渣土基多孔玻璃陶瓷的制备与研究

吴晓珊，关宇，孙佩文，郑建平，封锦明

摘 要：本试验将工程渣土和废玻璃加以利用，与添加剂混合在一定程序下烧结，制得渣土基多孔玻璃陶瓷。本试验采用正交试验设计，得到最佳试验方案为工程渣土：废玻璃质量比为1：3、碳酸钙掺量为5%、烧结时间为120min、烧结温度为850℃，硼酸掺量3%，得到样品体积密度为705 kg/m3，抗压强度为5.67MPa。

关键词：工程渣土；废玻璃；渣土基多孔玻璃陶瓷；正交试验

1 前言

在生产生活中会产生大量的废旧玻璃，其是一种稳定性高且不易分解的生活垃圾，废旧玻璃回收率低，综合利用率不足30%。工程渣土主要指工程建设过程中基坑开挖、道路及其它工程建设换填的废弃泥土，也包括工程泥浆、盾构土等[1]。据相关数据显示，近几年，我国每年产生的建筑垃圾在15.5亿-24.0亿吨，其中，工程渣土占建筑垃圾总量的70%以上。但是，工程渣土的利用率却不到5%。

玻璃陶瓷是属于无机玻璃和陶瓷之间的一种材料，其可含大量玻璃相，也可高度晶化，但至少含有一种晶相和一种玻璃相[2]。加入造孔剂后制成的多孔玻璃陶瓷是由玻璃相和均匀的微小气孔组成的一种材料，气孔可分为密闭气孔和相互连接的氣孔，占总体积的80%～90%。多孔玻璃陶瓷与其他的隔热材料相比具有导热系数小、强度高、耐腐蚀、耐高温的优点。

工程渣土通常含有SiO2、Al2O3、MgO、CaO等氧化物，这些氧化物是生成玻璃的重要成分，且工程渣土组成中的无机成分和助熔成分等碱性金属氧化物与生产轻质陶粒的天然粘土相似[3]，这为以工程渣土为原料生产多孔玻璃陶瓷来实现资源化利用提供了基础。本文以工程渣土和废玻璃为主要原材料，辅以造孔剂、助熔剂等添加剂，探讨利用工程渣土和废玻璃固体废物制备轻质高强的渣土基多孔玻璃陶瓷的可行性，以期解决大量工程渣土和废玻璃随意填埋造成的资源浪费、环境污染问题。

2试验

2.1原材料

试验所用工程渣土取自深圳12号线海上田园东站地铁站修建挖弃的工程渣土，废玻璃取自装修产生废弃玻璃和玻璃厂废渣。其中工程渣土的主要化学成分为SiO2 68.56wt%、Al2O3 15.41wt%、Fe2O3 4.61wt%、CaO 2.08wt%；废玻璃的主要化学成分为SiO2 66.03wt%、CaO 8.86wt%、MgO 3.10wt%、Na2O 13.7wt%；试验中的添加剂碳酸钙、硼酸等为分析纯。

2.2制备方法

将工程渣土和废玻璃分别进行粉磨，过200目筛后与碳酸钙和硼酸按设计含量加到搅拌机中进行混合均匀，其中硼酸添加量固定为总质量3%，之后加入总量5%的水一起拌匀成半干混合料后放入模具中进行压制成型，成型压力为5Mpa，保压3秒，将压制成型的坯体放入马弗炉中进行烧制。烧结程序为：（1）预热阶段：自室温以3.5℃/min的升温速率升至400℃，保温20min；（2）烧结发泡阶段：再以7.5℃/min升温至试验设计温度，烧结时间根据试验设计进行；（3）退火阶段：之后以10℃/min的降温速率将温度降至600℃，为消除应力，在600℃左右进行保温20min随炉冷却至室温。

通过上述烧结程序可得到渣土基多孔玻璃陶瓷，之后将制得的样品进行体积密度和抗压强度的测试。

2.3测试方法

（1）体积密度的测试：样品的体积密度是指单位体积内样品的质量，体积密度是衡量材料性能的重要指标之一。将烘干后的样品切割成50mm×50mm×50mm的试块，称量试块质量并记录为M。根据下列公式计算体积密度：

ρ=M/V                   （式1-1）

ρ：样品的体积密度（g/cm3）

M：烘干后样品质量（g）

V：切割后块状体积（cm3）

（2）抗压强度的测试：抗压强度是检验多孔玻璃陶瓷是否符合实际应用价值的重要指标。本试验将样品切割成50×50×50mm的试块，在万能压力试验机下测量抗压压力值F，然后根据式1-2计算抗压强度。

