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利用粉煤灰和废玻璃制备保温泡沫陶瓷

摘 要

以粉煤灰和废玻璃为主要原料，硼砂和碳酸钙分别作为助熔剂和发泡剂使用发泡法直接制备泡沫陶瓷。进行关于粉煤灰的添加，发泡时间，加热速率以及烧结温度对试样体积密度，孔隙率，机械性能和导热率影响的系统研究。实验结果表明：泡沫陶瓷的最佳制备参数为在800℃下用40％煤粉煤灰，60％废玻璃，30％的硼砂和0.5％碳酸钙烧结45分钟。这样制备的样品具有较低的堆积密度（低至0.46克/立方厘米），显示出相当大的抗压强度（超过5兆帕）和较低的热导率（约0.36（瓦/（米*K））。用EnergyPlus软件评估泡沫陶瓷的节能效果，结果表明所制备的泡沫陶瓷在建筑保温材料上表现出了良好的节能效果。考虑在经济和环境方面的优点，固体废弃物在泡沫陶瓷的制备中可用来制备的隔热材料。

关键词：粉煤灰；发泡陶瓷；保温材料

1. 简介

泡沫陶瓷作为一种多孔的隔热和隔音材料，吸引了人们极大的兴趣，并在建筑，化工，国防等多个领域得到了应用[1]。泡沫陶瓷具有低密度、导热系数低、不燃性等优异的性能。此外，相较于有机保温材料泡沫陶瓷显示出更好的热绝缘和抗老化性，有机保温材料特别是聚合物泡沫存在可能导致火灾的危险，且寿命短，有毒和与墙基层相容性较差[2]。目前，生产泡沫陶瓷的大量技术已被开发，如复制，牺牲模板和直接发泡方法[3]等等，也可采用不同类型的固体废弃物作为原料，如废玻璃和粉煤灰[4-7]，冶金渣[8-10]，城市固体废物[11]，抛光的炻瓷瓦渣[12]等。其中，最直接的和广泛使用的方法是直接发泡法，即在烧结原料的混合物时加入少量的添加剂，这也是在本实验中采用的方法。这些添加剂通常称为孔隙发泡剂，其通过泡沫陶瓷在高温[7]下熔融时放出气体产生孔隙。同时，发泡剂的浓度与种类对泡沫陶瓷的孔径大小和结构有显著影响[13]。粉煤灰是发电厂[14]煤燃烧的副产品。众所周知，中国的能源结构以煤为主。随着经济的快速发展，为了满足日益增加的电力需求，每年的煤炭消耗量已经超过十亿吨，随着每年粉煤灰产生的持续增长，预计到2015年，将达到5800万吨[15]。然而，数量巨大的粉煤灰废渣只有部分被利用，主要是在水泥工业和建材领域。残留粉煤灰通常未经过任何处理便被弃置在池塘或垃圾填埋场，不仅占用大量土地，但也导致了严重的环境污染。例如，粉煤灰中潜在的有毒物质能渗入土壤和地下水，最终积聚于食物链中[16]。

废弃玻璃是由玻璃制造工艺中及城市固体废物衍生的另一个巨大的固体废弃物。具体而言，废玻璃中15-30％来自于玻璃生产过程中，4％来自于城市固体废物[17]，而中国每年产生的废弃玻璃达上百万吨。虽然废弃玻璃在制造原始玻璃中被使用，但废玻璃的添加比例是有限的且在此过程中会对产品有污染并引起产品质量的下降。因此废玻璃的处置问题急需解决，而在泡沫陶瓷的生产中加以使用可能会解决这一问题[18,19]。

同时考虑粉煤灰和废玻璃含有大量的SiO2，Al2O3和CaO的[20]，可以提供泡沫陶瓷所需的化学成分，因此产生了以粉煤灰和废物玻璃作为原料制造泡沫陶瓷的想法，。同时，硼砂和碳酸钙分别用作助熔剂和发泡剂。

