抛光废渣的结构与性能分析

    徐瑜

    

    

    

    摘 要：本文对佛山东鹏陶瓷厂的抛光废渣的理化性能及高温烧成性能进行了系统研究。采用硅酸盐成份快速测定、XRD等测试方法研究了其化学成份和物相组成。通过添加少量粘结剂，采用半干压成型制得样品，研究了抛光废渣高温烧成性能，并重点探讨了其发泡原因。研究表明：抛光废渣中Al2O3含量为19.29%，SiO2含量为67.55%，晶相除含石英、莫来石外，还含有少量的SiC相及氢氧化镁、氯化镁水合物。抛光废渣的烧成收缩呈先收缩后膨胀的趋势，抛光废渣的发泡原因主要是碳化硅的氧化所致。

    关键词：抛光废渣；SiC发泡；结构与性能；抛光砖

    1 前言

    陶瓷砖抛光废渣主要是在陶瓷砖的研磨、抛光的过程中产生的，其成份主要是砂轮磨料中的碳化硅、氧化镁、氯化镁和砖屑等杂质。据统计，2011年我国抛光砖抛光废渣的产出量高达700～800万t，并呈现逐年递增的趋势。此外，陶瓷抛光废渣是以浆状废料的形式排出，按抛光废渣含水率约35%计算，陶瓷行业每年抛光废料（包括抛光废干渣和废水）年排量约为1230万t。广东是我国陶瓷工业大省，建筑陶瓷产量占据了全国的半壁江山，随之产生的陶瓷废料数量惊人。仅广东佛山地区一年产生400～500万t的抛光废渣[1]。陶瓷抛光废渣在烧成中容易发泡、变形问题限制其回收利用生产墙地砖，大部分陶瓷厂是采用填埋方式来处理抛光废渣。而抛光废料的填埋，不但耗费人力、物力，还会污染地下水质。更有一些陶瓷厂违规私自倾倒抛光废渣，造成十分恶劣的环境污染和社会影响[2]。

    抛光废料作为陶瓷原料循环再利用时，在烧成中会引起陶瓷严重发泡、变形，其发泡、变形问题是长期以来一直困扰抛光废料资源化循环利用的关键性科学技术难题。因此，系统研究抛光废渣的烧成性能及发泡机理很重要，也很有必要。

    目前，系统研究抛光废渣的报道并不多见。本文对佛山东鹏陶瓷厂的抛光废渣的化学成份、物相组成进行了分析。通过在抛光废渣中添加少量粘结剂制得样品，研究样品高温烧成性能、物相变化，并探讨了抛光废渣发泡原因。

    2 实验内容

    2.1 样品制备的过程

    （1） 原料的预处理

    抛光废渣经烘干、破碎、均化后，使用标准实验球磨机粉磨，抛光废渣的粒径在100～120目范围内，最后得到实验需要的抛光废渣。

    （2） 样品制备的过程

    在预处理的抛光废渣中加入浓度为5%的PVA溶液（添加量为抛光废渣的8wt%），经造粒后，分别采用天津市科器高新技术公司产的769YP-24B粉末压片机和咸阳陶瓷研究设计院机械厂产的SY35B型实验室用压样机压制成型，在15 MPa压力下压制成直径为50 mm、厚度约9.7 mm的圆片，在20 MPa压力下压制成120 mm×80 mm×6 mm的小砖。将制备好的样品分别在1040 ℃、1060 ℃、1080 ℃、1100 ℃、1120 ℃温度点下烧结，以5 ℃/min升温至1000 ℃，然后以4 ℃/min升温至烧结温度，保温30 min制得样品。

    2.2 样品的表征

    根据阿基米德原理，采用静力称重法测定样品的吸水率（Wa，%）、显气孔率（Pa，%）及体积密度（D，g/cm3）；采用佛山市华洋设备有限公司制型号为HYK-10000A的数显式抗折仪测试样品的抗折强度，测试跨距为100 mm，加载速度为0.5 mm/min；采用荷兰帕纳克公司的Panalytical Xpert PBO型X射线衍射仪分析样品的晶相组成。实验条件为：CuKα辐射，管电流为40 mA，管电压为40 kV，步长（2θ）为0.017°，停留时间为2 s，扫描范围（2θ）为5～80°。

