烧结法制备粉煤灰微晶泡沫玻璃

蒋晓曙朱凯华陆 雷张艺龄

（1.常州工学院土木工程学院，常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室，江苏常州 213002；2.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210009；3.江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏无锡 214100）

烧结法制备粉煤灰微晶泡沫玻璃

蒋晓曙1朱凯华2陆 雷2张艺龄3

（1.常州工学院土木工程学院，常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室，江苏常州 213002；2.南京工业大学材料科学与工程学院，江苏南京 210009；3.江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院，江苏无锡 214100）

利用粉煤灰通过烧结法制备了微晶泡沫玻璃。研究表明，选用碳酸钙作为发泡剂，最佳用量为5%。通过正交实验确定了最佳热处理条件：发泡温度1025℃、升温速率14℃/min、发泡时间30min。通过XRD和SEM研究了微晶泡沫玻璃的析出晶相和显微结构。主晶相为钙长石CaAl2Si2O8，次晶相为普通辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6。所制得微晶泡沫玻璃综合性能优于泡沫玻璃和粘土砖。

微晶泡沫玻璃；制备；性能

0 引言

近年来，我国电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，给我国国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。治理粉煤灰变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，充分合理利用粉煤灰，既能保护环境又能增加材料附加值。国内外利用粉煤灰制备微晶玻璃的研究很多，但是制备微晶泡沫玻璃的研究报道却很少。国外Enrich Bernardo等人[1～3]以碳酸钙为发泡剂和晶核剂，利用废旧阴极射线管玻璃在低温下制备了微晶泡沫玻璃。国内南京大学的陈克荣等人[4]以废玻璃、粉煤灰和非金属矿制备了微晶泡沫玻璃。

本文以粉煤灰为主要原料，采用烧结法制备出了性能良好的微晶泡沫玻璃，既变废为宝又治理了环境，对粉煤灰的综合开发利用具有重要的意义。

1 实验

1.1 实验原料

实验用的粉煤灰来自江苏南华电厂(化学组成见表1)，从该粉煤灰的XRD（图1）分析表明其主要成分为硅铝酸盐，其中SiO2主要以石英形式存在，Al2O3主要以莫来石的形式存在。其余均为化学试剂。

1.2 基础玻璃的制备

首先参照CaO-Al2O3-SiO2系统相图（如图2），由图2可以看出，2号低共熔点的相分布情况如表2所示，从表中可以看出Al2O3与SiO2总量为76.7%，粉煤灰利用率较高，且符合玻璃形成体的需求量，即使成分调整后所需要的熔制温度高出低共熔点300～400℃，炉温也完全可以达到。因此把基础玻璃的配方选择在钙长相区2号低共熔点附近。

表1 粉煤灰化学组成（w t%）Tab.1 Chemical composition of coal fly-ash(wt%)

表2 C a O-A l2O3-S i O2相图2号低共熔点相分布及其组成Tab.2 Phase distribution and composition at the 2nd eutectic point of the CAS phase diagram

表3 基础玻璃的化学组成（w t%）Tab.3 Chemical composition of the base glass(wt%)

然后将粉煤灰与其它化学原料按质量百分比配料后，用混料机均匀混合16～18h，再将配合料装入铂金坩埚中于1500℃熔融60min。将熔融的玻璃倒入冷水中淬冷，制备出基础玻璃(化学组成见表3)，最后将基础玻璃球磨过200目筛备用。

1.3 微晶泡沫玻璃的制备

1.3.1 发泡剂的选择

表4 L 9(33)正交试验因素与水平Tab.4 Factors and levels of the L9(33)orthogonal experiments

表5 正交实验结果Tab.5 Results of the orthogonal experiments

本实验分别选用碳粉、二氧化锰、碳酸钙作为发泡剂，进行对比研究，由于配合料的软化温度高，碳粉氧化温度在400℃左右，在选择碳粉作为发泡剂时，形成的气孔大、分布不均匀（如图3）；二氧化锰作为发泡剂时，产生的气孔小且分布不均匀（如图4）；以碳酸钙作为发泡剂时，由于碳酸钙分解温度与配合料软化温度相近，在达到软化温度之前其已经部分分解，因此反应强度适中，宜形成分布均匀且孔径适中的气孔（如图5），实验结果表明，碳酸钙的最佳用量为5%。

表6 微晶泡沫玻璃的化学组成（w t%）Tab.6 Chemical composition of the foam glass-ceramic（wt%）

1.3.2 热处理制度的确定

微晶泡沫玻璃热处理制度主要包括发泡温度、发泡时间及升温速率，它们之间存在一个最佳组合，因此，根据碳酸钙与基础玻璃粉混合料的差热曲线（如图6）安排三水平三因子的正交实验，确定微晶泡沫玻璃的最佳热处理制度。由图6可以看出基础玻璃软化温度在895℃附近，994℃左右产生强烈的吸热反应，表明碳酸钙开始分解吸收大量热量。由于碳酸钙分解产生的氧化钙与配合料中的氧化铝、氧化硅等再次反应产生新的晶相，对应1056℃左右产生强烈的吸热峰。由图可以大致确定出配合料的发泡温度在1000℃～1050℃；再根据前人的研究[6]，设计了表4的正交实验，实验结果见表5。

