（材料学专业论文）利用工业废料和建筑垃圾等制备陶瓷透水砖的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 工业固体废弃物的大量堆放，不仅严重破坏了生态环境，危害人类健康， 而且还是对资源的一种浪费。同时，由于透水砖能部分解决和改善硬地面不透 水的问题，发展透水砖是近年来人们纷纷研究的热点，并已经形成研究开发的 热潮，各种透水砖应运而生。因此，在可持续发展和环境保护呼声日益高涨的 今天，利用废料来制各透水砖势在必行。 本研究分别以建筑垃圾、废陶瓷两种固体废弃物为主要原料，添加了一系 列梯温和高温的粘结剂，采用压制成型和低温烧成工艺，制备了高性能的陶瓷 透水砖。两种废渣的添加量都达到6 0 ，为实现对两种固体废弃物的资源化利 用打下基础。本论文还进行了建筑垃圾和废陶瓷两种透水砖的中试试验，并成 功解决了在中试过程中出现的问题，为透水砖投入工业化生产奠定了基础。 本论文系统测定了样品的吸水率、气孔率、体积密度、抗压强度、抗折强 度、耐磨性及透水系数，并采用x r d 、s e m 等测试技术对样品的相组成和显微 结构进行了分析。结果表明，建筑垃圾制备的透水砖气孔率达3 7 , - 一4 3 ，吸水 率达1 9 - - 一2 5 ，体积密度达1 6 2 1 咖岔，抗压强度达1 7 4 5 m p a ，抗折强度 达5 11 m p a ，耐磨性磨坑长度为2 3 - - 一3 5 r n r n ，透水系数达1 0 - - 5 7x1 0 2 c m s 。 建筑垃圾透水砖由3 a 1 2 0 3 2 s 1 0 2 ( 莫来石) 、c a m g ( s i 0 2 ) 2 ( 透辉石) 、s i 0 2 ( q 石 英) 晶相组成，主晶相晶体呈板条状交织排列，赋予透水砖的较高的强度。本研 究制备的建筑垃圾陶瓷透水砖性能均达到或超过j c t 9 4 5 2 0 0 5 透水砖标准。 研究测试结果表明，废陶瓷透水砖气孔率达2 6 - - 一3 0 ，吸水率达1 5 2 0 ， 体积密度达1 7 7 - - - 2 1 7g e m 3 ，抗压强度达3 1 - - - 5 4 m p a ，抗折强度达7 1 3 a ， 耐磨性磨坑长度为2 1 - - - 3 1 m m ，透水系数达1 o 3 7 1 0 - 2 c m s 。废陶瓷制备的 透水砖由s i 0 2 ( q 石英) 、砧2 0 3 2 s 1 0 2 ( 莫来石) 晶相组成，主晶相晶体呈板条状 交织排列，赋予透水砖的较高的强度。本研究制备的废陶瓷透水砖性能均达到 或超过j c t 9 4 5 2 0 0 5 透水砖标准。 关键词：建筑垃圾；透水砖；废陶瓷；结构与性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el a r g ea m o u n to fi n d u s t r i a ls o l i dw a s t e s ，n o to n l ys e r i o u s l yd a m a g et h e e c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dd oh a r mt oh u m a nh e a l t h ，b u ta l s ow a s t eo fr e s o u r c e s s i m u l t a n e o u s l y , r e s e a r c h e r sp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fp e r m e a b l e b r i c k , w h i c hc o u l dp a r t l yi m p r o v eo rs o l v et h ed r a i n a g ep r o p e r t yo fi m p e r v i o u s g r o u n d s oa l l k i n d so fp e r m e a b l eb r i c k s a p p e a r e d t h e r e f o r e ，a ss u s t a i n e d d e v e l o p m e n ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t , t h e p r e p a r a t i o no fp e r m e a b l eb r i c k 、析也i n d u s t r i a ls o l i dw a s t eb e c o m em o r eu r g e n t i n t h i ss t u d y , c o n s t r u c t i o nw a s t e ，w a s t ec e r a m i c sa r et h em a i nr a wm a t e r i a l s ，s o m e a d d i t i v e sw e r eu s e dt oi m p r o v