利用工业废渣制备泡沫玻璃的研究

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摘 要 本文采用矿渣、粉煤灰和废平板玻璃为基础原料，加入适量添加剂，通过烧结法制备泡沫玻璃。研究了发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响，并采用正交试验优化设计的试验手段对泡沫玻璃泡沫化进行了优化。试验结果表明，采用二氧化锰为发泡剂发泡效果好，发泡剂掺量对泡沫玻璃性能的影响较大，经正交试验所得工艺参数：发泡剂MnO2掺量为3.0%，发泡温度为960℃，发泡时间为50min。优化条件下制备的泡沫玻璃性能优良，孔径大多数在2mm～3mm之间均匀分布。

关键词 泡沫玻璃；发泡剂；优化设计

中图分类号TH14 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）95-0067-02

0 引言

泡沫玻璃是内部充满无数均匀气孔的多孔材料。气孔约占总体积的80%～90% ，气孔大小为0. 5mm～5mm ，也有小到几微米的。它通常是以废玻璃为主要原料，添加适量的发泡剂和助熔剂等添加剂，经破碎、磨细和混合形成配合料，放置在模具中经预热、烧结、发泡、稳泡和退火等工艺制备而成。泡沫玻璃具有表观密度小、导热系数低、热膨胀系数低、耐腐蚀性强、不燃烧、不变形、易加工和施工方便等许多特殊优良性能，泡沫玻璃在工程中可作为保温隔热材料、吸声材料、轻质填充材料、轻质混凝土集料和绿化用保水材料使用。

1935年，法国St.Gubain公司成功地研制出了泡沫玻璃，随后，美国、前西德、等国也发表了许多有关泡沫玻璃专利和研究报告。20世纪70年代中期泡沫玻璃在我国进行小批量生产，经过几十年的发展，国内生产的泡沫玻璃供不应求，目前部分产品已出口国外。随着建筑保温节能技术越来越受到人们的关注，泡沫玻璃在建筑工程中的应用越来越广泛，这些将给泡沫玻璃的发展带来更大的发展机遇。

泡沫玻璃的原料多数采用废弃物，如废玻璃、粉煤灰、炉渣或天然矿物等，发泡剂可以选择碳酸盐或炭黑等 。以废玻璃、矿渣和粉煤灰为主要原料的泡沫玻璃对于工业废弃物利用，节约资源和改善环境具有重要意义，是世界上鼓励发展的方向。本文以废玻璃、矿渣和粉煤灰作为主要原材料进行了泡沫玻璃制备的试验研究，并研究了发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响，并对泡沫玻璃泡沫化进行优化设计。

1 原材料及研究方法

1.1 原材料

基础原料采用高炉矿渣，粉煤灰、废玻璃；发泡剂分别采用碳酸钙、炭黑、二氧化锰进行研究，同时加入适量的助熔剂和稳泡剂等。

1.2研究方法

1.2.1 发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响研究

1.2.2 泡沫玻璃泡沫化的优化设计

由于影响泡沫玻璃性能的因素较多，不仅与添加剂的种类及其用量有关，而且与烧成的温度制度有密切的关系。通过试验找出影响泡沫玻璃质量的主要因素，对制备泡沫玻璃的工艺参数进行优化设计。

1.2.3质量和性能评定

用表观密度、抗压强度和孔径等指标来评定泡沫玻璃的质量和性能。

2实验结果与讨论

2.1发泡剂种类及掺量对泡沫玻璃性能的影响研究

为保证泡沫玻璃的质量，配合料坯体的软化温度应与发泡剂生成气体的温度相匹配，由于在基础原料中引入了矿渣和粉煤灰，从而使配合料的软化温度和发泡温度升高，所以要选择合适的发泡剂种类。

本研究选取碳酸钙、炭黑、二氧化锰进行了对比研究，其中基础原料中矿渣、粉煤灰和废玻璃的比例分别为30%、10%和60%。三种发泡剂掺量变化对泡沫玻璃性能的影响见表1。

试验结果表明：以碳酸钙为发泡剂，当碳酸钙的掺量较大时，试样中出现个别的大孔。由于玻璃体的表面张力，使得气孔力求相互结合以减少相间界面，所以在气孔形成过程中伴随着气孔间相互结合和气体的排出。当相邻气孔中的压力逐渐相等时，相互结合的过程也随之减弱。逸出的气体在玻璃液相中形成气孔，随着气孔直径的逐渐扩大，软化状态的玻璃体积迅速增加，当体积达到一定值时，温度降低从而使玻璃固化，玻璃的多孔结构保持下来。

