何中睿 張優(yōu) 石棋

摘 要：本文以鋁灰作為發(fā)泡劑，滑石、氧化鐵等原料以及燒成溫度制度對發(fā)泡建筑陶瓷材料的結(jié)構與性能的影響。采用單因素實驗通過控制鋁灰加入量、以滑石替換掉部分長石、在配方中外加氧化鐵等方法制備出體積密度0.28g/cm3、抗壓強度2.5MPa、導熱系數(shù)0.09W/m·K符合JG/T511-2017《建筑裝飾用發(fā)泡陶瓷保溫板》的指標要求的鋁灰發(fā)泡建筑陶瓷材料，該配方為：鋁灰25%、石英25%、長石25%、滑石15%、氧化鐵1%。同時探究出最佳燒成溫度為1200℃;最佳升溫速率為3℃/min;最佳保溫時間為20min，該溫度制度下孔結(jié)構的均勻性最好，試樣平均孔徑由1mm增大到2mm，孔結(jié)構均勻有序，易形成獨立的球型氣孔，綜合性能最佳。

關鍵詞：鋁灰;建筑發(fā)泡陶瓷;燒成制度

1 引 言

鋁灰中含有許多危害生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)，對其回收和利用已成為世界性難題。徐曉虹等人[1]以廢鋁灰、粘土、石英、助熔劑為原料，采用壓制成型法制備陶瓷清水磚，將未處理的鋁灰引入到建筑陶瓷中，燒成后坯體內(nèi)有大量氣孔。唐林元等人[2]將經(jīng)過1400～1500℃煅燒后的鋁灰引入到拋光磚用坯的配方中，提高配方的鋁含量，增加高溫時的液相粘度和提高燒結(jié)溫度，解決拋光磚易出現(xiàn)變形、毛孔、溶洞缺陷等問題。在不添加其他發(fā)泡劑的情況下，將未處理的工業(yè)廢料鋁灰作為發(fā)泡陶瓷原料[3，4]，研究制備輕質(zhì)、高強、孔結(jié)構均勻的滿足行業(yè)標準要求的鋁灰發(fā)泡建筑陶瓷材料，符合國家倡導的節(jié)能、環(huán)保、綠色建筑等發(fā)展需求[5]無疑是一項很有意義的工作[6，7]。

2 實驗方法

2.1? 實驗原料

實驗的主要原料為鋁灰、鉀長石、石英、高嶺土、滑石以及氧化鐵（上海化學試劑廠，≥90%），如表1所示。其中，鋁灰取自河北三力活塞廠，經(jīng)過干法球磨，球磨細度控制在200目標準篩篩余1%～1.5%。

2.2 實驗方法

首先，參考文獻[8，9]并經(jīng)過計算，擬定建筑發(fā)泡陶瓷材料實驗基礎配方為：長石40%，石英25%，高嶺土10%。對基礎配方中鋁灰進行單因素實驗，鋁灰含量從5%依次增加10%直至65%，探究不同鋁灰加入量對發(fā)泡建筑陶瓷材料結(jié)構與性能的影響;滑石替換掉部分長石，探究滑石加入量對鋁灰發(fā)泡建筑陶瓷材料結(jié)構與性能的影響;在配方中外加氧化鐵，加入量從0%依次增加1%～4%，探究不同氧化鐵含量對發(fā)泡陶瓷結(jié)構與性能的影響。固定燒成溫度1200℃，升溫速度2℃/ min，保溫時間5min。

其次，探究燒成溫度在1100℃～1250℃，升溫速度在2℃/ min～6℃/min，保溫時間5min～40 min，三者在對應范圍內(nèi)的變化對發(fā)泡材料性能的影響。

2.3 測試方法

采用美國INSTRON英斯特朗公司的萬能材料試驗機對鋁灰發(fā)泡建筑陶瓷材料的抗折強度與抗壓強度進行測試;采用國產(chǎn)ZOOM645S體視顯微鏡觀察發(fā)泡陶瓷的形貌;采用德國布魯克AXS有限公司X射線衍射儀D8 Advance分析晶粒結(jié)構。