et h ep r e p a r a t i o na n ds i n t e r i n gp r o p e r t yo fp e r m e a b l e b r i c kw h i c hf o r m e db ys e m i - d r yp r e s s i n g t h ec o n t e n to ft h ew a s t e si sm o r et h a n 6 0 ，s ot h a tt h et w oi n d u s t r i a ls o l i dw a s t e sw e r er a t i o n a l l yu s e d p i l o tt e s to ft h et w o k i n d so fb r i c k sw e r es u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rt h e l a r g e s c a l ep r o d u c t i o no fp e r m e a b l eb r i c k s t h ew a t e ra b s o r p t i o n ，p o r o s i t y , b u l kd e n s i t y , c o m p r e s s i o ns t r e n g t h , b e n d i n g s t r e n g t h , a b r a s i v er e s i s t a n c ea n dp e r m e a b i l i t yt h e r m a lo ft h es a m p l e sw e r em e a s u r e d t h e i rp h a s ec o m p o s i t i o n sa n dm i c r o s t r u c t u r e sw e r et e s t e db yx r d ，s e ma n ds oo n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o r o s i t yo fp e r m e a b l eb r i c kp r e p a r e dw i t hc o n s t r u c t i o n w a s t ew a sa b o u t3 7 - - - ，4 3 ，t h ew a t e ra b s o r p t i o nw a sa b o u t1 9 - - 。2 5 ，b u l kd e n s i t y w a sa b o u t1 6 2 1g c 一，c o m p r e s s i o ns t r e n g t hw a sa b o u t l7 4 5 m p a , t h eb e n d i n g s t r e n g t hw a sa b o u t5 ll m p a , t h el e n g t ho fa b r a s i o nw e a rw a sa b o u t2 3 3 5 m m ， p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tw a sa b o u t1 0 5 。7xlo - 2 c m s n em a i nc r y s t a l l i n ep h a s e s o ft h eb r i c kw e r e3 a 1 2 0 3 2 s 1 0 2 ( m u l l i t e ) ，c a m g ( s i 0 2 ) 2 ( d i o p s i d e ) ，s i 0 2 一q u a r t z ) ， a n dt h e yi n t e r l a c e da sl a t h s h a p e d ，s ot h es a m p l e sh a v eh i g hb e n d i n gs t r e n g t h t h e p r o p e r t i e so fp e r m e a b l eb r i c k sa r eu pt o t h en a t i o n a ls t a n d a r do fj c t 9 4 5 2 0 0 5 p e r m e a b l eb r i c k s ) ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o r o s i t yo fp e r m e a b l eb r i c kp r e p a r e dw i t hw a s t e c e r a m i c sw a sa b o u t2 6 - 3 0 ，t h ew a t e ra b s o r p t i o nw a sa b o u t15 2 0 ，b u l kd e n s i t y w a sa b o u t1 7 7 - 2 17g c m ，c o m p r e s s i o