王海斌，赫亞軍，封鑒秋（.鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州　45000；.中建二局第二建筑有限公司，廣東 深圳　58000）

不同發(fā)泡劑對泡沫玻璃性能的影響

王海斌1，赫亞軍2，封鑒秋1
（1.鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001；2.中建二局第二建筑有限公司，廣東 深圳518000）

以赤泥、粉煤灰、煤矸石等為主要原料，采用不同的發(fā)泡劑，通過不同的原料處理、成形、燒成等工藝過程，制備出不同泡沫狀況的玻璃材料。通過體視顯微鏡等儀器對材料氣孔的數(shù)量、尺寸大小、體積密度以及導(dǎo)熱率等性能的測試，比較不同發(fā)泡劑的優(yōu)缺點，確定出適合泡沫玻璃使用的發(fā)泡劑種類。結(jié)果表明：碳化硅最適合作為泡沫玻璃的發(fā)泡劑，所制產(chǎn)品體積密度小，導(dǎo)熱系數(shù)很小，且添加量在15%時氣孔率最高。

發(fā)泡劑；泡沫玻璃；性能

0　引言

目前我國工業(yè)廢渣的利用率較低，特別是冶金廢渣，不僅占據(jù)大量土地、危害環(huán)境，而且也浪費資源［1］。如何對其進(jìn)行合理的綜合利用，減輕對環(huán)境的污染，使之產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，是目前比較關(guān)注的問題。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)墻體材料生產(chǎn)能耗和建筑采暖能耗近15 000萬t燃煤，約占我國全年能耗總量的15%左右［2-3］。由此可見，節(jié)能環(huán)保的新型墻體材料取代能耗大的黏土磚己經(jīng)刻不容緩［4］。

隨著我國建筑節(jié)能發(fā)展需要，泡沫玻璃在建筑節(jié)能與防火領(lǐng)域得到普遍認(rèn)可和應(yīng)用，并因此獲得迅速推廣應(yīng)用［5-6］。但是目前國內(nèi)對泡沫玻璃巨大需求量與我國泡沫玻璃生產(chǎn)能力之間存在較大的需求矛盾［7］。根據(jù)目前發(fā)泡劑及泡沫玻璃的生產(chǎn)和應(yīng)用情況，找出發(fā)泡效果好、綜合性能優(yōu)良、價格合理的發(fā)泡劑對制備強度高、體積密度低、保溫性能良好的泡沫玻璃是非常迫切的，這也是本次研究的出發(fā)點［8］。

鑒于此，本研究從易操作性、發(fā)泡效果以及成本，綜合各個因素，采用粉煤灰等工業(yè)廢渣作為基礎(chǔ)玻璃組分，選擇合適的發(fā)泡劑以及合適的摻量，將其進(jìn)一步應(yīng)用于泡沫玻璃中，為制備出具有更好性能的泡沫玻璃制品提供參考［9-13］。

1　實驗

1.1原材料

粉煤灰，登封煤化集團；赤泥、煤矸石，工業(yè)廢渣，河南煤化集團；長石、白云石，工業(yè)純，滎陽峰景陶瓷廠；鉛硼熔塊，工業(yè)純，開封景達(dá)化學(xué)原料有限公司；碳酸鈣、碳化硅、碳酸鈉，分析純，鄭州志誠有限公司；拋光瓷粉，工業(yè)廢渣，新鄭宇升陶瓷精工磚廠；黃河泥沙，含沙量約30 kg/m3，取自鄭州市惠濟區(qū)邙山黃河附近。

其中粉煤灰、煤矸石、赤泥、黃河泥沙、長石、鉛硼熔塊為制備基礎(chǔ)玻璃的原料，碳酸鈉為添加劑。碳酸鈣、煤矸石、白云石、碳化硅、拋光瓷粉為發(fā)泡劑。

1.2泡沫玻璃配方

基礎(chǔ)玻璃配方為（質(zhì)量百分比）：

用碳酸鈣和白云石發(fā)泡的：煤矸石20%、長石40%、鉛硼熔塊25%、碳酸鈉15%；

用煤矸石發(fā)泡的：煤矸石20%、黃河泥沙10%、長石40%、鉛硼熔塊10%、碳酸鈉20%。

用碳化硅和拋光瓷粉發(fā)泡的：粉煤灰17%、赤泥17%、黃河泥沙10%、長石20%、鉛硼熔塊18%、碳酸鈉18%。

實驗在基礎(chǔ)玻璃配方中加入發(fā)泡劑制備泡沫玻璃。固定基礎(chǔ)玻璃和發(fā)泡劑總質(zhì)量100 g不變，通過改變發(fā)泡劑種類和摻量來設(shè)計泡沫玻璃配方。

