粉煤灰质泡沫陶瓷的研制

陈 芳

（杭州民生陶瓷有限公司，杭州311200）

0 引言

粉煤灰作为电厂烟气中收集的微细烟灰，堆置或填埋的粉煤灰其有害组分容易浸出而污染土壤、地下水，并导致水质硬度增加，不但破坏土壤和水体的生态平衡，威胁人类健康的同时也浪费了大量的水资源。所以，如何开发既环保又能大批量利用粉煤灰的新技术，是摆在人类面前的一大难题。粉煤灰具有很强的火山灰活性，用粉煤灰及工业废弃物生产新型墙体材料既可节约土地、利用工业废渣，又能得到质量优良的墙体材料，因此，粉煤灰在新型墙体材料的应用上具有非常广阔的应用前景。

本文对粉煤灰发泡烧制新型块体墙体材料进行了试验研究，研究了发泡剂的种类及用量、硼酸的用量、烧结制度等因素对泡沫陶瓷气孔率、机械强度、体积密度等的影响。然后选择合适的发泡剂，设计合适的原料配方，优化制备工艺，制得具有一定气孔率，并满足相应力学性能的块体状粉煤灰墙体材料。

1 研究内容

1.1 粉煤灰含量对泡沫陶瓷性能的影响

根据各原料的比例及多孔材料配方的范围的化学组成，设定如下制度及配方。烧成制度：以6℃/min升温到600℃再由4℃/min到最高温度1 025℃，保温40 min。其它因素不改变，改变粉煤灰和玻璃粉的含量，设计实验方案见表1。备注：①百分含量均以主要原料总量为基数。②经球磨机磨细的废玻璃和粉煤灰的细度均为100目。

粉煤灰（%）玻璃粉（%）硼酸（%）发泡剂（%）A1 30 70 3 1.5 A2 40 60 3 1.5 A3 50 50 3 1.5 A4 60 40 3 1.5

1.2 发泡剂种类对泡沫陶瓷性能的影响

其它因素不变，仅改变发泡剂的种类，发泡剂选用了硫酸镁、硫酸钠、碳酸钠，添加量均为1.5%。

1.3 发泡温度对泡沫陶瓷性能的影响

配方不变，添加剂不变，烧成制度：先以6℃/min升温到600℃再由4℃/min到发泡温度，保温30 min，4℃/min到最高温1 025℃，保温40 min，改变发泡温度为800℃、850℃、900℃。

1.4 烧成温度对泡沫陶瓷性能的影响

其它因素不变，仅改变烧成温度，改变了烧成温度为1 000℃、1 025℃、1 050℃、1 075℃。

1.5 硫酸钠含量对泡沫陶瓷性能的影响

其它因素不变，仅改变硫酸钠的含量，改变了硫酸钠含量为1.5%、2%、2.5%、3%。

1.6 正交实验

通过探索性实验，可以初步得出这些参数对材料性能的大致影响程度，但各种因素实际上是相互联系的，各种参数之间的关联性和相互影响机制究竟如何，必须通过系统全面的考察，才能获得具有实用价值的工艺方案，基于影响因素多，变化范围宽，仅靠简单的单因素实验不能有效全面地解决问题，因此有必要选择科学实验方法—正交实验，找出主要的影响因素，获得最优方案，正交实验配方见表2。

表2 正交实验配方

2 结果与分析

2.1 粉煤灰含量对泡沫陶瓷性能的影响

粉煤灰用量对墙体材料试块抗压强度、抗折强度、体积密度及吸水率的影响曲线，见图1、2、3。

图1 粉煤灰含量对抗压强度的影响

图2 粉煤灰含量对体积密度的影响

图3 粉煤灰含量对吸水率的影响

从图1、2、3可以看出，随粉煤灰用量的增大、玻璃粉减少，材料的抗压强度、抗折强度均增大，材料的体积密度增大。原因为玻璃粉的作用是提高材料中的玻璃相、降低材料的烧结温度，玻璃相由于它的粘性流动，使它能在粉煤灰颗粒之间的空隙流动，形成以玻璃粉为气孔壁的许多气孔。所以玻璃粉越多，泡沫材料的发泡效果就越佳，材料的体积密度就会降低，材料的强度也会相应变小；相反，玻璃粉越少，泡沫材料的发泡效果就越差，材料的密度就会增大，材料的强度也会相应增大。

2.2 发泡剂种类对泡沫陶瓷性能的影响

由表3可知，产生闭口、均匀气孔的发泡剂有：碳酸镁、硫酸钠，其中选用硫酸钠的产品气孔更均匀，所以选用硫酸钠作为发泡剂。

表3 发泡剂探索实验结果

2.3 发泡温度对泡沫陶瓷性能的影响

由图4、5可得，发泡温度越高，则抗折强度越高，气孔率越低。硫酸钠的分解温度为884℃，在884℃前保温一段时间，可以让材料受热均匀，然后再缓慢发泡到反应完全。而在900℃保温时，已经发生了反应，跑掉了部分气泡，故气孔率下降，抗压强度增加。而硼酸的加入降低了硫酸钠的分解温度，使发泡温度降低了50℃左右。

图4 发泡温度对抗压强度的影响

图5 发泡温度对气孔率的影响

为了更清楚地观察样品的内部组织形式，对实验样品进行剖面，见图6。从图6可以看出，在800℃保温的制品产生了大气孔，发泡不均匀，故出现气孔率较大，抗折强度较小；在900℃保温的制品较致密。故选用发泡保温温度为850℃。

图6 样品形貌图

2.4 烧结温度对泡沫陶瓷性能的影响

图7 烧结温度对制品抗压强度的影响

从图7可知，随着烧结温度的提高，制品的机械强度有上升的趋势，并在1 050℃开始达到饱和。在保证制品具有一定机械强度的情况下，减少能量消耗，而又对制品机械强度影响不大时，选用烧结温度为1 050℃是合理的。

2.5 发泡剂含量对泡沫陶瓷性能的影响

由图8可知，当硫酸钠的用量为2.5%时，气孔率最好。

图8 硫酸钠用量对气孔率的影响

3 结论

（1）以粉煤灰、玻璃粉和瓷粉为主要原料，添加一定量的发泡剂，试制烧结轻质的泡沫陶瓷砖是可行的。

（2）粉煤灰的最大掺加量是47.5%，玻璃粉的最大掺加量是42.5%，瓷粉的最大掺加量是10%，达到了本实验的目的。

（3）用硼酸和硫酸钠作为泡沫陶瓷的发泡剂性能最好。硼酸的掺量是5%，硫酸钠的掺量是2.5%，1 050℃温度下保温40 min，可得到吸水率是0.2%，体积密度是0.645 g/cm3，气孔率71.5%，抗压强度是8.01 Mpa的性能优良的粉煤灰质泡沫陶瓷。

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