ns t r e n g t hw a sa b o u t 3l 5 4 m p a , t h e n 武汉理工大学硕士学位论文 b e n d i n gs t r e n g t hw a sa b o u t7 13 m p a , t h el e n g t ho fa b r a s i o nw e a rw a sa b o u t 2 1 - 31 m m ，p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n tw a sa b o u t1 0 3 7 1 0 呓c m s t h em a i n c r y s t a l l i n ep h a s e so ft h eb r i c kw e r es i 0 2 一q u a r t z ) ，3 a 1 2 0 3 2 s 1 0 2 ( m u l l i t e ) ，a n d t h e yi n t e r l a c e d a sl a t h s h a p e d ，s ot h es a m p l e sh a v eh i g hb e n d i n gs t r e n g t h t h e p r o p e r t i e so ft h eb r i c k sa r eu pt ot h en a t i o n a ls t a n d a r do fj c t 9 4 5 2 0 0 5 ( ( p e r m e a b l e b r i c k s ) ) k e yw o r d s ：c o n s t r u c t i o nw a s t e ，p e r m e a b l eb r i c k ，w a s t ec e r a m i c s ，m i c r o s t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着经济的发展和现代化建设的进程，许多城镇逐步被钢筋混凝土房屋、大 型基础设施及各种不透水的场地和道路所覆盖。如果采用透水性材料( 如透水砖) 铺筑各种场地和路面，增大透水透气面积，就可以有效缓解城市不透水硬化地 面对城市生态造成的负面影响，使城市与自然协调发展、走维护生态平衡的可 持续发展道路。透水砖已经成为各国研究和应用的热点。本课题目标是利用建 筑垃圾和废瓷等废料制备高性能的陶瓷透水砖，对环境保护和建材行业都有着 巨大的经济和社会效益。 1 1 本课题研究的目的及意义 水资源已成为一个国家可持续发展的决定性因素，现代化城市高密度的人 口和密集的建筑群，已引起的城市硬化，这在生态学上被称为“人造沙漠 。目 前，城市道路、广场多以传统的水泥砌块砖及普通陶瓷烧结砖铺设，这些透水 性差或不透水的铺设材料、再加上不透水的混凝土路面、沥青路面和各种房屋 及建筑物的拦截而导致雨水穿透性受阻，雨水通过城市排水管网系统排走，造 成城市地下水位大幅度下降。【1 3 】近年来，随着城市建筑群的增加和地下水的超 负荷开采，在我国北京、天津、石家庄已形成很大的地下漏斗群。古城西安因 地下水位急剧下降，造成世界著名的西安大雁塔，至今已倾斜l m ，并将仍以每 年1 6 r a m 的速度倾斜。泉城济南也早已名不符实，被誉为“天下第一泉”的济 南趵突泉，由于地下水位的降低，停喷竞达9 2 6 天，创下了自1 9 7 2 年季节性停 喷以来的最长纪录，为此，市政部门投入2 0 亿巨资，引黄保泉，补源回灌以重 现昔日百泉喷涌的自然景观。宝贵的自然降水不能渗入土壤，日益亏耗的地下 水资源得不到适时补偿，不仅增加了市政排水系统的负荷，而且制约着城市建 设的可持续性发展。因此，寻找一种如何充分利用雨水及地表水，减少流失量， 达到地面渗水，保持地下水位的办法，显得更为重要l l - 2 。 随着经济的发展和现代化建设的进程，许多城镇逐步被钢筋混凝土房屋。 大型基础设施及各种不透水的场地和道路所覆盖。有资料表明，我国城市道路 的覆盖率已达到7 - - 1 5 ，特大城市可能超过2 0 。在为人们提供便利的同时， 武汉理工大学硕士学位论文 这些不透水的地面亦给城市的生态环境带来许多负面影响。如果采用透水性材 料( 混凝土或砖) 铺筑各种场地和路面，增大透水透气面积，就可以有效缓解城市 不透水硬化地面对城市生态造成的负面影响，使城市与自然协调发展、走维护 生态平衡的可持续发展道路【3 5 】。 目前，国内外研制和应用的透水砖按材质分有三大类：混凝土透水地砖、陶 瓷透水地砖及自然砂透水地砖。它们所用原材料不同，生产工艺方式不同，但 透水原理、透水性能及铺设方法基本相刚昏1 0 1 。 透水砖具有许多优良性能：高透水性。由于其具有很高的孔洞率，特别是 连通孔，可以使部分雨水渗入地下，使得地下水位得以补充，克服了城市路面( 混 凝土路面、沥青路面、瓷质广场砖、水泥砖路面) 不透水的弊端，从而减缓了城 市地下水水平面下降而导致地面下降的趋势。另外，由于部分水渗入地下，减 轻了城市下水道排污的压力和对江河湖泊的污染，从而减少了污水处理的费用。 有些透水砖主要原料是工业废渣，可变废为宝。