3 結(jié)果分析

3.1 鋁灰加入量對發(fā)泡建筑陶瓷的影響

改變基礎配方中的鋁灰加入量，發(fā)泡陶瓷材料的性能變化如圖1所示。

鋁灰加入量對發(fā)泡陶瓷的影響如圖1所示，體積密度由1.5g/cm3降至0.75g/cm3;抗壓強度由45.1MPa降至8.8MPa。圖2是不同鋁灰加入量制備的發(fā)泡陶瓷樣品的照片，綜合圖1圖2可以看出，隨著鋁灰加入量的提高，試樣的發(fā)泡成孔效果逐漸明顯，試樣的孔徑逐漸增大。當鋁灰加入量大于35%時，試樣的孔結(jié)構疏松，雜亂無章，均勻性差，均為開放性連孔結(jié)構。鋁灰加入量在35%以下，孔結(jié)構相對緊密，尺寸分布趨窄。當鋁灰加入量為25%時，孔徑范圍為0.1～1.0mm，抗壓強度較高，結(jié)構比較均勻，綜合性能較好。但上述所有樣品的體積密度均大于0.7g/cm3，與優(yōu)質(zhì)發(fā)泡陶瓷相差較遠。

3.2滑石和氧化鐵加入量對發(fā)泡建筑陶瓷的影響

為了降低樣品體積密度，引入滑石，氧化鐵等能對發(fā)泡陶瓷性能造成顯著影響的熔劑型原料，探究體積密度的變化分述如下：

配方中滑石含量從0增至25%代替部分長石，發(fā)泡陶瓷的體積密度由0.58g/cm3降至0.31g/cm3，抗壓強度由5.5MPa降至2.7MPa，如圖3所示。

滑石作為熔劑，只有達到一定的數(shù)量，才能阻斷坯體中的連通氣孔，有效包裹住發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體而不溢出， 被隔斷包裹的氣體最終以獨立的球型閉氣孔存在。坯體可在低溫下形成液相，隨著溫度的升高，液相量增多，將坯體中原有氣孔隔斷，導致坯體中產(chǎn)生的氣體難以溢出，此時易形成獨立的球型閉氣孔，試樣中出現(xiàn)氣孔連通的現(xiàn)象，結(jié)構均勻性變差。滑石的引入可改善高溫液相量與液相性質(zhì)，易于氣泡的產(chǎn)生與長大，從而使體積密度下降，抗壓強度下降;隨著一定量的滑石加入，液相量與液相性質(zhì)得到改善，結(jié)構更加均勻，結(jié)構中的獨立球型閉氣孔增多。

綜上，長石與滑石共同作為助熔劑時，能明顯改善孔結(jié)構的均勻性。綜合鋁灰發(fā)泡建筑陶瓷的結(jié)構與性能，長石加入量為25%，滑石加入量為15%時試樣綜合性能較好。

另外有資料表明堿金屬與堿土金屬對高溫熔體的性質(zhì)有一定影響，其中氧化鐵對高溫熔體的液相粘度以及孔結(jié)構都有明顯的改善作用[10]。本文為解決孔結(jié)構均勻性的問題，通過將氧化鐵以外加的形式引入配方，探究氧化鐵含量對鋁灰發(fā)泡建筑陶瓷材料的組成、結(jié)構與性能的影響。

如圖4所示，氧化鐵加入量由0%增至4%時，體積密度由0.43g/cm3降至0.22g/cm3，抗壓強度由4.2MPa降至2.2MPa。分析可知，氧化鐵引入配方后，可以降低液相粘度，有利于氣孔的產(chǎn)生與長大，使得氣孔率增大，體積密度和抗壓強度下降。

