粉煤灰微晶玻璃的試驗研究

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(1.山西經(jīng)濟管理干部學(xué)院 建筑工程系，山西 太原 030024；2.太原工業(yè)學(xué)院 材料工程系，山西 太原 030008)

我國是個產(chǎn)煤大國，電力生產(chǎn)的基本燃料為煤炭。粉煤灰是熱力發(fā)電廠的主要廢棄物，它們是從煙氣中沉積下來的，在今后相對較長的時期內(nèi)，燃煤發(fā)電在我國仍占主要地位[1-3]。由于粉煤灰排放量的增多，其危害日益暴露，如形成氣溶膠，嚴(yán)重污染大氣、污染水生生態(tài)環(huán)境并堵塞河道、粉煤灰中凝結(jié)的放射性元素危害人類健康等等。因此，處理粉煤灰的問題已迫在眉睫。

近年來，通過采用成熟的工藝技術(shù)對粉煤灰進行加工，將其用于生產(chǎn)建材、化工產(chǎn)品及其他用途。建筑裝飾微晶玻璃具有強度高、硬度大、耐磨損、不吸水、防污抗凍和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，廣泛用作建筑物的內(nèi)墻、地面、臺面、柱石和外墻的裝飾，因此成為現(xiàn)代建筑業(yè)替代天然花崗巖、大理石的綠色環(huán)保裝飾材料，受到越來越多消費者的青睞。

文章通過利用固體廢棄物粉煤灰為主要成分制備微晶玻璃，通過不同的粉煤灰添加量對粉煤灰微晶玻璃的晶相、密度進行分析對比，采用先形成玻璃塊后晶化的燒成法區(qū)別于傳統(tǒng)的先冷淬后晶化的燒結(jié)法來制備性能優(yōu)良的粉煤灰微晶玻璃，拓展了粉煤灰的利用途徑。

1 實驗部分

1.1 原材料

實驗原料有粉煤灰、二氧化硅、碳酸鈉、氧化鎂、氧化鈣、硼酸、玻璃粉等。除粉煤灰和廢棄平板玻璃粉之外的原料均為化學(xué)純試劑，化學(xué)純試劑所引入的氧化物如表1所示。由于粉煤灰比較難燒結(jié)，所以必須加入適量廢玻璃粉以加速其固相反應(yīng)。

表1 原料的化學(xué)組成 %

1.2 配合料的計算

1.2.1 配比的選擇

首先，根據(jù)相圖的純?nèi)到y(tǒng)，雖然能夠得出配方，但其只是理想化的方法。在實際當(dāng)中，如果想制備出性能優(yōu)良的粉煤灰微晶玻璃，其合理的配方要根據(jù)實際條件才能最終確定，所以相平衡法一般只作為參考的方法。另外一種是選配法，該方法是找出理想的粉煤灰微晶玻璃制品的化學(xué)組成與所用原料的化學(xué)組成之間的差別，根據(jù)相差的種類選擇合理的摻入試劑來縮小化學(xué)成分上的差別，它的優(yōu)點是簡易實用。本次設(shè)計出制備性能優(yōu)良的粉煤灰微晶玻璃的6組配比見表2。

表2 本實驗的微晶玻璃化學(xué)組成 %

1.2.2 配合料的確定

在計算實際使用量時，以粉煤灰成分的含量和需要添加的量為基礎(chǔ)，計算出添加梯度為5%所需要的原料含量。配合料中添加1%的著色劑，用重鉻酸鉀和三氧化二鉻混合著色[4]。助溶劑選用CaF2和B2O3。各樣品原材料配比用量詳見表3。

表3 原材料用量 g

1.3 實驗方法

1.3.1 工藝流程圖

工藝流程圖見圖1。

圖1 工藝流程圖

1.3.2 基礎(chǔ)玻璃的制備

用型號為TY2002的電子天平精確稱量好各種化學(xué)試劑和原材料后，將其放入研缽中充分研磨，使它們相互均勻的混合在一起，并且過200目篩。之后將過篩的混合料裝填進入石墨坩堝中，并手動震實以準(zhǔn)備熔制。熔制工藝是基礎(chǔ)玻璃制備過程中較為重要的因素。根據(jù)熔制過程的不同，玻璃的熔制分為五個階段：硅酸鹽形成階段、玻璃形成階段、澄清階段、均化階段和玻璃液冷卻階段。首先以2℃/min的升溫速率升溫至300℃，然后再以5℃/min的升溫速率升溫至800℃，最后再以8℃/min的升溫速率加熱至1450℃。之所以采取這種升溫速率，依據(jù)是實驗儀器的實際使用狀況和為了保證原料能夠充分的熔融反應(yīng)。然后，在1450℃下保溫3個小時。由于實際使用的高溫爐不可以在高溫狀態(tài)下取出，所以，便將其在1450℃保溫3h后，以5℃/min降溫至50℃后取出，得到半透明的玻璃塊。

