利用工业废渣制备轻质陶瓷砖的研究
摘 要：本文对现今陶瓷行业废弃物处理和城市污泥处理的问题展开了调查，并利用工业废渣研制轻质陶瓷砖。通过重点研究废渣组成及均化后的变化，得到了稳定的废渣原料，重点解决了利用废渣生产轻质砖的关键工艺技术问题，并得到了性能优越的轻质陶瓷砖。
关键词：陶瓷废弃物；城市污泥；轻质陶瓷砖
1 引言
近十几年来，我国的建筑陶瓷工业进入了快速发展的阶段，现有建筑陶瓷企业已超过三千家，年产量达89.92亿m2，占世界第一位。同时，建陶工业废料也日益增多，它不仅对城市环境造成巨大压力，而且还限制了城市经济的发展，以及建陶工业的可持续发展。据了解，每年厂家为处理这些废渣的费用高达几百万甚至上千万，加大了厂家的负担并影响了生产的速度，所以进行陶瓷工业废料的处理与利用，开展企业清洁生产工作非常重要。
据了解，包括广东在内的城市特别是大中城市正在面临越来越紧迫的污泥处理重任。以广东为例，随着城市污水处理设施的不断增加和完善，2010年全省每天污泥产生量将是12021t。而预测至2020年，每天污泥产生量将达到18696t，足足增长了将近一倍。如此庞大的污泥量，将成为环境的一大负荷。佛山市污水处理厂已达45个，污水处理得到污泥量约达3600t/d，合计约达108万t/年。这些污泥的再处理已经成了政府迫切需要解决的问题。
针对以上情况，本文对陶瓷行业废弃物及污泥进行了资源化研究，使其变废为宝，采用废弃物作为主要原料来生产轻质陶瓷砖。
2 实验内容
2.1 实验原料
本课题采用的原料有：废砖粉、抛光砖废渣、城市河道淤泥、深色泥屎、劣质泥、高岭土尾矿、石灰石等。
2.1.1废砖粉
废砖粉为生产抛光砖时产生的废品砖，将废砖用燧石轮碾机碾碎成粉状，废砖粉一般成分为石英粒和玻化瓷粒，玻化瓷粒也含石英和玻璃相、莫来石等晶相。经化学分析，废砖粉的主要化学组成为：Al2O3 16%～22%、SiO2 68%～75%、Fe2O3≤0.5%、K2O+Na2O 5%～8%，以及燧石粒等。
2.1.2抛光砖废渣
抛光砖废渣主要为在抛光砖生产过程中由玻化砖在表面抛光时与砂轮磨料研磨产生的渣泥，其颗粒细度大，为瘠性料，含石英、玻璃相、莫来石等晶相。经化学分析，抛光砖废渣的主要化学组成为：Al2O3 17%～21%、SiO2 65%～70%、Fe2O3 1%～2%、K2O+Na2O 6%～8%，以及少量的SiC、SiN、色料等。
2.1.3河道淤泥
淤泥是一种以含水铝硅酸盐为主的各种矿物的混合物，为矿物岩石碎屑和有机腐化物等组成的混合物，其矿物晶体中含有长石等多种熔剂型矿物和有机物质，颗粒较细，可塑性高。经物理性能分析，淤泥的可塑性指数（IP）为l3～15，属易熔粘土，煅烧后呈浅红色。经化学分析，淤泥的主要化学组成为： Al2O3 12%～15%、SiO2 55%～61%、Fe2O3 4%～5%、K2O+Na2O 2%～8%、CaO+MgO≤1%，以及有机质及化合水5%左右。
2.1.4深色泥屎
深色泥屎指生产黑色、深咖啡色、墨绿色、中国红色及灰色等深色系的抛光砖残余的废色土粉、废色坯和被污染的粉料。由于坯料色料含量高，会影响料坯体的烧成温度及膨胀系数，故需要合理使用。经化学分析，深色泥屎的主要化学组成为：Al2O3 17%～21%、SiO2 67%～70%、Fe2O3 0%～2%、MnO2 0%～2%、Cr2O3 0%～2%、CoO 0%～2%、NiO 0%～2%、K2O+Na2O 3%～7%等。
2.1.5高岭土尾矿
在选矿过程中，原矿在第一次选矿完成后，会有约30%～40%的粗、细尾矿产生。这些尾矿如果直接处置，虽然不会对环境造成太大的危害，却会造成较大的资源浪费。最终的高岭土尾矿中主要含黄铁矿、石英砂、及20%左右的高岭土。经化学分析，高岭土尾矿的主要化学组成为：Al2O3 12%～19%、SiO2 73%～80%、Fe2O3≥1%、K2O+Na2O≤1%、烧失量 6%～8%。