透水砖的透水性高且装饰 效果特别好，因此它最终将取代其它类似的建筑铺设材料。透水砖孔隙率高， 吸声效果好，可防止噪声污染。透水砖表面摩擦系数大，雨天防滑、行人行走 轻松自女l 以4 j 。 随着我国现代化建设步伐的加快，建筑垃圾正在日益增加。建筑垃圾系指 人工建筑构筑物拆除后产生的建筑废渣，一般是在建设过程中或旧建筑物维修、 拆除过程中产生的。不同结构类型的建筑所产生的垃圾其基本组成是一致的， 主要由土、渣土、砂浆、砖石、混凝土碎块、打桩截下的钢筋混凝土桩头、金 属、竹、木材、装饰装修产生的废料、各种包装材料和其它废物等组成【1 5 。1 7 1 。 建筑垃圾有如下几大特点：数量大。每拆除一处建筑物，都会产生几百吨 甚至上千吨的建筑垃圾。致使城市建设固体排放物的排放距离越来越远，甚至 无处排放。城市管理开始征收固体排放费用，用以加强固体排放物的管理工作。 普遍性。全国城市都在搞建设，普遍存在建筑垃圾问题。经常性。建筑垃 圾每天都在不间断地产生。污染性。建筑垃圾对植被和耕地及环境造成污染， 侵占性地对土壤造无机物污染，使土壤长期无法生长植物。对建筑垃圾的资源 化已经势在必行i l 坶j 。 由于陶瓷产品的脆性大，在生产过程中有许多陶瓷产品因烧成缺陷或检选、 包装过程中相互磕碰成为废品；这些废品的堆放不但增加企业的生产成本，而且 会影响环境卫生。陶瓷生产中，虽然极少数素烧坯体废品可作为熟料利用，但 2 武汉理工大学硕士学位论文 绝大多数废瓷仍然只能堆存于厂区，如何将陶瓷废品变成一种资源利用起来是 陶瓷业可持续发展的重要课题。 陶瓷行业是一个耗资源大户。以宜兴地区为例，现有陶瓷生产企业6 0 0 多 家，每年待处理的废矿渣不少于6 万t ，废陶瓷碎片采取深埋处理的不少于3 万 t 。如果能把这些都充分利用起来，对社会经济的发展将起到积极的作用；如果全 国都利用起来，对社会将是一笔巨大的财富。在一些国家和地区都已加强对这 方面的综合开发和利用【2 睨。 废建筑陶瓷和卫生陶瓷，一般属于炻、瓷质类陶瓷吸水率较低、坚硬、耐 磨、化学性质稳定。将废陶瓷破碎至5 1 0i i i i l l 的颗粒，可得到一种优秀的人工 彩砂原料。人工彩砂，原本是用天然砂或碎石子涂以耐候性有机涂料，或者在 表面涂覆低温色釉料，然后燃烧成彩釉，主要用于建筑物的外墙装饰。用天然 砂或碎石子作原料存在两个缺点：一是吸油性较差，不易于与有机涂料牢固结合； 二是在烧釉时发生相变或分解，成品质量欠佳。而废陶瓷粒由于具有一定的孔 隙率，且表面粗糙，易于同有机涂料结合；同时，陶瓷粒不存在相变问题在烧釉 温度下也不会分解该原料在制造有机彩砂时，将其磨细至o 0 8n l n l 以下，即成 为优秀的填料。在塑料、橡胶、涂料中使用，具有化学性质稳定、与高分子材 料结合牢固、耐磨、耐热、绝缘等特点。因此，无论生产有机彩砂，还是无机 彩砂，用废陶瓷粒做原料均具有不可多得的优势网。 鉴于上述现状，利用建筑垃圾和废瓷等废料制备陶瓷透水砖是一种利废量 大的可行途径，对环境保护和建材行业都有着巨大的经济和社会效益。本研究 试图以陶瓷废料和建筑垃圾等为主要原料，添加适量改善制备工艺性能的添加 剂，研制强度高、渗水性能好、结构优良的环境友好型生态建筑材料一陶瓷渗 水砖。该砖低温烧成，可节能降耗；渗水性好，可避免地下水位的下降，具有 重大的节能减排、保护环境的现实意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 透水砖是指具有一定透水功能的地砖。由于透水砖具有良好的透水性及保 湿性能，能很好地缓解城市由于被不透水地面铺装覆盖所带来的“城市荒漠化 及“热岛效应，有利于保持城市水平衡。因此，该产品广泛用于人行便道和车 行道，其规格形状多种多样之7 1 。 在我国，透水砖作为一种新的建筑材料，要走向市场，必须提高认识、提 3 武汉理工大学硕士学位论文 高技术水平，而且要制定出相应的国家标准和技术规范。我国可以借鉴德国普 及透水砖的作法，他们首先从公共区域开始，如人行道、步行街、自行车道、 郊区道路、郊游步行路、公共广场等做起，直至8 0 的城市地面改建成透水地 面【2 羽。 发达国家于2 0 世纪7 0 年代开始研究渗水性场、路材料。当雨水较多时， 它可以截流部分雨水，使之渗透于地表层，补偿地下水资源，改善植物生长条 件，减少城市公共水污染，减轻城市排水管网的负担。如果国内也大量采用渗 水性材料铺筑各种场地和路面，将逐步改善上述问题，使其步入与环境相协调、 维护生态平衡的可持续发展轨道。1 9 9 0 年代以来，国际上流行使用诸如透水沥 青路面、透水性混凝土路面、透水性地砖等透水路面覆盖城市地面，此举对于 缓解城市热岛、减少噪声、防止水灾和保护水资源等方面具有重要作用【1 4 1 。在 国外，日本是最早开始研制透水性铺装的国家。日本为解决“因抽取地下水而 引起地基下沉 等问题，于1 9 世纪8 0 年代初期推行“雨水渗透计划”，采取了 “雨水的地下还原对策 ，先后开发应用了透水性沥青混凝土铺装和透水性水泥 混凝土铺装，日本透水性材料铺装主要应用于公园广场、停车场、运动场及城 市道路。1 9 9 6 年初，仅东京都就铺设透水性铺装材料4 9 5 0 0 0 m 2 。