利用煤矸石及废瓷片制备泡沫陶瓷及 其导热性能的研究

王超男，胡新萍，任涛，姜威(山西工程技术学院 建筑与土木工程系，山西 阳泉 045000)

0 引言

在我国，由于人口增长和城市化进程，能源消费一直在快速增长，建筑能耗达35%之高。而且随着人民生活水平的逐步提高，对住宅的舒适度要求也越来越高，建筑能耗必将进一步大幅度增加。值得注意的是，建筑墙体结构传热所产生的能耗约占建筑总能耗的 8～25%，已成为主要的建筑能耗之一。因此，研究开发建筑节能技术与设备和墙体绿色节能建材等显的尤为重要。

长期以来，我国的能源消费结构仍是以煤炭为主，煤矸石是煤炭开采过程中的主要废弃物，因此排放量非常大。我国每年煤矸石产量居全世界首位，据统计，我国煤矸石堆积量已超过50 亿吨，且每年仍以1.5～2 亿吨增长。煤矸石向环境中释放有害气体，严重影响大气环境，向地下渗透重金属离子等有害物质污染水源，长期堆积还会侵占大量土地资源，且导致土壤盐渍化。

泡沫陶瓷是一类具有广泛用途的陶瓷材料[1]，其孔隙率较高，体积密度小；同时陶瓷材料特有耐高温、耐腐蚀等性能，是一种新型的墙体保温材料[2]，制备工艺以黏土、石英砂为原料，加以发泡剂，在高温下烧结而成。因此利用工业固体废弃物和泡沫陶瓷相似的主要原料成分，来制备墙体保温泡沫陶瓷材料是废弃物资源化利用的有效途径之一。吕瑞芳等[3]利用煤矸石和玻璃粉，采用发泡法制备出了多孔泡沫陶瓷材料，该研究发现烧结温度对材料的表观密度、抗压强度及吸水率有显著的影响。同时热导率随表观密度的降低而减小。杨涛等[4]利用煤矸石为主要原料，活性炭粉充当造孔剂，聚乙烯醇溶液为结合剂，在1 400 ℃下烧结制备堇青石多孔陶瓷。 研究发现当造孔剂加入量为5%时，抗压强度达到29.1 MPa。胡明玉等[5]以煤矸石和其他煤炭伴生页岩为主要原料，陶瓷厂生产的废弃抛光渣为造孔剂，滑石为助熔剂，在1 200 ℃下烧结制备出孔抗压强度大于12 MPa的多孔陶瓷。谷玲钰等[6]用煤矸石、粉煤灰和木屑制备出了多孔陶瓷，研究表明木屑含量会影响孔隙率，随着烧结温度的增加，最大抗压强度可达55.13 MPa。

本文利用煤矸石和当地陶瓷厂生产的陶瓷废料为主要原料，加入碳化硅作为造孔剂，在高温下合成出了煤矸石泡沫陶瓷，研究了不同的烧成温度对煤矸石泡沫陶瓷孔结构、抗压强度、显气孔率及导热性能的影响。

1 试验

1.1 原材料和煤矿废弃物泡沫陶瓷的制备

试验所用的煤矸石取自山西省阳泉市新景煤矿，其主要矿物组成为二氧化硅和氧化铝；废弃陶瓷片取自山西省阳泉市平定县莹玉陶瓷；滑石粉来自原材料市场，在其中起助熔剂的作用；碳化硅为造孔剂，购自国药试剂公司；PVA购自国药试剂公司，起粘结剂的作用。

将破碎球磨后的煤矸石过100目筛，在800 ℃煅烧2 h后备用。再将废弃陶瓷片破碎球磨后过100目筛。秤取煅烧后的煤矸石粉30 g，废弃陶瓷片10 g，滑石粉5 g，碳化硅5 g，在行星式球磨机中球磨1 h,使得原料充分混合。秤取3 g球磨好的混合粉末于研钵中，加入1 mLPVA溶液，然后充分研磨使其混合均匀。之后在液压式压片机上以5 MPa的压力干压成型制得陶瓷生坯，尺寸大小为10×10×20 mm。将压制好的样品放置在马弗炉中以10 ℃/min的升温速率上升至900 ℃，保温30 min，再以5 ℃/min的升温速率分别上升至1 020 ℃、1 030 ℃、1 040 ℃、1 050 ℃、1 060 ℃，保温60 min后随炉冷却即可得到泡沫陶瓷。

1.2 性能测试

采用X-射线荧光分析仪对煤矸石及废弃陶瓷的成分进行了分析；利用阿基米德排水法测定煤矸石泡沫陶瓷的表观密度、显气孔率；采用日本电子的钨灯丝扫描电子显微镜对样品微观结构进行分析；通过WDW-50型微机控制万能试验机测试样品的抗压强度；采用YBF-2型导热系数测试仪对样品的导热系数进行了测试。

