燒結(jié)透水磚用低溫高強(qiáng)粘結(jié)劑的研制

武曉宇，魏東，王正，鄭林會(huì)，高峰

（太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化的發(fā)展，城市地表被建筑物和各種混凝土等阻水性材料逐漸覆蓋，不透水區(qū)域比例大幅度提高，部分地區(qū)覆蓋率已超過80%[1]。城市的排水能力越來越差，許多城市一經(jīng)暴雨，路面雨水無法快速滲透，很容易造成城市內(nèi)澇。晴天時(shí)也會(huì)造成“熱島效應(yīng)”，降低城市舒適度[2]。因此，為解決城市地表硬化難題，營造高質(zhì)量的自然生活環(huán)境，維護(hù)城市生態(tài)平衡，綠色環(huán)保的新型透水磚應(yīng)運(yùn)而生，并得到了快速發(fā)展[3]。

目前，透水磚從材質(zhì)與生產(chǎn)工藝可以分為2大類：一類為以普通水泥為主要膠結(jié)劑的免燒透水磚[4]；另一類為燒結(jié)透水磚，又稱陶瓷透水磚。陶瓷透水磚按其制備方法又可以分為2種：一種為添加造孔劑法。李國昌等[5]以煤矸石為造孔劑，采用黃金尾礦82%、煤矸石10%、膨潤土8%、外摻0.1%高分子聚合物壓制成型后經(jīng)過1250℃燒成可得性能最佳的陶瓷透水磚。另一種則為顆粒堆積法，即以固體廢棄物赤泥[6]、黃金尾礦[5]、廢棄陶瓷[7-8]等為主要原料，經(jīng)過破碎、篩分后添加無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑，經(jīng)過燒結(jié)后，通過顆粒堆積間的空隙實(shí)現(xiàn)透水。王立久和李如林[9]利用偉晶石為原料制成陶粒與水玻璃混合后經(jīng)壓制成型并于1000℃燒制成磚。目前使用的粘結(jié)劑（水玻璃、樹脂等）雖然可以保證其優(yōu)良的透水性，但是卻存在強(qiáng)度明顯不足的問題。釉料作為一種傳統(tǒng)的粘結(jié)劑，往往只被用于坯體表面，增強(qiáng)其表面硬度及抗腐蝕性或者起到裝飾效果[10]，較少有人用于坯體之間的粘結(jié)來增強(qiáng)強(qiáng)度。

本文旨在研究一種燒成溫度低于900℃的高強(qiáng)度熔塊作為粘結(jié)劑，通過正交試驗(yàn)，制備R2O-RO-Al2O3-B2O3-SiO2系熔塊粘結(jié)劑，經(jīng)過性能測(cè)試分析加入的氧化物等因素對(duì)粘結(jié)劑性能的影響，從而選取最佳配方，通過粘結(jié)劑包裹陶粒的方式填充空心磚，從而提升透水磚的耐磨性及抗壓強(qiáng)度，增加透水磚的使用壽命。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

礦物原料：山西忻州高嶺土（400目）生料、石英粉，化學(xué)組成如表1所示；化工原料：硼砂、硼酸、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鈣、氧化鎂，均為分析純。

表1 礦物原料的化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以高嶺土、石英、硼砂、硼酸、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鈣、氧化鎂為主要原料，制備 R2O－RO－Al2O3－B2O3－SiO2系熔塊粘結(jié)劑，設(shè)計(jì)了L18（37）正交試驗(yàn)，各因素及水平見表2，各配方配料組成見表3。

表2 粘結(jié)劑配方正交試驗(yàn)因素水平

表3 粘結(jié)劑配方的礦物組成 %

1.3 試驗(yàn)步驟

按粘結(jié)劑配方稱取原料100 g，混合均勻，置于SXL－1700箱式電阻爐中以5℃/min升溫至1250℃，保溫30 min，將熔融的玻璃液直接倒入冷水中進(jìn)行水淬，得到的玻璃體即為制備好的熔塊。用GJ－1000型制樣粉碎機(jī)研磨加工成粉。稱取粉料10～12 g，使用SDJ型手動(dòng)式液壓制樣機(jī)在35 MPa保壓5 min的條件下，將粘結(jié)劑壓制成40 mm×15 mm×（7～8）mm的塊體，放置于箱式電阻爐中，以5℃/min升溫至800℃保溫30 min后隨爐冷卻至室溫。

1.4 測(cè)試方法及儀器

采用HKHR－4C灰熔點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)試各個(gè)配方的熔融溫度；采用HX－71顯微硬度儀對(duì)釉塊硬度進(jìn)行測(cè)試；使用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試樣品的彎曲抗折強(qiáng)度；采用德國BRUKER D2 PHASER X射線衍射儀分析釉料的物相組成；采用HITACHI TM3030掃描電子顯微鏡測(cè)試及其微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔融溫度的測(cè)試

將粘結(jié)劑用模具壓制成高20 mm，底邊邊長(zhǎng)7 mm的三角錐體，置于爐中加熱，參照GB 219—2008《煤灰熔融性的測(cè)定方法》測(cè)試灰錐的變形溫度[11]，結(jié)果如表4所示。

