利用拋光磚廢渣制備輕質外墻磚的研究

摘 要:采用拋光磚廢渣等工業廢渣為主要原料，以高可塑性粘土、黑滑石、鉀長石、石英和煅燒氧化鋁為輔助原料制備陶瓷輕質外墻磚，研究了拋光磚廢渣用量、成形壓力以及燒成制度對輕質外墻磚性能和質量的影響。結果表明:隨著拋光磚廢渣用量增加或成形壓力的降低，輕質外墻磚的導熱系數提高而抗壓強度與容重則降低。粉料的TG-DSC分析表明:在750℃之前，升溫速率不宜太快，而750℃之后的升溫速率宜加快，這樣可有效避免黑心和裂紋的產生。通過實驗制備出了導熱系數為0.20W/m·K、容重為0.95g/cm3、抗壓強度為14.5MPa的輕質外墻磚。

關鍵詞:拋光磚廢渣;輕質外墻磚;導熱系數;容重;抗壓強度

1 引言

隨著經濟的發展和生活水平的改善，人們對住居環境的要求越來越高，推動了陶瓷外墻磚材料的發展。目前，陶瓷外墻磚自重高達50~80kg/m2，是涂料飾面體系重量的5~8倍[1]，它重量大、導熱系數大，易引起建筑超負荷，存在安全性與保溫性差的問題。另一方面，隨著我國陶瓷工業的的迅猛發展，所產生的工業廢渣如拋光磚廢渣、廢瓷等日益增多，造成了對生態環境的嚴重污染。據計算，每生產1m2拋光磚將形成1.5kg左右的磚屑，同時，刀具(磨具)的損耗約0.6kg左右，即生產1m2拋光磚約產生2.1kg左右的拋光磚廢渣。若以年產100萬m2拋光磚的生產線為例，將產生2100噸/年的拋光磚廢渣[2]。

本研究采用拋光磚廢渣和廢瓷粉等作為主要原料，制備容重小、保溫性好、強度高的環境友好型陶瓷輕質外墻磚，以提高其保溫性能和強度[3~4]。另一方面，通過大量使用拋光磚廢渣和廢瓷粉，使工業廢渣資源化，變廢為寶，節約了寶貴的礦物資源，同時也減少了對生態環境的污染。本文研究主要原料用量、成形壓力和燒成制度等主要工藝參數對陶瓷輕質外墻磚性能的影響。

2 實驗

2.1原料

以拋光磚廢渣、廢瓷粉等工業廢渣為主要原料，以高可塑性粘土、黑滑石、鉀長石、石英和煅燒氧化鋁為輔助原料，并添加少量分散劑三聚磷酸鈉和增塑劑羧甲基纖維素，以及不同顏色的色料。

2.2試樣制備

將拋光磚廢渣、廢瓷粉烘干后粉碎，將其作為主要原料;將高可塑性粘土、黑滑石、鉀長石、石英和煅燒氧化鋁細磨，配制成輔助原料，過220目篩;三聚磷酸鈉與水以1:9比例配成溶液作為分散劑;羧甲基纖維素與水以1:9比例配成溶液作為增塑劑。主要工藝流程為:先將一定配比的骨料、輔助原料、分散劑、增塑劑和色料加水球磨，然后脫水、過篩造粒、半干壓成形、干燥、燒成制得輕質外墻磚，制品規格為60mm×108mm×6mm(制品見圖1)。

