利用廢渣生產微晶玻璃復合板

摘 要:本文介紹了微晶玻璃陶瓷復合板的工藝特點，并利用鋁土礦選尾礦和粉煤灰制備微晶玻璃復合板，試驗表明，利用廢渣生產的微晶玻璃復合板能夠充分保留微晶玻璃的優良性能，同時能夠大量利用廢渣。

關鍵詞:微晶玻璃-陶瓷復合板;新工藝;廢渣

1 前言

微晶玻璃又稱玻璃陶瓷， 是綜合玻璃和陶瓷技術發展起來的一種新型材料， 其理化性能集中了玻璃和陶瓷的雙重優點，具有高光澤度、優異的物理機械性能和化學穩定性，以及綠色環保等優良性能，有著廣闊的市場需求[1]。然而，大多數微晶玻璃是采用化工原料及水淬燒結方法，這使得微晶玻璃板材的成本過高。

隨著我國經濟的發展，大量的工業固體廢渣對環境造成很大的壓力;粉煤灰是火力發電廠排放的固體工業廢渣，目前主要用作灌漿材料、建筑工程材料等，如何更有效地變廢為寶，開發出使用價值更高的材料是粉煤灰利用的一個重要課題[2]。而國內一些礦山將尾礦作井下充填料、覆土造田， 這只是一種粗糙的處理方式， 尾礦沒有被充分利用，取得的經濟效益不大。利用工業廢渣制作微晶玻璃，既可節約成本，又可達到綜合利用資源和保護環境目的。

通常，微晶玻璃陶瓷復合板采用兩次燒成工藝，即先燒結素坯，再布微晶玻璃粒料進行二次燒結[3]。二次燒結過程中，由于使用微晶玻璃的大顆粒料，以及兩層材料的結合需要較高的燒結溫度，而這個溫度常常偏離微晶玻璃層的最優燒結溫度，因此會造成微晶玻璃層氣孔較大、晶相含量降低，從而導致硬度的下降[4]。 本文提出利用鋁土礦選尾礦和粉煤灰生產微晶玻璃陶瓷復合板的新工藝[5]，這種新工藝的特點是，廢渣使用量高，一次燒成，同時保證微晶玻璃層充分燒結。

2 試驗

2.1原料

實驗所用鋁土礦選尾礦由中國鋁業公司鄭州研究院提供;粉煤灰來自鄭州熱電廠;玻璃料由佛山市歐神諾有限公司提供，其它輔助原料如石英砂在市場上購得。粉煤灰和鋁土礦選尾礦的化學組分如表1所示。

2.2樣品的制備

原料磨細過200目(75μm)篩，基板層用鋁土礦選尾礦、粉煤灰、石英砂與微晶玻璃板層用玻璃粉以質量比40:30:17:13配比。基板料加水8wt%，混合造粒;玻璃料加8wt%PVA 溶液造粒。隨后分別倒入模具中，在40MPa的壓力下壓制成雙層坯體，坯體的基板層厚度約6.5mm， 微晶玻璃層厚度約1.5mm。樣品烘干后以一定的熱處理制度燒結，燒結溫度為980oC，燒成周期為90min。

2.3組成、結構和性能測試

采用法國SETARAM公司的Labsys型差熱分析儀對玻璃料進行DSC測試，升溫速度為20℃/min，空氣氣氛。利用Philips公司的PW 1700型X射線衍射儀測定樣品的相組成，Cu靶;將燒結晶化后的試樣切割成小塊表面磨平并拋光，采用JEOL JSM-6700F型掃描電鏡形貌觀察樣品的微觀形貌，并利用EDS分析其元素組成。利用顯微硬度記測量樣品的硬度，測量時載荷為300g，加載時間15s;復合板的三點抗彎強度利用德國Zwick/Roell Z030實驗機完成，跨距30mm，加載速率0.5mm/min。

3 結果與討論

微晶玻璃復合板類似于瓷質磚的生產工藝，但有一定的不同:

(1) 基板料主要由工業廢渣、玻璃化廢渣和石英砂組成，有時需要加入一定的玻璃料以提高強度。工業廢渣所起的作用與瓷質磚中粘土的作用類似;石英相作為填充相抑制燒結收縮和變形，同時對調整基板層和微晶玻璃層的熱膨脹系數有著重要的作用;玻璃化廢料主要用來提高強度，如果玻璃化廢料成分設計合理，則不用添加其他的玻璃料，實際上很多玻璃化廢料，如粉煤灰和鋼渣，在較低的燒結溫度下流動性差，會造成基板層乃至復合板的強度低，這時需要加入一定的低溫流動好的玻璃料。

