廢瓷粉回用瓷質(zhì)磚的研究

李喜宏等

摘 要：本文以廢瓷粉替代瓷質(zhì)磚生產(chǎn)中的瘠性原料制備瓷質(zhì)磚試樣，通過(guò)XRD、SEM、抗彎強(qiáng)度等測(cè)試手段，研究廢瓷粉的理化性能及廢瓷粉含量對(duì)瓷質(zhì)磚試樣燒結(jié)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著廢瓷粉含量的增加，在較低燒成溫度條件下試樣的吸水率逐漸增大，而較高燒成溫度時(shí)無(wú)明顯變化；燒成收縮率及抗彎強(qiáng)度逐漸增加，試樣抵抗高溫變形的能力逐步提高。

關(guān)鍵詞：廢瓷；瓷質(zhì)磚；資源綜合利用

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)建筑陶瓷行業(yè)在迅猛發(fā)展的同時(shí)，產(chǎn)生了大量的固體廢料，不僅擠占土地，污染水源，破壞生態(tài)，同時(shí)還造成了陶瓷資源的極大浪費(fèi)。建筑陶瓷次品及后續(xù)加工工序中產(chǎn)生的廢瓷是最常見(jiàn)的一種固體廢料，其產(chǎn)出量約為產(chǎn)品總量的3 %左右，數(shù)量巨大。由于廢瓷硬度高，回收利用成本較高、工藝復(fù)雜，加之其對(duì)燒成后產(chǎn)品色澤有不良影響等原因，長(zhǎng)久以來(lái)未能得到有效的利用。

利用廢瓷生產(chǎn)陶瓷產(chǎn)品，對(duì)解決廢瓷對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用，保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著十分重要的意義[1]。陶瓷企業(yè)以往對(duì)廢瓷回收利用的途徑主要有以下幾方面：廢瓷粉代替礦物原料在水泥生產(chǎn)中的應(yīng)用 [2-3]，廢瓷粉在釉料中的應(yīng)用[4-6]，廢瓷回收粉碎后在衛(wèi)生潔具生產(chǎn)中的應(yīng)用[7-8]等。廢瓷粉在上述領(lǐng)域中的應(yīng)用不僅可改善產(chǎn)品某些性能，同時(shí)可達(dá)到了變廢為寶、保護(hù)生態(tài)的目的。然而，目前對(duì)廢瓷的回收利用仍存在很多不足之處，如：利用率低、所生產(chǎn)產(chǎn)品附加值較低等，沒(méi)有達(dá)到廢瓷資源綜合利用效益最大化的目的。

在瓷質(zhì)磚生產(chǎn)中引入廢瓷不但可以拓寬廢瓷回收利用的途徑，達(dá)到廢料資源綜合利用的目的，同時(shí)可節(jié)約大量瓷質(zhì)磚生產(chǎn)所用的優(yōu)質(zhì)礦物資源。目前關(guān)于瓷質(zhì)磚中引入廢瓷的研究鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

本文擬采用廢瓷粉替代瓷質(zhì)磚配方中部分瘠性原料制備瓷質(zhì)磚試樣，研究廢瓷粉摻量對(duì)瓷質(zhì)磚性能的影響，為瓷質(zhì)磚生產(chǎn)中有效利用廢瓷提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和應(yīng)用參考。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)采用的原料由廣東天弼陶瓷有限公司提供，均為瓷質(zhì)磚生產(chǎn)中常用的各種原料，上述原料粒度均小于40目。

實(shí)驗(yàn)所用廢瓷粉由某建筑施工工地拋光磚廢瓷片經(jīng)清洗、粉碎過(guò)40目篩后得到。

2.2 試驗(yàn)表征方法

采用荷蘭Panlytical公司Xpert PRO型X射線(xiàn)衍射儀檢測(cè)廢瓷粉物相組成，用NETZSCH STA 449C型綜合熱分析儀測(cè)定廢瓷粉的DSC-TG曲線(xiàn)。德國(guó)ZEISS 公司EVO18型掃描電子顯微鏡對(duì)廢瓷粉形貌進(jìn)行觀察，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3810.3-1999）要求中煮沸法測(cè)定試樣吸水率，采用美國(guó)Instron公司5567 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試樣的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度，用游標(biāo)卡尺測(cè)定試樣燒成前后尺寸并計(jì)算試樣的燒成收縮率。

本實(shí)驗(yàn)試樣高溫變形度測(cè)試方法如下：將試樣置于直角V形耐火磚支座上，經(jīng)高溫煅燒，測(cè)試拱形高度d作為試樣高溫變形度的參考示意圖如圖1所示。

2.3 廢瓷的主要理化性能

2.3.1 廢瓷成份分析

本實(shí)驗(yàn)用廢瓷粉的化學(xué)組成如表1所示。

從表1可知，廢瓷粉化學(xué)成份及含量與普通瓷質(zhì)磚成分相當(dāng)，由于廢瓷屬于燒成后產(chǎn)物，其燒失量（I.L）很小。

圖2為廢瓷的XRD圖譜。從圖2可以看出，廢瓷粉的主要物相為莫來(lái)石相、石英相及玻璃相。此廢瓷粉的化學(xué)組成及礦物組成與普通瓷質(zhì)磚坯體相近，引入一定量廢瓷粉不會(huì)對(duì)瓷質(zhì)磚坯體組成造成不良影響。