P= F/A             （式1-2）

P：样品抗压强度（MPa）

F：样品受到破坏时的荷载值（N）

A：样品的受力面积（mm2）

2.4正交试验设计

正交试验是研究多因素多水平的试验方法，通过正交性从全面试验中挑选部分具有代表性的点。由于各试验条件会对渣土基多孔玻璃陶瓷性能造成影响，从而造成相互制约的情况，因此本试验将采用正交试验确定原材料掺比、造孔剂掺量、烧结时间和烧结温度对渣土基多孔玻璃陶瓷性能影响的最佳方案，本试验不考虑各因素交互作用的影响。

根据初步试验确定以原材料掺比A、碳酸钙掺量B、烧结时间C、烧结温度D为四个因素，各选择三个水平分别为：工程渣土和废玻璃的质量比为1：2、1：3、1：4；碳酸钙掺量为3%、5%、7%；烧结时间为40min、80min、120min；烧结温度为800℃、850℃、900℃。通过正交试验来优化制备渣土基多孔玻璃陶瓷的工艺方案，从而提高样品性能。四种因素对渣土基多孔玻璃陶瓷的性能影响的正交试验结果分别见表1。

之后，用Ki表示各个试验因素第i水平下试验结果的平均值。极差R为对应列中Ki的最大值减去最小值，R表示所对应的因素水平对试验结果影响的主次作用。对渣土基多孔玻璃陶瓷体积密度和抗压强度性能指标测试结果作极差分析结果见表2。

不同要求所需要的最优方案如下所述：

（1）考虑体积密度需求，体积密度越小越好，因此选择Ki值最小的水平，最佳方案为A2、B2、C2、D2。

（2）考虑抗压强度需求，抗压强度越大好，因此选择Ki值最大的水平，最佳方案为A2、B3、C3、D2。

由上述正交试验数据分析可知，对体积密度和抗压强度影响最显著的是原材料掺比。且对于体积密度和抗压强度而言，均为A2为最佳方案，因此选取A2为最佳方案。

碳酸钙掺量对体积密度影响较大，对抗压强度影响程度较小，所以为同时达到轻质高强的目的，选择B2为最佳方案。对于体积密度，烧结时间的最佳方案为C2，对于抗压强度，烧结时间的最佳方案为C3，考虑到烧结时间对体积密度的影响程度最弱，因此选择C3为最佳方案。对于烧结温度，分别考虑体积密度和抗压强度的最佳方案均为D2，因此选择D2，为最佳方案。

基于以上分析，暂定制备渣土基多孔玻璃陶瓷的最佳方案为A2、B2、C3、D2，即工程渣土：废玻璃质量比为1：3、碳酸钙掺量为5%、烧结时间为120min、烧结温度为850℃。

2.5试验结果

根据上述试验步骤，将工程渣土与废玻璃的质量比设为1：3，碳酸钙掺量为总质量的5%，硼酸掺量为总质量的3%，烧结温度为850℃，烧结时间为120min。所得样品经测试，体积密度为705 kg/m3，抗压强度为5.67MPa。

3结论与展望

3.1结论

（1）在渣土基多孔玻璃陶瓷体积密度的影响因素中：不同影响因素对其作用大小排序为RA>RB>RD>RC，原材料掺比影响最强，碳酸钙掺量影响次之，再次为烧结温度，烧结时间影响最弱。

（2）对渣土基多孔玻璃陶瓷抗压强度的影响因素中：不同影响因素对其作用大小排序为RA>RC>RD>RB，原材料掺比影响最强，烧结时间影响次之，再次為烧结温度掺量，碳酸钙影响最弱。

（3）由于用工程渣土制备渣土基多孔玻璃陶瓷过程复杂，影响因素较多，通过正交试验得到最佳试验方案为工程渣土：废玻璃质量比为1：3、碳酸钙掺量为5%、烧结时间为120min、烧结温度为850℃、硼酸掺量3%、得到样品体积密度为705 kg/m3、抗压强度为5.67MPa。

3.2展望

（1）本试验对渣土基多孔玻璃陶瓷的性能指标研究过少，为得到综合性能优良的渣土基多孔玻璃陶瓷，还应对其孔隙率、吸水率、导热系数等指标进行检测试验，以满足实际应用的价值。

（2）采用正交试验法选取少部分试验来验证各个试验因素对试验结果的影响趋势，从而迅速找到最优化的工艺参数，但优选结果是否符合客观实际，还需要通过试验来验证。因此，采用正交试验方法是有局限性的，为取得更优化结果，应再次进行多组试验，进一步完善。

参考文献

[1]罗琦，孟凡威，刘旭等.工业废渣复合固化工程渣土试验研究[J].湖南交通科技，2022，48（04）：45-50.

[2]刘道春，崔利军.玻璃陶瓷的研究与发展[J].陶瓷，2019（11）：18-24. [3]万文豪，杨飞华，王发洲等.助熔成分对工程渣土烧制轻质陶粒性能的影响[J].材料导报，2023，37（07）：114-119.