利用建筑垃圾
——廢瓷磚、廢玻璃生產(chǎn)玻化磚的工藝性能研究

李小池，郭倩綺

（西安科技大學(xué)材料學(xué)院，西安710054）

關(guān)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(chēng)瓷質(zhì)磚，是一種吸水率低、致密度高的建筑陶瓷。它具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，以及優(yōu)異的耐磨性和防凍性；不但可以用作室內(nèi)地面裝飾材料，還可用作外墻飾面材料。以建筑陶瓷的市場(chǎng)前景來(lái)看，玻化磚的應(yīng)用與需求仍在持續(xù)地上升。當(dāng)前玻化磚的生產(chǎn)現(xiàn)狀是：大部分廠家仍然用的是鉀長(zhǎng)石、硅石、高嶺土等幾種傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)原料，燒成溫度一般在1250～1300℃左右。使用傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)原料，產(chǎn)品燒制溫度高，產(chǎn)品成本高，能量消耗大，坯體透明度低，質(zhì)量檔次較低。同時(shí)，優(yōu)質(zhì)原料資源正在枯竭，價(jià)格不斷上漲。因此，利用廢料生產(chǎn)低耗、質(zhì)優(yōu)的玻化磚，一直是人們非常感興趣的課題之一[1-3]。

國(guó)內(nèi)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(chǎn)出了玻化磚，減少了生產(chǎn)能耗和污染物排放[4-9]。

國(guó)內(nèi)以建筑垃圾中的廢瓷磚和廢玻璃為原料生產(chǎn)玻化磚的研究未見(jiàn)報(bào)道。本課題對(duì)于合理利用我國(guó)資源豐富的建筑垃圾，變廢為寶，將是一個(gè)有益的嘗試。利用建筑垃圾（廢瓷磚、廢玻璃）生產(chǎn)玻化磚，可降低玻化磚的生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。在環(huán)保方面，可減少建筑垃圾的堆放，減少可耕地占用，減輕對(duì)環(huán)境的污染。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料的物理化學(xué)性能

實(shí)驗(yàn)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(wèi)浴廢瓷件；廢玻璃主要是平板建筑玻璃。兩種原料通過(guò)輥式破碎機(jī)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(xué)成分見(jiàn)表1。

2.2 配方的確定

根據(jù)兩種原料的工藝性能及產(chǎn)品生產(chǎn)要求,本實(shí)驗(yàn)選取配方的化學(xué)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(shí)驗(yàn)配方（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%計(jì)算）見(jiàn)表2。

2.3 試樣制備

第一步是按設(shè)計(jì)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(xì)的泥漿,陳腐24 h；第二步是將泥漿通入噴霧干燥器（實(shí)驗(yàn)室用小型電熱噴霧干燥器）進(jìn)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(zhǎng)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(fēng)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(jù)日用陶瓷工藝學(xué)的最高燒成溫度和保溫時(shí)間的確定方法[14-15]，確定在1080℃，1110℃，1140℃，1170℃，1200℃五個(gè)不同溫度點(diǎn)保溫 1 h進(jìn)行燒結(jié)，測(cè)試燒結(jié)樣品的技術(shù)性能，對(duì)比優(yōu)選出最優(yōu)燒結(jié)溫度點(diǎn)[10]。

2.4 性能測(cè)試

2.4.1 吸水率、氣孔率、體積密度的測(cè)定

用液體浸泡試樣，然后再用沸水煮8 h，使試樣達(dá)到飽和。用液體靜力天平和電子天平稱(chēng)量飽和試樣表觀質(zhì)量（m2）、飽和試樣空氣中質(zhì)量（m3）和試樣 105℃烘干恒重質(zhì)量（m1）。然后根據(jù)下面公式計(jì)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(cè)試結(jié)果見(jiàn)結(jié)果與討論。

2.4.2 抗折和抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

用WE-10型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)定制品的抗折強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論。

2.4.3 玻化磚礦相組成及顯微結(jié)構(gòu)分析

用荷蘭菲利浦公司生產(chǎn)的XL-20型掃描電鏡觀察制品的微觀結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論。用日本理學(xué)公司生產(chǎn)的D/MAX-RA型X衍射儀來(lái)分析制品的礦相組成，分析結(jié)果見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論。

表1 廢瓷磚廢玻璃的化學(xué)成分（wt%）

表2 配方的組成（wt%）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 優(yōu)化生產(chǎn)工藝的分析討論

圖1、圖2和圖3是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的不同燒結(jié)溫度下不同配比的密度、吸水率、抗折強(qiáng)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(qiáng)度變化曲線

