徐 芹*

（包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 多孔保溫磚類型與存在的問題

現(xiàn)在常用的多孔保溫磚按制備方法不同可大致可分為兩類：一類是以摻混水泥等膠凝材料為代表的膠凝發(fā)泡免燒結(jié)多孔保溫磚，另一類則是利用高溫焙燒制得的多孔保溫磚[1]。

膠凝發(fā)泡免燒磚由硅質(zhì)材料(砂、粉煤灰等)和鈣質(zhì)材料(水泥、石灰等)為主要原料，加入適量的調(diào)節(jié)劑和發(fā)泡劑，經(jīng)混合、攪拌、澆注、發(fā)泡，再對(duì)坯體靜停、切割，最后經(jīng)高溫、高壓蒸養(yǎng)等工序制成[2]。成品具有大量微小、獨(dú)立而又分布均勻的氣孔結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是密度小(500～700 kg/m3)、隔熱保溫性好、抗震性好、耐熱和耐火性能好。其缺點(diǎn)也很明顯，主要是表面強(qiáng)度低，容易出現(xiàn)缺角或斷裂現(xiàn)象；孔隙率大，吸水性強(qiáng)，易受潮，受潮后抗凍性變差且干燥收縮率大，易導(dǎo)致墻體裂縫和表層涂料空鼓脫落等問題；不能用在墻體的關(guān)鍵部位和有強(qiáng)度要求的部位，如門窗等；生產(chǎn)周期長(zhǎng)，需要長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)護(hù)。因此，提高多孔保溫磚性能，需對(duì)其制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，使其除了具有免燒磚的部分優(yōu)點(diǎn)外，還能克服免燒磚的部分缺陷。相較于免燒磚而言，燒結(jié)多孔磚的劣勢(shì)為需高溫?zé)Y(jié)，能耗較高，優(yōu)勢(shì)為所用原料基本為工業(yè)或建筑廢棄物，對(duì)原料性能的要求較免燒磚更低[3]。

1 工藝優(yōu)化

1.1 工藝流程

首先將各種原料破碎、烘干、篩分，然后按原料配比均勻混合，經(jīng)陳化后壓制成型，最后進(jìn)行干燥和焙燒，具體流程如圖1 所示[4]。

圖1 工藝流程

1.2 材料配比優(yōu)化

多孔輕質(zhì)保溫磚的造孔方法主要包括發(fā)泡和外部引入。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡法不適用于本試驗(yàn)，故采用秸稈粉末和膨脹珍珠巖復(fù)合造孔方法，不僅能使制品擁有較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，還充分利用了廢棄農(nóng)作物資源，二者用量分別為12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），10%。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇了具有普遍適用性的硅酸鈉和費(fèi)玻璃粉作為增塑劑，摻量分別為8%和6%。助熔劑則選用建筑廢棄物中的廢玻璃，回收利用固體廢棄物同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境。采用配方試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)煤矸石基保溫磚粉料的配比進(jìn)行了研究，得到其最佳配比為煤矸石65%（1～0.5 mm 的顆粒占比為25%，＜0.5 mm 的顆粒占比為75%），煤矸石熟料10%，粉煤灰25%，微硅粉10%。

1.3 燒制工藝優(yōu)化

當(dāng)煤矸石粉孔徑小于0.25 mm 時(shí)，制得的磚體強(qiáng)度較高，性能較穩(wěn)定。由于在陳化過程中混料的細(xì)粉量會(huì)增加，陳化的時(shí)間越長(zhǎng)，細(xì)粉料含量就越高，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，陳化時(shí)間以3～5 d 為宜，陳化溫度不得低于10 ℃。

常用的燒結(jié)磚成型方式主要為干壓法成型和擠出法成型。干壓法成型是將一定含水率的粉料放進(jìn)模具中，在壓力機(jī)作用下壓制成型?；炝咸幱诎敫蔂顟B(tài)時(shí)含水率較低，壓力大，因此坯體較為密實(shí)，結(jié)構(gòu)缺陷少，尺寸精確，易烘干，且大量使用煤矸石、粉煤灰等瘠性材料，因此選用該方法。

