利用铝渣和废玻璃作为可持续添加剂来提升陶瓷砖的性能

《Ceramics International》：Enhancing the performance of ceramic bricks using aluminium dross and waste glass as sustainable additives

将工业固废次生铝渣（T-SAD）与废玻璃（WG）掺入黏土制备烧结陶瓷砖（SCBs），研究WG含量（0-40%）和烧结温度（900-1000°C）对性能的影响。结果表明，10% WG与1000°C烧结4小时，SCBs达到最佳性能：抗压强度47.4 MPa（满足ASTM C62标准）、密度1848 kg/m3、吸水率12.6%。WG促进液相形成，T-SAD提供Al?O?增强结构，验证了部分替代黏土的可行性。

　　

黄星翰|程一恒|张凤仪|周全安|林英培|林亨锦|陈周勇|金洪模

马来西亚马来亚大学工程学院土木工程系，50603 吉隆坡，马来西亚

摘要

将固体废物纳入烧结陶瓷砖（SCBs）的生产中，提供了一种可持续的方法，既能减轻填埋处置对环境的影响，又能提高砖的性能。二次铝渣（SAD）是一种含有大量有害成分的工业废物。然而，经过热处理后，这些有害成分被去除，处理后的SAD（T-SAD）富含刚玉（Al₂O₃）和尖晶石（MgAl₂O₄），从而有可能提高SCBs的机械强度。此外，由于废玻璃（WG）含有较高的玻璃相成分和助熔剂成分，可以在烧结过程中促进液相的形成，进而提升SCBs的性能。本研究探讨了不同WG含量（0–40%）和烧结温度（900–1000°C）对含SAD的SCBs性能的影响。在烧结过程中，WG产生的Na⁺和Ca²⁺离子扩散到铝硅酸盐中，有助于形成长石相（NaAlSi₃O₈）和钙长石（CaAl₂Si₂O₈），这些相有助于液相的形成。最佳性能的SCBs是在10% WG和1000°C下烧结4小时得到的，其抗压强度达到47.4 MPa，体积密度为1848 kg/m³，吸水率为12.6%。这些结果符合ASTM C62标准中对“严重风化等级”的要求（抗压强度>20.7 MPa，吸水率<17%）。研究结果证实了部分用T-SAD替代粘土并加入WG来生产性能良好的SCBs的可行性。

引言

如今，烧结陶瓷砖（SCBs）是最广泛使用的建筑材料之一，通常通过在900至1200°C的温度范围内烧结特定粘土制成[1] [2]。由于其低成本、耐用性、高功能性和机械强度等优点，SCBs被应用于承重墙、路面、隔热材料和砌体结构[3]。然而，随着SCBs需求的增长，其生产消耗了大量天然粘土，导致资源枯竭和环境问题[4]。因此，人们越来越关注将固体废物纳入SCBs的生产中，这不仅为传统粘土提供了可持续的替代方案，还能促进固体废物的回收利用，转化为高价值的陶瓷材料。例如，Adediran等人[5]研究了利用底灰生产粘土砖的可行性，因为底灰含有高量的助熔剂成分Na₂O、K₂O和CaO。使用20%的底灰制成的砖的抗压强度达到了ASTM C62规定的最低要求。同样，Mahanna等人[6]使用水处理污泥作为部分粘土替代品，因为其成分与天然粘土相似，为SCBs的生产提供了一种更可持续和环保的方法。另一项研究中，Li等人[7]利用风化矿石粉末开发了高强度SCBs，因为其硅铝含量超过70%，有效解决了传统粘土开采造成的生态破坏问题。