    3 结果分析与讨论

    3.1 抛光废渣的研究

    3.1.1抛光废渣的化学组成

    抛光砖在生产过程中经粗磨、细磨、抛光等一系列工序，磨削量达0.3～0.5 mm左右，从而产生大量的抛光废渣。其成份主要是抛光砖表面被磨削的细屑和抛光磨头磨损的废屑。佛山东鹏陶瓷厂抛光废渣的化学成份如表1所示。

    由表1可知，抛光废渣的主要成份是SiO2、Al2O3等，其余部分主要是碱金属氧化物及碱土金属氧化物，与砖坯底料的主要成份相近。此外，抛光废渣的烧失量较大，其有两个方面的原因：一方面是来源于磨头水泥粘结剂的分解；另一方面由于抛光废渣中有机物的分解。从表1可以看出，抛光废渣的MgO含量略高，主要是因为抛光废料中含有氯氧镁水泥磨料粘结剂的碎屑，在加热过程中会发生分解反应，释放出水分及HCl气体，最终生成产物为MgO，从而增加了抛光废渣中MgO的含量。

    3.1.2抛光废渣的物相组成

    通过对抛光废渣进行XRD分析，其详情如图1所示。

    由图1可知，抛光废渣的物相中除了含有石英和少量的莫来石相外，还含有少量的SiC相及氢氧化镁、氯化镁水合物。其主要原因是抛光废渣中含有抛光砖表面被磨削的细屑和抛光磨头磨损的废屑两部分，而常用磨头的磨料主要含有 SiC、金刚石和刚玉等。磨料粘结剂主要有轻烧镁矿、氧化镁、硫酸镁及氢氧化镁、氯化镁水合物。

    3.1.3抛光废渣烧成性能的分析

    为了解抛光废渣烧成发泡特性，将采用抛光废料制备好的样品在1040～1120 ℃的温度范围内烧成，并对烧成后的样品进行性能分析。

    3.1.3.1烧成温度对抛光废渣体积密度的影响

    图2为不同温度下抛光废料的体积密度随烧成温度的变化曲线。

    由图2可知，抛光废渣的体积密度在1060 ℃之前随着温度的升高逐渐增大，但在1060 ℃左右发生了转折，样品的体积密度随烧成温度的升高显著下降。抛光废渣在1060 ℃时开始发泡，故在1060～1120 ℃温度下体积密度显著下降，且温度在1120 ℃时，体积密度达到最小，因为当温度在1160 ℃时，抛光废渣的孔结构基本不再增大。故抛光废渣的发泡温度应该在1060℃左右。

    3.1.3.2烧成温度对抛光废渣烧成收缩和吸水率的影响

    图3为抛光废渣的烧成收缩和吸水率随烧成温度的变化曲线。

    由图3所示，抛光废渣的烧成收缩率呈先增加后减少的趋势，最终收缩率为-23.26%，即样品膨胀率为23.26%。抛光废渣样品从1040 ℃开始烧结，体积变小，收缩率增大，当温度达1060 ℃时，收缩率最大；当温度大于1060 ℃时，坯体开始形成气孔，随着气孔增大，收缩率不断减小；在温度达到1120 ℃时，发泡膨胀率达到最大，为23.26%。

    由图3还可以看出，抛光废渣的吸水率并没有随温度的变化出现规律性变化。温度在1060 ℃之前，随着烧成温度的升高，形成的玻璃相也将随之增多，玻璃相的粘度随之下降，流动性增加，玻璃相将会填充更多的气孔[3]，使得样品的显气孔率降低，吸水率变小。当烧成温度为1080 ℃时，样品的吸水率出现了一个拐点，此时的吸水率最大，为23.48%。之后样品的吸水率逐渐变小，抛光废渣由于烧结后仍有气孔存在，当温度为1120 ℃时，吸水率为4.25%。

    3.1.4样品的XRD分析

    图4为不同烧成温度下抛光废渣的XRD图谱。

    由图4可知，经不同温度煅烧后，抛光废渣的主晶相为石英和莫来石，还含有少量的碳化硅。对比图1和图4可知，抛光废渣经高温煅烧后，其氯化镁水合物发生了分解，不存在于样品中。此外，对比不同烧成温度下样品的碳化硅XRD特征峰可知，随着烧成温度的升高，样品中碳化硅的特征峰峰强减弱。这可以理解为随着烧成温度的升高，样品中的碳化硅出现不同程度的氧化，碳化硅的含量减少。