3 結果與分析

3.1拋光磚廢渣用量的影響

拋光磚廢渣用量對輕質外墻磚容重、導熱系數和抗壓強度的影響較大，其影響見圖2。

從圖2中可以看出:隨著拋光磚廢渣加入量的提高，輕質外墻磚的導熱系數也隨之增大，而容重、抗壓強度則隨之下降，且當拋光磚廢渣的用量超過70wt%時，磚坯的抗壓強度、容重下降速度明顯加大。原因是:其一，隨著拋光磚廢渣用量的增加，磚坯氣孔率增加且氣孔直徑增大[5]，導致輕質外墻磚容重下降。另外，輕質外墻磚有效負荷面積減少，并且在氣孔鄰近區域容易產生應力集中，從而降低輕質外墻磚的強度。其二，拋光磚廢渣用量的增加，使得輔助原料的量相應減少，對應高溫燒結助劑的量也相應減少，導致拋光磚廢渣顆粒之間的結合程度降低，即磚體燒結程度下降，結果使導熱系數相應增大。因此，輕質外墻磚的低導熱系數是與其高強度、低容重的要求相矛盾的，為了達到三者性能的均衡，本研究確定的拋光磚廢渣用量以70wt%最為適宜，此時，磚坯的導熱系數為0.20W/m·K，容重為0.95g/cm3，抗壓強度為14.5MPa。

3.2成形壓力的影響

成形壓力是影響輕質外墻磚性能的主要因素之一，圖3給出了不同成形壓力對輕質外墻磚容重、導熱系數和抗壓強度的影響。

由圖3可見，隨著成形壓力的增大，輕質外墻磚的容重、抗壓強度增加，而導熱系數隨之降低。當成形壓力小于14MPa時，隨著成形壓力的增加，輕質外墻磚的容重、抗壓強度顯著增加，而導熱系數明顯降低;當成形壓力大于14MPa后，隨著成形壓力的增加，輕質外墻磚的容重、抗壓強度增加及導熱系數降低的趨勢減慢。這是由于加壓前期，坯料中的拋光磚廢渣顆粒在壓力作用下發生明顯移動，相互間發生相對滑移與位置重排，顆粒逐漸趨于緊密堆積;同時，輔助原料中的燒結助熔劑進入顆粒堆積形成的間隙中，使得坯體空隙減少，密度明顯增加，坯體體積密度高，物料顆粒接觸良好，有利于質點的擴散，促進燒結，從而使輕質外墻磚的容重和抗壓強度增加、導熱系數降低。因此，成形壓力小于14MPa時，隨著成形壓力的增加，輕質外墻磚的容重、抗壓強度顯著增加，而導熱系數明顯降低;當成形壓力達到14Mpa后，坯體中的主要原料顆粒已經接近密堆積。繼續增大壓力時，由于坯料隨之發生位移、重排及細粉料填充的作用趨于平緩，坯體密度的增加不明顯，所以，成形壓力的增加使制品容重、強度提高和保溫性能降低的作用趨于平緩。

為此，采用壓制成形工藝制造輕質外墻磚，應綜合考慮成形壓力對輕質外墻磚的容重、強度和保溫性能的影響，才能得到理想的效果。本研究中，成形壓力為14MPa時，輕質外墻磚具有較佳的綜合性能。

3.3 燒成制度的影響

為了確定燒成制度，對磚坯粉料進行了綜合熱分析，其DSC-TG曲線見圖4。

從圖中的DSC曲線可知:52.4℃左右有一吸熱峰，為磚坯粉料吸附水排除所致;400~733℃存在一系列吸熱峰，形成的原因是結合水和有機物分解吸熱、β-石英轉化為α-石英吸熱和含鎂、鈣無機鹽的分解[6]，其中，400~574.3℃之間的吸熱峰主要是結合水和有機物的分解。574.3℃的吸熱峰對應石英的晶型轉變。700℃以上的吸熱峰主要是無機鹽的分解;拋光廢渣中含有的SiC在高溫下氧化并放出CO2氣體，致使1166.7℃出現一個顯著的吸熱峰[7]。由圖4的TG曲線可知，磚坯粉料在燒成過程中產生了2.40%的失重，失重貫穿于室溫到733℃之間，燒失量的原因是吸附水的揮發，以及結合水、有機物以及無機鹽的分解。

根據坯料的DSC-TG曲線分析，本研究確定以下兩種燒成制度，以研究不同燒成制度對輕質外墻磚質量的影響。燒成制度A:20~750℃:升溫速率為5℃/min;750~1170℃:升溫速率為15℃/min;1170℃保溫10min，再自然冷卻到室溫。燒成制度B:20~750℃:升溫速率為10℃/min;750~1170℃:升溫速率為10℃/min，其它與燒成制度A一樣(見圖5)。

