Al2O3对花岗岩废渣微晶玻璃析晶及性能的影响

Al2O3对花岗岩废渣微晶玻璃析晶及性能的影响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1400℃的硅钼棒电炉中熔制1h，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。

（1）确定热处理制度：微晶玻璃的最佳成核温度一般在玻璃转变温度Tg~Tg+50℃之间，这是由于在玻璃转变温度Tg附近进行低温热处理时的玻璃成核速率高，能够在基础玻璃内形成高密度的晶核。最佳晶化温度一般位于放热峰温度附近，是因为在放热峰温度附近进行较高温度的热处理时的晶化速率较高，使第一阶段形成的大量晶核快速长大成为细小的晶体。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℃、1038.4℃、1118.0℃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℃、1040℃、1120℃，保温时间均为2h。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℃、1040℃晶化后，晶化温度为1040℃的试样具有较好的力学性能；1120℃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2h、1040℃晶化2h。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（fluoroedenite，JCPDS85-1558）和铁板钛矿Fe2TiO5（psudobrookite，JCPDS41-1432），次晶相为镁橄榄石Mg1.83Fe0.17（SiO4）（forsterite，JCPDS79-1212）；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（magnesiumtitaniumoxide,JCPDS02-0901）。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。结合XRD分析：Al2O3含量为6.5%时，试样D1中析出的氟闪石呈直径为4~5mm长杆状，其端面为多边形块状；当Al2O3含量为7.5%时，试样D2中晶粒明显增多，长杆状的氟闪石、针状的镁橄榄与颗粒状的铁板钛矿石均匀地相互交织在一起；当Al2O3含量为8.5%时，试样D3中颗粒状的铁板钛矿、长杆状的氟闪石进一步增多；Al2O3含量为9.5%的试样D4中氟闪石的直径由4mm减至3mm，镁橄榄石的长度由4mm减至约3mm；当Al2O3含量增加至10.5%时，试样D5中长杆状氟闪石的晶粒数量减少，同时晶粒直径进一步减至2~3mm。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。图4不同Al2O3含量试样的抗弯强度和显微硬度通过进行一系列的实验，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。（