(2) 燒結溫度的選擇主要以微晶玻粒層獲得最優的燒結晶化為依據。由于微晶玻璃層采用細分壓制燒結，充分發揮表面晶化機制，并在最優的燒結晶化溫度燒結，微晶玻璃層晶化良好、硬度高，和純微晶玻璃板材的性能完全一樣。

(3)通常硅灰石系微晶玻璃最優燒結晶化溫度在1000oC左右，在這個燒結溫度下，基板層不能燒結致密，基板層強度主要由其中的玻璃料確定。試驗測試的燒結收縮在1.4%左右，幾乎是一個常數。這樣的顯微結構對于廢渣的利用、兩層材料的結合和變形的控制是有益的。較低的燒結收縮能夠很好地控制復合板的變形，并且對廢渣成分的變化不敏感。

DSC試驗確定微晶玻璃料的晶化峰溫為980oC，因此確定復合板樣品的燒結溫度為980oC。但研究表明[6]，粉煤灰在高于1050oC燒成后，強度明顯提高。為了提高復合板的強度，將其中一組樣品的燒結溫度提高到1080 oC，由于此溫度高于微晶玻璃的晶化峰溫，故對微晶玻璃層原料的配比進行了適當調整。

如圖1所示，DSC試驗確定微晶玻璃料的玻璃轉變溫度、晶化起始溫度和晶化峰溫分別為690 oC、853 oC和983 oC，因此確定復合板樣品的燒結溫度為980 oC。已有的研究表明[6]，粉煤灰粘土煅燒溫度高于1050 oC，強度明顯提高。為了提高復合板的強度，將其中一組樣品的燒結溫度提高到1080 oC，由于此溫度高于微晶玻璃的晶化峰溫，在此溫度下燒結，導致微晶玻璃層有大量的殘余氣孔，因此對微晶玻璃層原料的配比進行了調整，在微晶玻璃層中添加了15 wt%的鉀長石，通過鉀長石燒結熔化，提高微晶玻璃層的致密度。

圖2為經不同溫度燒結并拋光后的樣品照片，由圖2可以看出，復合板燒結良好，兩層材料結合良好，微晶玻璃層整體燒結致密。

圖3b和3c分別為在980oC和1080oC燒結后的微晶玻璃樣品的SEM照片，圖3a為一商用拋光磚的SEM照片，由圖可見，微晶玻璃層的殘余氣孔的尺寸均小于100μm。980oC燒結的樣品，微晶玻璃層少量氣孔尺寸較大;1080oC燒結的樣品，氣孔的尺寸明顯減小，說明添加15wt%的鉀長石能明顯提高微晶玻璃層在較高燒結高溫下的致密性。圖3c中，顏色較深的大顆粒為殘余鉀長石相，EDS分析表明，其主要成分為K2O和SiO2。另外，由圖3c可看出，微晶玻璃層的氣孔明顯少于普通拋光磚。

圖4為分別在980oC和1080oC燒結的微晶玻璃樣品的XRD圖譜，結果表明，微晶玻璃層的主要晶相為硅灰石。經硬度和彎曲強度測試，980oC燒結微晶玻璃層維氏硬度為5.88GPa，1080oC燒結微晶玻璃層的維氏硬度為6.03GPa，而實驗中所用的拋光磚的維氏硬度為4.80GPa;兩個燒結溫度下，復合板樣品的三點彎曲強度分別為25MPa和39MPa。

4 結論

利用廢渣生產微晶玻璃玻璃復合板，采用類似于瓷質磚的制備工藝，生產成本低，能夠大量利用工業廢渣，如本實驗中廢渣的加入量大于50wt%;能夠保留微晶玻璃的優點，如高硬度和高耐磨性;同時生產成本較低，為利用低質量原料以及工業廢渣生產建材提供了新思路。

參考文獻

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[2] Colombo，P.，Brusatin，G.，Bernardo，E.et al.Inertization and reuseof waste materials by vitrification and fabrication of glass-basedproducts.Curr.Opin[J].Solid State Mat.Sci.，2003，7(3):225-239.

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[5] Yang，H.Z.，Chen，C.P.，Sun，H.W.，et al.Influence of heat-treatmentschedule on crystallization and microstructure of bauxite tailingglass-ceramics coated on tiles[J].Mater.Process.Technol.，2008，

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[6] Xu，L.L.，Guo，W.，Wang，T.，Yang，N.R.Study on fired brickswith replacing clay by fly ash in high volume ratio[J].Constr.Build. Mater.， 2005，19[3]:243-247.