燒結(jié)時(shí)采用分梯度燒結(jié)法，根據(jù)材料理化性質(zhì)來設(shè)置不同的升降溫區(qū)段，并探究了最佳燒制溫度和最佳保溫時(shí)間，分別為1 060 ℃和30 min。這兩個(gè)因素分別與磚體的抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)性，與其體積密度呈負(fù)相關(guān)性。

2 產(chǎn)品性能檢測(cè)主要方法與結(jié)果

多孔輕質(zhì)保溫磚的物理性能測(cè)試主要包括體積密度、抗壓強(qiáng)度、石灰爆裂、孔隙率、導(dǎo)熱系數(shù)及微觀形貌這6 個(gè)方面。煤矸石是制備保溫磚的主要原料，其性質(zhì)直接影響保溫磚產(chǎn)品的質(zhì)量。采用煤矸石制磚時(shí)，需要確認(rèn)煤矸石的化學(xué)性質(zhì)和工藝性能是否滿足燒制煤矸石磚的要求。了解了制備原料煤矸石性質(zhì)的特殊性，才能在制備過程中精準(zhǔn)把控相關(guān)參數(shù)。因此，從煤矸石含水量、燒失量、發(fā)熱量、物相組成、化學(xué)成分和熱重分析等方面，分析并解釋了因煤矸石破碎粒度和成分含量導(dǎo)致的原料塑料問題和石灰爆裂現(xiàn)象。

2.1 煤矸石水分測(cè)定

煤矸石的含水量直接影響原料破碎過程的破碎效果。煤矸石含水量高則會(huì)導(dǎo)致破碎效果差，破碎效率低下，甚至?xí)蛊扑樵O(shè)備堵塞，后續(xù)的分級(jí)篩分過程也難以進(jìn)行；含水量過少則會(huì)在破碎、篩分過程中產(chǎn)生大量揚(yáng)塵，污染環(huán)境，需加裝除塵設(shè)備。另外，其含水量對(duì)后續(xù)原料陳化加水量也具有指導(dǎo)意義。對(duì)于含水量過高的煤矸石原料，建議采用無篩底雙轉(zhuǎn)子破碎機(jī)，或選用與輥破碎機(jī)和輪碾機(jī)相配合的破碎方式來進(jìn)行破碎[5]。

煤矸石的水分測(cè)量具體步驟如下：（1）先稱量預(yù)先干燥至恒重的稱量皿（含瓶蓋）的質(zhì)量，然后在稱量皿中稱取1 g 煤矸石粉末，精確至0.01 g；（2）將裝有煤矸石的稱量皿及瓶蓋（瓶蓋放置在稱量皿旁邊）移入預(yù)先升溫到約105 ℃的干燥烘干箱中，干燥時(shí)間一般為1～2 h；（3）干燥一定時(shí)間后，將稱量皿及瓶蓋取出并立即加蓋，隨后放入干燥皿中冷卻至室溫；（4）稱量稱量皿及煤矸石的質(zhì)量。

煤矸石的水分質(zhì)量分?jǐn)?shù) 可按式（1）計(jì)算：

2.2 煤矸石燒失量測(cè)定

煤矸石在規(guī)定溫度下完全燃燒后所減輕的質(zhì)量為煤矸石的燒失量。本試驗(yàn)中煤矸石燒失量的測(cè)量具體步驟如下：（1）先稱量預(yù)先干燥至恒重的灰皿質(zhì)量，然后在灰皿中稱取1 g 經(jīng)105 ℃左右溫度條件下烘干并去除外在水分的煤矸石粉末，稱量精確至0.01 g ；（2）將灰皿轉(zhuǎn)移到已預(yù)先升溫至300～400 ℃的馬弗爐內(nèi)，并在該溫度下灼燒10～15 min；（3）將馬弗爐逐漸升溫至900～950 ℃，繼續(xù)灼燒1.5～2 h，隨后取出灰皿并稍冷卻，將粉末放入干燥皿中冷卻至室溫后再稱重。

