凝灰?guī)r一次燒結(jié)仿花崗巖釉面泡沫陶瓷保溫裝飾材料的研究＊

孫福平 董艷輝 唐 非 劉冰潔 劉旭丹 孫立營(yíng) 鄧家平

（吉林省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院 長(zhǎng)春 130062）

凝灰?guī)r一次燒結(jié)仿花崗巖釉面泡沫陶瓷保溫裝飾材料的研究＊

孫福平 董艷輝 唐 非 劉冰潔 劉旭丹 孫立營(yíng) 鄧家平

（吉林省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院 長(zhǎng)春 130062）

以凝灰?guī)r為主要原料，加入發(fā)泡劑、助溶劑等形成發(fā)泡保溫層（上層），以微晶玻璃顆粒為釉面層（下層），在1 050～1 100℃發(fā)泡、熔融，一次燒結(jié)形成仿花崗巖、大理石釉面泡沫陶瓷保溫、裝飾材料，具有保溫裝飾雙重功能。發(fā)泡保溫層密度為300～500㎏/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.7～0.12W/m·K、抗壓強(qiáng)度為5～10MPa，釉面層裝飾效果獨(dú)特，可與花崗巖、大理石相媲美?？捎糜诮ㄖ飪?nèi)外墻、公園建筑小品等的保溫與裝飾，為凝灰?guī)r資源的合理開發(fā)利用開辟了新途徑。

凝灰?guī)r 花崗巖 泡沫陶瓷 微晶玻璃 釉面

前言

目前，高檔外墻裝飾材料以花崗巖石為主。其拋光面如鏡面，紋理碧透，豪華典雅；噴砂毛面淳樸莊重。施工方法多以鋼龍骨干掛的形式裝于外墻。能與花崗巖石相媲美的人造材料是微晶玻璃（微晶石），施工方法也基本相同。其不足是施工成本較高，不具備保溫性能。因此需要研制出一種既具有與花崗巖、大理石相媲美的裝飾效果、又有保溫性能、施工成本低的人造新材料。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，經(jīng)過深入研究，以凝灰?guī)r為基本原料（發(fā)泡保溫層），以微晶玻璃顆粒為面層，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。凝灰?guī)r在吉林省白山市儲(chǔ)量豐富，是火山沉積巖的一種，也稱火山碎屑巖。目前，凝灰?guī)r資源在吉林省基本沒有得到開發(fā)利用。凝灰?guī)r在1 160～1 200℃可熔融成多孔玻璃陶瓷發(fā)泡體，故可利用其相對(duì)熔點(diǎn)較低、燒失較小等特點(diǎn)研制泡沫陶瓷。還可在基層發(fā)泡體上一次燒結(jié)微晶玻璃釉面，經(jīng)拋光可具有花崗巖石如鏡紋理碧透、不拋光的自然毛面的淳樸莊重，能與花崗巖石相媲美。泡沫陶瓷產(chǎn)品具有保溫、裝飾雙重功能，可用于建筑物內(nèi)外墻、公園建筑小品等的保溫與裝飾，特別是適合外墻保溫與裝飾。所研究的產(chǎn)品已經(jīng)過廠家的擴(kuò)大中試，利用微晶玻璃的晶化窯及內(nèi)燃煤矸石燒結(jié)磚隧道窯成功燒制。為今后研究成果應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為凝灰?guī)r資源的合理開發(fā)利用開辟了一條新途徑。

1 凝灰?guī)r特性

1.1 礦點(diǎn)選擇及物理特性

吉林省白山市及周邊地區(qū)凝灰?guī)r資源分布廣、礦點(diǎn)多。據(jù)勘察和取樣初燒，板石礦礦點(diǎn)距離市區(qū)最近，交通方便、儲(chǔ)量豐富，所以本項(xiàng)目主要以板石礦凝灰?guī)r為研究對(duì)象。板石礦凝灰?guī)r外觀呈灰綠色，風(fēng)化后顆粒直徑在30mm以下，水浸后可逐漸粉化，莫氏硬度≤3。

1.2 化學(xué)成分分析

表1 凝灰?guī)r化學(xué)成分分析（質(zhì)量%）

1.3 燒成特性

取直徑為15mm的試樣在高溫爐內(nèi)燒成，在不同的溫度下取樣結(jié)果如表2所示。

燒成溫度達(dá)1 140℃時(shí)開始軟化，液相增加；1 160～1 200℃開始逐漸發(fā)泡，且氣孔呈圓孔封閉狀，吸水率小；1 230～1 250℃氣孔增大，有破孔出現(xiàn)，吸水率增大。