据统计，东京 透水性铺装市区雨水流出率由5 1 8 降低到5 4 。对由于粉尘和泥沙的堵塞， 造成的透水路面透水功能的下降，日本采用的恢复透水能力的方法是：采用压 力为4 - - - 7 m p a 的小型高压清洗机清洗路面，或采用高压清洗和真空吸附复合的 方法恢复，这样可以使透水功能恢复到初期的8 0 。针对城市不透水地面对地 下水资源的负面影响，德国也提出了一项要把城市8 0 的地面改为透水地面的 计划。德国新建小区( 无论是工业、商业、居住区) 之前均要设计雨洪利用项目， 若无雨洪利用措施，政府将征收雨洪排水设施费和雨洪排放费。 日本已经开发研制成利用下水道污泥焚烧灰生产陶瓷透水砖的技术。陶瓷 透水砖的焚烧灰用量占总量的4 4 2 ，作为骨料的瓷砖用量占总量的4 8 5 ， 该砖上层所用结合剂也是废釉，废弃物的总用量达9 5 。该陶瓷透水砖内部形 成许多微细连续气孔，强度较高。透水性能优良。日本最大的制陶公司i n a x 利用该技术制备的陶瓷透水砖早已投放市场，有严格的企业标准，其陶瓷透水 砖技术指标如下：抗折强度 2 9 4 m p a ，渗透系数 1 0 x 1 0 五c m s ，摩擦系数 o 4 6 ， 耐磨性 5 0 ) 生产陶瓷透水砖，低 成本的成型用的低温粘结剂及降低温度的高温粘结剂仍有待系统研究，方可解 决低成本、高技术、高性能的难题。 ( 4 ) 透水砖的性能表征方法及测试设备仍有待开发，其行业标准和国家标 准有待统一或制定【3 7 1 。 总之，利用固体废弃物生产陶瓷透水砖在节能减排、环境保护方面任重道 远，值得每位材料科学工作者毕生努力。 1 3 本课题研究主要内容 本文试图以建筑垃圾、废陶瓷为主要原料制备陶瓷透水砖，主要研究内容 如下： ( 1 ) 分别以建筑垃圾和废陶瓷为主要原料，掺入适量的低、高温粘结剂， 采用半干压成型低温烧成制备陶瓷透水砖，样品主要理化性能满足或超过现行 的透水砖行业标准j c t 9 4 5 2 0 0 5 ，如表1 1 所示。 表1 1 透水砖行业标准 t a b l e1 1t h ei n d u s t r y s t a n d a r do fw a t e rp e r m e a b l eb r i c k 性能参数 j c t9 4 5 2 0 0 5 透水砖指标 抗压强度 平均值不小于3 0 0 m p a 单块最小值不小于2 5 0 m p a 抗折强度当边长：厚度之5 时，其抗折破坏荷载应不小于6 0 0 0 n 耐磨性 透水系数 磨坑长度不大于3 5 m m 透水系数( 1 5 。c ) 1 0 x 1 0 。2 c r n s 抗冻性 2 5 次冻融循环后外髅嬲定且抗压强度损 ( 2 ) 系统研究改善成型性能的低温粘结剂种类及其添加量，系统研究降低 7 武汉理工大学硕士学位论文 烧成温度、拓宽烧成温度范围的高温粘结剂( 或熔剂) 的种类及其添加量。 ( 3 ) 探讨色层及坯层颗粒级配对陶瓷渗水砖透水性及强度的影响，研究两 者匹配的最佳颗粒级配及结合机理。 ( 4 ) 利用现代材料分析及测试技术，研究样品配料组成、制备工艺、微观 结构与性能之间的关系，探讨陶瓷透水砖的制备机理、低温快烧及透水机理。 本课题以建筑垃圾、废陶瓷为主要原料，加入玻璃粉作为高温粘结剂，掺 入适量的结合剂如页岩、钠长石等来改善成型性能、提高样品强度、拓宽烧成 范围，采用半干压成型法制备陶瓷透水砖，制备的样品主要理化性能均满足 j c t 9 4 5 2 0 0 5 透水砖标准。利用现代材料分析及测试技术，研究样品制备工 艺、配料组成、微观结构与性能之间的关系，探讨两种陶瓷透水砖的制备机理。 以期实现对陶瓷透水砖的原料制各、成型工艺、烧成工艺参数以及成型、烧成 机理的系统认识，为将来的工业化生产打下良好的实验基础。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章利用建筑垃圾制备陶瓷透水砖研究 我国一些企业生产过程中产生的“三废”和在城镇建设中产生的大量建筑 垃圾，对环境产生了严重污染。其中建筑垃圾的大量堆放侵占了大量的土地资 源，对其处理和资源化势在必行。利用各种废弃物研制生产各种陶瓷质建材产 品是消除污染、净化环境、变废为用的重大举措，对可持续发展战略的实施具 有重要意义。建筑废弃物中的许多废弃物经过分捡、剔除或粉碎后，大多可作 为再生资源重新利用。综合利用建筑废弃物是节约资源、保护生态的有效途径。 本章拟将建筑垃圾和钢渣复合使用，利用二者性能互补来制备高性能的陶瓷透 水砖。 本课题的主要目的之一是尽可能的多消耗建筑垃圾和钢渣，因此设计陶瓷 透水砖的配方组成时建筑垃圾建筑垃圾和钢渣总掺量控制在6 0 w t 以上。采用 压制成型技术制备了陶瓷透水砖。测试了烧成样品的相关理、化性能，探讨了 样品烧成中的反应机理，以期获得建筑垃圾和钢渣总掺量在6 0 w t 以上的陶瓷 透水砖配方组成范围，以及最佳的制备工艺。 2 1 实验 2 1 1 低温粘结剂 2 2 1 1 水玻璃 利用水玻璃做低温粘结剂，由于其强大的粘结力，极大的增强了透水砖生 坯强度。制得的透水砖表面平整，无缺边掉脚。但是，出现“泛霜 现象。 