性能的多孔陶瓷材料。粉末燒結法是一種較為成熟的制備多孔陶瓷的方法，其基本原理是將原料粉末通過壓制成型后，在高溫下進行燒結，使顆粒之間發生粘結，形成具有一定孔隙結構的陶瓷材料。

在本實驗中，采用粉末燒結一步法制備水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料，具體步驟如下。

（1）根據計算基礎配方比例，稱取適量的水淬渣、粘結劑和其他添加劑。

（2）將稱取的原料放置于球磨機中，設定球磨機的轉速為310轉/min，正、反旋轉各20min，使原料顆粒充分混合，并細化顆粒尺寸，從而為后續燒結過程提供均勻的原料基礎。

（3）將球磨后的配合料從球磨機中取出，噴灑少量純凈水進行混合，進一步增加顆粒之間的粘結力。隨后，將混合料放入模具中，以100千牛（KN）的壓力壓制30s，使混合料成型為具有規定形狀和密度的坯體［3］。

（4）將壓制成型的坯體放入發泡爐中，設定加熱程序，先以較低升溫速率將坯體加熱至發泡溫度，使坯體內部產生氣體，形成孔隙結構。隨后，在發泡溫度下保持一定時間，使孔隙結構穩定，等到其冷卻至與室溫基本相同時，可得到具有多孔結構的泡沫玻璃產品［4］。

1.2 性能檢測

1.2.1 宏觀形貌

為了深入了解水淬渣多孔陶瓷的宏觀形貌特征，對制備的樣品進行切割和顯微觀察。通過切割樣品，發現1-4號樣品在高溫燒結過程中未形成玻璃相，進一步分析表明，這是由于配合料中的硅含量不足，導致黏度降低，未能形成均勻的孔結構。1-3號樣品也存在類似問題，表明硅含量不足是影響材料性能的關鍵因素。相比之下，1-2號和1-1號樣品在高溫燒結過程中表現出較好的性能，這兩個樣品在發泡劑產生氣泡時，形成了均勻孔徑的多孔玻璃陶瓷材料［5］?；谏鲜龇治?，選擇水淬渣摻量45%、石英砂摻量55%的原料配比作為基礎配方，并計劃在后續實驗中進一步優化該配方，以期獲得性能更優的水淬渣多孔陶瓷材料。

通過肉眼觀察和顯微鏡放大觀察，發現樣品中存在大量的大孔和連通孔，孔的形狀不規則，呈現出明顯的非均勻分布特征，這些大孔和連通孔的存在，使得樣品在宏觀上表現出明顯的多孔結構。進一步分析發現，樣品中孔隙的不規則形狀和分布主要源于碳化硅發泡溫度與樣品高溫黏度發泡溫度區間的不匹配，碳化硅作為一種常用的發泡劑，在高溫下能夠產生大量氣體，從而形成多孔結構。但由于碳化硅的發泡溫度與樣品的高溫黏度發泡溫度區間不匹配，導致氣體在樣品中的分布不均勻，無法形成均勻的多孔材料。具體表現為部分區域氣體聚集形成大孔，而其他區域則因氣體不足而形成較小的孔隙，最終導致樣品整體孔隙結構的不規則性。此外，還觀察到2-3號和2-4號樣品存在明顯的燒結現象，燒結是指在高溫下，樣品中的顆粒通過表面擴散和體積擴散相互結合，形成致密的結構。燒結現象的出現表明樣品中的硅含量不足，無法形成具有高溫黏度的玻璃相，玻璃相在高溫下具有較高的黏度，能夠有效抑制顆粒的擴散和結合，從而保持多孔結構的穩定性。然而，由于硅含量不足，樣品在高溫下無法形成足夠的玻璃相，導致顆粒間的結合加劇，最終形成燒結現象。

1.2.2 物理性能

在本次實驗中，通過對水淬渣多孔陶瓷樣品的宏觀形貌進行觀察，全面了解了不同發泡劑對樣品孔徑結構的影響［6］。在實驗中，分別采用了碳化硅和工業純堿作為發泡劑，制備了兩組樣品。在碳化硅為發泡劑的實驗中，樣品宏觀形貌顯示孔徑分布不均勻，部分區域孔徑較大，部分區域孔徑較小，且孔壁較薄，存在明顯的孔徑不均現象。主要原因是碳化硅在高溫下分解產生的氣體量不穩定，導致孔徑分布不均勻［7］。且碳化硅分解產物與水淬渣中的硅酸鹽發生反應，影響了孔壁的形成，進一步加劇了孔徑不均的問題，表明工業純堿在高溫下分解產生的氣體量較為穩定，能夠均勻地分布在樣品中，從而形成均勻的孔徑結構。此外，工業純堿的分解產物與水淬渣中的硅酸鹽反應，生成了均勻的玻璃相，增強了孔壁的強度，進一步提高了孔徑結構的穩定性［8］。

2 結語

綜上所述，本文通過系統地探討水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備方法及其性能，成功制備出具有優異保溫性能和力學強度的多孔陶瓷材料。實驗結果表明，合理選擇基礎相和優化組分配方是制備高性能多孔陶瓷材料的關鍵。通過高溫熱臺檢測儀的實時監測，確定了最佳發泡溫度，可確保材料的孔徑均勻性和結構穩定性。采用粉末燒結一步法制備的多孔陶瓷材料，其宏觀形貌和物理性能均達到了預期目標，特別是以工業純堿為發泡劑制備的樣品，其孔徑分布均勻，體積密度和抗壓強度適中，符合建筑保溫材料的要求。本文為水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的進一步研究奠定了基礎，具有重要的理論和實踐意義。

參考文獻：

［1］康旭峰.粉煤灰/廢磚基多孔建筑材料制備及性能研究［D］.內蒙古：內蒙古科技大學，2022.

［2］楊寒羽，黃先奇，唐鳴放，等.多孔建筑材料液態水擴散系數的簡化預測方法［J］.建筑科學，2022，38（4）：37-43.

［3］李冰，孟慶林.鹽霧環境多孔建筑材料加速風化試驗方法綜述［J］.混凝土，2021（11）：6-9.

［4］姜量.粉煤灰/廢磚粉制備多孔建筑材料的技術要點探究［J］.科技創新與應用，2024，14（15）：112-115.

［5］雷玥，楊寒羽，張宇，等.多孔建筑材料熱濕物理性質測試方法與現狀綜述［J］.建筑科學，2021，37（2）：165-173，184.

［6］王文卓.試件尺寸及測試條件對多孔建筑材料毛細吸水系數的影響研究［D］.陜西：西安建筑科技大學，2021.

［7］馮馳.X射線衰減法測定多孔建筑材料液態水擴散系數［J］.建筑科學，2020，36（12）：140-144.

［8］任達.水淬渣多孔建筑材料制備及其性能實驗研究［D］.內蒙古：內蒙古科技大學，2021.

作者簡介：宋磊（1982—），男，漢族，安徽肥東人，大學本科，工程師。研究方向：建筑材料檢驗檢測。