摘要：針對石英砂塑性差對其進行改性處理，并研究改性后塑性增強的機理，探索出一套適合利用石英砂采用可塑成型生產(chǎn)高性能燒結磚的工藝條件：球磨時間24h、含水量約29%、pH=9和增塑劑添加量為5%，結果表明制出的燒結磚的抗壓強度達到18.9721MPa，超過了GB5101-93中規(guī)定的MU15（15.0MPa）。
燒結黏土磚由于消耗了大量的土資源，于是國內外紛紛出現(xiàn)各種非黏土燒結磚或黏土燒結空心磚，以利節(jié)土。本文研究了石英砂的改性方法及機理，探索出一套較佳的工藝條件，并用改性石英砂制備出高性能燒結磚。利用石英砂制備高性能燒結磚，相比它用于建筑用沙和燒結黏土磚而言，既提高了其性價比，又節(jié)約了土資源。
1 實驗部分
1.1 原礦分析
石英砂原礦粒度分析結果，見表1。化學成分分析結果（%）：SiO2，84.21；Al2O3，6.69；Fe2O3，1.23；Ca、Mg等，2.28；K、Na等，1.04；燒失量，2.73；合計，98.18。物理性能：自然含水率（%），13.24；成型含水率（%），29.45；干燥靈敏系數(shù)，0.527；燒失量（%），2.73；耐火度（℃)，1320。
表1 石英砂粒度分析
| 粒徑范圍mm | ≥3.42 | 3.42-2.15 | 2.15-1.65 | 1.65-1.10 | 1.10-0.55 | 0.55-0.10 | ≤0.10 |
| 含量/% | 2.15 | 3.75 | 5.62 | 9.72 | 15.38 | 19.18 | 42.07 |
| 累積含量/% | 2.15 | 5.90 | 12.52 | 22.24 | 37.62 | 56.80 | 98.87 |
1.2 石英砂改性
1.2.1 球磨：石英砂原礦顆粒粗大，且大小均勻度落差大，不利于制備高性能的燒結磚，因此，該石英砂需要球磨改性。將石英砂放入磨罐中，加入適量水，球磨24h，取出烘干備用。用歐美克粒度分析儀（LS-POPⅢ）對球磨后的石英砂進行粒度分析（圖1），分析結果為d50=5μm、d85=10μm。
1.2.2 增塑：經(jīng)過球磨的石英砂雖具有一點塑性，但與制備高性能燒結磚的成型工藝中可塑成型所需的塑性相差甚遠，需對其進行改性，以達要求。
稱取一定質量的球磨石英砂，分別用pH=1~12的水溶液調和，測試其塑性（Ip/%），結果見圖2左。同樣，稱取一定質量的球磨石英砂，分別加入1%~5%的增塑劑（腐殖酸），用pH值為9的水溶液（圖2左顯示此時塑性達較佳）調和，測其塑性，結果見圖2右。
2 石英砂利用
2.1 承重磚制備
實驗制備工藝完全模仿工業(yè)生產(chǎn)進行研究，工藝流程為：球磨→混料→可塑成型→干燥→燒成→測試。承重磚配方為：內蒙古伊盟石英砂83%，廣西龍勝黏土10%，碳酸鈣5%，滑石2%。稱取一定質量上述混合料，加入適量水，采用可塑成型（手壓成型）將泥坯制成磚坯，放入60℃干燥箱里烘干，將干燥的磚坯放入硅鉬爐中，在不同溫度下分別燒結2h，根據(jù)性能得到較佳的燒結溫度。
2.2 樣品測試
采用浸泡法，測試燒結磚的開口吸水率；根據(jù)阿基米德原理，采用排水法用德國Sar-torius密度測定儀測試磚的體積密度；用YAW-300B型抗壓強度試驗機，測試燒結磚的抗壓強度。燒結磚的性能測試結果，見表2。
3 討論與分析
3.1 石英砂塑性改性分析
從圖1可看出：經(jīng)24h球磨的石英砂粒度明顯變小，平均粒徑為5μm，大部分集中在2~10μm；從累積曲線可看出，80%的顆粒小于8μm。研究塑性與粒徑的關系發(fā)現(xiàn)，磚坯的可塑度隨粒徑的變小，先變高隨后有所下降。這是由于顆粒尺寸愈小，其比表面愈大，接觸點也愈多，受到外力變形后，形成新的接觸點的機會也愈多；顆粒尺寸愈小，其毛細管半徑就愈小，當加入水后，毛細管力就愈大，從而使可塑度愈高。但也并不是說顆粒越細其可塑度就越高，因為隨細顆粒含量變大，氣孔率越來越大，泥料塑性越來越低。顆粒變細后，比表面積加大，顆粒間彼此連接的機會加大，含水量相同時，泥料中連續(xù)水膜局部中斷的幾率加大，導致磚坯的可塑度反而降低。泥料中存在一個可塑度隨顆粒組成變化相對穩(wěn)定的顆粒組成區(qū)域，稱之為“可塑度相對穩(wěn)定區(qū)域”。為取得較佳的性價比，球磨時間以24h為較佳。
表2 可塑成型所得磚樣性能
