陶瓷廢渣在二次燒陶質磚中的應用研究*

周錫榮 王賢超 劉榮傳 彭濱

(1 蒙娜麗莎集團股份有限公司 廣東 佛山 528211) (2 中國輕工業無機材料重點實驗室 廣東 佛山 528211)

前言

建筑陶瓷行業產生的廢渣一直以來是令企業頭疼的問題。十年前，市場上的拋光磚占據主流地位，制造1 m3的拋光磚大致產生2.1 Kg左右的拋光磚廢渣。如此多的廢渣最初靠填埋處理，隨著環保政策的趨緊，科研人員開展了拋光廢渣的回收利用研究工作[1～3]。近幾年來，隨著全拋釉的開發成功，全拋釉產品立即風靡市場。然而無論是以前的拋光磚，還是現在的全拋釉產品，都需要經過拋光工序，不可避免的產生大量的陶瓷廢渣，雖然數量不如以前那么龐大，但依然可觀。由于拋光過的廢渣里含有拋光磨塊，里面包含在高溫下能發泡的磨料如SiC、金剛石等，這就限制了這類廢渣的回收利用。目前科研人員依舊在不斷地努力研究陶瓷廢渣的利用問題，并拓展它的應用范圍，如利用它研制墻體隔熱保溫材料[4]、吸聲材料[5]、調濕材料[6]、微晶玻璃[7]等高附加值產品。陶質磚施加底釉、面釉的量比較多，好的遮蓋力給劣質原料的使用提供了很大的空間，研究人員也不斷研究劣質、低品位原料在陶質磚中的應用[8]。陶瓷廢渣具有高溫發泡性能，而二次燒陶質磚的燒成溫度一般比較低，給陶瓷廢渣在陶質磚中的應用提供了空間。余國明利用拋光廢渣研制了吸水率17.2%、斷裂模數24.8 MPa的陶質磚[9]，筆者研究了陶瓷廢渣在陶質磚中的影響情況，配方中廢渣摻入量達20%，制得的產品吸水率低、斷裂模數高，整體性能優異，取得了較為不錯的效果，給拋釉廢渣的處理提供了新的途徑。

1 實驗

1.1 原材料

實驗用的原材料為本廠生產陶質磚常用的原材料，陶瓷廢渣來自于本廠收集，它主要是全拋釉產品磨邊、拋光后的污水、另外還混有少量的廢釉污水和原料加工產生的污水，幾種污水共同沉淀后、壓濾產生的廢渣。各原材料的化學成份分析結果見表1。

表1 原材料化學組成

1.2 實驗過程及工藝參數

工藝流程：原料均混→稱量→球磨→除鐵、過篩→噴粉造粒→成型→干燥→素燒→施釉→印花→釉燒→磨邊

工藝參數：漿料細度：3.1%～3.3% (250目篩余)

漿料密度：1.69～1.73g/cm3

顆粒級配：30目上：8%～12%；30～60目：68%～80%；60～80目：8%～12%

粉料水分：6.4%～7.0%

成形厚度：9.2±0.3 mm

成形壓力：30～35 MPa

磚坯干燥周期： 16 min

素燒溫度：1 045～1 060 ℃

釉燒溫度：1 025～1 035 ℃

素燒周期：36～42 min

釉燒周期：40～45 min

1.3 性能測試

用S8 TIGER X射線熒光光譜儀分析了原材料及配方化學組成；用ZEISS EVO 10型掃描電鏡測試了陶瓷廢渣的微觀形貌；用Dino-Lite顯微鏡觀察了產品截面形貌；根據國家標準GB/T3810.1-16-2006《陶瓷磚試驗方法》測試了樣品的吸水率、收縮率等相關性能。

2 結果與討論

2.1 溫度對陶瓷廢渣性能的影響

圖1 拋釉廢渣在不同溫度下的收縮率

陶瓷廢渣含有彈性磨塊碎屑，彈性磨塊主要由樹脂、SiC或金剛石磨料組成。這種磨料在高溫下就會氧化，有液相的存在會加速它的氧化發泡并阻止氣體的排出，在內部形成閉口氣孔。因此，對陶瓷廢渣使用要么利用廢渣在高溫下的發泡性能，要么盡量低燒成溫度下使用。

圖1顯示的是陶瓷廢渣在不同溫度下的收縮率，在1 095 ℃之前，坯體的收縮逐漸變大并達到平衡，之后才開始膨脹。這是因為在1 095 ℃前，廢渣的發泡非常少，這時在升溫過程中主要以收縮為主，在1 095 ℃之后，廢渣開始發泡，會抵消坯體的收縮，因此它的收縮率又開始變小。因此對于二次燒磚來說，只要素燒溫度或者釉燒溫度都低于1 095 ℃，這樣可以避免廢渣在高溫下發泡的影響，但是在此溫度區間不斷的收縮，對坯體尺碼影響比較大。

