水淬渣多孔建筑材料制備及其性能實(shí)驗(yàn)分析

摘 要：本文旨在探討水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備方法及其性能。通過選擇CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖中的硅灰石、鈣鋁黃長石、鈣長石和硅鈣石區(qū)域作為基礎(chǔ)相，確定了合理的組分配方。實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)整水淬渣與石英砂、碳化硅的比例，研究了不同配方對材料性能的影響，并利用高溫?zé)崤_檢測儀實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品的溫度與形貌變化，確定了最佳發(fā)泡溫度。采用粉末燒結(jié)一步法制備多孔陶瓷材料，并通過宏觀形貌和物理性能測試，評估了材料的孔徑分布、體積密度和抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，水淬渣摻量45%、石英砂摻量55%的配方制備的樣品具有均勻的孔徑結(jié)構(gòu)和良好的保溫性能，為建筑保溫材料的應(yīng)用提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：水淬渣多孔建筑；材料制備；性能實(shí)驗(yàn)分析文章編號：2095-4085（2025）02-0208-03

0 前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，建筑行業(yè)對新型環(huán)保建筑材料的需求日益迫切，而傳統(tǒng)建筑材料在生產(chǎn)過程中伴隨著高能耗、高污染等問題，已無法滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，開發(fā)利用工業(yè)固體廢棄物制備新型建筑材料，成為實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)的重要途徑。水淬渣是鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)固體廢棄物，其主要成分為硅酸鹽、鋁酸鹽等，具有潛在的膠凝活性，但由于水淬渣顆粒細(xì)小、活性較低，直接利用存在一定局限性。近年來，利用水淬渣制備多孔建筑材料成為研究熱點(diǎn)，多孔材料具有輕質(zhì)、保溫、隔音等優(yōu)良性能，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。本文旨在利用水淬渣為主要原料，通過合理的工藝設(shè)計(jì)，制備出性能優(yōu)良的多孔建筑材料，并全面剖析其性能。預(yù)期研究成果將為水淬渣的高效資源化再利用開辟新途徑，并為新型環(huán)保建筑材料的研發(fā)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，兼具深遠(yuǎn)的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。

1 水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備及其性能檢測

1.1 材料制備

1.1.1 確定組分配方

在制備水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料時(shí)，選擇合適的基礎(chǔ)相是關(guān)鍵步驟，本文依據(jù)CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)相圖，這些區(qū)域在相圖中具有穩(wěn)定的化學(xué)組成和良好的熱穩(wěn)定性，適用于制備多孔陶瓷材料。其中，SiO2含量為50%～65%、Al2O3為5%～15%、CaO為15%～25%、MgO為2%～6%、R2O（Na2O/K2O）為5%～15%，可制備出具有不同性能的多孔陶瓷材料。為制備具有優(yōu)異保溫性能的水淬渣多孔陶瓷材料，需先確定合理的組分配方，根據(jù)多孔陶瓷玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成條件，SiO2是構(gòu)成玻璃網(wǎng)絡(luò)的主要成分，其比例應(yīng)超過50%。考慮到水淬渣中本身含有較高的SiO2，因此，可通過調(diào)整水淬渣與其他原料的比例來達(dá)到這一要求。為了驗(yàn)證不同配方對材料性能的影響，設(shè)立了兩組對比實(shí)驗(yàn)，第一組實(shí)驗(yàn)主要考察水淬渣與石英砂的比例對材料性能的影響，第二組實(shí)驗(yàn)則考察水淬渣與碳化硅的比例對材料性能的影響。具體配方見表1。

