利用建筑垃圾
——廢瓷磚、廢玻璃生產玻化磚的工藝性能研究

李小池，郭倩綺

（西安科技大學材料學院，西安710054）

關健詞：玻化磚；建筑垃圾；廢瓷磚；廢玻璃；工藝性能

1 前言

玻化磚也稱瓷質磚，是一種吸水率低、致密度高的建筑陶瓷。它具有較高的機械強度和硬度，以及優異的耐磨性和防凍性；不但可以用作室內地面裝飾材料，還可用作外墻飾面材料。以建筑陶瓷的市場前景來看，玻化磚的應用與需求仍在持續地上升。當前玻化磚的生產現狀是：大部分廠家仍然用的是鉀長石、硅石、高嶺土等幾種傳統優質原料，燒成溫度一般在1250～1300℃左右。使用傳統優質原料，產品燒制溫度高，產品成本高，能量消耗大，坯體透明度低，質量檔次較低。同時，優質原料資源正在枯竭，價格不斷上漲。因此，利用廢料生產低耗、質優的玻化磚，一直是人們非常感興趣的課題之一[1-3]。

國內利用廢玻璃、鐵礦、銅礦、稀土礦的尾礦，粉煤灰，煤矸石等成功生產出了玻化磚，減少了生產能耗和污染物排放[4-9]。

國內以建筑垃圾中的廢瓷磚和廢玻璃為原料生產玻化磚的研究未見報道。本課題對于合理利用我國資源豐富的建筑垃圾，變廢為寶，將是一個有益的嘗試。利用建筑垃圾（廢瓷磚、廢玻璃）生產玻化磚，可降低玻化磚的生產成本，提高經濟效益。在環保方面，可減少建筑垃圾的堆放，減少可耕地占用，減輕對環境的污染。

2 實驗

2.1 實驗原料的物理化學性能

實驗所用的廢瓷磚和廢玻璃都取自于建筑垃圾。廢瓷磚主要是全瓷地磚和衛浴廢瓷件；廢玻璃主要是平板建筑玻璃。兩種原料通過輥式破碎機碎成2 mm以下的粉狀原料，然后堆放均化等待配料用。破碎后的物料通常呈灰白色。廢陶瓷密度一般在1.6~2.0 g/cm3之間,廢玻璃密度一般在1.8~2.1 g/cm3之間。廢瓷磚、廢玻璃和配方中所用黏土的化學成分見表1。

2.2 配方的確定

根據兩種原料的工藝性能及產品生產要求,本實驗選取配方的化學組成范圍為SiO2：67~72%；Al2O3：17~21%；Fe2O3：1.0~2.0%；CaO+MgO：3~5%；K2O+Na2O：5.5~9%。具體實驗配方（按質量分數wt%計算）見表2。

2.3 試樣制備

第一步是按設計配比，將黏土、廢瓷磚和廢玻璃原料球磨加工成粒度為0.065 mm以細的泥漿,陳腐24 h；第二步是將泥漿通入噴霧干燥器（實驗室用小型電熱噴霧干燥器）進行造粒，將造出的水分保持在6~8%的粉料陳腐24 h；第三步是將制備好的粉料15 g加入80 mm×10 mm的長條形模具中，在12 MPa的壓力下壓制成型；第四步是把壓制好的樣品放入鼓風干燥箱中，105℃下干燥20 h；第五步是將制備好的坯體放入高溫電爐中，升溫速度控制為3℃/min。根據日用陶瓷工藝學的最高燒成溫度和保溫時間的確定方法[14-15]，確定在1080℃，1110℃，1140℃，1170℃，1200℃五個不同溫度點保溫 1 h進行燒結，測試燒結樣品的技術性能，對比優選出最優燒結溫度點[10]。

2.4 性能測試

2.4.1 吸水率、氣孔率、體積密度的測定

用液體浸泡試樣，然后再用沸水煮8 h，使試樣達到飽和。用液體靜力天平和電子天平稱量飽和試樣表觀質量（m2）、飽和試樣空氣中質量（m3）和試樣 105℃烘干恒重質量（m1）。然后根據下面公式計算。

吸水率：Wa=[（m3-m1）/m1]×100%；

氣孔率：Pa=[（m3-m1）/（m3-m2）]×100%；

體積密度：Db=[m1×Dl/（m3-m2）]×100%。

測試結果見結果與討論。

2.4.2 抗折和抗壓強度的測定

用WE-10型萬能材料試驗機測定制品的抗折強度。測試結果見實驗結果與討論。

2.4.3 玻化磚礦相組成及顯微結構分析

用荷蘭菲利浦公司生產的XL-20型掃描電鏡觀察制品的微觀結構，分析結果見實驗結果與討論。用日本理學公司生產的D/MAX-RA型X衍射儀來分析制品的礦相組成，分析結果見實驗結果與討論。