以灼燒前失去外在水分的煤矸石粉末質(zhì)量減去灰皿中剩余的物質(zhì)質(zhì)量作為燒失量，則煤矸石燒失量S可按式（2）計(jì)算：

2.3 煤矸石發(fā)熱量測(cè)定

煤矸石的發(fā)熱量直接決定了產(chǎn)品的燒成溫度。原料的發(fā)熱量是控制燒成溫度及根據(jù)實(shí)際情況微調(diào)燒成溫度的關(guān)鍵，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，其發(fā)熱量一般控制在400～600 kJ，在該發(fā)熱量下產(chǎn)品產(chǎn)出率最高，并且夏季時(shí)發(fā)熱量可稍低，而冬季需稍高。煤矸石磚為內(nèi)燃磚，發(fā)熱量不夠會(huì)導(dǎo)致磚窯內(nèi)達(dá)不到最高燒成溫度，物料熔融度不夠，使磚體內(nèi)產(chǎn)生夾生現(xiàn)象，嚴(yán)重影響磚體強(qiáng)度及抗凍融性能；發(fā)熱量過高則會(huì)使磚窯內(nèi)溫度難以控制，產(chǎn)生大量過火磚，甚至還會(huì)使磚與磚之間產(chǎn)生黏連，導(dǎo)致其質(zhì)量變差，縮短磚窯的使用壽命。因此，控制物料的發(fā)熱量至關(guān)重要。

在本試驗(yàn)中，煤矸石的發(fā)熱量使用智能發(fā)熱量測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)定步驟如下：（1）在燃燒皿中稱量粒度小于0.75 mm 的空氣干燥基煤矸石樣品1 g，精確至0.01 g；（2）把裝有煤矸石粉末的燃燒皿放在彈筒的燃燒支架上，安裝點(diǎn)火絲，應(yīng)注意將點(diǎn)火絲固定防止點(diǎn)火失敗，再將預(yù)先稱量過的棉線一頭固定在點(diǎn)火絲的中部，另一頭放置在煤矸石粉末中并與之充分接觸；（3）向氧彈筒中加入10 mL 蒸餾水，裝配完成后充氧20 s；（4）將彈筒置于發(fā)熱量?jī)x測(cè)試支架上，蓋上量熱儀蓋板，在控制面板上輸入測(cè)試樣質(zhì)量信息，然后按下啟動(dòng)鍵，約20 min 后結(jié)束測(cè)量，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

取同一批次煤矸石，隨機(jī)選取6 個(gè)分散點(diǎn)樣品進(jìn)行測(cè)試，煤矸石水分、燒失量和發(fā)熱量的分析結(jié)果如表1 所示。

表1 煤矸石的水分、燒失量和發(fā)熱量分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，煤矸石原料較為干燥，對(duì)其進(jìn)行破碎、篩分時(shí)需采用除塵措施，該批次煤矸石發(fā)熱量較煤矸石燒結(jié)制磚的最佳發(fā)熱量比偏低，需要在后續(xù)配料中添加具有高發(fā)熱量的原料。

3 多孔輕質(zhì)保溫磚燒結(jié)機(jī)理探討

以煤矸石為主要原料，摻加成孔劑和助熔劑，采用高溫焙燒方法制備多孔輕質(zhì)保溫磚。為了使制品具有多孔、保溫和輕質(zhì)等性能，并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，燒結(jié)工藝至關(guān)重要，現(xiàn)以本試驗(yàn)燒結(jié)過程為基礎(chǔ)對(duì)燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行探討。燒結(jié)機(jī)理可以從液相作用和礦物晶相轉(zhuǎn)變兩方面來說明。