表2 板石凝灰?guī)r礦在不同的溫度下燒成特性

2 凝灰?guī)r釉面泡沫陶瓷總體研究思路

通過對(duì)板石凝灰?guī)r礦在不同的溫度下燒成特性的研究，考慮到工業(yè)化生產(chǎn)的可行性，最終確定最佳發(fā)泡溫度為1 050～1 100℃，發(fā)泡孔徑為0.8～2.0mm，在此溫度下釉面層達(dá)到最佳熔融結(jié)晶狀態(tài)，與發(fā)泡層料性相匹配。以反鋪料的工藝（釉面層料鋪在底層、發(fā)泡層料鋪于釉面層之上）燒結(jié)形成毛坯，使得釉面平滑。經(jīng)切割、拋光形成仿花崗巖鏡面；經(jīng)切割、不拋光形成仿花崗巖毛面。

3 凝灰?guī)r釉面泡沫陶瓷

3.1 泡沫陶瓷基層（發(fā)泡保溫層）

3.1.1 助熔劑

為使最佳發(fā)泡溫度為1 050～1 100℃，發(fā)泡孔徑為0.8～2.0mm，須加入一定量的助熔劑。助溶劑主要是廢玻璃，加入量為25%～35%，隨著助熔劑用量的增加，可顯著降低配合料的熔融點(diǎn)。

3.1.2 發(fā)泡機(jī)理與發(fā)泡劑用量

以含碳化合物為發(fā)泡劑，產(chǎn)品可在1 000℃以上釋放出CO或CO2氣體，使軟化的陶瓷體（玻璃體）內(nèi)部均勻發(fā)泡從而體積膨脹。調(diào)整發(fā)泡劑的用量，可控制發(fā)泡體的密度。通過制訂合理溫度制度，可使陶瓷體（玻璃體）制品內(nèi)部形成直徑為0.8～2.0mm均勻密閉氣泡。發(fā)泡劑用量范圍為0.2%～2.0%。發(fā)泡劑與產(chǎn)品密度的關(guān)系如表3所示。

表3 發(fā)泡劑與產(chǎn)品密度關(guān)系

3.1.3 抗氧化劑機(jī)理與作用

考慮到工業(yè)生產(chǎn)時(shí)升溫時(shí)間較長(zhǎng)（9～15h），需在配合料中引入抗氧化劑，以保證在升溫階段配合料所含的發(fā)泡劑不被氧化?？寡趸瘎┚哂休^強(qiáng)的超前助熔作用和網(wǎng)絡(luò)作用，包裹物料，使發(fā)泡劑氧化過程非常緩慢，避免發(fā)泡劑氧化失效，以保證發(fā)泡體的發(fā)泡質(zhì)量?？寡趸瘎┯昧繛?.5%～6.0%。在配料中抗氧化劑和助熔劑須按比例配合使用?？寡趸瘎⒅蹌┡c發(fā)泡溫度關(guān)系如表4所示。

表4 抗氧化劑、助溶劑聯(lián)合使用時(shí)與發(fā)泡溫度關(guān)系

3.2 基本配方及溫度制度

3.2.1 快速發(fā)泡工藝

快速發(fā)泡工藝適用條件為從升溫至發(fā)泡結(jié)束應(yīng)在5 h以內(nèi)完成，采用快速發(fā)泡工藝的產(chǎn)品生產(chǎn)成本較低。溫度制度：常溫～950℃升溫時(shí)間為130～150min；950℃恒溫時(shí)間為30～40min；950～1 080℃升溫時(shí)間為30～50min；1 080℃恒溫時(shí)間為50～60min，而后自然降溫退火至50～80℃出爐，整個(gè)工藝過程為20～24h。快速發(fā)泡工藝配方范圍如表5所示。

3.2.2 慢速發(fā)泡工藝

慢速發(fā)泡工藝適用條件為從升溫至發(fā)泡結(jié)束時(shí)間為9～15h，主要是為滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，既適合微晶玻璃燒結(jié)窯，也適合內(nèi)燃煤矸石隧道窯的溫度制度。溫度制度：常溫～1 080℃升溫時(shí)間為9～15h；1 080℃恒溫時(shí)間為1～2h；而后自然降溫至50～80℃出爐，整個(gè)工藝過程為24～30h（中試廠為35～40h）。慢速發(fā)泡工藝配方表如5所示。