表4 釉料配方熔融溫度

SiO2在粘結(jié)劑中形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體，Al2O3在粘結(jié)劑中形成網(wǎng)絡(luò)中間體，是粘結(jié)劑熔融溫度的主要決定因素，Si與Al的熔點(diǎn)比較高，熔融比較困難，含量過高會(huì)影響釉料的熔融溫度偏高；B2O3既可以替代SiO2成為網(wǎng)絡(luò)體，又是一種良好的助溶劑，適量的引入可以降低釉的熔融溫度[12]，但B2O3含量過高，會(huì)由于硼反常，降低釉面的硬度；堿金屬與堿土金屬氧化物為離子型化合物，其鍵能較小，比較容易斷裂，而SiO2為共價(jià)型化合物，Si—O鍵鍵能較大，因此，在釉熔體中，添加堿金屬或堿土金屬氧化物，硅氧四面體中的Si4+會(huì)奪取RO或者R2O 中的氧離子，使 Si—O—Si變成 Si—O+Si—O，從而使原來的Si—O鍵斷裂[13]，進(jìn)而導(dǎo)致釉的燒結(jié)溫度大大降低。在大量基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的前提下，合理使用配比B2O3、Na2O、K2O等氧化物的因素水平，使其正交試驗(yàn)所涉及的配方熔融溫度都在900℃以下，滿足低溫釉的要求，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熔塊釉的燒成溫度1250～1380℃，可大大節(jié)約能耗，降低成本。

2.2 熔塊測(cè)試結(jié)果

用正交表安排試驗(yàn)見表5。方差分析又稱F檢驗(yàn)，方差分析的目的是通過數(shù)據(jù)分析找出對(duì)該事物有顯著性影響的因素以及顯著性影響的最佳水平等?？拐蹚?qiáng)度Rf方差分析表見表6，維氏硬度HV方差分析表見表7。

表5 正交實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 抗折強(qiáng)度方差分析

表7 維氏硬度方差分析

對(duì)表5進(jìn)行直觀分析可知，抗折強(qiáng)度最為優(yōu)良的為4#配方，即高嶺土8.828%，石英40.382%，硼砂22.06%，碳酸鉀4.725%，碳酸鈉2.128%，碳酸鈣18.657%，氧化鎂3.22%，抗折強(qiáng)度達(dá)76.03 MPa；維氏硬度最為優(yōu)良的為11#配方，即高嶺土13.458%，石英34.965%，硼砂22.419%，碳酸鉀3.601%，碳酸鈉4.96%，碳酸鈣18.96%，氧化鎂1.636%，維氏硬度達(dá)7208 MPa。

由方差分析表6與表7可知，對(duì)于抗折強(qiáng)度影響的顯著關(guān)系為：B2O3>CaO>SiO2>MgO>Al2O3>Na2O>K2O。對(duì)于維氏硬度影響的顯著關(guān)系為：CaO>SiO2>K2O>Al2O3>Na2O>MgO>B2O3。其中，CaO與SiO2對(duì)于抗折強(qiáng)度和維氏硬度都有較為顯著的影響。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

對(duì)1#、4#熔塊的XRD、SEM分析分別見圖1、圖2。

圖1 熔塊的XRD圖譜

圖2 熔塊的SEM照片

由圖1（a）可以明顯看出，1#熔塊中無晶體，全部為玻璃體，無晶體生成是該樣品抗折強(qiáng)度不高，硬度偏低的主要原因。由圖2（a）可以清晰的看到，1#熔塊全部為玻璃相。由圖1（b）4#配方（抗折強(qiáng)度最高）的XRD發(fā)現(xiàn)有晶體相CaSiO3出現(xiàn)，雖然在SEM圖2（b）中同樣幾乎為玻璃相，但這可能就是因?yàn)榇罅康牟Ａ鄬aSiO3晶體包裹，從而增強(qiáng)了熔塊的強(qiáng)度。硬度最高的11#配方與4#配方有類似的情況，在XRD中發(fā)現(xiàn)了CaSiO3晶體，而在SEM中只能觀察到玻璃相。

3 結(jié)論

（1）以高嶺土、石英、硼砂、硼酸、碳酸鈉、碳酸鉀、碳酸鈣、氧化鎂為主要原料，可制得熔融溫度在800～900℃的R2ORO-Al2O3-SiO2-B2O3系低溫高強(qiáng)粘結(jié)劑熔塊。

（2）以高嶺土8.828%、石英40.382%、硼砂22.06%、碳酸鉀4.725%、碳酸鈉2.128%、碳酸鈣18.657%、氧化鎂3.22%為配方，釉塊抗折強(qiáng)度可達(dá)76.03 MPa；高嶺土13.458%、石英34.965%、硼砂22.419%、碳酸鉀3.601%、碳酸鈉4.96%、碳酸鈣18.96%、氧化鎂1.636%為配方，釉塊釉面維氏硬度可達(dá)7208 MPa。

（3）玻璃相與CaSiO3晶體的包裹與結(jié)合，對(duì)于熔塊的性能有積極影響，從而提升透水磚的性能。