將制得的玻璃塊先用顎式破碎機破碎成粗顆粒，再在反擊式破碎機中破碎成更加細(xì)小的顆粒，最后放入研缽中手動研磨成細(xì)粉并過220目篩，得到基礎(chǔ)玻璃粉末。

1.3.3 微晶玻璃的制備

分別取不同比例的基礎(chǔ)玻璃粉末與適量的硅酸鈉攪拌均勻，研磨充分后裝填入外徑30mm高40mm的石墨坩堝中，分三到四次裝填，每次裝填后都應(yīng)當(dāng)手動震動密實以確保其密實度便于燒結(jié)。采用一步燒結(jié)法，根據(jù)熱重圖，取晶化溫度為940℃，首先以2℃/min的升溫速率升溫至300℃，然后再以5℃/min的升溫速率升溫至800℃，最后以1℃/min的升溫速率從800℃直接升溫至晶化溫度940℃并保溫3h。完成后再以5℃/min的速率降溫至50℃再取出樣品，如圖2所示。在整個燒制過程中，析晶階段對材料的組織結(jié)構(gòu)起著至關(guān)重要的作用，所以采取適宜的燒結(jié)工藝是燒制成功微晶玻璃的關(guān)鍵。

圖2 粉煤灰微晶玻璃

2 實驗結(jié)果

2.1 晶相分析

對1#～6#粉煤灰微晶玻璃試樣進行X射線粉末衍射分析并進行晶相鑒定。本實驗過程中采用丹東通達儀器有限公司的TD-3000型X射線衍射分析儀，在Cu靶、Ka線輻射、管電壓40kV、管電流30mA、掃描范圍10°～80°、測試溫度為室溫的條件下，對研磨后經(jīng)過220目篩分得到的粉煤灰微晶玻璃樣品進行XRD測試，并通過軟件Jade5進行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 粉煤灰微晶玻璃的XRD曲線

從圖3中可以清楚的看到，在1#～6#樣品中2θ=30°左右都出現(xiàn)了較強的衍射峰，說明玻璃樣品的主要物相是晶體。通過Jade5分析軟件確定出的最強峰均為CaSiO3的衍射峰，說明其主晶相為硅灰石晶體，屬于單斜鏈狀結(jié)構(gòu)的單斜晶系。對于1#～3#樣品，隨著粉煤灰含量的增加，制備出的樣品主晶相和次晶相均不變，仍為硅灰石和副硅灰石晶體，圖中顯示的峰值清晰尖銳，這表示其結(jié)晶的程度很高。而對于4#-6#樣品，隨著粉煤灰含量的增加，其燒結(jié)之后從外觀來看已經(jīng)不再是微晶玻璃，而是簡單的疏松多孔狀的輕質(zhì)材料，明顯沒有達到微晶玻璃的基本條件。從其衍射圖譜來看，主晶相和次晶相雖然還是硅灰石，但是結(jié)晶度已經(jīng)很低，而且明顯出現(xiàn)了玻璃態(tài)物質(zhì)的彌散峰，說明粉煤灰添加量達到40%后已經(jīng)無法形成較多的微晶相分散于玻璃網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中，即使結(jié)晶，形成的晶相已經(jīng)不再明顯，說明粉煤灰的最大添加量超過35%后，粉煤灰微晶玻璃基本無法成型。

2.2 密度分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)JC/T 872-2000《建筑裝飾用微晶玻璃標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)的試驗方法，根據(jù)阿基米德原理，采用排水法來測試粉煤灰微晶玻璃的密度，實驗結(jié)果如表4所示。

從圖4中可知，隨著粉煤灰含量的增加，其密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在粉煤灰添加量達到35%時，密度達到最大值2.56g/cm3，其結(jié)構(gòu)更致密，強度更大，性能更好。

表4 樣品密度 g/cm3

圖4 粉煤灰添加量與密度的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)從材料過程工程學(xué)理論出發(fā)，以廢棄物粉煤灰和廢玻璃作為制備微晶玻璃的原料對其進行再生利用，參照較佳的微晶玻璃配方來確定粉煤灰微晶玻璃原材料用量，添加1%的重鉻酸鉀和氧化鉻混合著色劑，采用一步燒結(jié)晶化法工藝，成功制備出粉煤灰微晶玻璃。

(2)粉煤灰微晶玻璃的主晶相是具有單斜鏈狀結(jié)構(gòu)的硅灰石，次晶相為副硅灰石；本實驗六組樣品中，前三組隨著粉煤灰添加量的增加，主晶相和次晶相均未改變，樣品密度不斷增加；后三組隨著粉煤灰添加量的增加，主次晶相均不在明顯，樣品密度不斷下降。最佳添加量為35%。

(3)本實驗采用先燒制成基礎(chǔ)玻璃塊再直接一步晶化燒結(jié)的方法制備出的粉煤灰微晶玻璃，性能較佳，密度達到2.56g/cm3。

(4)本課題采用重鉻酸鉀和三氧化二鉻混合著色，添加量為1%時呈現(xiàn)明顯的綠色。燒制過程中雖未壓制但質(zhì)地緊密，外觀酷似天然石材。