1.3泡沫玻璃的制備

（1）配料：根據(jù)設(shè)計配方，依次稱量各種原料，精確到0.01 g，配得基礎(chǔ)玻璃粉所需要的各種原料。將發(fā)泡劑過200目篩后加入其中。

（2）混料：為了使料混合均勻，將稱量好的原料放入攪拌盆中，攪拌時間30 min。

（3）成形：填料前在自制模具內(nèi)表面上刷1層氧化鋁脫模劑，刷2～3遍后放入干燥爐，在溫度為102℃下，干燥10～20 min后取出，將配好的原料填入自制模具，把原料表面用適當(dāng)?shù)膲毫浩健?/p>

（4）燒結(jié)和發(fā)泡：用托盤將填料的模具送到高溫爐旁并放入其中，在模具下面和周圍鋪1層氧化鋁粉以防止意外。準(zhǔn)備完畢后開啟電源讓樣品在設(shè)定的溫度制度下升溫?zé)Y(jié)，在適合的溫度下發(fā)泡。對于發(fā)泡溫度的選擇，本實驗先根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗，制定不同發(fā)泡劑的發(fā)泡溫度：碳酸鈣和白云石為發(fā)泡劑的發(fā)泡溫度為850℃，煤矸石、碳化硅、拋光瓷粉為發(fā)泡劑的發(fā)泡溫度為1050℃。

在發(fā)泡溫度下保溫結(jié)束后，關(guān)閉高溫爐并打開看火孔，使樣品快速冷卻。

（5）脫模：將冷卻后的模子取出，并小心脫模，得到樣品。

1.4測試方法

首先參照GB/T 1966—1996《多孔陶瓷顯氣孔率、容量試驗方法》，并根據(jù)相應(yīng)公式計算泡沫玻璃的體積密度、吸水率、顯氣孔率；同時參照GB/T 1964—1996《多孔陶瓷壓縮強度試驗方法》，利用YWE-300型恒加載壓力試驗機對泡沫玻璃進(jìn)行抗壓強度測試；然后根據(jù)YB/T 4130—2005《耐火材料 導(dǎo)熱系數(shù)試驗方法（水流量平板法）》，利用PBD—02型高溫導(dǎo)熱儀分析泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)；最后利用SMZ1000型體視顯微鏡觀察泡沫玻璃的表面形貌結(jié)構(gòu)。

1.5燒成制度實驗

對于燒成制度，主要研究發(fā)泡溫度和保溫時間對發(fā)泡效果的影響。共設(shè)計A、B、C、D、E 5組泡沫玻璃配方，對應(yīng)5種發(fā)泡劑：碳酸鈣、白云石、煤矸石、碳化硅、拋光瓷粉，發(fā)泡劑摻量為2%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%，編號為A1～A10，...，E1～E10。

（1）發(fā)泡溫度：碳酸鈣、白云石發(fā)泡劑發(fā)泡溫度選取850、875、900、925、950℃5個溫度點；煤矸石、碳化硅、拋光瓷粉發(fā)泡劑發(fā)泡溫度選取1050、1075、1100、1125、1150℃5個溫度點。首先測試不同發(fā)泡劑不同摻量的泡沫玻璃發(fā)泡效果，每種發(fā)泡劑選取2組發(fā)泡效果較好的發(fā)泡劑摻量作溫度對比實驗，得出最佳發(fā)泡溫度。保溫時間均取30 min。