多孔輕質(zhì)保溫磚高溫焙燒的過程其實(shí)就是坯體內(nèi)礦物受熱熔融并使坯體致密化的過程。原料混合成型后，坯體內(nèi)礦物顆粒之間靠黏土類礦物和增塑劑產(chǎn)生的表面吸引力粘結(jié)在一起，造孔劑成分為孔洞填充物。在升溫初期，秸稈粉末中的成分開始分解，使坯體開始出現(xiàn)部分孔洞。隨著溫度升高，由于坯體內(nèi)助熔劑和礦物本身存在Na2O，CaO，K2O，MgO 等堿金屬氧化物，這些堿金屬氧化物在高溫下破壞硅酸鹽礦物原料的硅氧四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得硅酸鹽礦物熔融出現(xiàn)液相物質(zhì)。由于礦物顆粒間和礦物顆粒自身的毛細(xì)管作用力，液相物質(zhì)對(duì)顆粒進(jìn)行浸潤(rùn)和鋪展，使得顆粒間產(chǎn)生液相膜，在局部應(yīng)力的作用下顆粒與顆粒間重新排布。隨著溫度不斷升高，顆粒與顆粒接觸點(diǎn)處的溶解度大于顆粒表面的溶解度，從而使得點(diǎn)接觸部位產(chǎn)生化學(xué)位梯度，接觸點(diǎn)部位先于其他部位產(chǎn)生熔融液相，顆粒與顆粒之間相互粘結(jié)。液相物質(zhì)借助毛細(xì)管力浸潤(rùn)填充孔隙部分，并使得氣孔孔壁致密，從而使磚體產(chǎn)生一定的機(jī)械強(qiáng)度。燒結(jié)溫度高低對(duì)于其中液相的產(chǎn)生至關(guān)重要，本試驗(yàn)分別在1 060，1 090 ℃條件下焙燒并保溫30 min 后的制品掃描電鏡（SEM）圖如圖2 所示。從圖2 中可以看出，1 090 ℃溫度下的焙燒制品中存在更多液相，孔隙填充率大于1 060 ℃溫度下焙燒的制品，在最佳焙燒溫度1 060 ℃條件下，制品內(nèi)存在大量松散孔隙結(jié)構(gòu)，正是這些孔隙結(jié)構(gòu)使得制品具有輕質(zhì)保溫的作用。

圖2 燒結(jié)制品SEM掃描圖

制品原料中以硅鋁酸鹽類礦物為主，煤矸石中主要物質(zhì)為石英、高嶺石、白云母等，具體化學(xué)成分為SiO2，Al2O3，Na2O，F(xiàn)e2O3，CaO 等。坯體放入爐內(nèi)升溫至470 ℃以上時(shí)，高嶺石發(fā)生OH-脫除反應(yīng)；溫度到達(dá)540 ℃以上時(shí)高嶺石結(jié)構(gòu)被破壞，生成偏高嶺石相；升溫至573 ℃時(shí)，α-石英相轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英相，同時(shí)其體積急劇變化，增大約8%，導(dǎo)致巖石內(nèi)部出現(xiàn)微細(xì)孔隙；升溫到600 ℃以上時(shí)，方解石開始分解，生成CaO；當(dāng)溫度繼續(xù)上升到850～900 ℃時(shí)，助熔性礦物（如含有堿金屬氧化物Na2O 的礦物）等開始逐步反應(yīng)，并形成具有相對(duì)低熔融點(diǎn)的共熔體，使得燒結(jié)制品致密化，強(qiáng)度增大，伴隨產(chǎn)生鈉長(zhǎng)石等礦物相，在870 ℃時(shí)石英由β-石英相向β-鱗石英相轉(zhuǎn)變，并伴隨體積膨脹，導(dǎo)致坯體內(nèi)孔隙進(jìn)一步增大；當(dāng)溫度繼續(xù)升高至920～980 ℃時(shí)，偏高嶺石發(fā)生重大結(jié)構(gòu)變化，并在1 080 ℃開始形成具有耐火性能的莫來石相；當(dāng)溫度超過1 000 ℃以后，F(xiàn)e2O3逐漸與SiO2反應(yīng)生成鐵硅酸鹽，并伴有玻璃相產(chǎn)生。利用X 射線衍射對(duì)本試驗(yàn)燒結(jié)成品粉末進(jìn)行檢驗(yàn)，磚體內(nèi)主要含石英、赤鐵礦、莫來石、鈉長(zhǎng)石、鱗石英、方石英等成分，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，煤矸石中高嶺石相消失，在助熔劑作用下高溫?zé)瞥霈F(xiàn)莫來石相，增強(qiáng)了制品的耐火性能，石英相經(jīng)過高溫晶相轉(zhuǎn)變最終出現(xiàn)了高溫鱗石英和方石英相，增大了制品的孔隙率，增強(qiáng)了其耐候性能。

4 結(jié)論

本文對(duì)多孔輕質(zhì)保溫磚的制備及性能開展了系統(tǒng)研究，探究了制備過程中各原料性能、用量，以及多孔輕質(zhì)保溫磚制備過程中的相關(guān)工藝參數(shù)，探討了多孔輕質(zhì)保溫磚具有質(zhì)輕、多孔、保溫、隔熱、隔聲等特點(diǎn)的原因與條件，分析了多孔輕質(zhì)保溫磚的燒結(jié)工藝和造孔劑成分對(duì)其性能影響。