泛霜是砖在使用中的一种析盐现象。砖内过量的可溶盐受潮吸水溶解后， 随水分蒸发向砖表面迁移，并在过饱和下结晶析出，使砖表面呈白色附着物， 或产生膨胀，使砖面与砂浆抹面层剥离。对于优等砖，不允许出现泛霜，合格 砖不得严重泛霜。 据烧结普通砖标准，对于泛霜，每块砖样应符合下列规定。 优等品：无泛霜 一等品：不允许出现中等泛霜 9 武汉理工大学硕士学位论文 合格品：不允许出现严重泛霜 对泛霜的砖的白色附着物粉末进行x r d 测试，得出结果如图2 1 ： 一n a 2 s 0 4 0 3 图2 1白色粉末的x r d 图谱 f i 薛一l x r dp a t t e r n so f w h i t ep o w d e r 从测试结果中可以看出引起泛霜的原因是n a 2 s 0 4 析出，使砖表面出现白色 附着物。n a 2 s 0 4 的s 可能来自于钢渣中的含硫物质而n a 则很有可能来自于水 玻璃中。 实验尝试采用糊精来代替水玻璃作低温粘结剂，原因如下： 水玻璃凝结时间较短，不适合工业生产的要求，而糊精的凝结时间相对 较长。 测试结果表明引起泛霜的原因是n a 2 s 0 4 析出。而n a 正是来自于水玻璃， 为了防止可溶性硫酸盐的析出，故采用一种有机物类的粘结剂糊精来代替。 2 2 1 2 糊精 糊精有一大优点就是在烧结过程中不会留下任何残渣，并且能达到造孔的 目的，增强产品的透水性能。市场上买回的糊精为白色粉末，需加水调和，对 此，做了个小实验。取糊精5 0 9 ，取一装好水的量筒往里加水，调至粘度和水玻 璃的相同，加水量为7 0 m l 。以后用的糊精都是经水调和后的糊精水溶液。 糊精代替水玻璃是个很好的选择，特别是在增强透水性和解决泛霜问题方 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 面有着极大的作用。但是水玻璃和糊精的粘结能力太强，在实际生产工艺遇到 困难，如搅拌问题，压机模具的清理问题等。 为此，本研究采用一些低塑性的劣质粘土( 如页岩等) 来代替它们，在加入低 塑性的劣质粘土的同时，加入一定量的水，一般控制在5 左右。 2 1 2 样品制备 研究所用原料化学组成如表2 1 所示。根据建筑垃圾、钢渣及其它原料的特 性和产品性能要求设计了多个系列的配方组成，如表2 2 及表2 3 所示。按照图 2 1 的流程图制备陶瓷透水砖。 按表2 2 所设计的配方准确称量，并按工艺流程图2 2 ，采用压制成型方法 压制成直径5 c m 的圆片坯体，在不同温度下烧成制得样品，测试样品的理、化 性能。 表2 - 1 实验原料的化学组成( 埘) t a b l e2 - 1t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fr a wm a t e r i a l ( 埘) 图2 - 2 样品制备工艺流程图 f i g 2 - 2 t h ef l o wc h a r to ft h es a m p l e s 武汉理工大学硕士学位论文 样品的烧成制度如下：1 0 0 、2 0 0 c 、3 0 0 c 、5 0 0 c 、6 0 0 c 、7 0 0 c 及8 0 0 c 各保温0 5 h ，升温速率为5 。c m i n ；9 0 0 、1 0 0 0 及最高烧成温度保温1 h ；升 温速率为3 * c m i n 。最高烧成温度的确定以烧成样品不掉粉，不变形，在保证透 水性的情况下有一定强度为宜。图2 3 为样品烧成温度曲线图。 p 倒 赠 时间h 图2 3 样品的烧成温度曲线图 f i g 2 - 3f i r i n gc u r v eo ft h es a m p l e s 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 性能和微观结构测试表征 2 2 1 性能测试 2 2 1 1 样品的w h 、p a 、d 测试 根据阿基米得原理，采用静力称重法测定了烧成样品的吸水率( w a ) 、气 孔率( p 枞) 及体积密度( dg c m 3 ) ，结果如表2 4 所示。计算公式如式2 1 式2 - 3 所示。测试结果见表2 4 【5 6 1 。 耽：m 2 - m i 1 0 0 m 1 只：m 2 - m i 1 0 0 m 2 一m 3 1 3 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 d ：丝! 兰坌!