由圖1，2，3可以看出：1號(hào)配方隨燒結(jié)溫度的升高，密度和抗折強(qiáng)度線性提高，吸水率線性下降。這是由于：1號(hào)配方中的廢玻璃加量很少（3%），在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，沒(méi)有達(dá)到最佳的燒結(jié)溫度，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)燒，因此沒(méi)有密度、強(qiáng)度下降，吸水率升高的現(xiàn)象；2號(hào)配方隨燒結(jié)溫度升高，密度、吸水率和強(qiáng)度的變化趨勢(shì)和1號(hào)相近，只是達(dá)到最高燒結(jié)溫度點(diǎn)（1180℃）時(shí)，密度有小幅降低，吸水率有小幅升高，但抗折強(qiáng)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(jié)溫度下降，到1150℃完全燒結(jié)。其密度最大，吸水率最低，超過(guò)1150℃到1180℃時(shí)，其密度下降，吸水率升高。從3號(hào)配方到6號(hào)配方，在6個(gè)燒結(jié)溫度點(diǎn)中，隨廢玻璃含量增加，燒結(jié)溫度點(diǎn)降低。從6個(gè)配方在不同溫度下，密度、吸水率和抗折強(qiáng)度變化規(guī)律看，在1150℃時(shí)3號(hào)配方燒結(jié)樣品的密度抗折強(qiáng)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(qiáng)度與較低的吸水率。3號(hào)樣在1150℃燒結(jié)后，具有密度、抗折強(qiáng)度最高，吸水率最低的性能。因此1150℃是燒結(jié)實(shí)驗(yàn)中的最佳燒結(jié)溫度。3號(hào)配方的玻璃相含量適中，超過(guò)3號(hào)配方的玻璃含量隨玻璃相增加，可以降低燒結(jié)溫度。但玻璃相過(guò)多、燒結(jié)溫度過(guò)低時(shí)，產(chǎn)品的密度、強(qiáng)度下降幅度大，氣孔率上升幅度大，物理性能大幅下降，達(dá)不到玻化磚的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T3810.3）。而3號(hào)樣在1150℃下燒結(jié)的樣品性能是最優(yōu)的。因此，1150℃為最佳燒結(jié)溫度，所以3號(hào)樣為最佳配比。

本實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是：以廢瓷磚和廢玻璃為主要原料，加入部分黏土原料生產(chǎn)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(méi)有可塑性，因此配方要加入20%的黏土作為成型塑性黏結(jié)劑。本實(shí)驗(yàn)配方根據(jù)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(qiáng)度，以便素坯在運(yùn)輸和搬動(dòng)時(shí)不破損。黏土的成分主要是高嶺土。它可以給坯體燒成時(shí)提供有用的礦相和化學(xué)成分，使得燒成產(chǎn)品中產(chǎn)生莫來(lái)石、長(zhǎng)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(lái)彌補(bǔ)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(xì)的脊性廢瓷磚、廢玻璃原料結(jié)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(duì)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(xué)成分。該研究的原料配比簡(jiǎn)單，容易控制。配比中的黏結(jié)劑是有機(jī)高分子材料，燒結(jié)過(guò)程中會(huì)在較低溫度下分解揮發(fā)掉，不會(huì)造成燒成收縮。本配方的廢瓷磚，已經(jīng)燒過(guò)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(shí)驗(yàn)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(duì)玻化磚性能的影響

圖4 1，3，5號(hào)配方在1150℃燒結(jié)的SEM照片

由圖2的SEM照片可以清楚看出：在1150℃的燒結(jié)溫度下，1號(hào)樣加入的廢玻璃少，主要是廢瓷磚和黏土反應(yīng)，生產(chǎn)的玻璃相較少，氣泡較小，貫穿氣孔較多、坯體有裂紋，燒結(jié)不夠理想，對(duì)應(yīng)于圖1，2，3的吸水率較高，密度和抗折強(qiáng)度較低；3號(hào)樣加入的廢玻璃量適中，氣泡較少，玻化良好，坯體致密，燒結(jié)反應(yīng)完全，燒結(jié)性能好；5號(hào)樣氣泡和氣孔多，對(duì)應(yīng)于圖1，2，3的5號(hào)樣品1150℃的密度和抗折強(qiáng)度曲線較低。出現(xiàn)上述規(guī)律，主要原因是：1，3，5號(hào)樣品配方中，廢玻璃由少到多，1號(hào)樣中廢玻璃最少，只有3%，玻璃的助熔作用不夠強(qiáng)，因此坯體中玻璃相較少，燒結(jié)作用較差，坯體中有未完全燒結(jié)的裂紋，對(duì)應(yīng)圖1，2，3中1號(hào)樣的是氣孔率較3號(hào)樣高，密度、抗折強(qiáng)度較3號(hào)樣低；3號(hào)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(jié)反應(yīng)充分，其中的玻璃相較多，坯體致密，坯體燒結(jié)較好，對(duì)應(yīng)圖1的3號(hào)樣氣孔率低，密度高、抗折強(qiáng)度高；5號(hào)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(jié)反應(yīng)由于玻璃相量增大，坯體中氣泡增多，對(duì)應(yīng)圖1中5號(hào)樣的是氣孔率高，密度、抗折強(qiáng)度下降。該實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)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(yīng)中廢瓷磚和黏土反應(yīng)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(yīng)生成的晶相和玻璃相基本穩(wěn)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(jié)論

（1）配方試驗(yàn)表明，以建筑垃圾為主的坯體，通過(guò)合理地調(diào)節(jié)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(yōu)異的玻化磚產(chǎn)品。

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

（3）實(shí)驗(yàn)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(hào)配方，為最優(yōu)配方，最佳燒結(jié)溫度為1140℃時(shí)，此溫度燒出的產(chǎn)品有最小的吸水率和最大的抗折強(qiáng)度和體積密度。