| 燒結溫度/℃ | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1150 | 1200 |
| 吸水率/% | 35.2257 | 28.1617 | 17.2137 | 10.1028 | 8.4853 | 0.7451 |
| 體密度/（g/cm3） | 1.8078 | 1.8644 | 2.0533 | 2.2021 | 2.2083 | 2.1510 |
| 抗壓強度/MPa | 2.0128 | 5.6112 | 6.3214 | 11.8626 | 18.9721 | 7.9486 |
從圖2左可看出：從酸性到堿性，磚坯的可塑度隨pH值加大，先升高然后降低，在pH為9時磚坯的可塑度較高。這是因為pH值的變化，引起Zeta電位發(fā)生變化，從而改變磚坯中顆粒表面之間的吸引力和排斥力的平衡。從pH值與Zeta電位之間的關系圖（圖3）可看到，當pH為9時，磚坯的Zeta電位很低，磚坯中顆粒間的吸引力和排斥力都達到平衡狀態(tài)，以此為界，pH＜9或pH＞9時，Zeta電位都升高。那么可以推斷：當pH≠9時，Zeta電位都較高，在該磚坯中顆粒間的吸引力和排斥力都未達到平衡狀態(tài)，使得磚坯的可塑度較低；當pH=9時，Zeta電位很低，在該磚坯中顆粒間的吸引力和排斥力達到平衡狀態(tài)，磚坯的可塑度較高。因此，該磚坯料進行調和時，水溶液的pH為9且含水量為29%左右，磚坯體的塑性較佳。
從圖2右可看出，磚坯的可塑度隨增塑劑的含量增加而升高。這是由于增塑劑有很好的親水性和極性，在水系統(tǒng)中不但生成水化膜，且這些高分子物質連同其水化膜都被吸附在磚坯顆粒表面，從而使磚坯顆粒表面不但有一層厚的水化膜，而且又有一層黏性很大的高分子化合物。在磚坯受到外力時，增塑劑既能把松散的磚坯顆粒緊緊地粘結在一起，發(fā)生較大的形變而不開裂，又能在外力消除后，卷曲的線性高分子又重新將磚坯顆粒固定下來，使磚坯具有一定的形狀。因為增塑劑價高，再者增塑劑一般在低溫就揮發(fā)，使坯體中留下增塑劑所占的空位，從而導致產(chǎn)品結構疏松，性能下降，從實際生產(chǎn)成本和產(chǎn)品性能兩方面考慮，其添加量以5%為較佳。
3.2 石英砂燒結磚性能分析
從表2和圖4可看出：隨燒結溫度的不斷升高，燒結磚的吸水率先下降然后再升高；而其密度和抗壓強度則都是先升高然后下降。這是由于磚坯料經(jīng)可塑成型或壓制成型后，緊密堆積，在高溫下經(jīng)燒結，坯體中氣孔被排除，這樣就使得磚體的空隙逐漸減小，通過這種作用導致磚體吸水率減小、密度加大，從而表現(xiàn)出磚體的抗壓強度增強。但隨燒結溫度的進一步升高，坯體原料熔融所致液相逐漸增多，使得有些氣體被包裹在液體中，在溫度高到一定程度時，有些氣泡被釋出，使得磚體表面出現(xiàn)開口氣孔，這就使得磚體的吸水率升高，密度變小，從而使磚體的抗壓強度降低。
表2 可塑成型所得磚樣性能
| 燒結溫度/℃ | 800 | 900 | 1000 | 1100 | 1150 | 1200 |
| 吸水率/% | 35.2257 | 28.1617 | 17.2137 | 10.1028 | 8.4853 | 0.7451 |
| 體密度/（g/cm3） | 1.8078 | 1.8644 | 2.0533 | 2.2021 | 2.2083 | 2.1510 |
| 抗壓強度/MPa | 2.0128 | 5.6112 | 6.3214 | 11.8626 | 18.9721 | 7.9486 |
目前，大部分工廠采用機械壓力機進行磚坯體的成型，壓力遠大于手壓成型。可塑成型后的磚坯體的致密性，比壓制成型所得的磚坯體的差。用同樣的燒結工藝，壓制成型所制燒結磚，性能會更好。
從表2可看出，可塑成型的磚坯在1150℃燒結，所制磚體的抗壓強度達到18.9721MPa，超過了GB5101-93中的MU15（15.0MPa）。
4 結論
⑴ 石英砂原礦經(jīng)球磨改性以及添加增塑劑后，探討并獲得了石英砂磚坯體達較佳塑性時的工藝條件：球磨時間24h、含水量約29%、pH值為9和增塑劑添加量為5%。
⑵ 隨燒結溫度的不斷升高，燒結磚的吸水率先下降然后升高；而其密度和抗壓強度則都是先升高然后下降。
⑶ 利用石英砂經(jīng)簡單加工，采用可塑成型制得的燒結磚的抗壓強度達18.9721MPa，超過了GB5101-93中規(guī)定的MU15（15.0MPa）。
