利用煤矸石及廢瓷片制備泡沫陶瓷及 其導(dǎo)熱性能的研究

王超男，胡新萍，任濤，姜威(山西工程技術(shù)學(xué)院 建筑與土木工程系，山西 陽泉 045000)

0 引言

在我國，由于人口增長和城市化進程，能源消費一直在快速增長，建筑能耗達35%之高。而且隨著人民生活水平的逐步提高，對住宅的舒適度要求也越來越高，建筑能耗必將進一步大幅度增加。值得注意的是，建筑墻體結(jié)構(gòu)傳熱所產(chǎn)生的能耗約占建筑總能耗的 8～25%，已成為主要的建筑能耗之一。因此，研究開發(fā)建筑節(jié)能技術(shù)與設(shè)備和墻體綠色節(jié)能建材等顯的尤為重要。

長期以來，我國的能源消費結(jié)構(gòu)仍是以煤炭為主，煤矸石是煤炭開采過程中的主要廢棄物，因此排放量非常大。我國每年煤矸石產(chǎn)量居全世界首位，據(jù)統(tǒng)計，我國煤矸石堆積量已超過50 億噸，且每年仍以1.5～2 億噸增長。煤矸石向環(huán)境中釋放有害氣體，嚴重影響大氣環(huán)境，向地下滲透重金屬離子等有害物質(zhì)污染水源，長期堆積還會侵占大量土地資源，且導(dǎo)致土壤鹽漬化。

泡沫陶瓷是一類具有廣泛用途的陶瓷材料[1]，其孔隙率較高，體積密度小；同時陶瓷材料特有耐高溫、耐腐蝕等性能，是一種新型的墻體保溫材料[2]，制備工藝以黏土、石英砂為原料，加以發(fā)泡劑，在高溫下燒結(jié)而成。因此利用工業(yè)固體廢棄物和泡沫陶瓷相似的主要原料成分，來制備墻體保溫泡沫陶瓷材料是廢棄物資源化利用的有效途徑之一。呂瑞芳等[3]利用煤矸石和玻璃粉，采用發(fā)泡法制備出了多孔泡沫陶瓷材料，該研究發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度對材料的表觀密度、抗壓強度及吸水率有顯著的影響。同時熱導(dǎo)率隨表觀密度的降低而減小。楊濤等[4]利用煤矸石為主要原料，活性炭粉充當(dāng)造孔劑，聚乙烯醇溶液為結(jié)合劑，在1 400 ℃下燒結(jié)制備堇青石多孔陶瓷。 研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)造孔劑加入量為5%時，抗壓強度達到29.1 MPa。胡明玉等[5]以煤矸石和其他煤炭伴生頁巖為主要原料，陶瓷廠生產(chǎn)的廢棄拋光渣為造孔劑，滑石為助熔劑，在1 200 ℃下燒結(jié)制備出孔抗壓強度大于12 MPa的多孔陶瓷。谷玲鈺等[6]用煤矸石、粉煤灰和木屑制備出了多孔陶瓷，研究表明木屑含量會影響孔隙率，隨著燒結(jié)溫度的增加，最大抗壓強度可達55.13 MPa。

本文利用煤矸石和當(dāng)?shù)靥沾蓮S生產(chǎn)的陶瓷廢料為主要原料，加入碳化硅作為造孔劑，在高溫下合成出了煤矸石泡沫陶瓷，研究了不同的燒成溫度對煤矸石泡沫陶瓷孔結(jié)構(gòu)、抗壓強度、顯氣孔率及導(dǎo)熱性能的影響。

1 試驗

1.1 原材料和煤礦廢棄物泡沫陶瓷的制備

試驗所用的煤矸石取自山西省陽泉市新景煤礦，其主要礦物組成為二氧化硅和氧化鋁；廢棄陶瓷片取自山西省陽泉市平定縣瑩玉陶瓷；滑石粉來自原材料市場，在其中起助熔劑的作用；碳化硅為造孔劑，購自國藥試劑公司；PVA購自國藥試劑公司，起粘結(jié)劑的作用。

將破碎球磨后的煤矸石過100目篩，在800 ℃煅燒2 h后備用。再將廢棄陶瓷片破碎球磨后過100目篩。秤取煅燒后的煤矸石粉30 g，廢棄陶瓷片10 g，滑石粉5 g，碳化硅5 g，在行星式球磨機中球磨1 h,使得原料充分混合。秤取3 g球磨好的混合粉末于研缽中，加入1 mLPVA溶液，然后充分研磨使其混合均勻。之后在液壓式壓片機上以5 MPa的壓力干壓成型制得陶瓷生坯，尺寸大小為10×10×20 mm。將壓制好的樣品放置在馬弗爐中以10 ℃/min的升溫速率上升至900 ℃，保溫30 min，再以5 ℃/min的升溫速率分別上升至1 020 ℃、1 030 ℃、1 040 ℃、1 050 ℃、1 060 ℃，保溫60 min后隨爐冷卻即可得到泡沫陶瓷。

1.2 性能測試

采用X-射線熒光分析儀對煤矸石及廢棄陶瓷的成分進行了分析；利用阿基米德排水法測定煤矸石泡沫陶瓷的表觀密度、顯氣孔率；采用日本電子的鎢燈絲掃描電子顯微鏡對樣品微觀結(jié)構(gòu)進行分析；通過WDW-50型微機控制萬能試驗機測試樣品的抗壓強度；采用YBF-2型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀對樣品的導(dǎo)熱系數(shù)進行了測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 燒成溫度對表觀密度與顯氣孔率的影響