2 结果与分析

2.1 烧成温度对表观密度与显气孔率的影响

从实验可以看出，随着烧成温度的提高，煤矸石泡沫陶瓷的气孔呈现出先增加后减小的趋势，与之相关的体积密度表现出先减小后增加的趋势。当烧成温度为1 020 ℃时，泡沫陶瓷的表观密度为1.90 g/cm3，气孔率为27.3%(体积分数)；当烧成温度为1 030 ℃时，泡沫陶瓷的表观密度为1.53 g/cm3，气孔率为42.3%(体积分数)；当烧成温度达到1 040 ℃时，该泡沫陶瓷的表观密度0.93 g/cm3，气孔率为61.2%(体积分数)；当烧成温度达到1 050 ℃时，气孔率增至最大，达到69.2%，表观密度减小为0.70 g/cm3，这主要是因为碳化硅在高温下受热分解产生二氧化碳气体后在泡沫陶瓷内部留下气孔，同时也包含骨料间相互堆积所形成的孔隙。随着温度进一步提高，气孔率有所下降，体积密度随之上升。当温度上升至1 060 ℃时，由于滑石粉的助熔剂作用显著增加，使得泡沫陶瓷体积收缩变大，阻碍了气孔的增大，材料变得更加致密化，故气孔率急剧下降至65.2%。由此观之，随着烧成温度的提高，煤矸石泡沫陶瓷的孔径先增加后减小，开口孔隙率先增大后降低。

2.2 烧成温度对抗压强度的影响

从实验可以看出随着烧结温度的升高，泡沫陶瓷的抗压强度逐渐下降，主要由于烧成温度升高导致材料气孔率增加所致，气孔率高的材料内部疏松，抗压强度降低。当温度继续升高时，随着烧成温度的增加材料抗压强度降低主要是由于材料内部逐渐有液相产生，液相的流动性降低了材料的抗压强度。

2.3 烧成温度对微观形貌的影响

从扫描图上看出烧成温度为1 050 ℃的煤矸石泡沫陶瓷样品孔径均小于1 mm，孔和孔之间的孔壁不足0.1 mm，孔壁上还有数量庞大的孔，这些孔的数量巨大，大小不规则。随着温度升高到1 060 ℃，相比较而言孔的体积增大，孔的密度增加，还形成了一些孔的塌陷，因此抗压强度降低。

2.4 烧成温度对导热系数的影响

由实验看出，随着烧成温度的增加，煤矸石泡沫陶瓷的导热系数经历了由大变小再增大的过程，具体为烧成温度为1 020 ℃时导热系数为0.195 W/(mK)，烧成温度为1 030 ℃时，导热系数下降为0.18 W/(mK),当烧成温度上升至1 040 ℃时，导热系数下降至0.15 W/(mK),随着烧成温度继续增加，当达到1 050 ℃时，导热系数最小，为0.09 W/(mK)，当温度升到1 060 ℃时，导热系数又上升至0.12 W/(mK)。理论上讲，泡沫陶瓷内部有三种传热方式[7]，分别是热传导、对流和热辐射。对于闭孔泡沫陶瓷来说，由于内部的孔径很小，因此空气在里面的对流这种方式可以忽略不计，同时热辐射需要在高温下才能有明显效应，因此常温下的热辐射相对热传导来说也可以忽略，由此可见，对于常温下的泡沫陶瓷其传热方式起决定性作用的是热传导。就热传导理论而言，煤矸石泡沫陶瓷可以看作一种两相的体系，其中包括骨架和空气这两相，利用材料的导热系数这一物理量可以描述这两相内部的热传导过程。泡沫陶瓷的热传导系数受孔隙率和孔隙结构的影响，因此要想降低材料的导热系数，需要制备出的材料具有合理的孔隙率和孔隙结构[8-10]。

3 结语

(1)利用煤矸石和废弃陶瓷片为主要原料，添加碳化硅为造孔剂，滑石为助熔剂制备煤矸石泡沫陶瓷，通过调节烧成温度达到气孔率最高和导热系数最小。(2)随着烧成温度的增加，煤矸石泡沫陶瓷的气孔率先急剧增加，超过1 050 ℃后又下降，在1 050 ℃时气孔率最大，为69.2%，表观密度0.7 g/cm3,。(3)随着烧成温度的增加，煤矸石泡沫陶瓷的气孔变得致密，孔壁较薄，当温度达到1 060 ℃时孔结构发生了塌陷和破坏，因此最佳的烧成温度为1 050 ℃。(4)随着烧成温度的增加，煤矸石泡沫陶瓷的导热系数变化与气孔率变化趋势一致，在1 050 ℃时最小，为0.09 W/(mK),符合保温材料对导热系数的要求。(5)该泡沫陶瓷可以用于屋面外墙保温材料，具有质轻、强度高、保温性能好等特点，同时可以很好地处理掉煤矸石等固体废弃物，变废为宝，具有极高的经济和社会效应。