( 2 3 ) m 2 m 3 式中，d l 一测试温度下，浸液的密度，通常使用的是水，密度为l g c m 3 m l 一干燥试样的重量( g ) m 2 一样品饱和水的重量( 曲 m 3 一样品在水中的重量( 曲 表2 4 透水砖样品的w a 、p a 、d 测试结果及样品外观描述 t a b l e2 - 4 t e s t i n gr e s u l t so f w a t e ra b s o r p t i o n 、p o r o s i t y 、d e n s i t ya n d a p p e a r a n c ea n a l y s i so fw a t e rp e r m e a b l eb r i c k s 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 续表2 - 4 ) 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( 续表2 4 ) 2 2 1 2 样品的抗压强度、抗冻融性能、抗折强度和耐磨性测试 根据j c t 9 4 5 2 0 0 5 的测试方法，采用无锡建筑材料仪器机械厂生产的 n r i 一5 0 0 a 型压机测试了烧成后最佳样品的抗压强度和抗冻融后的抗压强度，测 试结果如表2 4 所示。 采用国产的s q 0 0 7 全自动冻融实验机测试了烧成后最佳样品的抗冻融性， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 在试验前对试样进行外观检查，将缺损、裂纹处作标记，并记录其缺陷情况。 随后放入温度为2 0 c 士1 0 的水中浸泡2 4 h 。浸泡时水面应高出试样约2 0 m m ，从 水中取出试样，用拧干的湿毛巾擦去表面附着水，立即放入抗冻试验机内，试 样间隔不小于2 0 m m 。先在- - 5 c 时冻结1 5 m i n ，在喷水升温到+ 5 c 解冻1 5 m i n ， 该过程为一次冻融循环。依次进行2 5 次冻融循环，完成2 5 次冻融循环后，从 水中取出试样，用拧干的湿毛巾擦去表面附着水，检查试样，未发现剥落、分 层、裂纹及裂纹延长的情况。然后按规定进行了抗压强度试验。测试结果如表 2 5 所示【5 7 1 。 表2 5 样品的抗压强度和抗冻融性测试结果 t a b l e 2 - 5t e s t i n gr e s u l t so fc o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n df r e e z e t h a wr e s i s t a n c e o ft h es a m p l e s 2 2 1 3 样品的抗折强度测试 抗折强度是试样受到弯曲力作用到破坏时的最大应力值。本研究采用 k z j 3 0 型电动抗折仪测定不同条形样品的强度。计算公式如式2 4 【5 7 1 。 ：丝) 5 2 b h 2 ( 2 - 4 ) 式中，o b 一抗折强度，c g ( n m 2 ) p 一试样折断时的负荷 l 一支撑刀口间距离( n h n ) ，本研究中l = 3 0 m m b 一试样断口处宽度( n u l l ) h 一试样断口处高度( 伽 n ) k 一系数，取k - - 1 将坯料压制成3 x 3 x 3 0 m m 试条，压力为2 0 k n ，每个配方各压制6 个试条， 用于测试烧成样品的抗折强度值，并计算平均值，典型配方的抗折强度测试结 果如表2 6 所示。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 6 典型样品的抗折强度测试结果 t a b l e 2 - 6 t e s t i n gr e s u l t so ft h eb e n d i n gs t r e n g t ho ft h es a m p l e s 2 2 。1 - 4 样品的耐磨性测试 根据g b t 3 8 1 0 6 2 0 0 6 的测试方法，采用武汉理工大学制备的耐磨性测定仪 测试了烧成后最佳样品的耐磨性能，以磨坑长度来表征耐磨性。磨坑长度测试 结果如表2 7 。 表2 7 样品的耐磨性性测试结果 t a b l e 2 - 7 t e s t i n gr e s u l t so ft h ea b r a s i o nr e s i s t a n c eo ft h es a m p l e s 2 2 1 5 样品的透水性能测试 根据j c t 9 4 5 2 0 0 5 的测试方法，采用武汉理工大学制造的透水系数测定仪 测定最佳样品的透水系数，测试装置如图2 4 。 测试流程为： ( 1 ) 测量试样的尺寸，分别测量两次，取平均值，精确至o 1 c m 。计算试样的 上表面面积( a ) 。 ( 2 ) 将试样的四周密封好，使其不漏水，水仅从试样的上下表面进行渗透。 待密封材料固化后，将试样放入真空装置，抽真空至9 0 k p a + _ l k p a ，并保持3 0 m i n 。 在保持真空的同时，加入足够的水将试样覆盖并使水位高出试样1 0 e r a ，停止抽 1 8 武汉理工大学硕十学位论文 真空，浸泡2 0 r a i n ，将其敷出，装入如图透水系数试验装置，将试样与密封框密 封好。打开降雨模拟设备阀门，开始计时，控制阀门降水量为v l ( m l ) ，直到砖 体不再透水为止，停止计时。e t 时f b qt ，同时测量透过的水量q ( m l ) ，用温度 计测量试验中所用水的温度( t 1 ，精确至05 0 c 5 6s 7 1 。 