表5 發(fā)泡保溫層工藝配方

3.3 微晶玻璃釉面層

3.3.1 微晶玻璃釉面形成機(jī)理

微晶玻璃也稱結(jié)晶玻璃，本研究選用的微晶玻璃面層主要以硅灰石（β—CaO·SiO2）為主晶相，它具有強(qiáng)度高、抗磨損、耐腐蝕、耐風(fēng)化、不吸水等優(yōu)良性能，且以硅灰石（β—CaO·SiO2）為主晶相，收縮小，與凝灰?guī)r泡沫陶瓷在高溫下結(jié)合效果最佳。微晶玻璃顆粒在燒結(jié)過程中的結(jié)晶機(jī)理是“成核—生長(zhǎng)”，結(jié)晶自表面向內(nèi)部延伸如圖1所示。

圖1 仿花崗巖微晶玻璃燒結(jié)晶化示意圖

3.3.2 微晶玻璃釉面層制備

按微晶玻璃配方要求，混合均勻后置于瓷砵內(nèi)，再將其置于高溫爐內(nèi)，經(jīng)1 450℃熔融，出爐水淬至5mm以下待用。

3.4 微晶玻璃釉面泡沫陶瓷的形成

微晶玻璃釉面系列分為拋光釉面和毛面系列。將微晶玻璃顆粒鋪于模具內(nèi)底層，料層厚度為4～5mm，壓平后鋪塑料薄膜，再壓平（塑料薄膜的作用是防止發(fā)泡料滲入微晶玻璃層內(nèi)），鋪發(fā)泡層料（厚度為30～35mm）壓平。入爐燒結(jié)、結(jié)晶、發(fā)泡，冷卻出爐后進(jìn)行切磨、拋光，即為拋光微晶釉面，由結(jié)晶形成的晶花可與天然拋光花崗巖石板相媲美；不拋光的為毛面釉面，與花崗石毛石板相似。改變微晶玻璃顆粒的顏色比例可變化出多種晶點(diǎn)花紋。使用的模具：以碳化硅板或堇青石板為底板，不銹鋼為邊模，以0.7～1.0mm厚度的陶瓷纖維紙為隔離劑。燒成后毛坯厚度為70～100mm，切磨后成品厚度為50～80mm。拋光釉面樣品實(shí)物圖見圖2、毛釉面樣品實(shí)物圖見圖3。

圖2 拋光釉面樣品圖

圖3 毛釉面樣品圖

4 泡沫陶瓷樣品主要性能（見表6）

表6 泡沫陶瓷樣品主要技術(shù)性能指標(biāo)

5 泡沫陶瓷中試情況

在內(nèi)蒙古赤峰華孚建材工業(yè)有限公司和吉林省光大集團(tuán)九臺(tái)分公司分別進(jìn)行了中試。

內(nèi)蒙古赤峰華孚建材工業(yè)有限公司使用的是180 m3梭式窯，以液化天然氣為燃料。晶化窯溫度制度：升溫開始至晶化點(diǎn)溫度（1 080～1 100℃）時(shí)間為10h；1 080～1 100℃恒溫時(shí)間為1h；然后自然降溫至80～60℃出窯，整個(gè)工藝過程為35～40h。

吉林省光大集團(tuán)九臺(tái)分公司，該公司6 000萬標(biāo)塊生產(chǎn)線的窯長(zhǎng)為144.6m，窯內(nèi)寬為4.6m（燒結(jié)煤矸石磚隧道窯），為內(nèi)燃燒結(jié)方式?？招拇u溫度制度：入窯升溫至1 050～1 080℃恒溫，升溫時(shí)間為10～11h，1 050～1 080℃恒溫時(shí)間為3h，開始降溫至100℃出窯，降溫的時(shí)間為12～15h，總燒成時(shí)間為25～30h。

隧道窯雖然上下溫差較大，但僅在隧道窯最上層放一層試驗(yàn)樣品，該位置相對(duì)溫差較小。由于該隧道窯采用內(nèi)燃方式，具有一定的還原氣氛，有利于發(fā)泡。試驗(yàn)的5個(gè)密度等級(jí)樣品均較理想，尤其是抗凍性比其它窯爐燒成樣品的性能指標(biāo)更好。