兩種燒成制度的實驗結果表明:采用B燒成制度時，磚體很容易出現黑心和裂紋等缺陷;而經過A燒成制度燒成的輕質外墻磚則較少出現此缺陷。其原因在于拋光磚廢渣形成氣孔的分解溫度為室溫至750℃，因此，在此溫度段升溫速率不宜太快，一方面可促進有機物的完全分解，消除黑心;另一方面，也可防止因SiO2晶型轉變、體積膨脹而出現裂紋。另外，為了使輕質外墻磚具有良好的保溫性能，減少氣體的逸出，在750~1170℃宜加快升溫速率。

4 結論

(1) 隨著拋光磚廢渣用量增加或成形壓力的降低，輕質外墻磚的導熱系數提高、抗壓強度與容重下降，拋光磚廢渣最佳用量為75%，成形壓力則以14MPa為宜;

(2) 制定了合理的燒成制度:20~750℃的升溫速率為 5℃/min;750~1170℃的升溫速率為15℃/min;在燒成溫度1170℃下保溫10min后隨爐自然冷卻;

(3) 選用拋光磚廢渣、廢瓷粉、高可塑性粘土、黑滑石、鉀長石、石英和煅燒氧化鋁，經14MPa半干壓成形，1170℃燒成，制備出導熱系數為0.20W/m·K、容重為0.95g/cm3、抗壓強度為14.5Mpa的輕質外墻磚。(英文摘要見第39頁)

參考文獻

[1] 許 威，孫詩兵，田英良. 輕質外墻磚配方及其燒成制度的研究[J]. 磚瓦，2007(10):13-15.

[2] 蔡祖光.陶瓷工業廢料廢渣的處理[J].佛山陶瓷，2002(3):11-12.[3] 呂淑珍，顧幸勇，陳云霞等.利用廢礦原料研制輕質外墻磚[J]. 中國陶瓷，2009，45(3):29-32.

[4] 繆松蘭，馬光華，李清濤等. 建筑陶瓷拋光廢渣制備輕質陶瓷材料的研究[J]. 陶瓷學報，2005，26(2):71-79.

[5] 謝代義，吳清仁，楊媛等. 陶瓷拋光廢料對多孔陶瓷輕質磚性能及結構影響的研究[J].中國陶瓷，2008，44(1):26-29.

[6] 謝代義，吳清仁，吳啟堅等.陶瓷拋光廢料對多孔陶瓷磚氣孔形成過程影響的研究[J]. 佛山陶瓷，2008(8):5-9.

[7] 余國明，李少平，王貴生. 陶瓷拋光廢渣循環利用新技術[J]. 佛山陶瓷， 2009(12):1-5.

Preparation of Lightweight External Brick with Tile Polished Waste

YANG Chao1，RAO Zong-wang2，DENG Jian-yong3

(1.School of Art Ceramic Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333000，China;

2.Ceramic Research Institute of Light Industry of China， Jingdezhen 333000，China;

3.Foshan Rongzhou No.2 Building Ceramics Factory Co.，Ltd ，Foshan 528061，China.)

Abstract:Lightweight external brick has been fabricated by using industrial slags such as tile polished waste as main raw materials， and using the mixture of high plasticity clay， black talc， feldspar， quartz， calcined alumina as assistant raw materials. The effects of tile polished waste content， forming pressure and firing schedule have been studied on the properties and quality of the brick. The results showed that with the increase of tile polished waste content or the decrease of forming pressure， the thermal conductivity of the brick was improved while its compression strength and the bulk density reduced. By means of TG-DSC analysis， it was revealed that the heating rate should not be too rapid when the temperature was below 750℃，thus drawbacks of black core and cracks can be effectively avoided. The thermal conductivity of the sample was 0.20W/m·K， the compression strength was 14.5MPa and the bulk density was 0.95 g/cm3.

Key words: tile polished waste;lightweight external brick; thermal conductivity;bulk density;compression strength