粉煤灰細(xì)粉添加量對多孔莫來石材料的影響

胡其國 程衛(wèi)桃 馬 嵐 邵 晴 李 濟(jì)

江西陶瓷工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西景德鎮(zhèn) 333001

莫來石（3Al2O3·2SiO2）作為鋁硅酸鹽體系中唯一穩(wěn)定的化合物，具有耐酸堿性能優(yōu)異，熱膨脹系數(shù)、比熱容和熱導(dǎo)率較低，體積密度小，抗熱震性好等優(yōu)點(diǎn)，以其為主晶相的材料被廣泛應(yīng)用在高溫隔熱、過濾、催化劑載體、離子交換等領(lǐng)域［1-3］。

粉煤灰是燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的一種主要固體廢棄物，也是我國年排放量以及堆放量最大的工業(yè)廢棄物之一，且每年的排放量呈上升的趨勢［4-5］。它的大量堆放不僅占用了大量的農(nóng)田、山林，而且還影響了地下的水質(zhì)、土壤，對環(huán)境造成了破環(huán)，因而加快對粉煤灰的綜合利用尤為必要。雖然我國對粉煤灰的資源化利用率在逐年提高，但發(fā)展緩慢，尤其是對其進(jìn)行高附加值的研究及其應(yīng)用較少。

從顆粒形態(tài)來看，粉煤灰主要由呈球形外觀的富鐵微珠、沉珠、漂珠及其不規(guī)則顆粒、殘?zhí)嫉冉M成；其物相組成主要為石英、莫來石、鉀長石和玻璃相；其化學(xué)組成主要為SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，另含有少量的K、Na、Mg、Ti、P、S等［6-9］。這為利用廢棄物粉煤灰合成輕質(zhì)的莫來石陶瓷材料提供了可能。鑒于此，本研究選取粉煤灰中的球形漂珠作為硅源，并外加一定量的鋁源合成輕質(zhì)的莫來石材料，以粉煤灰細(xì)粉作為填充劑，優(yōu)化其顯微結(jié)構(gòu)，提高粉煤灰的高附加值研究與綜合利用水平。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

粉煤灰來源于景德鎮(zhèn)青塘發(fā)電廠。對其進(jìn)行過篩、漂洗、打撈、干燥、分級等一系列工藝預(yù)處理，選取出漂珠備用，對預(yù)處理過后的粉煤灰進(jìn)行研磨、過250目（0.063μm）篩得到粉煤灰細(xì)粉備用。試驗(yàn)用氫氧化鋁、V2O5和AlF3均為化工原料，使用前過200目（0.074μm）篩備用。PVA溶液的配制：稱取5 g聚乙烯醇-2000，密封溶解在95 mL去離子水中，加熱至90℃，磁力攪拌2 h。

按m（漂珠）∶m（氫氧化鋁）∶m（V2O5）∶m（AlF3）=45∶55∶4∶3的配比配制一定量的混合料，記為A4。在A4的基礎(chǔ)上，按每100 g混合料A4分別添加5、10、20、30 g粉煤灰細(xì)粉的比例配制M5、M10、M20、M30四種混合料，并充分混勻。在混勻后的上述五種混合料中，按每100 g混合料噴灑5 mL的比例噴灑PVA溶液，充分?jǐn)嚢?，再陳? h，然后采用擠制成型得到?1.5 cm×3 cm的試樣素坯。將試樣素坯置于馬弗爐中，以5℃·min-1的平均升溫速率加熱到1 100℃，恒溫2 h后隨爐冷卻至室溫。試樣編號(hào)同混合料編號(hào)。

1.2 試樣表征

試樣的物相組成與顯微形貌分別采用德國Bruker AXSD8-Advance型X射線衍射儀和日本生產(chǎn)的FEJSM-6700F型掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢測和觀察。試樣的體積密度ρb和氣孔率按照GB／T 2997—2000測定，并根據(jù)公式（1）計(jì)算試樣的總氣孔率π：

其中莫來石的真密度ρt為3.16 g·cm-3。采用萬能試驗(yàn)機(jī)按照GB／T 1964—1996測試試樣的耐壓強(qiáng)度。采用鼓風(fēng)吹冷的方式檢測試樣的抗熱震性能：將燒后試樣在1 000℃保溫20 min，迅速取出用鼓風(fēng)機(jī)吹冷風(fēng)5 min；重復(fù)上述操作3次，然后采用萬能試驗(yàn)機(jī)測定試樣的殘余耐壓強(qiáng)度，并計(jì)算耐壓強(qiáng)度保持率（熱震后殘余耐壓強(qiáng)度／熱震前耐壓強(qiáng)度×100%）。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的性能