圖5為不同氧化鐵加入量試樣的XRD圖譜，從整體上可以看出，在20°～30°衍射范圍內(nèi)存在饅頭峰，說明試樣內(nèi)存在大量的非晶態(tài)玻璃體;五個試樣的衍射峰出現(xiàn)位置基本一致，說明試樣的物相種類無太大變化，均為石英與鎂鋁尖晶石[11]。隨著氧化鐵含量的增加，石英衍射峰的強度有逐漸降低的趨勢，說明被熔融的石英逐漸增多;將尖晶石的主峰進行了放大，可以明顯看出尖晶石衍射峰的強度逐漸增強，峰寬越來越大，峰的面積增大，并且衍射峰不斷地向左偏移，說明尖晶石的結(jié)晶度越來越好，含量越來越多。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是隨著氧化鐵含量的增加，促進了石英熔融，使得石英衍射峰的強度降低;當坯體中液相增加，部分固相擴散傳質(zhì)轉(zhuǎn)化為液相傳質(zhì)，擴散速度大大提高，從而促進了尖晶石的形成，使得尖晶石衍射峰的面積增加[12]。

當坯體中含有較多氧化鐵時，氧化鐵與鎂鋁尖晶石易形成固溶體。缺陷方程如下：

同時，部分Fe2O3與原料中的MgO反應生成鎂鐵尖晶石，鎂鐵尖晶石溶于鎂鋁尖晶石中形成連續(xù)的固溶體。缺陷方程如下：

Fe3+離子半徑為0.64nm，Al3+離子半徑為0.51nm，F(xiàn)e3+代替Al3+時，晶格會發(fā)生變形和擴展，晶格參數(shù)會變大，引起衍射峰偏移。

綜上，氧化鐵不僅可以調(diào)節(jié)液相性質(zhì)，還可作為氧化劑，使鋁灰在較寬的溫度范圍內(nèi)被氧化并均勻釋放氣體，使坯體中的孔結(jié)構更加均勻。實驗表明氧化鐵加入量為1%時效果最好。

3.3? 溫度制度對鋁灰發(fā)泡陶瓷的影響

3.3.1? 燒成溫度對鋁灰發(fā)泡陶瓷的影響

燒成溫度由1140℃升至1220℃時，鋁灰發(fā)泡陶瓷孔徑變大，體積密度由1.58g/cm3降至0.27g/cm3，抗壓強度由48.3MPa降至1.2MPa。燒成溫度的升高，結(jié)構均勻性得到改善;燒成溫度高于1200℃，氣孔之間易出現(xiàn)連通現(xiàn)象，結(jié)構均勻性變差，如圖6所示：

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是燒成溫度影響了坯體中的液相量與液相性質(zhì)。燒成溫度為1140℃時，坯體中液相較少，不能有效的包裹氣孔，形成了不規(guī)則氣孔，并且液相粘度較大，氣孔長大所受阻力較大，不利于氣孔長大，導致孔壁較厚，孔徑較小;當燒成溫度升高至1200℃時，坯體中液相量增加，可以有效的包裹氣體，液相粘度下降，有利于氣泡的產(chǎn)生與長大，促使氣孔壁變薄，孔徑變大，孔結(jié)構更加均勻。

燒成溫度為1200℃時，孔結(jié)構均勻，綜合性能較好。

3.3.2? 升溫速率對鋁灰發(fā)泡陶瓷的影響

通過對最佳配方進行差熱-熱重分析，分析坯體中液相產(chǎn)生的溫度范圍和產(chǎn)生氣體的溫度范圍，進而確定坯體的發(fā)泡溫度范圍，探究該溫度段的升溫速率對鋁灰發(fā)泡建筑陶瓷結(jié)構與性能的影響，如圖7所示：

從圖7可以看出，66℃時為吸熱谷，伴有質(zhì)量下降，為吸附水排出;當溫度升至452.4℃，有吸熱谷出現(xiàn)，伴有質(zhì)量下降，為結(jié)構水的排出;當溫度升至746.6℃，有微弱的放熱峰，為氮化鋁氧化，但由于結(jié)構水到1000℃時才能完全排除，氮化鋁氧化的增重難以抵消失水的重量，導致746.6℃～900℃質(zhì)量下降，直至900℃～1200℃ TG曲線呈上升趨勢，當溫度為1200℃時有激烈的吸熱谷，質(zhì)量變化較小。

