煤基固废低温烧结透水路面砖的研制

摘要

固废基透水路面砖作为一种新型绿色建筑材料，不仅环保友好，而且符合“海绵城市”建设发展的需求，顺应了国家“可持续发展”的理念，由于其对环境良好的保护能力、优良的透水性能和透气性能、良好的吸声降噪性能以及装饰效果符合大众审美，而且投资回报率较高，所以固废基透水路面砖未来发展前景是非常广阔的。固废基透水路面砖以粉煤灰、煤矸石等固体工业废料为主要原料经高温烧结而成，实现了工业废弃物的循环利用，但是仍存在着能耗高、成本高、耐磨性差、容易折断和抗冻融性能差等一系列问题，这在一定程度上限制了透水路面砖的推广使用。因此，本文拟从原料配方、加工工艺以及烧成条件等几个方面对固废基透水路面砖进行工艺优化，通过低温烧结，旨在烧制出透水性能好、抗压强度高以及抗冻融性能强的固废基透水路面砖，以推动透水路面砖在北方地区的推广应用。 本课题在R2O-RO-Al2O3-SiO2-B2O3系熔块釉的基础上，研制了低温高强性能的釉配方。用釉浆包覆粉煤灰陶粒作为基层材料，用釉浆包覆废弃耐火材料颗粒作为面层材料，采用层级布料即面层材料在上基层材料在下的方法来填充实芯瓷质砖框，从而制备固废基透水路面砖。对不同釉配方的熔融温度进行了测试，研究得到了釉配方低温制备时的烧结机理。探讨了面层材料颗粒粒径、烧成温度、保温时间、成型压力、釉料添加量对固废基透水路面砖透水性能以及抗压性能的影响，通过正交实验得出了制备固废基透水路面砖的最优工艺条件。而且对透水砖的冻融性能进行了探究，并对其冻融机理进行了分析。 得出结论如下： （1）采用高岭土、石英、硼酸、硼砂、碳酸锶、碳酸钙、碳酸钾、氧化锌为主要原料，以高岭土/石英、硼酸、碳酸钙、碳酸钾原料为基准，采用L9（34）即4因素3水平进行正交实验，通过正交实验表和综合评分法对9个釉配方进行比较和评分，选出抗折强度和维氏硬度综合性能最优的釉料配方。研究表明：对釉料抗折强度和维氏硬度综合性能影响的主次顺序分别是(主)高岭土/石英＞碳酸钙＞硼酸＞碳酸钾(次)，综合评分最高的是6号釉料配方，熔融温度为865℃，此时Al2O3为7.94%，SiO2 54.08%，B2O3 9.65%，ZnO 1.96%，CaO 10.46%，K2O 6.05%，Na2O 1.61%，SrO 8.25%，最优配方的釉配方其维氏硬度为6815 MPa，抗折强度为71 MPa。 （2）9 个釉配方的熔融温度都在 900 ℃以下，显著降低了釉的烧结温度，符合低温烧结的要求。主要是利用“准非反应”烧结机理降低了釉料的烧结温度，即釉料中有低熔点物质硼砂以及其他低温溶剂的加入，釉料会在低熔点物质的熔融范围内产生液相，有助于固相参与到烧结反应中，从而降低釉料熔融温度。 （3）用釉浆包覆废弃耐火材料作为面层材料，固定好基层材料制备条件，将基层材料和面层材料依次放入瓷质砖框中，研究面层材料颗粒粒径、烧成温度、保温时间、成型压力、釉料添加量对透水路面砖透水性能与抗压性能的影响。结果表明：随着废弃耐火材料颗粒粒径的减小，成型压力的增加，高温粘结剂釉料的增加，透水路面砖试样的透水性能会有所下降，但抗压强度会有一定的提高。烧结温度提高，保温时间越长，透水路面砖透水系数先增大然后降低，而抗压强度一直呈上升趋势。经过正交实验表最终得到的最优工艺条件是：颗粒粒径 0.45-1.25 mm，釉料添加量 7.5 %，成型压力 20 MPa，在950℃烧结然后保温0.5 h，得到最终的固废基透水路面砖透水性能为4.92×10-2 cm/s，抗压强度为41.40 MPa。 （4）研究所制得的固废基透水路面砖样品的冻融破坏机理。即材料内部空隙中的水会受到温差影响结冰体积发生膨胀，从而使没有冻结的水迁移进入其他孔隙，并在此过程中遇到阻力，形成静水压，当这个压力超过使材料发生膨胀的临界压力时，材料被破坏。 （5）探讨了影响固废基透水路面砖经过冻融实验后的性能与结构变化。研究表明：经过50次冻融循环后，固废基路面透水路面砖强度呈下降趋势，但强度损失率都在 10 %以内。一些填充颗粒表面的釉膜出现裂纹，但大部分颗粒表面釉膜完整，透水砖外表的实芯瓷质砖框没有出现脱落、裂纹等问题。另外，孔隙率越大，透水路面砖强度损失率越高。

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