粉煤灰細(xì)粉添加量對試樣總氣孔率、開口氣孔率、閉口氣孔率和體積密度的影響見圖1。從圖1可知：隨著粉煤灰細(xì)粉添加量的增多，試樣總氣孔率和開口氣孔率呈減小趨勢，體積密度呈增大趨勢。隨著粉煤灰細(xì)粉添加量增多，試樣的閉口氣孔率呈先增大后減小的變化趨勢，試樣M10的閉口氣孔率最大。

圖1 試樣的氣孔率和體積密度Fig.1 Porosity and bulk density of specimens

試樣熱震前后的耐壓強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度保持率見圖2?？梢钥闯觯?）隨著粉煤灰細(xì)粉添加量的增加，試樣熱震前的耐壓強(qiáng)度呈逐漸增大的趨勢。2）從試樣A4到試樣M10，耐壓強(qiáng)度保持率從55.17%增大到85.63%；繼續(xù)增加粉煤灰細(xì)粉，試樣的耐壓強(qiáng)度保持率則持續(xù)降低，試樣M30的耐壓強(qiáng)度保持率僅為62.16%。

圖2 試樣抗熱震前后的耐壓強(qiáng)度及耐壓強(qiáng)度保持率Fig.2 Compressive strength of specimens before and after thermal shock test and residual strength ratio

2.2 試樣的物相組成和顯微結(jié)構(gòu)

試樣的XRD圖譜見圖3?？梢钥闯觯何刺砑臃勖夯壹?xì)粉的試樣A4由純莫來石相組成，而添加了粉煤灰細(xì)粉的試樣在2θ角為27°附近均檢測到了石英相的衍射峰，并且石英相衍射峰強(qiáng)度隨粉煤灰細(xì)粉添加量的增加呈逐漸增強(qiáng)的趨勢。

圖3 試樣的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of the samples

試樣斷面的SEM照片見圖4?？梢钥闯觯涸嚇覣4中的針狀莫來石晶體比較均勻；而添加粉煤灰細(xì)粉的試樣中，局部區(qū)域的莫來石晶體呈簇狀生長，試樣M30中有明顯的高溫熔體凝結(jié)的痕跡。

圖4 試樣的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM pictures of different specimens

2.3 分析討論

在原料混合階段，引入的粉煤灰細(xì)粉填充在漂珠顆粒的間隙中。粉煤灰中含有一定量的玻璃相，高溫煅燒過程中形成的液相能促進(jìn)莫來石化反應(yīng)的進(jìn)行，促進(jìn)莫來石晶體的形成和生長，并填充、堵塞部分氣孔，使試樣的開口氣孔率和總氣孔率減小，體積密度增大。

對于多孔陶瓷材料，在物相組成、晶體形貌相差不大的情況下，其氣孔率越小，耐壓強(qiáng)度則越大。此外，針狀莫來石晶體的相互穿插、交織也會(huì)增大材料的耐壓強(qiáng)度。

閉口氣孔率增大，氣孔之間的連通性變差，材料在受到應(yīng)力時(shí)不易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此抗熱震性提高［10］，同時(shí)對提高耐壓強(qiáng)度也有一定作用。

粉煤灰主要由石英、莫來石和玻璃相組成。隨著粉煤灰添加量的增多，引入的石英也相應(yīng)增多，參與莫來石化反應(yīng)后富余的石英也增多。

圖4中不均一的莫來石形貌變化以及局部區(qū)域的莫來石呈簇狀生長應(yīng)為粉煤灰細(xì)粉參與了莫來石的合成所致，類似的現(xiàn)象在羅婷等［11］的研究中也有報(bào)道。

3 結(jié)論

（1）隨著粉煤灰細(xì)粉添加量的增加，試樣的總氣孔率和開口氣孔率逐漸減小，體積密度和耐壓強(qiáng)度逐漸增大，閉口氣孔率和抗熱震性能呈先增大后減小的變化趨勢。

（2）試樣M10的綜合性能最佳，開口氣孔率為62.20%，閉口氣孔率為13.45%，總氣孔率為75.65%，體積密度為0.76 g·cm-3，耐壓強(qiáng)度為16.7 MPa，熱震后耐壓強(qiáng)度為14.3 MPa，耐壓強(qiáng)度保持率為85.63%。