如圖8所示，當1100℃～1200℃溫度段的升溫速率由2℃/ min提高到6℃/min，體積密度0.26g/cm3增至0.40 g/cm3，抗壓強度由1.0MPa增至5.6MPa;升溫速率為3℃/min～4℃/min時，結(jié)構均勻性較好，升溫速率過快或過慢，孔結(jié)構均會變差。

在1100℃～1200℃溫度段，隨著溫度的升高，坯體中液相量增加，液相粘度下降。當升溫速率較慢時，氣泡可以充分長大，并且較大的氣泡有足夠的時間排出，連通氣孔變多;當升溫速率較快時，氣泡沒有足夠的時間長大和擴散，連通的氣孔減少，使坯體進入冷卻階段時，結(jié)構均勻性變差。

最佳配方的始熔溫度為1101.6℃，在1100℃～1200℃溫度段的最佳的升溫速率為3℃/min。

3.3.3? 保溫時間對鋁灰發(fā)泡陶瓷的影響

由圖9可以明顯看出：保溫時間由0～40min，以10min的間隔遞增。隨著保溫時間的延長，試樣中氣孔的平均孔徑由1mm增至2mm，并且孔結(jié)構越來越均勻。當保溫時間小于10min，孔壁較厚，孔結(jié)構的均勻性較差;當保溫時間為20min，孔結(jié)構較均勻，平均孔徑為1mm;當保溫時間大于30min，平均孔徑加大，氣孔與氣孔開始連通。

從圖10可以看出，保溫時間由5min延長至40min時，體積密度0.32g/cm3降至0.24g/cm3，抗壓強度由4.2MPa降至0.8Mpa;保溫時間為20min時，結(jié)構均勻性較好;超過20min，結(jié)構均勻性變差。

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因為延長保溫時間有利于發(fā)泡劑在高溫環(huán)境中充分反應，釋放出大量氣體，進而形成大量氣孔，而此時長時間的保溫可以促使坯體內(nèi)的液相黏度大幅度下降，有利于氣孔長大，在二者綜合作用下，隨著保溫時間的延長，陶瓷材料的氣孔率將隨之增大，體積密度和抗壓強度隨之下降。但過度延長保溫時間，氣孔的數(shù)量與孔徑過分增大不利于保持材料的體積密度和抗彎強度，故綜合分析認為，當保溫時間為20min時綜合效果最佳。

4 結(jié) 論

1、制備鋁灰發(fā)泡建筑陶瓷材料最佳配方為：鋁灰25%、石英20%、高嶺土10%、長石25%、滑石15%、氧化鐵1%。

2、鋁灰發(fā)泡陶瓷的最佳燒成制度為：最高燒成溫度1200℃，保溫時間20min，其中在1100℃～1200℃時需以3℃/min的速率升溫。

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Research on Aluminum Ash Foamed Building Ceramic Materials

HE Zhong-rui，ZHANG You，SHI Qi

（ Jingdezhen ceramic institute ， Jingdezhen 333403）

Abstract：? In this paper， aluminum ash is used as a foaming agent， and the influence of raw materials such as talc and iron oxide and the firing temperature system on the structure and performance of foamed building ceramic materials. Using single factor experiments， the bulk density of 0.28g/cm3， compressive strength of 2.5MPa， and thermal conductivity of 0.09W/m·K were prepared by controlling the amount of aluminum ash added， replacing part of the feldspar with talc， and adding iron oxide to the formula. Aluminum gray foamed building ceramic materials that meet the index requirements of JG/T511-2017 "Foamed Ceramic Insulation Board for Building Decoration"， the formula is： aluminum gray 25%， quartz 25%， feldspar 25%， talc 15%， Iron oxide 1%. At the same time， it was explored that the best firing temperature was 1200℃; the best heating rate was 3℃/min; when the best holding time was 20min， the uniformity of the pore structure was the best. The average pore diameter of the sample increased from 1mm to 2mm. The structure is uniform and orderly， it is easy to form independent spherical pores， and the overall performance is the best.

Keywords：? Aluminium ash;Foaming Architectural Ceramics;Firing system