这些研究强调了利用固体废物的共同策略，即根据其成分来提高陶瓷砖的性能，同时减少对环境的影响。因此，二次铝渣（SAD）作为一种典型的工业固体废物，也因其富含刚玉（Al₂O₃）而具有很高的潜力用于生产SCBs[8] [9]。Al₂O₃以其优异的性能而闻名，包括高熔点（2030°C）、高机械强度和热稳定性[10] [11] [12]。此外，先前的一项研究将SAD加入烧结产品后，发现这些产品的渗滤液中的重金属浓度低于相关监管限值，表明基于SAD的烧结产品具有可接受的环境安全性[13]。然而，SAD也含有大量的氮化铝（AlN），这种物质不稳定，在接触水分时会水解，释放出大量氨气（NH₃），对人类健康和环境安全构成威胁[14] [15]。因此，通常需要经过热处理来稳定AlN含量。在此过程中，AlN通过氧化被还原，而处理后的SAD中增加的Al₂O₃含量使其更适合用于SCBs的生产。不过，Zhang等人[16]将SAD用于陶瓷砖的生产，但得到的砖的抗压强度仅为16.2 MPa。这是因为过量的Al₂O₃提高了原料体系的共晶熔点，限制了在较低烧结温度下液相的形成，从而降低了砖的性能[17]。为了解决这个问题，可以在SCBs的生产中加入废玻璃（WG）作为助熔剂。

废玻璃（WG）也是一种含有高量玻璃相和助熔剂成分的固体废物。在烧结过程中，玻璃相可以在相对较低的温度下软化，从而促进液相的形成并提高烧结效率。此外，WG中的各种离子（如Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等）与提供的Al₂O₃和SiO₂反应，形成低熔点化合物，进一步促进液相的形成，有助于烧结材料内部形成致密的微观结构[18] [19]。例如，Mao等人[20]报告称，在陶瓷砖生产中加入WG可以减少开放孔隙率并提高砖的抗压强度。Lawanwadeekul等人[2]也证明了WG作为助熔剂的潜力，它促进了烧结过程，显著提高了砖的机械性能。Phonphuak等人的研究[21]表明，在900–1000°C下将10%的WG加入陶瓷砖并烧结后，砖的整体性能得到了提升。尽管先前的研究已经证明了利用SAD生产陶瓷砖的可行性，但仍需进一步改进性能以提高其实际应用性[16]。此外，目前还没有系统研究过富含SiO₂的粘土与富含Al₂O₃的SAD在含有WG助熔剂的情况下的潜在协同作用。

因此，本研究旨在评估使用处理过的SAD和WG生产SCBs的可行性。在本研究中，首先按固定比例将处理过的SAD加入粘土中，然后加入不同含量的WG作为助熔剂。制备好的混合物被制成砖状，并在900至1000°C的温度范围内烧结以生产SCBs。为了研究WG对SCBs晶相和微观结构演变的影响，进行了X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析。此外，还系统评估了其实际应用性，包括抗压强度、体积密度、吸水率和烧失量（LOI）。本研究为工业固体废物的增值利用提供了可持续的途径，并为开发替代陶瓷材料提供了有前景的方法。

原材料制备

本研究中使用的SAD来自马来西亚雪兰莪州的一家铝加工工厂。SAD经过了基于先前报道的方法的热处理，即在900°C下加热4小时，以减少大部分AlN并增加Al₂O₃的含量[22]。处理后的SAD被称为T-SAD。WG来自吉隆坡的一个市政废物收集设施，主要由消费后的玻璃容器组成。

原材料表征

对原材料进行了XRF光谱分析，以确定其化学成分，如表3所示。粘土主要由SiO₂（58.75%）组成，其次是Al₂O₃（20.76%）、Fe₂O₃（13.71%）和K₂O（1.87%）。相比之下，T-SAD含有较高的Al₂O₃（81.20%），而金属氧化物（如MgO（8.11%）、Na₂O（2.07%）和CaO（1.11%）的含量较低。

WG的数据来自作者之前的研究[13]，显示其含有高量的SiO₂（69.36%）。

结论

本研究探讨了使用处理过的SAD和WG生产SCBs的可行性。分析了不同WG含量和烧结温度对SCBs晶相和微观结构演变的影响，并全面评估了SCBs的性能，包括抗压强度、体积密度、吸水率和烧失量（LOI）。根据研究结果，可以得出以下结论：

i.

加入WG后，形成了新的晶相NaAlSi₃O₈

作者贡献声明

张凤仪：撰写 – 审稿与编辑，方法论。周全安：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金筹集。林英培：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。林亨锦：撰写 – 审稿与编辑，资金筹集。黄星翰：撰写 – 初稿，方法论，研究，数据分析，概念化。程一恒：撰写 – 审稿与编辑，方法论，研究，数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢PMB Aluminium Sdn Bhd提供的研究资助（项目编号：PV008-2023），以及中国 Scholarship Council项目的支持（项目编号：202310710014）。