透水系数按式r 2 5 ) v 算： 0 k t2 ( 2 - 5 ) f 7 式中，k 广水温为t 时试样的透水系数( c m s ) ： q 时间t 秒内的渗出水量( m l ) ； a 一试样的上表面面积( c m 2 、： 卜时阳j ，单位为秒r s l 。 结果以3 块试样的平均值表示，计算精确至1 0 1 0 。c m s 。透水系数测试结 果如表2 - 8 。 图2 - 4 透水系数测定仪照片 f i g2 _ 4 p i c t u r eo f t h ed e t e r m i n a t o r f o rp e r m e a b i l i t ) r c o e f f i c i e n t 本试验以1 5 水温为标准温度，标准温度下的透水系数应按式( 2 - 6 ) 计算 1 5 6 - 5 7 ”r k 1 5 = k t 1 5 ( 2 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中：k 1 厂标准温度时试样的透水系数( c r n s ) ； r lr - t 时水的动力粘滞系数( k p a s ) ； n1 厂1 5 时水的动力粘滞系数( k p a s ) 。 表2 8 样品的透水性测试结果 t a b l e 2 - 8 t e s t i n gr e s u l t so ft h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to ft h es a m p l e s 2 2 2 样品的相组成分析 x 射线晶体结构分析是x 射线测试技术应用最广泛的一个方面，即利用x 射线衍射现象来研究晶体结构及影响晶体结构的各种因素。通过研究晶体中原 子的排列方式和原子面之间的距离，研究晶体材料的结构及特征。由于其实验 方法简便，所用测试设备简单，尤其是测试结果的准确性，x 射线衍射实验方法 是研究晶体材料的主要测试方法【5 7 1 。本实验采用的是日本理学电机株式会社生 产的d m a x i i i a 型转靶x 射线衍射仪测定样品的x 射线衍射镨。测试条件为： c u 靶k l 射线，扫描形式为步进扫描，步长为o 0 2 度，工作电压为4 0 k v ，工作 电流为3 0 m a ，扫描范围为5 - - 8 0 0 。对a - 2 、b 3 及a 7 于1 0 0 0 烧成的样品进 行了x r d 测试，测试结果见图2 5 。 武汉理工大学硕士学位论文 b 一3 一一舭 石) 来石) ot02 03 o4 05 06 07 08 09 0 ， 20 ( 。) 图2 5 经1 0 0 0 c 烧成样品的x r d 图谱 f i g 2 5 x r d p a t t e r n so fs a m p l e sf i r e da t10 0 0 c 2 2 3 样品的显微结构分析 扫描电子显微镜( s e m ) 是利用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。成像信 号可以是二次电子、背散射电子或吸收电子，其中二次电子是最主要的成像信 号。聚焦电子束与试样相互作用产生二次电子发射( 以及其它物理信号) ，二次电 子发射量随试样表面形貌的变化而变化，得到反映试样表面形貌的二次电子像， 从而分析试样物质的微区形貌【5 。 采用日本产j s m 5 6 1 0 l v 型扫描电子显微镜对配方a - 2 、a 7 和b 3 分别于 1 0 0 0 、1 0 0 0 * c 、1 0 0 0 烧成样品的表面及断面进行了s e m 研究，结果如图2 - 6 、 2 7 、2 8 所示。 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 表面层( 2 0 0 x )c o ) 表面层f 1 0 0 0 x ) 武汉理工大学硕士学位论文 ( 0 底层( 1 0 0 0 )( d ) 底层( 5 0 0 0 ) 图2 - 8 经1 0 0 0 。c 烧成的b 一3 样品表面层及底层断面s e m 形貌图 f i g2 8s e m m o r p h o l o g yo f t h es u r f a c e l a y e ra n db o t t o m l a y e r o f s a r a p l eb 一3f i r e da t1 0 0 0 c 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 分析与讨论 2 3 1 影响样品的w a 、p a 、d 的因素 9 6 09 8 01 0 0 01 0 2 01 0 4 0 t ( ) 图2 - 9 样品吸水率与烧成温度的关系 f i g 2 - 9r e l a t i o n s h i po fw a a n dt h ef i r i n g t e m p e r a t u r eo f t h es a m p l e s 2 1 2 0 1 9 逞1 8 0 1 7 1 6 4 3 4 2 4 1 4 0 3 9 3 8 3 7 9 6 09 8 01 0 0 01 0 2 01 0 4 0 t ( ) 图2