周明凱，葛雪祥，2

（1.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.安徽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

0 引言

發(fā)泡陶瓷是一種具有輕質(zhì)高強、保溫防水、隔聲、阻燃等優(yōu)異性能的綠色節(jié)能建筑材料，近年來在建筑外保溫、建筑內(nèi)隔墻等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。發(fā)泡陶瓷通常以拋光磚渣、煤矸石、粉煤灰以及金屬尾礦等鋁硅質(zhì)固體廢棄物作為主要原料，通過添加助熔劑、穩(wěn)泡劑、發(fā)泡劑等經(jīng)高溫發(fā)泡而成[2-4]。坯料組成是影響發(fā)泡陶瓷燒成制度及其物理性能的主要因素，且由于固體廢棄物組成復(fù)雜，波動較大，因而坯料的氧化物組成是發(fā)泡陶瓷材料設(shè)計的主要依據(jù)[5-6]。

Al2O3、SiO2是發(fā)泡陶瓷的主要氧化物組分，其總含量通常超過80%。研究表明[7-8]，提高鋁硅質(zhì)陶瓷中的Al2O3、SiO2含量，都將提高材料的燒成溫度，其中以Al2O3含量的影響最顯著。然而，發(fā)泡陶瓷坯體在燒成過程中必須形成充足的高溫液相，才能在燒成階段原位發(fā)泡形成閉孔泡沫結(jié)構(gòu)[9-10]。為降低發(fā)泡陶瓷的燒成溫度，現(xiàn)有發(fā)泡陶瓷中的Al2O3含量通常小于20%[7，11]。Hui等[2]以Al2O3含量僅為16.2%的鈦渣和Al2O3含量僅為15.45%的金尾礦為原材料，在1180℃制備了體積密度為1.66 g/cm3的發(fā)泡陶瓷。馬子鈞等[5]研究化學(xué)組成對發(fā)泡陶瓷性能的影響時，設(shè)計的Al2O3含量最高也僅為16.6%，其研究表明，隨著Al2O3含量的逐漸減少，發(fā)泡陶瓷的密度降低、孔徑增大，且玻璃相含量增多。因此，適當(dāng)?shù)腁l2O3含量有助于改善發(fā)泡陶瓷的性能。然而，若嚴(yán)格限制Al2O3含量小于20%，則必將降低煤系固廢、鋁土尾礦等高鋁質(zhì)固體廢棄物在發(fā)泡陶瓷中的利用率。因此，有必要深入研究鋁硅比對發(fā)泡陶瓷性能的影響。

基于此，本文以燃煤爐渣為主要原料，通過添加Al2O3和SiO2試劑，在保證Al2O3和SiO2總量一定的前提下，改變坯料中Al2O3與SiO2的相對含量（鋁硅比），深入分析了鋁硅比對發(fā)泡陶瓷發(fā)泡性能、孔結(jié)構(gòu)、體積密度和抗壓強度的影響規(guī)律，并通過分析試樣的物相組成，揭示了鋁硅比對發(fā)泡陶瓷性能的影響機理，以期為高鋁質(zhì)工業(yè)固廢制備發(fā)泡陶瓷提供理論參考。

1 試驗

1.1 原材料

燃煤爐渣：山西省某熱電廠，粒徑1～20 mm的灰黑色多孔顆粒，以X射線熒光光譜儀測得其化學(xué)組成如表1所示。可見燃煤爐渣以Al2O3與SiO2為主要組分，兩者含量總和高達87.58%，且燒失量僅為1.29%。試驗前，采用鋼球磨將顆粒狀的燃煤爐渣粉磨成粒徑＜75 μm的粉料；碳酸鈉：作為助熔劑，化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；輕燒氧化鎂：作為穩(wěn)泡劑，湖北某化工有限公司，化學(xué)組成見表1；SiC微粉：作為發(fā)泡劑，中值粒徑為13 μm；氧化鋁、二氧化硅：作為添加劑，用于調(diào)整發(fā)泡陶瓷坯料中的鋁硅含量，化學(xué)純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