（2）保溫時間：在最佳發(fā)泡溫度下，保溫時間分別選取10、20、30、40、50、60 min，得出最佳保溫時間。

2　結(jié)果與討論

2.1不同發(fā)泡劑及其摻量對泡沫玻璃性能的影響（見圖1）

圖1　不同發(fā)泡劑及其摻量對泡沫玻璃性能的影響

從圖1（a）可以看出，不同發(fā)泡劑泡沫玻璃的體積密度隨著發(fā)泡劑摻量的增加而減小。其中碳化硅作為發(fā)泡劑時樣品的體積密度最低，煤矸石作發(fā)泡劑時樣品的體積密度最高。而碳酸鈣和拋光瓷粉作發(fā)泡劑時，它們的體積密度隨發(fā)泡劑摻量變化曲線十分接近?？梢娪锰蓟枳鳛榘l(fā)泡劑，可以極大的降低泡沫玻璃的體積密度。這為泡沫玻璃作為墻體材料提供了很大的優(yōu)勢，可以降低墻體對底層承重墻的壓力。

從圖1（b）可以看出，隨著發(fā)泡劑摻量的增加泡沫玻璃的吸水率不斷增大。其中碳酸鈣、碳化硅和拋光瓷粉為發(fā)泡劑時吸水率受發(fā)泡劑摻量影響較大。碳化硅為發(fā)泡劑時在相同發(fā)泡劑摻量的條件下吸水率高于其它試樣。而用白云石作為發(fā)泡劑時，泡沫玻璃的吸水率很低而且波動不大，一般在0.5%左右，基本不吸水，適合在潮濕環(huán)境及地下管道中作為保溫材料使用。

從圖1（c）可以看出，隨著發(fā)泡劑摻量的增加泡沫玻璃的抗壓強度下降。其中碳酸鈣、碳化硅和拋光瓷粉發(fā)泡劑的泡沫玻璃整體強度都很低，大部分低于10 MPa。白云石發(fā)泡制備的樣品強度稍微高些，大部分在10～20 MPa。而煤矸石發(fā)泡制備的樣品抗壓強度最高，在15～25 MPa。這種結(jié)果主要和它們的氣孔率和孔徑有關(guān)。碳酸鈣、碳化硅和拋光瓷粉發(fā)泡制備的樣品氣孔率高、泡壁很薄，所以抗壓強度就很低。而白云石和煤矸石發(fā)泡制備的樣品氣孔率相對較低、泡壁較厚，因此樣品抗壓強度很高。

由圖1（d）可以看出，隨著發(fā)泡劑摻量的增加，泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)不斷減小。其中碳化硅為發(fā)泡劑時導(dǎo)熱系數(shù)最小，碳酸鈣、拋光瓷粉和白云石次之，煤矸石發(fā)泡制備的樣品的導(dǎo)熱系數(shù)比其它組大很多。所以本實驗煤矸石發(fā)泡制備的泡沫玻璃不適合做墻體保溫材料，它的導(dǎo)熱系數(shù)很高的原因是樣品中氣泡較少，真氣孔率較低，孔壁較厚。

2.2泡沫玻璃的表面形貌

不同發(fā)泡劑泡沫玻璃的表面形貌照片見圖2，其中發(fā)泡劑摻量分別為：碳酸鈣15%、白云石30%、煤矸石40%、碳化硅15%、拋光瓷粉20%。

圖2　不同發(fā)泡劑泡沫玻璃的表面形貌照片

從圖2可以看出，所有樣品內(nèi)部的孔洞結(jié)構(gòu)非常發(fā)達(dá)，孔的形態(tài)多成圓球狀，大部分氣孔皆為閉氣孔，孔與孔之間由玻璃相隔開。不同的配方氣孔大小及分布不同。從圖2（a）可以看出，當(dāng)碳酸鈣為劑發(fā)泡時，氣孔率較高，孔徑較大，氣孔分布均勻，有個別氣孔較大；從圖2（b）可以看出，當(dāng)白云石為發(fā)泡劑時，氣泡雖然看起來很多而且分布很均勻，但是泡徑較小，孔壁較厚；從圖2（c）可以看出，當(dāng)煤矸石發(fā)泡時，氣泡大小不一，氣泡分布不均勻，孔壁較厚；從圖2（d）可以看出，當(dāng)碳化硅為發(fā)泡劑時，氣孔率很高，孔徑較大，氣孔分布均勻，孔壁很?。粡膱D2（e）可以看出，當(dāng)拋光瓷粉為發(fā)泡劑時，氣孔率較高，孔徑中等，氣孔分布均勻。泡沫玻璃的氣孔的大小和多少主要由發(fā)泡劑顆粒的粒徑和含量所決定，同時還與坯料的粒徑、燒成制度等因素有關(guān)，無機鹽類發(fā)泡劑在加熱過程中不斷分解，從而在坯體中留下空隙，而坯料的堆積也會產(chǎn)生一定的空隙。