圖2是陶瓷廢渣在1 035 ℃～1 060 ℃時不同溫度下燒成的微觀形貌。從圖中可以看出，陶瓷廢渣在此溫度區間燒成時，基本看不到氣泡的存在，二次燒陶質磚的燒成溫度只要不高于此溫度區間，基本上可以忽略它的發泡對坯體的影響，本實驗中控制窯爐最高溫度不超過1 060 ℃。

(a)1035℃ (b)1060℃

2.2 陶瓷廢渣對配方的影響

圖3 陶瓷廢渣的內部形貌

圖4 陶質磚中陶瓷廢渣不同比例的收縮率

圖3是陶瓷廢渣的內部形貌，可以看出，廢渣的結構松散，因此廢渣的引入對坯體的尺碼影響比較大，燒成過程收縮比不加廢渣的坯體收縮要大。同時它含脊性料多，又有樹脂在內，會降低坯體的生坯強度。

圖4為配方中不同比例廢渣對坯體燒成后尺碼的影響，可以看出，廢渣引入量越多，坯體的收縮越大，這是它的結構松散所造成的。沒加廢渣時，坯體的收縮率為0.33%，當廢渣的引入量達20%時，收縮率為1.8%。由于陶質磚對坯體的收縮控制、平整度要求比較高，因此收縮偏大對窯爐燒成是個考驗。

圖5 陶質磚中陶瓷廢渣不同比例與強度的關系

眾所周知，陶質磚因為要求坯體吸水率大，坯體收縮小，因此坯體配方中的鉀、鈉含量低，所用的原材料大多是含鉀、鈉很低的高溫砂。從表1可以看到，陶瓷廢渣含鉀、鈉比較高，因此它的溫度比較低。把這種廢渣引入到陶質磚配方中，必然會導致配方中的鉀、鈉含量增加。一方面會降低坯體的吸水率，同時會導致坯體中鉀鈉長石含量的增加，也使得坯體的強度有明顯的增加。圖5是不同比例陶瓷廢渣對強度的影響，可以看出，加入廢渣后，強度明顯增加。

2.3 配方體系設計的影響

表2 坯體化學組成實例對比(%)

陶質磚的吸水率高，為了防止磚坯熱穩定性差以及后期龜裂，配方設計中一是需要考慮的是坯體、底釉、面釉膨脹系數的匹配，二是要求配方中的K2O、Na2O含量低，這是因為坯體的吸水率高，容易產生吸濕膨脹。基于以上特點，釉面內墻磚的配方一般是低鉀、鈉，高鈣、鎂體系，提高玻璃相的抗侵蝕能力，減少濕膨脹率[10]。由于陶瓷廢渣的鉀、鈉含量高，坯體里引入大量廢渣后，不可避免的會增加坯體中的鉀鈉含量，部分可以通過原材料的調整，控制配方中的鉀、鈉含量的增加。另外可以在燒成中控制坯體的吸水率，使它控制在一個較低水平，減少濕膨脹率。表2是加入陶瓷廢渣20%前后坯體配方組成對比。從表2中可以看出，配方中鋁、鉀、鈉含量總量略有增加，但鈣、鎂含量有較大增加，同時調整了配方組成，降低了配方的燒失，可以彌補一些因廢渣造成的較大收縮。

表3給出了添加陶瓷廢渣20%的坯體主要性能。從表中可以看出，添加陶瓷廢渣后，在吸水率相差不大的情況下，坯體強度明顯提高。雖然配方的鉀、鈉含量增加了0.22%，在坯體吸水率控制比較低時，坯體的濕膨脹率也沒有變化。由于調整了配方組成，降低了燒失，坯體的收縮由原來的1.8%降低到了1.46%，也能夠減輕部分燒成對磚形控制方面的壓力，其它各方面性能表現與沒有加廢渣沒有什么區別。

表3 坯體主要性能

綜上所述，可得到以下結論：①通過陶瓷廢渣的性能研究，控制二次燒陶瓷磚素燒、釉燒溫度，陶瓷廢渣的發泡不會對坯體產生影響。②隨著陶瓷廢渣的加入，坯體的收縮會逐漸增大，斷裂模數也會隨著廢渣加入量的增加而增大。③通過合理配方體系的設計，摻入20%陶瓷廢渣坯體吸水率14.72%，斷裂模數33.20 MPa，整體性能優異。④陶瓷廢渣在陶質磚中的成功應用，給陶瓷廢渣提供了一條好的解決途徑。