表1 原材料的化學(xué)組成 %

1.2 試驗設(shè)計與樣品制備

以燃煤爐渣為主要原料，添加碳酸鈉與輕燒氧化鎂為助熔劑和穩(wěn)泡劑，并通過添加二氧化硅試劑，制備出Al2O3、SiO2含量分別為16.00%和66.77%（鋁硅比為0.24）的發(fā)泡陶瓷坯料，編號為L1。隨后，采用氧化鋁試劑逐級取代配方L1中的二氧化硅，調(diào)控坯料中的Al2O3與SiO2含量，從而獲得鋁硅比依次為0.32、0.41、0.51、0.63的試驗配方（編號分別為L2～L5），各試驗配方的化學(xué)組成與鋁硅比如表2所示。

表2 各組試驗配方的主要化學(xué)組分與鋁硅比

向各組試驗配方中添加0.2%的SiC微粉作為發(fā)泡劑，并采用陶瓷球磨機濕法球磨6 h，出磨料漿在烘箱中以（105±5）℃干燥24 h，繼續(xù)干法粉磨0.5 h，制成均勻分散的坯料。隨后，以10 MPa的壓力將坯料壓制成φ35 mm×10 mm的圓柱體試樣，并置于箱式電爐中以5℃/min升溫至1100～1260℃，保溫1 h后隨爐冷卻至室溫。最后，將試樣切割成規(guī)整的形狀，進行孔結(jié)構(gòu)分析與物理力學(xué)性能表征。

1.3 性能表征

試驗參照GB/T 1966—1996《多孔陶瓷顯氣孔率、容重試驗方法》，基于阿基米德原理測試發(fā)泡陶瓷試樣的體積密度ρa；將發(fā)泡陶瓷磨細(xì)成＜75 μm的粉料，采用比重瓶法測試得到試樣的真密度ρ0，按照式（1）計算得到各試樣的總氣孔率Pt。

利用體式電子顯微鏡（Puda XTL-24B）觀察試樣的斷面孔結(jié)構(gòu)形貌，并利用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件對隨機選取的200個氣孔進行孔徑統(tǒng)計，計算獲得試樣的平均孔徑；采用電子萬能試驗機（Reger RGM-4100）以2 mm/min的加載速率測試φ34 mm×34 mm圓柱體試樣的抗壓強度；利用X射線衍射儀（Bruker-axs D8 Advance）表征試樣的物相組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁硅比對發(fā)泡陶瓷性能的影響

氣孔率是評價發(fā)泡陶瓷發(fā)泡程度的重要參數(shù)。圖1對比了不同鋁硅比發(fā)泡陶瓷氣孔率隨燒成溫度的變化曲線。

圖1 不同鋁硅比發(fā)泡陶瓷氣孔率隨燒成溫度的變化

由圖1可見，當(dāng)燒成溫度由1100℃升高至1260℃時，各試樣的氣孔率均逐漸增大（L1除外）。這表明，當(dāng)燒成溫度達到1100℃時，爐渣發(fā)泡陶瓷坯體均已進入發(fā)泡階段。此時，試樣L1的氣孔率已達到63.75%，進入了泡沫化中期階段，而試樣L5氣孔率僅為16.87%，仍處于泡沫化初期。當(dāng)溫度升至1200℃時，試樣L1的氣孔率已達到最大值88.51%，而試樣L2～L5的氣孔率分別為85.95%、85.31%、84.61%、79.65%。由此可見，發(fā)泡陶瓷的鋁硅比越大，相同燒成溫度制得試樣的氣孔率越小。當(dāng)燒成溫度繼續(xù)升高至1260℃，試樣L2～L5才獲得最大氣孔率，分別為89.81%、90.24%、90.09%、89.41%，均高于試樣L1的最大氣孔率。因此，增大鋁硅比雖然提高了發(fā)泡陶瓷坯體的發(fā)泡溫度，但也增大了坯體的發(fā)泡能力。

