CaO對(duì)花崗巖廢渣微晶玻璃結(jié)構(gòu)及性能的影響

【中玻網(wǎng)】微晶玻璃是特定成分的玻璃經(jīng)過(guò)熱處理后形成的一種細(xì)晶多晶材料，通過(guò)對(duì)微晶的控制，使微晶玻璃具有較低的能量和結(jié)晶狀態(tài)。微晶玻璃的性能取決于基礎(chǔ)玻璃的組成與熱處理制度。通過(guò)研究CaO取代MgO對(duì)R2O-CaO-MgO-Fe2O3-TiO2-SiO2系微晶玻璃結(jié)構(gòu)及性能的影響，為制備性能優(yōu)異的花崗巖廢渣微晶玻璃奠定基礎(chǔ)。

　　本實(shí)驗(yàn)所用花崗巖廢渣來(lái)自四川某地，其成分見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)其它原料分別為分析純的堿式碳酸鎂、無(wú)水物質(zhì)材料、碳酸鈣、氫氧化鋁、二氧化鈦、氧化鐵，按表2中基礎(chǔ)玻璃的化學(xué)組成稱量。原料在研缽中混合均勻后倒入石英坩堝，置于硅鉬電爐中1 430℃熔制1~2 h，熔制好的玻璃液倒入預(yù)先加熱過(guò)的模具上成型，之后置于600℃的退火爐中退火，退火后的基礎(chǔ)玻璃經(jīng)過(guò)核化、晶化處理得到所需微晶玻璃試樣。

　?。?）熱處理制度的確定：基礎(chǔ)玻璃A1的DSC曲線如圖1所示，664℃存在一個(gè)吸熱峰，對(duì)應(yīng)玻璃轉(zhuǎn)變溫度Tg。通常情況下，微晶玻璃的成核溫度一般介于Tg和Tg＋50℃之間，晶化溫度位于放熱峰處。因此，確定基礎(chǔ)玻璃核化溫度為670℃，核化時(shí)間為2 h，晶化溫度分別為709℃、787℃、960℃、1 040℃、1 080℃和1 140℃，晶化時(shí)間為2 h。前期實(shí)驗(yàn)表明670℃核化2 h、1 040℃晶化2 h的微晶玻璃試樣的力學(xué)性能好，因此確定熱處理制度為670℃核化2 h、1 040℃晶化2 h。

圖1基礎(chǔ)玻璃的DSC曲線

　?。?）物相分析：不同CaO取代量的微晶玻璃試樣的XRD圖譜如圖2所示。由圖2可知：試樣A1中析出鐵板鈦礦Fe2TiO5、鎂橄欖石Mg2SiO4和透輝石，在析晶驅(qū)動(dòng)力作用下，TiO2和Fe2O3晶核作為中間相誘導(dǎo)析晶，TiO2應(yīng)先析出了中間相板鈦礦，F(xiàn)e3+替代了板鈦礦一部分Ti4+，形成了鐵板鈦礦Fe2TiO5。Ca2+半徑非常大（1.34Å），在玻璃網(wǎng)絡(luò)中的遷移率低，而Mg2+具有較小的半徑（0.74Å）和較高的遷移率，因此，Ca2+的擴(kuò)散速率成為透輝石形成的控制步驟，且此時(shí)CaO含量少，MgO含量多，限制透輝石形成，此時(shí)出現(xiàn)的Mg2SiO4較多。試樣A2中析出鐵板鈦礦、透輝石、鎂橄欖石，對(duì)比A1，此時(shí)透輝石在29.845°的特征衍射峰增強(qiáng)，鎂橄欖石在22.788°特征衍射峰減弱，表明A2試樣透輝石增多，鎂橄欖石減少，這是由于CaO增多，MgO減少，有利于透輝石的形成；試樣A3、A4中晶相為透輝石和鐵板鈦礦，鎂橄欖石在22.788°特征衍射峰消失，由此判斷不存在鎂橄欖石。因此，CaO取代量在0~6%的范圍內(nèi)，CaO取代量的增加促進(jìn)了透輝石的生成，同時(shí)舒緩了鎂橄欖石、鐵板鈦礦的析出。

圖2不同CaO含量試樣的XRD圖譜

　　（3）顯微結(jié)構(gòu)分析：不同CaO取代量的微晶玻璃試樣晶化后的SEM圖譜如圖3所示。試樣經(jīng)過(guò)HF侵蝕處理，玻璃相已經(jīng)被溶解。CaO取代量為0時(shí)，試樣中存在大量長(zhǎng)柱狀晶體，以及少量隨機(jī)分布的顆粒狀晶體。試樣A2存在大量柱狀晶體，少量規(guī)則塊狀晶體及粒狀晶體，晶體輪廓清晰，塊狀晶體為透輝石。A3存在柱狀晶體和塊狀晶體，塊狀晶體分散在柱狀晶體中，對(duì)比A2，塊狀晶體發(fā)育更完全。隨CaO含量增多，A4中塊狀晶體和柱狀晶體長(zhǎng)度均減少，寬度基本不變，長(zhǎng)徑比降低。

圖3不同CaO含量試樣的SEM照片

　?。?）力學(xué)性能分析：圖4為不同CaO取代量的微晶玻璃的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度和顯微硬度。

圖4不同CaO含量試樣的抗彎強(qiáng)度和顯微硬度

　　從圖4可以看出，CaO取代量為4%時(shí)，微晶玻璃三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度、顯微硬度為非常大，分別為142.53 MPa、6.97 GPa。

　　通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)得出：

　?。?）用花崗巖廢渣制備的R2O-CaO-MgO-Fe2O3-TiO2-SiO2系微晶玻璃，CaO取代MgO（0～6%）量的增加有利于透輝石的析出，能夠舒緩鎂橄欖石、鐵板鈦礦析出。

　　（2）微晶玻璃的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度、顯微硬度先增加再下降。CaO取代量為0~4%時(shí)，隨著取代量的增加，晶粒長(zhǎng)大，CaO取代量為4%時(shí)，微晶玻璃三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度、顯微硬度大，分別為142.53 MPa、6.97 GPa；當(dāng)CaO取代量為6%時(shí)，塊狀晶體和柱狀長(zhǎng)度均減小，寬度基本不變，長(zhǎng)徑比降低，試樣的力學(xué)性能降低。