从正交实验结果可以得到，发泡温度对微晶泡沫玻璃性能的影响最大，升温速率其次，发泡时间影响最小。以体积密度为指标最佳的热处理制度为1025℃、14℃/min、30min。所制得的微晶泡沫玻璃化学组成见表6。

2 实验结果

2.1 微晶泡沫玻璃的物相分析

对所制得的微晶泡沫玻璃样品进行物相分析，从图7可以看出微晶泡沫玻璃主晶相为钙长石（CaAl2Si2O8），次晶相为普通辉石（Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6），衍射峰分布彼此独立且形成很窄的“尖峰”，说明钙长石和普通辉石的晶体颗粒尺寸较大且晶粒完整[7]，试样强度高。

表7 微晶泡沫玻璃的性能指标Tab.7 The capability of foam glass-ceramic

2.2 微晶泡沫玻璃的结构分析

将微晶泡沫玻璃试样表面经抛光处理后，用1%浓度的氢氟酸腐蚀30s，用日本岛津公司SSX-550扫描电子显微镜对其进行分析。图8是该微晶泡沫玻璃的宏观形貌，可以看到试样中均匀分布着大量气孔。图9是微观形貌，微晶泡沫玻璃内部析出大量粒状晶体，也更好地说明了析出的主晶相为钙长石。

2.3 微晶泡沫玻璃的性能指标

对制得的微晶泡沫玻璃进行性能测试，并与其他建筑材料进行比较，结果如表7[8,9]。从表7可以看出利用粉煤灰所制得的微晶泡沫玻璃满足质轻强度高的优点，其性能指标完全可以满足轻质承重墙体材料的要求。

3 结论

（1）以粉煤灰为主要原料可以制备出性能优良的微晶泡沫玻璃，增加了粉煤灰利用的附加值。

（2）在本实验条件下，碳酸钙作为发泡剂，最佳用量为5%，最佳的热处理条件为发泡温度1025℃、升温速率14℃/min、发泡时间30min，其中发泡温度对微晶泡沫玻璃的密度影响最大，升温速率其次，发泡时间最小。

（3）制备的微晶泡沫玻璃密度为 1.02g·cm-3，导热系数为0.54W/（m·k），抗弯强度为16.3MPa，主晶相为钙长石CaAl2Si2O8，次晶相为普通辉石Ca(Mg,Fe,Al)(Si,Al)2O6。

1 BERNARDO E,SCARINCI G.Foam glass as a way of recycling glasses from cathode ray tubes.Glass Sci.Technol.,2005,78(1):7～11

2 GUTMANN R.Thermal technologies to convert solid waste residuals into technical glass products.Glastech Ber.Glass Sci.Technol.,1996,69(9):285～299

3 HREGLICH S,FALCONE R.The recycling of end of life panel glass from TV sets in glass fibers and ceramic productions//Dhir R K,Limbachiya M C,Dyer T D,et al.Recycling and Reuse of Glass Cullet:Proc.International Symposium,Dundee(UK),2001.London:Thomas Telford,2001:123～134

4 陈克荣,曾家湖,陈小明.微晶泡沫玻璃墙体材料及其制法.中国专利:02137953.X.

5 张锐,许红亮,王海龙等.玻璃工艺学.北京:化学工业出版社,2008

6 冯宗玉,薛向欣,李勇等.以油页岩渣为原料制备微晶泡沫玻璃.过程工程学报,2008,8(2):378～383

7 杨南如.无机非金属材料测试方法.湖北:武汉理工大学出版社,1990

8 陈克荣,吴义军.泡沫玻璃与微晶泡沫玻璃.南京大学学报，2000，36(1):360～362

9 谢建忠.利用粉煤灰制备泡沫玻璃.矿产保护与利用,1999(3):53～54

Preparation of Foam Glass-Ceramic from Fly Ash by Sintering Process

JIANG Xiaoshu1ZHU Kaihua2LU Lei2ZHANG Yiling3
(1.College of Civil Engineering and Construction,Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002;2.School of Materials Science and Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing Jiangsu 210009;3.Wuxi Branch of Jiangsu Institute of Special Equipment Safety Supervision and Inspection,Wuxi Jiangsu 214100)

Foam glass-ceramic is prepared through sintering method from fly ash.The results show that the most appropriate foaming agent is carbonate and the optimum content is 5%.The most optimal conditions of heat treatment are determined by orthogonal experiment.The most optimal foaming temperature,heating rate and holding time are 1025°C,14°C/min and 30min,respectively.The microstructure and crystallization phase of the foam glass-ceramic are studied by means of XRD and SEM.The primary crystallization phase is anorthite and the sub-phase is augite.The performances of the prepared foam glass-ceramic are better than foam glass and clay brick.

foam glass-ceramic;preparation;performance

on Mar. 28, 2012

T Q 1 7 1.7 3

A

1000-2278（2012）03-0324-06

2012-03-38

朱凯华，E-mail:zhkhzhkh@163.com

ZHU Kaihua, E-mail: zhkhzhkh@163.com