1.1.2 發(fā)泡溫度

在本實(shí)驗(yàn)中，利用高溫?zé)崤_檢測儀對水淬渣多孔陶瓷樣品進(jìn)行了溫度與形貌的實(shí)時(shí)監(jiān)測，詳細(xì)觀察了樣品在不同溫度下的膨脹行為，確定了幾個(gè)關(guān)鍵的特征點(diǎn)溫度，這些溫度點(diǎn)對應(yīng)于樣品在特定黏度下的形態(tài)變化。為了進(jìn)一步分析樣品黏度變化，將各特征點(diǎn)溫度與經(jīng)驗(yàn)黏度值導(dǎo)入反比例公式，其表達(dá)式為：

logη=A+B/（T-T0）

公式中：T表示特征點(diǎn)對應(yīng)溫度；A、B、T0表示擬合的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。根據(jù)黏度隨溫度變化的曲線，確定了最佳發(fā)泡黏度對應(yīng)的溫度，在液相黏度為04Pas時(shí)，泡沫玻璃熱處理效果最佳，樣品氣孔率均勻性滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，研究人員將發(fā)泡劑和碳化硅實(shí)驗(yàn)發(fā)泡溫度設(shè)置為887℃和1046℃，不僅能保證樣品在發(fā)泡過程中具有適當(dāng)?shù)酿ざ龋苊膺^度膨脹或黏度過高，出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)缺陷，還能確保最終制備的多孔陶瓷材料具有良好的保溫性能和力學(xué)強(qiáng)度。

為獲得孔徑較為均勻的多孔陶瓷，本實(shí)驗(yàn)參考了前人的研究成果，并結(jié)合自身的料性特點(diǎn)，設(shè)定各種溫控程序。在升溫階段，將樣品從室溫升溫至400℃，升溫速率為5℃/min，逐步去除樣品中的水分和有機(jī)物，避免其快速升溫，導(dǎo)致樣品出現(xiàn)開裂。在保溫階段，將其放置在400℃下保溫30min，主要目的是促使樣品內(nèi)部的溫度均勻分布，確保水分和有機(jī)物充分揮發(fā)，從而為后續(xù)發(fā)泡過程做好準(zhǔn)備［1］。在再次升溫階段，從400℃升溫至發(fā)泡溫度，升溫速率為10℃/min，發(fā)泡溫度是多孔陶瓷形成的關(guān)鍵溫度，通過快速升溫可以促進(jìn)樣品內(nèi)部氣體的生成和膨脹，形成均勻的孔隙結(jié)構(gòu)。在發(fā)泡保溫階段，放在發(fā)泡溫度下保溫1h，使樣品內(nèi)部的氣體充分膨脹，形成均勻的多孔結(jié)構(gòu)。等到發(fā)泡保溫結(jié)束后，樣品隨爐冷卻至室溫，將其快速冷卻，可防止樣品出現(xiàn)開裂變形問題，確保最終產(chǎn)品的完整性。

在實(shí)驗(yàn)過程中，對比了多種升溫程序?qū)λ阍嗫滋沾尚阅艿挠绊憽＝Y(jié)果表明，采用升溫保溫再升溫再保溫的程序，可以有效控制孔徑的均勻性，避免因溫度波動導(dǎo)致的孔徑不均勻問題。通過優(yōu)化升溫速率和保溫時(shí)間，得到了孔徑較為均勻、性能優(yōu)良的水淬渣多孔陶瓷保溫材料。

1.1.3 多孔陶瓷材料制備方法

多孔陶瓷材料制備方法多種多樣，主要包括溶膠-凝膠法、發(fā)泡法、粉末燒結(jié)法等，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和適用范圍［2］。溶膠-凝膠法能夠制備出孔徑均勻、結(jié)構(gòu)致密的陶瓷材料，但工藝復(fù)雜，成本較高；發(fā)泡法通過在材料中引入氣體形成孔隙，制備出的多孔陶瓷具有較高的孔隙率和較低的密度，但孔徑分布不均勻；粉末燒結(jié)法則利用粉末顆粒燒結(jié)和孔隙形成，制備出具有良好力學(xué)性能和保溫性能的多孔陶瓷材料。粉末燒結(jié)法是一種較為成熟的制備多孔陶瓷的方法，其基本原理是將原料粉末通過壓制成型后，在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使顆粒之間發(fā)生粘結(jié)，形成具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。

在本實(shí)驗(yàn)中，采用粉末燒結(jié)一步法制備水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料，具體步驟如下。

（1）根據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)配方比例，稱取適量的水淬渣、粘結(jié)劑和其他添加劑。