以炭黑为发泡剂，由于矿渣和粉煤灰的大量引入，从而使得配合料的软化温度升高，炭黑产生二氧化碳气体的最大量约在800℃左右，而这时配合料还未完全软化，发泡剂分解产生的气体将粉料吹成大孔，致使试样异常发泡，造成试样孔径不均匀的现象。

以二氧化锰为发泡剂的试样发泡效果好，以封闭孔为主，孔径在2mm～3mm之间均匀分布，表面有光泽。随着发泡剂二氧化锰掺量的增加，泡沫玻璃的表观密度变小，抗压强度也随着降低。

通过以上对三种发泡剂的比较研究，碳酸钙和炭黑的发泡效果一般，都有个别大孔的出现，二氧化锰的发泡效果好，孔径均匀，因此选用MnO2进行研究，掺量控制在2.5%～3.0%较好。

2.2 泡沫玻璃正交试验设计

为了简化实验，尽快找出影响泡沫玻璃性能的主要因素，减少重复性试验的次数，在大量试验的基础上，选择良好的因素水平，对泡沫玻璃泡沫化进行正交试验设计。

2.2.1选择因素水平

固定基础原料的配比，高炉矿渣30%、粉煤灰10%和废玻璃60%，以二氧化锰为发泡剂，助熔剂氟硅酸钠为4.8%和硼砂为0.5%、稳泡剂磷酸三钠为1.1%。选择发泡剂掺量、发泡温度和发泡时间为三个影响因素，每个因素选取3个水平，按L9（34）进行泡沫玻璃的正交试验，水平因素表见表2。

根据极差和方差分析可知，在所选的3个因素中，发泡剂MnO2掺量为最主要的因素。在MnO2掺量为2.5 %时，试样的表观密度的平均值为962kg/m3， MnO2掺量为2.8 %时，试样的表观密度减少至926kg/m3；MnO2掺量为3.0%时，试样的表观密度减小至844kg/m3。这说明随着发泡剂MnO2掺量的增加，试样的表观密度减小，分析其原因是：随着二氧化锰掺量的增加，由化学反应产生的气体量也越多，在配合料中产生的微细闭合气孔量亦越多，泡沫玻璃的内部孔径变大，体积增大、因此泡沫玻璃的表观密度降低。

以表观密度作为性能指标，得到正交设计的优化方案为A3B3C3 即： MnO2掺量为3.0%，发泡温度为960℃，发泡时间为50min。

2.2.3 泡沫玻璃的基本技术性能指标

采用以上研究中确立的优化方案A3B3C3，在最佳温度制度下，制得的泡沫玻璃试样的技术性能测试结果为：表观密度为892 kg/m3，抗压强度为10.5/MPa，吸水率为0.25%，导热系数为0.19w/m·k。泡沫玻璃与粘土砖相比，具有表观密度小，吸水率低和强度高的特点，它是一种新型的重墙体材料可以代替粘土砖作为非承重的墙体材料使用。

3 结论

1）采用工业废渣制备泡沫玻璃，固定基础原料的配比：高炉矿渣30%、粉煤灰%和废玻璃60%，通过对碳酸钙、炭黑和二氧化锰三种发泡剂的比较研究，碳酸钙和炭黑的发泡效果一般，都有个别大孔的出现，二氧化锰的发泡效果好，孔径较均匀，因此选用MnO2进行研究，掺量控制在2.5%～3.0%较好；

2）由于泡沫玻璃泡沫化过程比较复杂，影响因素较多，采用正交试验方法可找出各因素对材料性能的影响，并使工艺参数得到优化，经正交试验所得工艺参数：发泡剂MnO2掺量为3.0%，发泡温度为960℃，发泡时间为50min；

3）发泡剂MnO2掺量对泡沫玻璃表观密度影响最显著，发泡剂MnO2掺量的增加，样品的表观密度降低。经正交试验优化后制得的泡沫玻璃样品经测试，样品孔孔径大多数在2mm～3mm之间均匀分布。

参考文献

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