Al2O3对花岗岩废渣微晶玻璃析晶及性能的影响
发布时间：2019-06-27
微晶玻璃是指在玻璃中添加某些成核物质，并通过控制成核及结晶过程在玻璃内均匀地析出大量的微小晶体，形成致密的多晶材料。利用工业废渣制备微晶玻璃是一种既环保又具有经济效益的废物处理方式。花岗岩废渣是在花岗岩开采及加工过程中产生的一种固体废弃物，这种固体废物造成了严重的环境和生态问题。花岗岩废渣成分中含有SiO2、Al2O3、K2O、Na2O和少量MgO、CaO、Fe2O3、TiO2、P2O5等氧化物，可以作为制备微晶玻璃的主要原料。本文用DSC、XRD、SEM等测试方法研究了Al2O3对R2O-MgO-Al2O3-SiO2-Fe2O3系微晶玻璃的晶相组成、显微结构及力学性能的影响。期望制备出具有优良性能的花岗岩废渣微晶玻璃，为花岗岩废渣的应用奠定基础。
试样制备所用花岗岩废渣来自四川省某地，具体成分见表1。
基础玻璃的化学组成如表2所示。将原料混合均匀后放入刚玉坩埚中，然后在1 400℃的硅钼棒电炉中熔制1 h，熔制好的玻璃液浇注成型后置于600℃的退火炉中进行退火处理，退火后的基础玻璃经过核化、晶化后得到微晶玻璃试样。
结果与讨论：（1）确定热处理制度。在微晶玻璃制备过程中热处理制度一般有一步析晶法和两步析晶法，其中两步析晶法较为常用。基础玻璃试样D3的DSC曲线如图1所示。在619.5℃附近出现一个吸热峰，即玻璃转变温度Tg，在722.3℃、766.6℃、910.3℃、988.2℃、1 038.4℃、1 118.0℃出现放热峰。根据DSC曲线，核化温度确定为630℃，晶化温度确定为720℃、765℃、910℃、990℃、1 040℃、1 120℃，保温时间均为2 h。观察发现：在720℃和770℃晶化后的试样外观没有发生变化；在910℃、990℃、1 040℃晶化后，晶化温度为1 040℃的试样具有较好的力学性能；1 120℃晶化后的试样出现明显变形。因此，热处理制度确定为：630℃核化2 h、1 040℃晶化2 h。
图1 基础玻璃的DSC曲线
（2）XRD分析。试样D1、D2、D3、D4、D5的XRD衍射图谱如图2所示。对照标准卡片，Al2O3含量为6.5%的微晶玻璃试样D1中的主晶相为氟闪石NaCa2(Mg,Fe)5Si7AlO22F2和铁板钛矿Fe2TiO5，次晶相为镁橄榄石Mg1.83Fe0.17(SiO4)；当Al2O3含量为7.5%时，试样D2中氟闪石、铁板钛矿和镁橄榄石的衍射峰强度增强，晶相含量增多；添加8.5%Al2O3的试样D3中氟闪石、铁板钛矿和镁橄榄石的衍射峰强度进一步增强，主晶相仍为氟闪石和铁板钛矿，次晶相为镁橄榄石；Al2O3含量增加至9.5%时，试样D4中主晶相氟闪石和铁板钛矿的衍射峰减弱，晶相含量降低；Al2O3添加量为10.5%时，从XRD图谱中看出试样D5在24.0°和53.7°出现新的衍射峰，对照标准卡片，确定晶相为镁钛矿MgTiO3。
图2 不同Al2O3含量试样的XRD图谱
（3）SEM分析。Al2O3含量为6.5%~10.5%微晶玻璃试样的SEM照片如图3所示，从图3中可以看出，Al2O3对花岗岩废渣微晶玻璃析出晶体的显微结构存在较大影响。随着Al2O3含量的增加，氟闪石、铁板钛矿和镁橄榄石晶粒细化。
图3 不同Al2O3含量试样的SEM照片
（4）力学性能。不同Al2O3含量试样的抗弯强度和显微硬度变化趋势如图4所示。由图4可以看出，Al2O3含量从6.5%增加至10.5%时，试样的抗弯强度和显微硬度均呈现出先上升后下降的趋势。结合XRD和SEM可知：Al2O3含量增加至8.5%时，试样D3中氟闪石、铁板铁矿和镁橄榄石进一步增多且晶粒之间的交错程度上升，抗弯强度和显微硬度分别达到136.76 MPa、7.09 GPa；Al2O3含量超过8.5%时，试样D4和试样D5中氟闪石和铁板钛矿减少，其力学性能下降，Al2O3含量为10.5%试样D5的抗弯强度和显微硬度分别降至113.44 MPa、6.61 GPa。
图4 不同Al2O3含量试样的抗弯强度和显微硬度
通过一系列的实验得出：（1）用花岗岩废渣制备了R2O-MgO-Al2O3-SiO2-Fe2O3系微晶玻璃，Al2O3含量在6.5%~10.5%之间时，微晶玻璃的主晶相均为氟闪石和铁板钛矿。随着Al2O3含量的增加，氟闪石、铁板钛矿和镁橄榄石晶粒细化。（2）Al2O3含量由6.5%增加至10.5%，微晶玻璃的抗弯强度和显微硬度均呈现出先上升后下降的趋势。添加8.5%Al2O3时，微晶玻璃的抗弯强度和显微硬度达到大值，分别为136.76 MPa、7.09 GPa。