2.1.6石灰石
石灰石在配方中用作辅助发泡剂，用来调整气泡的发泡情况。本研究所用的石灰石主要化学组成为：CaCO3 98.5%、SiO2 0.5%～1.2%、Fe2O3 0.5%。
2.2 原料的均化
原料的稳定是生产稳定的前提，本课题所涉及的原料均为工业废弃物，如：废品砖、抛光废渣、废弃泥屎、城市河道淤泥及高岭土尾矿等，尤其是前三种原料，会随抛光砖产品的种类不同其矿物组成、烧成温度、发色情况等均变化较大。因此，原料的均化过程显得极其重要。其均化工艺流程见图1。均化后的原料化学组成及含量如表1所示。
2.3 制备轻质陶瓷砖的配方组成
本文利用工业废渣制备轻质陶瓷砖的原料及含量如表2所示。
3 实验结果分析及讨论
3.1 实验结果
本实验制备的轻质陶瓷砖的理化性能如表3所示。
由表3可知，随着体积密度的增加，吸水率降低，其主要是因为体积密度越大，孔隙率越小，相应的吸水率也就越小。从配方01～配方05的产品外观来看，配方01虽然体积密度较小，但是发泡太严重，产生了严重的内卷，不适用与生产。综合来看配方03和配方05分别是本项目研究0.6～1.0 kg/cm3和1.0～1.4 kg/cm3两种轻质砖中较理想的两个配方，其各项性能指标都合格。
3.2 影响轻质砖性能的因素
3.2.1成形工艺对轻质砖性能的影响
轻质陶瓷砖成形工艺并不复杂，但控制比普通玻化砖严格，致密度要求更加均匀稳定，否则膨胀不一致会造成变形、鼓泡等缺陷。成形压力要求也要较普通玻化砖低，这样既能保证烧结，又不至于压力太大不利于膨胀，只要满足一定的生坯强度即可。通过多次试验，发现要获得膨胀率在8%左右、密度为1.0～1.4kg/cm3的轻质陶瓷砖，需要满足以下几个条件：成形压力为15MPa较理想；同一块砖的厚度差需控制在0.3mm，同一批砖四角厚度差需控制在0.4mm；600mm×600mm规格砖的成形生坯尺寸为662mm×662mm。
3.2.2烧成工艺对轻质砖性能的影响
由于不同密度的轻质陶瓷砖的配方结构不同、化学组成不同、发泡剂不同，所以其烧成工艺有较大差别。
对于密度在0.6～1.0 kg/cm3的轻质陶瓷砖，其膨胀率在12%～25%之间，膨胀发泡剂除了抛光废渣外，还引入了城市河道污泥或石灰石，其发泡剂主要为碳酸钙和有机物质（如：树脂），发泡温度范围为860～1020℃。因此，如果配方的始熔点低，为了克服烧成变形以及表面发泡剂的挥发问题，可在发泡剂挥发前进行保温，使得其产生足够的液相，目的是为了解决液相量和发泡剂的配合问题及解决变形问题。
对于密度在1.0～1.4kg/cm3的轻质陶瓷砖，其膨胀率在6%～12%之间，膨胀发泡剂可以单独使用抛光废渣，而不必引入城市河道污泥或石灰石作为辅助发泡剂。因抛光废渣发泡剂为碳化硅和有机物质（如：树脂），发泡温度范围为1000～1180℃，配方的骨架原料较多，可以用现有抛光砖烧成工艺实现轻质陶瓷砖的生产。研究证明，当膨胀率为8%左右、密度为1.0～1.4kg/cm3的轻质陶瓷墙漆砖的性能指标为：尺寸规格为（604～608）mm×（604～608）mm、厚度在9.6～10mm间、吸水率在5%左右、抗折强度在12～18MPa间，以及抗酸碱性、耐污性、环境监测等均符合标准。其产品烧成曲线如图2所示。
4 结论
轻质陶瓷砖所用原料尾矿或矿渣利用率高，是一种真正意义上的环保材料。轻质陶瓷砖按密度分为0.6～1.0 kg/cm3的轻质砖和1.0～1.4kg/cm3的半轻质砖两个系列，均可裸烧，生产工艺节能。轻质陶瓷砖技术是一种多方位节能技术和环保技术，该项技术的应用必将引起陶瓷行业的一次绿色革命。