（2）將稱取的原料放置于球磨機(jī)中，設(shè)定球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為310轉(zhuǎn)/min，正、反旋轉(zhuǎn)各20min，使原料顆粒充分混合，并細(xì)化顆粒尺寸，從而為后續(xù)燒結(jié)過程提供均勻的原料基礎(chǔ)。

（3）將球磨后的配合料從球磨機(jī)中取出，噴灑少量純凈水進(jìn)行混合，進(jìn)一步增加顆粒之間的粘結(jié)力。隨后，將混合料放入模具中，以100千牛（KN）的壓力壓制30s，使混合料成型為具有規(guī)定形狀和密度的坯體［3］。

（4）將壓制成型的坯體放入發(fā)泡爐中，設(shè)定加熱程序，先以較低升溫速率將坯體加熱至發(fā)泡溫度，使坯體內(nèi)部產(chǎn)生氣體，形成孔隙結(jié)構(gòu)。隨后，在發(fā)泡溫度下保持一定時(shí)間，使孔隙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，等到其冷卻至與室溫基本相同時(shí)，可得到具有多孔結(jié)構(gòu)的泡沫玻璃產(chǎn)品［4］。

1.2 性能檢測

1.2.1 宏觀形貌

為了深入了解水淬渣多孔陶瓷的宏觀形貌特征，對制備的樣品進(jìn)行切割和顯微觀察。通過切割樣品，發(fā)現(xiàn)1-4號樣品在高溫?zé)Y(jié)過程中未形成玻璃相，進(jìn)一步分析表明，這是由于配合料中的硅含量不足，導(dǎo)致黏度降低，未能形成均勻的孔結(jié)構(gòu)。1-3號樣品也存在類似問題，表明硅含量不足是影響材料性能的關(guān)鍵因素。相比之下，1-2號和1-1號樣品在高溫?zé)Y(jié)過程中表現(xiàn)出較好的性能，這兩個(gè)樣品在發(fā)泡劑產(chǎn)生氣泡時(shí)，形成了均勻孔徑的多孔玻璃陶瓷材料［5］。基于上述分析，選擇水淬渣摻量45%、石英砂摻量55%的原料配比作為基礎(chǔ)配方，并計(jì)劃在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步優(yōu)化該配方，以期獲得性能更優(yōu)的水淬渣多孔陶瓷材料。

通過肉眼觀察和顯微鏡放大觀察，發(fā)現(xiàn)樣品中存在大量的大孔和連通孔，孔的形狀不規(guī)則，呈現(xiàn)出明顯的非均勻分布特征，這些大孔和連通孔的存在，使得樣品在宏觀上表現(xiàn)出明顯的多孔結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，樣品中孔隙的不規(guī)則形狀和分布主要源于碳化硅發(fā)泡溫度與樣品高溫黏度發(fā)泡溫度區(qū)間的不匹配，碳化硅作為一種常用的發(fā)泡劑，在高溫下能夠產(chǎn)生大量氣體，從而形成多孔結(jié)構(gòu)。但由于碳化硅的發(fā)泡溫度與樣品的高溫黏度發(fā)泡溫度區(qū)間不匹配，導(dǎo)致氣體在樣品中的分布不均勻，無法形成均勻的多孔材料。具體表現(xiàn)為部分區(qū)域氣體聚集形成大孔，而其他區(qū)域則因氣體不足而形成較小的孔隙，最終導(dǎo)致樣品整體孔隙結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性。此外，還觀察到2-3號和2-4號樣品存在明顯的燒結(jié)現(xiàn)象，燒結(jié)是指在高溫下，樣品中的顆粒通過表面擴(kuò)散和體積擴(kuò)散相互結(jié)合，形成致密的結(jié)構(gòu)。燒結(jié)現(xiàn)象的出現(xiàn)表明樣品中的硅含量不足，無法形成具有高溫黏度的玻璃相，玻璃相在高溫下具有較高的黏度，能夠有效抑制顆粒的擴(kuò)散和結(jié)合，從而保持多孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。然而，由于硅含量不足，樣品在高溫下無法形成足夠的玻璃相，導(dǎo)致顆粒間的結(jié)合加劇，最終形成燒結(jié)現(xiàn)象。