    3.2 抛光废渣发泡原因的探讨

    据抛光废渣的烧成性能分析表明，抛光废渣在高温时会发泡膨胀。据抛光废渣的XRD分析表明，抛光废渣中含有SiC和氯氧镁水泥。目前，普遍认为抛光废渣在高温时发泡主要原因有：有机物发泡、氯氧镁水泥发泡、SiC发泡[4]。本文将对抛光废渣的发泡原因进行分析。

    3.2.1有机物发泡的可能性验证

    抛光废渣的有机物高温分解产生气体，可能会导致产品发泡。将抛光废渣在1200 ℃保温1 h使废渣中的有机物等成份彻底分解，然后与未经过煅烧的抛光废渣在同样的工艺条件下进行实验（球磨30 min、15 MPa压力成型、1160℃保温30min烧成），对比其性能。结果表明：煅烧与未煅烧的样品性能相近，无较大区别。可以断定有机物并不是抛光废渣中的主要发泡物质。

    3.2.2氯氧镁水泥发泡的可能性验证

    氯氧镁水泥在高温下发生分解，释放出HCl气体和水蒸气[5]，有可能导致抛光废渣发泡。以不含磨头成份的陶瓷砖细粉为基础料，分别添加了0wt%、2 wt%、4 wt%、6wt%的氯氧镁水泥，其工艺条件为：球磨混合30 min；在15 MPa压力下成型；煅烧温度为1160 ℃，并保温30 min，最后测试其性能。结果表明，随着氯氧镁水泥添加量的增加，试样的体积密度有所减小，但幅度较小。由此可见，氯氧镁水泥在高温下分解对陶瓷砖发泡的影响程度较小，不是陶瓷抛光废渣中的主要发泡物质。

    3.2.3 SiC发泡的可能性验证

    抛光废渣中SiC在高温氧化气氛下会发生氧化，产生了大量的CO或CO2气体[6]被封闭在高温液相中，形成的气孔随温度的升高不断膨胀长大，成为抛光废渣发泡的主要原因。

    4 结论

    （1） 抛光废渣的物相中除了含有石英和莫来石相外，还含有少量的SiC相及氢氧化镁、氯化镁水合物。抛光废渣的主要成份是SiO2、Al2O3等，其余部分主要是碱金属氧化物及碱土金属氧化物，与砖坯底料的主要成份相近，但抛光废渣的MgO含量比砖坯底料略高。

    （2） 根据抛光废渣的烧成性能研究表明：抛光废渣在高温时会发泡膨胀。抛光废渣的烧成性能与一般的陶瓷原料相比有所不同，并不随烧成温度变化而呈规律性的变化。抛光废渣的烧成收缩率呈先增加后减少的趋势，当温度为1060 ℃时，收缩率达到最大；当温度高于1060 ℃时，收缩率不断减小；当温度为1120 ℃时，发泡膨胀率达到最大值，为23.26%。抛光废渣的吸水率随温度的升高逐渐减小，由于烧结后仍有气孔存在，所以当温度达到1120 ℃时，其吸水率为4.25%。

    （3） 陶瓷抛光废渣在高温下发泡是它不能得到有效利用的根本原因，抑制高温发泡是利用陶瓷抛光废渣的前提条件。抛光废渣发泡的主要原因是由于废渣中碳化硅的发泡。

    参考文献

    [1] 黄惠宁，柯善军，张国涛，等. 抛光废渣在陶瓷砖中的应用及现

    状[J]. 佛山陶瓷，2012，（7）：1-9.

    [2] 税安泽，夏海斌，曾令可，等. 利用抛光砖废料制备多孔保温建

    筑材料[J]. 硅酸盐通报，2008，27（1）：191-195.

    [3] 李家驹. 陶瓷工艺学[M]. 北京：中国轻工业出版社，2007.

    [4] 付亚玲. 利用陶瓷抛光废料制备釉面砖的研究[D]. 广州：华南

    理工大学，2012.

    [5] 黄志雄，赵颖，秦麟卿，等. 氯氧镁水泥的制备及其热分解机理

    [J]. 武汉理工大学学报，2008， 30（10）：39-42.

    [6] 程宝珠，刘新红，贾全利. 不同粒度的碳化硅磨料氧化性研究[J].

    金刚石与磨料磨具工程，2009，（5）：78-81.