值得注意的是，當(dāng)燒成溫度高于1200℃時，試樣L1的氣孔率隨燒成溫度升高逐漸減小。這是由于過高的燒成溫度加劇了坯體的熔融，并促使高溫熔體黏度迅速降低，從而降低了泡孔的膨脹阻力。坯體內(nèi)的氣泡因快速膨脹，加劇了氣泡間聚并、上浮，導(dǎo)致泡沫體系坍塌。因此，試樣L1的氣孔率逐漸減小。

燒成溫度范圍是評價陶瓷坯料燒成性能的重要指標(biāo)，燒成溫度范圍越寬，對窯爐的控溫要求就越低，獲得材料的性能波動也越小[12]?；趫D1，以發(fā)泡陶瓷獲得（85±1）%氣孔率對應(yīng)的燒成溫度區(qū)間為評價指標(biāo)，分析了不同鋁硅比試樣的燒成溫度范圍，如圖2所示。

圖2 不同鋁硅比發(fā)泡陶瓷的燒成溫度范圍

由圖2可見，試樣L1的氣孔率達到（85±1）%時的燒成溫度為1155～1167℃，溫度范圍僅為12℃。隨著鋁硅比的增大，試樣L2、L3、L4對應(yīng)的燒成溫度范圍分別為1183～1200℃、1190～1207℃、1198～1215℃，溫度范圍均增至17℃。這表明，鋁硅比的增加有助于擴大發(fā)泡陶瓷坯料的燒成溫度范圍。然而，試樣L5對應(yīng)的燒成溫度范圍僅為11.5℃。由此可見，鋁硅比超過0.6時將縮小爐渣發(fā)泡陶瓷的燒成溫度范圍。

2.2 鋁硅比對發(fā)泡陶瓷孔結(jié)構(gòu)的影響

圖3、圖4分別為經(jīng)1120～1260℃燒成后，不同鋁硅比的發(fā)泡陶瓷的孔結(jié)構(gòu)形貌及平均孔徑。

圖3 不同溫度制得試樣的斷面孔結(jié)構(gòu)形貌隨鋁硅比的變化

圖4 不同溫度制得試樣的平均孔徑隨鋁硅比的變化

由圖3、圖4可見，發(fā)泡陶瓷的孔徑隨燒成溫度的升高逐漸增大。其中，試樣L1的孔結(jié)構(gòu)受燒成溫度影響最顯著，當(dāng)燒成溫度由1120℃升高至1240℃時，其平均孔徑由0.315 mm急劇增大至10.49 mm；而當(dāng)溫度繼續(xù)升至1260℃時，由于泡孔聚并破裂，導(dǎo)致泡沫體系坍塌，平均孔徑減小至4.485 mm。然而，隨著鋁硅比的增大，燒成溫度對孔結(jié)構(gòu)的影響明顯減弱。當(dāng)燒成溫度由1120℃升高至1260℃時，試樣L3的平均孔徑僅由0.288 mm增加至2.035 m。值得注意的是，試樣L5的孔徑雖然并未因燒成溫度升高而異常增大，但其孔徑分布變寬，孔徑圓形度降低。