2.3不同發(fā)泡劑泡沫玻璃燒成制度的確定

2.3.1發(fā)泡溫度

首先根據(jù)使用不同發(fā)泡劑泡沫玻璃的發(fā)泡燒結(jié)結(jié)果，選取每種發(fā)泡劑中效果較好的2組分別為：A5、A6、B7、B8、C5、C6、D4、D5、E5、E6，用于確定不同發(fā)泡劑最佳發(fā)泡溫度的對比實驗，保溫時間均為30 min。結(jié)果如表1所示。

表1　不同發(fā)泡劑泡沫玻璃燒成制度實驗結(jié)果

從表1可以看出，碳酸鈣的最佳發(fā)泡溫度是900℃；白云石的最佳發(fā)泡溫度是925℃；煤矸石的最佳發(fā)泡溫度是1075℃；碳化硅的最佳發(fā)泡溫度是1100℃；拋光瓷粉的最佳發(fā)泡溫度是1100℃。

2.3.2保溫時間

各組樣品在9℃/min的速度下升溫到各自最佳發(fā)泡溫度，分別保溫10、20、30、40、50、60 min，然后自然冷卻。最后得出結(jié)果為：當(dāng)保溫時間過短時，樣品熔融不完全，泡徑小，氣孔少；當(dāng)保溫時間過長時，樣品黏度很低，形成很多大氣泡，且有氣泡從表面跑出。各組最適保溫時間均為30 min。

3　結(jié)語

研究了發(fā)泡劑種類、摻量、發(fā)泡溫度、保溫時間等對泡沫玻璃性能的影響。結(jié)果表明，碳化硅是最適合作為泡沫玻璃的發(fā)泡劑，用其制備的泡沫玻璃體積密度最小為800 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)最小為0.08 W/（m·K），摻量在15%時氣孔率最高，適合的發(fā)泡溫度為1100℃。而對于拋光瓷粉、白云石、煤矸石等來說，均存在不同程度的不足，如導(dǎo)熱系數(shù)和體積密度太大、氣孔率太低等，而且如果對碳化硅發(fā)泡的泡沫玻璃通過技術(shù)改進(jìn)降低生產(chǎn)成本，更有利于其的工業(yè)化生產(chǎn)。

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Effect of different foaming agents on properties of foam glass

WANG Haibin1，HE Yajun2，F(xiàn)ENG Jianqiu1
（1.School of Materials Science and Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China；2.China Construction Second Engineering Bureau LTD.，Shenzhen 518000，China）

In this passage，mud，fly ash and coal gangue as main raw materials along with different foaming agents are prepared for foam glasses through the raw material processing，forming and sintering process.The stereo microscope and other instruments are used to test the physical properties of pores in the foam glass such as the morphology，number and size to compare the advantages and disadvantages of different foaming agents simultaneously and finally determine suitable types of foaming agents for foam glasses.By comparison，it is found that SiC is the most suitable foaming agent for foam glass with both small volume density and thermal conductivity coefficient.The porosity of the foam glass is highest when the adding amount was 15%.

foaming agent，foam glass，performance

TU52；TQ171.72文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1001-702X（2016）04-0017-04

2015-11-02；

2015-12-04

王海斌，男，1993年生，主要研究方向為無機非金屬材料。E-mail：haibinwangzzu@163.com。通訊作者：封鑒秋，地址：鄭州市高新區(qū)科學(xué)大道100號，E-mail：13603710566@139.com。