從實驗可以看出，隨著燒成溫度的提高，煤矸石泡沫陶瓷的氣孔呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，與之相關(guān)的體積密度表現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。當(dāng)燒成溫度為1 020 ℃時，泡沫陶瓷的表觀密度為1.90 g/cm3，氣孔率為27.3%(體積分數(shù))；當(dāng)燒成溫度為1 030 ℃時，泡沫陶瓷的表觀密度為1.53 g/cm3，氣孔率為42.3%(體積分數(shù))；當(dāng)燒成溫度達到1 040 ℃時，該泡沫陶瓷的表觀密度0.93 g/cm3，氣孔率為61.2%(體積分數(shù))；當(dāng)燒成溫度達到1 050 ℃時，氣孔率增至最大，達到69.2%，表觀密度減小為0.70 g/cm3，這主要是因為碳化硅在高溫下受熱分解產(chǎn)生二氧化碳氣體后在泡沫陶瓷內(nèi)部留下氣孔，同時也包含骨料間相互堆積所形成的孔隙。隨著溫度進一步提高，氣孔率有所下降，體積密度隨之上升。當(dāng)溫度上升至1 060 ℃時，由于滑石粉的助熔劑作用顯著增加，使得泡沫陶瓷體積收縮變大，阻礙了氣孔的增大，材料變得更加致密化，故氣孔率急劇下降至65.2%。由此觀之，隨著燒成溫度的提高，煤矸石泡沫陶瓷的孔徑先增加后減小，開口孔隙率先增大后降低。

2.2 燒成溫度對抗壓強度的影響

從實驗可以看出隨著燒結(jié)溫度的升高，泡沫陶瓷的抗壓強度逐漸下降，主要由于燒成溫度升高導(dǎo)致材料氣孔率增加所致，氣孔率高的材料內(nèi)部疏松，抗壓強度降低。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，隨著燒成溫度的增加材料抗壓強度降低主要是由于材料內(nèi)部逐漸有液相產(chǎn)生，液相的流動性降低了材料的抗壓強度。

2.3 燒成溫度對微觀形貌的影響

從掃描圖上看出燒成溫度為1 050 ℃的煤矸石泡沫陶瓷樣品孔徑均小于1 mm，孔和孔之間的孔壁不足0.1 mm，孔壁上還有數(shù)量龐大的孔，這些孔的數(shù)量巨大，大小不規(guī)則。隨著溫度升高到1 060 ℃，相比較而言孔的體積增大，孔的密度增加，還形成了一些孔的塌陷，因此抗壓強度降低。

2.4 燒成溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由實驗看出，隨著燒成溫度的增加，煤矸石泡沫陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)歷了由大變小再增大的過程，具體為燒成溫度為1 020 ℃時導(dǎo)熱系數(shù)為0.195 W/(mK)，燒成溫度為1 030 ℃時，導(dǎo)熱系數(shù)下降為0.18 W/(mK),當(dāng)燒成溫度上升至1 040 ℃時，導(dǎo)熱系數(shù)下降至0.15 W/(mK),隨著燒成溫度繼續(xù)增加，當(dāng)達到1 050 ℃時，導(dǎo)熱系數(shù)最小，為0.09 W/(mK)，當(dāng)溫度升到1 060 ℃時，導(dǎo)熱系數(shù)又上升至0.12 W/(mK)。理論上講，泡沫陶瓷內(nèi)部有三種傳熱方式[7]，分別是熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射。對于閉孔泡沫陶瓷來說，由于內(nèi)部的孔徑很小，因此空氣在里面的對流這種方式可以忽略不計，同時熱輻射需要在高溫下才能有明顯效應(yīng)，因此常溫下的熱輻射相對熱傳導(dǎo)來說也可以忽略，由此可見，對于常溫下的泡沫陶瓷其傳熱方式起決定性作用的是熱傳導(dǎo)。就熱傳導(dǎo)理論而言，煤矸石泡沫陶瓷可以看作一種兩相的體系，其中包括骨架和空氣這兩相，利用材料的導(dǎo)熱系數(shù)這一物理量可以描述這兩相內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程。泡沫陶瓷的熱傳導(dǎo)系數(shù)受孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)的影響，因此要想降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)，需要制備出的材料具有合理的孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)[8-10]。

3 結(jié)語

(1)利用煤矸石和廢棄陶瓷片為主要原料，添加碳化硅為造孔劑，滑石為助熔劑制備煤矸石泡沫陶瓷，通過調(diào)節(jié)燒成溫度達到氣孔率最高和導(dǎo)熱系數(shù)最小。(2)隨著燒成溫度的增加，煤矸石泡沫陶瓷的氣孔率先急劇增加，超過1 050 ℃后又下降，在1 050 ℃時氣孔率最大，為69.2%，表觀密度0.7 g/cm3,。(3)隨著燒成溫度的增加，煤矸石泡沫陶瓷的氣孔變得致密，孔壁較薄，當(dāng)溫度達到1 060 ℃時孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了塌陷和破壞，因此最佳的燒成溫度為1 050 ℃。(4)隨著燒成溫度的增加，煤矸石泡沫陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)變化與氣孔率變化趨勢一致，在1 050 ℃時最小，為0.09 W/(mK),符合保溫材料對導(dǎo)熱系數(shù)的要求。(5)該泡沫陶瓷可以用于屋面外墻保溫材料，具有質(zhì)輕、強度高、保溫性能好等特點，同時可以很好地處理掉煤矸石等固體廢棄物，變廢為寶，具有極高的經(jīng)濟和社會效應(yīng)。