1.2.2 物理性能

在本次實(shí)驗(yàn)中，通過對水淬渣多孔陶瓷樣品的宏觀形貌進(jìn)行觀察，全面了解了不同發(fā)泡劑對樣品孔徑結(jié)構(gòu)的影響［6］。在實(shí)驗(yàn)中，分別采用了碳化硅和工業(yè)純堿作為發(fā)泡劑，制備了兩組樣品。在碳化硅為發(fā)泡劑的實(shí)驗(yàn)中，樣品宏觀形貌顯示孔徑分布不均勻，部分區(qū)域孔徑較大，部分區(qū)域孔徑較小，且孔壁較薄，存在明顯的孔徑不均現(xiàn)象。主要原因是碳化硅在高溫下分解產(chǎn)生的氣體量不穩(wěn)定，導(dǎo)致孔徑分布不均勻［7］。且碳化硅分解產(chǎn)物與水淬渣中的硅酸鹽發(fā)生反應(yīng)，影響了孔壁的形成，進(jìn)一步加劇了孔徑不均的問題，表明工業(yè)純堿在高溫下分解產(chǎn)生的氣體量較為穩(wěn)定，能夠均勻地分布在樣品中，從而形成均勻的孔徑結(jié)構(gòu)。此外，工業(yè)純堿的分解產(chǎn)物與水淬渣中的硅酸鹽反應(yīng)，生成了均勻的玻璃相，增強(qiáng)了孔壁的強(qiáng)度，進(jìn)一步提高了孔徑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［8］。

2 結(jié)語

綜上所述，本文通過系統(tǒng)地探討水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的制備方法及其性能，成功制備出具有優(yōu)異保溫性能和力學(xué)強(qiáng)度的多孔陶瓷材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，合理選擇基礎(chǔ)相和優(yōu)化組分配方是制備高性能多孔陶瓷材料的關(guān)鍵。通過高溫?zé)崤_檢測儀的實(shí)時(shí)監(jiān)測，確定了最佳發(fā)泡溫度，可確保材料的孔徑均勻性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用粉末燒結(jié)一步法制備的多孔陶瓷材料，其宏觀形貌和物理性能均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，特別是以工業(yè)純堿為發(fā)泡劑制備的樣品，其孔徑分布均勻，體積密度和抗壓強(qiáng)度適中，符合建筑保溫材料的要求。本文為水淬渣多孔陶瓷建筑保溫材料的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］康旭峰.粉煤灰/廢磚基多孔建筑材料制備及性能研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2022.

［2］楊寒羽，黃先奇，唐鳴放，等.多孔建筑材料液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)的簡化預(yù)測方法［J］.建筑科學(xué)，2022，38（4）：37-43.

［3］李冰，孟慶林.鹽霧環(huán)境多孔建筑材料加速風(fēng)化試驗(yàn)方法綜述［J］.混凝土，2021（11）：6-9.

［4］姜量.粉煤灰/廢磚粉制備多孔建筑材料的技術(shù)要點(diǎn)探究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2024，14（15）：112-115.

［5］雷玥，楊寒羽，張宇，等.多孔建筑材料熱濕物理性質(zhì)測試方法與現(xiàn)狀綜述［J］.建筑科學(xué)，2021，37（2）：165-173，184.

［6］王文卓.試件尺寸及測試條件對多孔建筑材料毛細(xì)吸水系數(shù)的影響研究［D］.陜西：西安建筑科技大學(xué)，2021.

［7］馮馳.X射線衰減法測定多孔建筑材料液態(tài)水?dāng)U散系數(shù)［J］.建筑科學(xué)，2020，36（12）：140-144.

［8］任達(dá).水淬渣多孔建筑材料制備及其性能實(shí)驗(yàn)研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2021.

作者簡介：宋磊（1982—），男，漢族，安徽肥東人，大學(xué)本科，工程師。研究方向：建筑材料檢驗(yàn)檢測。