我们关于泡沫陶瓷的宏观性能，如堆积密度，孔隙率，抗压强度和导热性的泡沫进行了详细试验。最后，使用建筑能源模拟软件(Energy-Plus)来评价该泡沫陶瓷的节能效果和使用该材料作为建筑物保温材料的可能性。

1. 实验过程

2.1原料

粉煤灰（低于200目）来自于中国山西省朔州市热电厂，废玻璃（200目）取自于废弃平板玻璃。废玻璃中有足够的非晶相，非晶相有良好的保温性能[21]。通过X射线荧光（XRF）分析这两种原料的化学成分（重量％），详见表1。硼砂（Na2B4O7。10H2O）作为助熔剂，被用来降低混合物的软化温度[22]。碳酸钙也可作为发泡剂，因为在约800℃下软化的玻璃会处于碳酸钙分解产生的CO2气氛中，导致样品中产生多孔结构。

用X射线衍射（XRD）鉴定粉煤灰和废玻璃的晶相，XRD图谱见图1。由图可知在粉煤灰的主要晶相是无水石膏，石英和莫来石。无水石膏是由于在炉内脱硫过程而产生的。

2.2. 样品制备

在所有样品中，均含有30％重量硼砂和0.5％重量碳酸钙，并加入不同比例的粉煤灰和废玻璃。将样品分别命名为B35，B40，B45，B50和B55。原料组合和样品的化学组成在表2和3分别示出。将混合物原料放入陶瓷罐子中用行星式球磨机粉磨10小时。最后，用单轴模干压法以10MPa的压力分批次压成直径为22毫米，厚度为10毫米的薄片。

用马弗炉讲所得到的样品在空气气氛下30分钟加热至450℃以除去残余的水，并防止样品由于不均匀热分布而引起破裂[10]。随后，将样品以20℃/分钟的加热速率用45分钟加热至600-900℃，然后自然冷却至室温。

表1

粉煤灰和废玻璃的化学组成（重量％）。

表2

样品原料组成（重量％）

表3

样品的化学成分（重量％）

2.3.表征技术

总孔隙率是由下式计算：总孔隙%=（1-堆积密度/粉密度）times;100——（1）

在式（1）中，材料的堆积密度和粉末密度分别用阿基米德法和比重瓶法（50毫升容量瓶）进行测定。样品的抗压强度试验使用钢锯在精细的碳化硅研磨纸上形成的直径20毫米，厚度7毫米的圆片。泡沫陶瓷的抗压强度使用万能试验机（太阳牌，中国深圳）以2mm/ min的十字头速度进行测定。孔的大小和形态用扫描电子显微镜（SEM，S-4800，日立）分析。原料的晶相和泡沫体的制备使用理学电机的D/max 2550PC X-ray研究（CuKalpha;，扫描速度：8/分钟，扫描范围：10-80）。最后，采用热通量技术使用热分析仪（DRL-III，中国湘潭仪器仪表有限公司）进行热分析。

3.结果与讨论

3.1.粉煤灰含量的影响

图2显示了试样的抗压强度和堆积密度在800℃下烧结不同含量粉煤灰样品的孔隙率的演变。此外，典型泡沫陶瓷的表面外观可见插入的图2（a）。可以看出，除了样品B35，其他样品的孔隙率随着粉煤灰含量的增加而减小，因而密度和抗压强度增加。有趣的是，要注意的是样品B40具有最低的密度且孔隙率最高。下面进行相关解释。

样品B35为65％的废玻璃和35％的粉煤灰，CaO，Al2O3和SiO2的比率十分接近于在三元组合物相图的低共熔点[11]。因而B35的软化温度是这些样品中最低的。较低的软化温度导致样品B35在800℃时粘度较低从而阻碍了孔隙的产生发展小孔隙消失或变化为大孔，并和由碳酸钙分解产物气体排出（见图2（a））。其结果是样品B35具有较低的孔隙率。与此相反，样品B40比B35粉煤灰含量跟多（40％），在800℃时粘度较为合适，能使更多的气体留在样品中，并形成多个闭合的孔。因此，样品B40孔隙率更大。然而，通过在B45-B55添

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