圖5為3種燒成溫度制得發(fā)泡陶瓷孔結(jié)構(gòu)的微觀形貌。

圖5 不同燒成溫度下發(fā)泡陶瓷的孔結(jié)構(gòu)微觀形貌

由圖5可見，以相同燒成溫度制得的發(fā)泡陶瓷，其平均孔徑隨著鋁硅比的增大表現(xiàn)出先減小后增大的變化規(guī)律，且燒成溫度越高，孔徑變化越顯著。當(dāng)鋁硅比增至0.41時（試樣L3），發(fā)泡陶瓷的孔徑最小，且孔徑分布均一，氣孔圓形度較高。然而，隨著鋁硅比的繼續(xù)增大，試樣內(nèi)部產(chǎn)生大量不規(guī)則氣孔，圓形度差，且孔徑大于2 mm。研究表明，坯體在發(fā)泡階段形成充足的高溫液相，是坯體泡沫化形成均勻孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵[10]。然而，由于Al2O3含量增加將促使陶瓷坯體的熔融溫度顯著提升，導(dǎo)致發(fā)泡時高溫液相生成量較低，阻礙了氣孔的均勻膨脹，因而產(chǎn)生了大量不規(guī)則的氣孔。

由此可見，低鋁硅比的發(fā)泡陶瓷其孔徑受燒成溫度影響顯著，增大鋁硅比有助于降低燒成溫度對孔徑的影響，但若鋁硅比超過0.6，將危害發(fā)泡陶瓷的孔徑均勻性與氣孔圓形度。

2.3 鋁硅比對發(fā)泡陶瓷體積密度和抗壓強度的影響

圖6為3種燒成溫度制得發(fā)泡陶瓷的體積密度隨鋁硅比的變化。

由圖6可見，隨著鋁硅比的增大，發(fā)泡陶瓷的體積密度逐漸增大，且燒成溫度越低，體積密度的增長越顯著。1180℃時，鋁硅比由0.24增大至0.63，制得試樣的體積密度由0.323 g/cm3增至0.755 g/cm3。如前所述，增大鋁硅比將降低坯體的高溫液相形成量，導(dǎo)致體系黏度增大，尤其是當(dāng)鋁硅比大于0.6時，由于液相形成溫度較高，低溫?zé)蓵r液相形成量嚴(yán)重不足，從而阻礙了氣孔的生長，導(dǎo)致試樣的體積密度顯著增大。值得注意的是，鋁硅比為0.24的爐渣發(fā)泡陶瓷在燒成溫度由1180℃升高至1220℃時，其體積密度基本未變，但孔徑卻顯著增大。相反，鋁硅比為0.41時，其體積密度由0.457 g/cm3顯著降低至0.326 g/cm3，但其孔徑并未顯著變化。

圖6 發(fā)泡陶瓷體積密度隨鋁硅比的變化

體積密度是影響發(fā)泡陶瓷力學(xué)性能的主要因素。圖7為經(jīng)1200℃燒成制得的爐渣發(fā)泡陶瓷抗壓強度和比強度（抗壓強度與體積密度的比值）隨鋁硅比的變化。

由圖7可見：

圖7 發(fā)泡陶瓷抗壓強度與比強度隨鋁硅比的變化

（1）隨著鋁硅比的增大，盡管試樣的體積密度逐漸增大，但試樣的抗壓強度卻表現(xiàn)出先提高后降低的變化趨勢。當(dāng)鋁硅比為0.41時，爐渣發(fā)泡陶瓷獲得最高抗壓強度8.62 MPa，而當(dāng)鋁硅比增至0.63時，盡管試樣的體積密度已高達0.529 g/cm3，但其抗壓強度僅為4.82 MPa。

（2）隨著鋁硅比的增大，試樣的比強度同樣呈現(xiàn)先提高后降低的變化趨勢，并且同樣在鋁硅比為0.41時獲得了最大值。由此可見，增加坯料中的Al2O3含量有助于提高發(fā)泡陶瓷的力學(xué)性能。這可能是由于：①隨著鋁硅比的增加，發(fā)泡陶瓷孔徑減小、孔結(jié)構(gòu)改善；②由于坯體中的SiO2含量逐漸降低，發(fā)泡陶瓷中的石英相含量減小，這有助于降低冷卻階段因石英相變而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，從而改善發(fā)泡陶瓷的力學(xué)性能。然而，如前所述，由于Al2O3含量過高將促使試樣孔結(jié)構(gòu)劣化，異型孔的產(chǎn)生削弱了發(fā)泡陶瓷的力學(xué)性能。因而，當(dāng)鋁硅比大于0.41時，試樣的比強度降低。

