Al2O3對(duì)花崗巖廢渣微晶玻璃析晶及性能的影響

Al2O3對(duì)花崗巖廢渣微晶玻璃析晶及性能的影響花崗巖廢渣是在花崗巖開(kāi)采及加工過(guò)程中產(chǎn)生的一種固體廢棄物，這種固體廢物造成了嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題?；◢弾r廢渣成分中含有SiO2、Al2O3、K2O、Na2O和少量MgO、CaO、Fe2O3、TiO2、P2O5等氧化物，可以作為制備微晶玻璃的主要原料。本文用DSC、XRD、SEM等測(cè)試方法研究了Al2O3對(duì)R2O-MgO-Al2O3-SiO2-Fe2O3系微晶玻璃的晶相組成、顯微結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。期望制備出具有優(yōu)良性能的花崗巖廢渣微晶玻璃，為花崗巖廢渣的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。試樣制備所用花崗巖廢渣來(lái)自四川省某地，具體成分見(jiàn)表1?；A(chǔ)玻璃的化學(xué)組成如表2所示，將原料混合均勻后放入剛玉坩堝中，然后在1400℃的硅鉬棒電爐中熔制1h，熔制好的玻璃液澆注成型后置于600℃的退火爐中進(jìn)行退火處理，退火后的基礎(chǔ)玻璃經(jīng)過(guò)核化、晶化后得到微晶玻璃試樣。

（1）確定熱處理制度：微晶玻璃的最佳成核溫度一般在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg~Tg+50℃之間，這是由于在玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg附近進(jìn)行低溫?zé)崽幚頃r(shí)的玻璃成核速率高，能夠在基礎(chǔ)玻璃內(nèi)形成高密度的晶核。最佳晶化溫度一般位于放熱峰溫度附近，是因?yàn)樵诜艧岱鍦囟雀浇M(jìn)行較高溫度的熱處理時(shí)的晶化速率較高，使第一階段形成的大量晶核快速長(zhǎng)大成為細(xì)小的晶體?；A(chǔ)玻璃試樣D3的DSC曲線如圖1所示。在619.5℃附近出現(xiàn)一個(gè)吸熱峰，即玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg，在722.3℃、766.6℃、910.3℃、988.2℃、1038.4℃、1118.0℃出現(xiàn)放熱峰。根據(jù)DSC曲線，核化溫度確定為630℃，晶化溫度確定為720℃、765℃、910℃、990℃、1040℃、1120℃，保溫時(shí)間均為2h。觀察發(fā)現(xiàn)：在720℃和770℃晶化后的試樣外觀沒(méi)有發(fā)生變化；在910℃、990℃、1040℃晶化后，晶化溫度為1040℃的試樣具有較好的力學(xué)性能；1120℃晶化后的試樣出現(xiàn)明顯變形。因此，熱處理制度確定為：630℃核化2h、1040℃晶化2h。圖1基礎(chǔ)玻璃的DSC曲線（2）XRD分析：試樣D1、D2、D3、D4、D5的XRD衍射圖譜如圖2所示。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)卡片，Al2O3含量為6.5%的微晶玻璃試樣D1中的主晶相為氟閃石NaCa2（Mg,Fe）5Si7AlO22F2（fluoroedenite，JCPDS85-1558）和鐵板鈦礦Fe2TiO5（psudobrookite，JCPDS41-1432），次晶相為鎂橄欖石Mg1.83Fe0.17（SiO4）（forsterite，JCPDS79-1212）；當(dāng)Al2O3含量為7.5%時(shí)，試樣D2中氟閃石、鐵板鈦礦和鎂橄欖石的衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)，晶相含量增多；添加8.5%Al2O3的試樣D3中氟閃石、鐵板鈦礦和鎂橄欖石的衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，主晶相仍為氟閃石和鐵板鈦礦，次晶相為鎂橄欖石；Al2O3含量增加至9.5%時(shí)，試樣D4中主晶相氟閃石和鐵板鈦礦的衍射峰減弱，晶相含量降低；Al2O3添加量為10.5%時(shí)，從XRD圖譜中看出試樣D5在24.0°和53.7°出現(xiàn)新的衍射峰，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)卡片，確定晶相為鎂鈦礦MgTiO3（magnesiumtitaniumoxide,JCPDS02-0901）。圖2不同Al2O3含量試樣的XRD圖譜（3）SEM分析：Al2O3含量為6.5%~10.5%微晶玻璃試樣的SEM照片如圖3所示，從圖3中可以看出，Al2O3對(duì)花崗巖廢渣微晶玻璃析出晶體的顯微結(jié)構(gòu)存在較大影響。結(jié)合XRD分析：Al2O3含量為6.5%時(shí)，試樣D1中析出的氟閃石呈直徑為4~5mm長(zhǎng)桿狀，其端面為多邊形塊狀；當(dāng)Al2O3含量為7.5%時(shí)，試樣D2中晶粒明顯增多，長(zhǎng)桿狀的氟閃石、針狀的鎂橄欖與顆粒狀的鐵板鈦礦石均勻地相互交織在一起；當(dāng)Al2O3含量為8.5%時(shí)，試樣D3中顆粒狀的鐵板鈦礦、長(zhǎng)桿狀的氟閃石進(jìn)一步增多；Al2O3含量為9.5%的試樣D4中氟閃石的直徑由4mm減至3mm，鎂橄欖石的長(zhǎng)度由4mm減至約3mm；當(dāng)Al2O3含量增加至10.5%時(shí)，試樣D5中長(zhǎng)桿狀氟閃石的晶粒數(shù)量減少，同時(shí)晶粒直徑進(jìn)一步減至2~3mm。圖3不同Al2O3含量試樣的SEM照片（4）力學(xué)性能：不同Al2O3含量試樣的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度變化趨勢(shì)如圖4所示。由圖4可以看出，Al2O3含量從6.5%增加至10.5%時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。圖4不同Al2O3含量試樣的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度通過(guò)進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)，得出：（1）用花崗巖廢渣制備了R2O-MgO-Al2O3-SiO2-Fe2O3系微晶玻璃，Al2O3含量在6.5%~10.5%之間時(shí)，微晶玻璃的主晶相均為氟閃石和鐵板鈦礦。隨著Al2O3含量的增加，氟閃石、鐵板鈦礦和鎂橄欖石晶粒細(xì)化。（