6 應(yīng)用試驗(yàn)及成本比較

天然花崗巖、大理石：其一般售價(jià)為120～150元/m2，鋼龍骨材料及安裝費(fèi)用為80～100元/m2，干掛大理石人工費(fèi)為100～130元/m2，總成本為300～380元/m2；鋼龍骨施工需占用150～200mm安裝空間，在100 m長(zhǎng)度墻面需多占地15～20m2；無保溫性能。

微晶玻璃釉面泡沫陶瓷制品：經(jīng)測(cè)算其擬定售價(jià)為100～130元/m2，瓷磚粘結(jié)劑（或普通1∶2.5水泥陶砂砂漿）材料費(fèi)為10～20元/m2，施工費(fèi)為25～30元/m2，總成本為140～180元/m2；施工不需要占用安裝空間，所以在100m長(zhǎng)度墻面可節(jié)約占地面積15～20m2；具有一定的保溫性能，若泡沫陶瓷保溫層計(jì)厚度為50 mm，按導(dǎo)熱系數(shù)為0.1W/m·K，可增加墻體熱阻0.5（m2·K）/W。我們采用微晶玻璃釉面泡沫陶瓷樣品進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，用1.0∶2.5水泥陶砂砂漿將試樣粘貼于我院外墻，經(jīng)8個(gè)冬季的考驗(yàn)?zāi)壳叭酝旰谩?/p>

7 結(jié)論

1）以凝灰?guī)r為主要原料，加入助熔劑、發(fā)泡劑、抗氧化劑，在1 050～1 100℃形成泡沫陶瓷（保溫層密度為300～600kg/m3），一次焙燒上釉面而形成釉面泡沫陶瓷系列產(chǎn)品，為凝灰?guī)r資源的合理開發(fā)利用開辟了新途徑。

2）以水淬微晶玻璃顆粒置于發(fā)泡層之下，可一次焙燒發(fā)泡制成微晶玻璃釉面系列保溫裝飾材料這一主要工藝方法可行；所形成的凝灰?guī)r釉面泡沫陶瓷裝飾效果可以與天然花崗巖、大理石相媲美；與相應(yīng)主墻體材料相復(fù)合可達(dá)到一定的節(jié)能要求。

3）凝灰?guī)r釉面泡沫陶瓷具有強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)，施工成本低，生產(chǎn)方便快捷。

4）根據(jù)小試和中試確定了可行的工業(yè)化生產(chǎn)工藝和實(shí)用爐型，即以現(xiàn)有微晶玻璃的晶化窯多層燒制或以內(nèi)燃式燒結(jié)多孔（空心）磚隧道窯單層燒制，窯爐稍加改進(jìn)均可燒結(jié)產(chǎn)品。

1 張金青.利用粉煤灰生產(chǎn)建筑用微晶玻璃.粉煤灰，2004（2）；48

Research on Sintering Granite Imitation Paints Foamy Ceramics Glaze Heat－Preservation and Decorate Material with Tuff at a Time

Sun Fuping，Dong Yanhui，Tang Fei，Liu Bingjie，Liu Xudan，Sun Liying，Deng Jiaping（Academy of Industrial Design on Building Materials of Jilin Province，Changchun，130062）

The foamy porcelainous heat insulator also has the function of decoration.It is granite imitation paints marmorean glaze material.It is mainly sintered with tuff，joining vesicant and latent solvent to accomplish foamy insulating course，with the glaze of microlite glass kernel，foaming and melting at 1 050～1 100℃.The density of the foamy insulating course is 300～500kg/m3，while the coefficient of heat conductivity being 0.7～0.12W/m·K，and pressive strength is 5～10MPa.The decorative effect of glaze is unique and as good as granite－marble.The material can be used to heat－preservation and decorate such as interior and exterior wall of the building and park building，it open up a new way for rational exploitation of tuff resources.

Tuff；Granite；Foamy ceramics；Microlite glass；Glaze

174.75

B

1002－2872（2011）09－0014－04

鄧家平（1955－），教授級(jí)高工；主要從事泡沫玻璃、泡沫陶瓷等研究。E－mail：djp100@126.com