2.4 鋁硅比對發(fā)泡陶瓷物相組成的影響

晶相組成的改變是鋁硅比影響發(fā)泡陶瓷各項性能的主要原因，不同鋁硅比發(fā)泡陶瓷的XRD圖譜如圖8所示。

圖8 試樣L1～L5的XRD圖譜

由圖8可見，經(jīng)1200℃燒成的發(fā)泡陶瓷均形成了大量的玻璃相與晶相。其中，試樣L1中僅含有少量石英相（α-SiO2），并出現(xiàn)明顯的彌散型衍射峰。這表明，其坯體在燒成時產(chǎn)生了大量的高溫液相，這給氣泡的膨脹生長創(chuàng)造了有利條件，因而試樣L1具有較大孔徑和氣孔率。隨著鋁硅比的增大，試樣L2中開始出現(xiàn)尖晶石晶相（MgAl2O4、Mg0.7Fe0.23Al1.97O4）衍射峰，且衍射峰強度逐漸提高，而玻璃相衍射峰逐漸減弱，甚至當(dāng)鋁硅比增至0.63時產(chǎn)生了莫來石晶相（Al4.75Si1.25O9.63）。

在含有玻璃相與晶相的復(fù)相陶瓷材料中，晶相量的增加對降低玻璃基體的脆性，提高材料強度具有突出作用[13]。此外，相比于石英晶體，尖晶石晶體具有較小的熱膨脹系數(shù)，且冷卻過程中不存在相變產(chǎn)生的體積收縮，對提高陶瓷基體的強度具有顯著優(yōu)勢[14]。因此，隨著鋁硅比的增大，發(fā)泡陶瓷的基體強度逐漸提高。然而，盡管試樣L5中形成了高斷裂韌性的莫來石晶相，但其孔徑均勻性變差，孔結(jié)構(gòu)劣化（如圖5所示）。荷載作用下，不均勻的氣孔分布使得材料內(nèi)部形成應(yīng)力集中點，導(dǎo)致試樣的抗壓強度顯著降低。

綜上所述，增大爐渣發(fā)泡陶瓷的鋁硅比雖然提高了坯體的燒成溫度，降低了發(fā)泡陶瓷的氣孔率，但適當(dāng)提高鋁硅比（鋁硅比＜0.6）卻有助于拓寬材料的燒成溫度范圍，改善材料的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

（1）鋁硅比是影響發(fā)泡陶瓷坯體發(fā)泡性能的重要因素。隨著鋁硅比的增大，發(fā)泡陶瓷坯體的發(fā)泡溫度升高，導(dǎo)致相同溫度制得發(fā)泡陶瓷的氣孔率降低、體積密度增大，但坯體的發(fā)泡溫度范圍呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律。

（2）隨著鋁硅比的增大，發(fā)泡陶瓷孔徑呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律。且增大鋁硅比有助于減小燒成溫度對發(fā)泡陶瓷孔徑的影響，但鋁硅比大于0.6時，將導(dǎo)致孔徑分布變寬、氣孔圓形度降低、孔結(jié)構(gòu)劣化。

（3）增大鋁硅比有助于發(fā)泡陶瓷中形成尖晶石晶相，并促使晶相量增加，且當(dāng)鋁硅比增至0.63時，發(fā)泡陶瓷中產(chǎn)生莫來石晶相。

（4）受孔結(jié)構(gòu)和晶相組成的共同影響，發(fā)泡陶瓷的抗壓強度和比強度均隨鋁硅比增大呈現(xiàn)先提高后降低的變化規(guī)律。當(dāng)鋁硅比為0.41時，采用爐渣可制得抗壓強度高達8.62 MPa的微孔發(fā)泡陶瓷。