2.3.2 廢瓷粉熱分析

圖3為廢瓷粉的DSC-TG曲線(xiàn)。

從圖3中可以看出，廢瓷粉在加熱過(guò)程中無(wú)明顯熱峰出現(xiàn)，即無(wú)明顯理化反應(yīng)發(fā)生，無(wú)揮發(fā)性物質(zhì)生成。80 ℃附近較小吸熱峰可能與廢瓷粉吸附空氣中的水分的揮發(fā)有關(guān)。廢瓷粉加熱過(guò)程中質(zhì)量損失很小，與化學(xué)成分分析結(jié)果一致。

2.3.3 廢瓷粉的顯微形貌

圖4為廢瓷粉形貌圖。

由圖4可知，廢瓷粉為形狀不規(guī)則、多棱角的顆粒狀物質(zhì)，表現(xiàn)為典型的瘠性料特性。

2.4 不同廢瓷含量試樣的制備

在前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，擬采取以廢瓷粉代替瓷質(zhì)磚配方中砂石原料的方式在坯料中引入廢瓷，廢瓷替代量為坯料總量的0～60 wt%（FC0，F(xiàn)C1，F(xiàn)C2，F(xiàn)C3，F(xiàn)C4，F(xiàn)C5，F(xiàn)C6分別代表配方添加0 wt%、10 wt%、20 wt%、30 wt%、40 wt%、50 wt%、60 wt%的廢瓷量），替代后各坯料化學(xué)組成如表2所示。

按配方稱(chēng)取各原料，在行星式球磨機(jī)上進(jìn)行球磨，料：球：水=1： 1.2： 0.48，料漿細(xì)度控制在250目篩篩余≤1.5 %，料漿經(jīng)干燥、成型等工序制備成尺寸約6.2 mm×5 mm×48 mm試樣后，分別在1150 ℃、1180 ℃、1210 ℃、1230 ℃燒成。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 廢瓷粉對(duì)試樣吸水率的影響

試樣在不同溫度下燒成后的吸水率與廢瓷粉含量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。

從圖5可以看出，在1150 ℃時(shí)的較低溫度下，吸水率隨著廢瓷粉含量的增加整體呈增大趨勢(shì)，這是由于廢瓷粉含量的增加使生坯密度降低，進(jìn)而導(dǎo)致試樣在燒成過(guò)程中致密化程度逐漸降低，燒成后表面氣孔率依次升高所致。在1180 ℃以上較高溫度時(shí)，吸水率進(jìn)一步降低，試樣完全燒結(jié)，此時(shí)表面氣孔率不受生坯密度影響，隨著廢瓷粉含量的增加，吸水率無(wú)明顯變化。當(dāng)溫度達(dá)到1230 ℃時(shí)，試樣吸水率略微升高，這與試樣過(guò)燒導(dǎo)致表面氣孔率升高有關(guān)。

3.2 廢瓷粉對(duì)試樣燒成后抗彎強(qiáng)度的影響

研究在不同燒成溫度下，廢瓷含量對(duì)試樣強(qiáng)度的影響，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，不同燒成溫度下，試樣燒成后強(qiáng)度隨著廢瓷粉含量的增加整體呈增加趨勢(shì)。這是由于高溫下廢瓷與其所替代的砂石原料相比，玻璃相含量較低而晶體相含量高，因此隨著廢瓷粉含量增加，試樣內(nèi)結(jié)晶相含量增多而玻璃相含量相對(duì)減少，燒成后試樣抗彎強(qiáng)度逐漸升高。1210 ℃燒成后試樣強(qiáng)度整體降低可能與試樣過(guò)燒產(chǎn)生氣孔及廢瓷顆粒內(nèi)部晶粒局部長(zhǎng)大有關(guān)。

3.3 廢瓷粉對(duì)試樣燒成收縮率的影響

結(jié)合廢瓷粉與試樣吸水率及強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)，研究了1180 ℃燒成試樣的收縮率與廢瓷粉含量的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，試樣收縮率隨廢瓷粉含量的增加而增加，這與生坯密度隨廢瓷粉含量增加而降低，進(jìn)而導(dǎo)致試樣燒成致密化過(guò)程中收縮量增大有關(guān)。

3.4 廢瓷粉對(duì)試樣高溫變形度的影響

不同燒成溫度下廢瓷粉含量對(duì)試樣高溫變形度的影響如圖8所示。

由圖8可知，隨著廢瓷粉含量的增加，試樣抵抗高溫變形能力增強(qiáng)（變形度降低），且在廢瓷粉含量較高范圍（≥30 %）顯示出較強(qiáng)抵抗變形能力。這是因?yàn)?，廢瓷粉與其所替代原料相比，初融溫度較高，無(wú)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，晶體相含量高而玻璃相含量低，因此含廢瓷粉的試樣高溫粘度較高，且隨著廢瓷粉含量的增加而增加。此外，廢瓷經(jīng)過(guò)高溫煅燒，揮發(fā)成分極少，坯體內(nèi)摻入的廢瓷粉在燒成過(guò)程中自身變形量極小。因此試樣抵抗高溫變形的能力隨廢瓷粉含量的增加而增強(qiáng)。

4 結(jié)論

（1） 通過(guò)燒成后試樣收縮率和吸水率分析得到不同廢瓷含量試樣的最佳燒成溫度為1180 ℃。

（2） 對(duì)不同溫度燒成試樣的抗彎強(qiáng)度及抵抗高溫變形能力的研究結(jié)果表明：試樣抗彎強(qiáng)度及抵抗高溫變形能力均隨著廢瓷含量的增加而增加。當(dāng)燒成溫度為1180 ℃時(shí)，廢瓷含量從0 wt%增加到60 wt%時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度由66 MPa增加至79 MPa，變形度由9.9mm降為6.2 mm，且廢瓷含量≥30 %時(shí)，試樣抵抗高溫變形能力提升較快。

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