表1 廢瓷磚廢玻璃的化學成分（wt%）

表2 配方的組成（wt%）

3 實驗結果與分析

3.1 優化生產工藝的分析討論

圖1、圖2和圖3是根據實驗數據繪制的不同燒結溫度下不同配比的密度、吸水率、抗折強度的變化曲線圖。

圖1 不同溫度下的密度變化曲線

圖2 不同溫度下的吸水率變化曲線

圖3 不同溫度下的抗折強度變化曲線

由圖1，2，3可以看出：1號配方隨燒結溫度的升高，密度和抗折強度線性提高，吸水率線性下降。這是由于：1號配方中的廢玻璃加量很少（3%），在設計溫度范圍內，沒有達到最佳的燒結溫度，沒有出現過燒，因此沒有密度、強度下降，吸水率升高的現象；2號配方隨燒結溫度升高，密度、吸水率和強度的變化趨勢和1號相近，只是達到最高燒結溫度點（1180℃）時，密度有小幅降低，吸水率有小幅升高，但抗折強度還有小幅提高。這是由于配方中廢玻璃量增加了6%，使得熔劑相小幅增加。因此燒結溫度下降，到1150℃完全燒結。其密度最大，吸水率最低，超過1150℃到1180℃時，其密度下降，吸水率升高。從3號配方到6號配方，在6個燒結溫度點中，隨廢玻璃含量增加，燒結溫度點降低。從6個配方在不同溫度下，密度、吸水率和抗折強度變化規律看，在1150℃時3號配方燒結樣品的密度抗折強度最高，吸水率較低。玻化磚要能拋光，要求有較高的密度和抗折強度與較低的吸水率。3號樣在1150℃燒結后，具有密度、抗折強度最高，吸水率最低的性能。因此1150℃是燒結實驗中的最佳燒結溫度。3號配方的玻璃相含量適中，超過3號配方的玻璃含量隨玻璃相增加，可以降低燒結溫度。但玻璃相過多、燒結溫度過低時，產品的密度、強度下降幅度大，氣孔率上升幅度大，物理性能大幅下降，達不到玻化磚的國家標準（GB/T3810.3）。而3號樣在1150℃下燒結的樣品性能是最優的。因此，1150℃為最佳燒結溫度，所以3號樣為最佳配比。

本實驗的特點是：以廢瓷磚和廢玻璃為主要原料，加入部分黏土原料生產玻化磚。3種原料的選擇及其加入量要符合一次燒成的工藝要求。由于廢瓷磚和廢玻璃都為脊性原料，沒有可塑性，因此配方要加入20%的黏土作為成型塑性黏結劑。本實驗配方根據玻化磚配方原理，選擇適量高可塑黏土，使素坯成型和干燥后具有足夠的強度，以便素坯在運輸和搬動時不破損。黏土的成分主要是高嶺土。它可以給坯體燒成時提供有用的礦相和化學成分，使得燒成產品中產生莫來石、長石、石英晶體和玻璃相。另外，為了提高廢瓷磚、廢玻璃用量，減少黏土加量，選擇了水溶性聚乙烯醇來彌補素坯可塑性的不足。小分子量的水溶性聚乙烯醇，黏性高，和磨細的脊性廢瓷磚、廢玻璃原料結合性好，形成的泥漿黏性好、密度大。噴霧干燥成的粉料，成球性好、硬度高，不容易破損，對玻化磚素坯成型有利。另外，廢瓷磚、廢玻璃可以提供玻化磚形成所需要的晶相、玻璃相和化學成分。該研究的原料配比簡單，容易控制。配比中的黏結劑是有機高分子材料，燒結過程中會在較低溫度下分解揮發掉，不會造成燒成收縮。本配方的廢瓷磚，已經燒過一次，燒成收縮量不大，廢玻璃燒成收縮量更小，由于有收縮性的黏土原料加入較少，因此本實驗配比的坯體燒成收縮量較小，干燥和燒成成品率較高[11]。

3.2 配比中廢玻璃加量對玻化磚性能的影響

圖4 1，3，5號配方在1150℃燒結的SEM照片

由圖2的SEM照片可以清楚看出：在1150℃的燒結溫度下，1號樣加入的廢玻璃少，主要是廢瓷磚和黏土反應，生產的玻璃相較少，氣泡較小，貫穿氣孔較多、坯體有裂紋，燒結不夠理想，對應于圖1，2，3的吸水率較高，密度和抗折強度較低；3號樣加入的廢玻璃量適中，氣泡較少，玻化良好，坯體致密，燒結反應完全，燒結性能好；5號樣氣泡和氣孔多，對應于圖1，2，3的5號樣品1150℃的密度和抗折強度曲線較低。出現上述規律，主要原因是：1，3，5號樣品配方中，廢玻璃由少到多，1號樣中廢玻璃最少，只有3%，玻璃的助熔作用不夠強，因此坯體中玻璃相較少，燒結作用較差，坯體中有未完全燒結的裂紋，對應圖1，2，3中1號樣的是氣孔率較3號樣高，密度、抗折強度較3號樣低；3號樣中廢玻璃的量增加到了9%，廢玻璃和廢瓷磚及黏土的熔融燒結反應充分，其中的玻璃相較多，坯體致密，坯體燒結較好，對應圖1的3號樣氣孔率低，密度高、抗折強度高；5號樣中廢玻璃的量增加到了15%，廢玻璃和廢瓷磚及黏土的熔融燒結反應由于玻璃相量增大，坯體中氣泡增多，對應圖1中5號樣的是氣孔率高，密度、抗折強度下降。該實驗的特點是：配方中廢瓷磚的加量最大，占到一半以上，黏土的量不變化，廢瓷磚變化幅度較小，廢玻璃和黏土是配方中的次要成分。在成瓷反應中廢瓷磚和黏土反應形成玻化磚的主要晶相和玻璃相，在相同溫度黏土和廢瓷磚反應生成的晶相和玻璃相基本穩定。加入的廢玻璃主要提供玻化磚中的玻璃相，因此圖2的形貌變化主要受配比中廢玻璃的加入量的影響。

4 結論

（1）配方試驗表明，以建筑垃圾為主的坯體，通過合理地調節坯料中的廢瓷磚、廢玻璃原料和黏土原料的比例，從而得到性能比較優異的玻化磚產品。

（2）可以在比較低溫度下（1130～1170℃）和較短時間內，制得技術性能較優的玻化磚。

（3）實驗得出，黏土原料20%、廢瓷磚原料70%、廢玻璃原料9%、聚乙烯醇1%的3號配方，為最優配方，最佳燒結溫度為1140℃時，此溫度燒出的產品有最小的吸水率和最大的抗折強度和體積密度。