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陶瓷工业耗费大量不可再生的天然矿物原料,原材料供应已经无法保障,煅烧过程中消耗大量液体燃料(单位重量产品的能耗是水泥熟料的近5倍)。废气、粉尘和污水的排放对环境亦造成很大的损害,已经导致该行业的大量倒闭和寻找出路。我国水泥产量为全球之冠,因此,采用水泥材料制造替代型陶瓷制品是陶瓷行业的一个合理的努力方向,具有显著的节能减耗的意义。
本文在综合分析研究国内外高技术水泥基材料(如RPC,MDF,DSP,等)的基础上,以硅酸盐水泥和硅灰作为主要原材料,利用普通实验室工艺设备,成功地配制出高力学性能的水泥基材料,可以用于部分替代建筑用陶瓷板材,其抗弯强度高达25～40MPa、抗压强度高达180～250MPa。达到普通陶瓷地板砖的耐酸碱标准(耐酸≥ULA级；耐碱≥ULB级),但耐磨损性能仍有一定差距。
根据高技术水泥基材料的配制原理,本文选用粒径≤0.6mm的磨细石英砂作为骨料,足量掺入具有强烈二次水化效应的硅灰微粉,保证原材料粒径分布符合毫米级+微米级+纳米和次纳米级的“三元”连续级配要求。根据水泥化学理论,计算出胶凝材料水化后理论水化产物为雪硅钙石(Ca5Si6O18H2)时的物质的量(Ca/Si摩尔比=5/6),由此得到基准配合比为-水泥：硅灰：磨细石英粉=1:0.25:0.37。并根据“三元系统”堆积理论,找出了颗粒体系达到最紧密堆积密实度时的优化配合比为-水泥：硅灰：磨细石英粉：细砂=1:0.25:0.39:0.9～1.1,并通过强度试验验证了此配合比的效果。
在制备工艺方面,前期工作证明搅拌分散、投料次序、压力成型方法及养护制度是影响产品性能的重要因素,因此进行了大量的试验工作：
(1)前期试验发现粉体物料(尤其是硅灰)分散的均匀性决定了产品的强度值及其稳定性。为此考察了不同方式的搅拌工艺对分散效果的影响,最终采用了球磨预拌工艺,获得了较佳的效果。
(2)比较了不同投料次序对性能的影响,确定了最佳投料方案为在慢搅中按如下次序投料：砂+硅灰+消泡剂→水泥+石英粉→80％减水剂及水→20％减水剂及水,最后快搅,获得了最佳的效果。
(3)通过大量的试验考察,提出了“二次加压”制度：凝结前加压5MPa/3～5min,凝结后加压15MPa/15min。比较有效去除了裹入的空气泡和水化反应所伴随的化学减缩。
(4)分析了不同养护条件下强度发展的规律。进行了常温水养、蒸汽养护、热水养护、干热养护和干湿交替养护等五种不同的养护制度的对比试验,通过试验研究发现采用蒸汽养护的试件相对强度值最大,并且后期强度发展稳定。采用此种养护制度进行水泥基免烧陶瓷板的生产,养护设备无需改造就可用于构件的养护,并且无需挤压、热压成型等特殊工艺设备,大大节约了生产成本,具有显著的节能效益和经济效益。
在上述实验基础上利用聚合物PVA对制品进行了适当的改性,研究内容包括聚灰比、聚合物减水作用、阻裂增韧作用以及硅烷偶联剂对湿敏性的改善作用,试验证明PVA的掺入极大的改善了该材料的脆性。然后利用SEM和XRD对其机理进行了研究,聚合物PVA起到一定的聚网成膜作用,与水泥水化产物相互交织在一起,且当偶联剂存在时,聚合物颗粒与水化产物之间就产生离子键型的化学结合,这种化学结合键形成的联结强度要高于普通水化物之间通过范德华力形成的粘结强度。
试验还通过对胶结料宏观和微观性能的测试,考察了本工艺条件下所得试件的综合性能。试验发现,本实验所得试件的综合性能优异,具有良好的力学性能和耐酸、碱侵蚀能力,完全可以用于部分替代普通陶瓷墙地板材。其抗弯强度达到40MPa以上,表面耐磨损系数可以达到0.65,表面抛光度可以高达80度以上,已经接近于普通陶瓷板材的水平,这也为其下一步的实际生产应用打下了基础。
最后,运用各类常规试验方法和扫描电子显微镜(SEM)、X-衍射法以及红外光谱分析法(IR)对(聚合物)高强水泥基复合材料进行了测试研究。发现在这种工艺条件下主要水化产物为板条状和扫帚状雪硅钙石(托勃莫来石),尺寸在2～10μm之间,Ca/Si摩尔比在0.8～1.0之间,和仍处于凝胶态的C-S-H(I)。前者交织成能够为良好的网络结构,对增加抗弯(折)强度起了决定性作用；但是后者的填充作用对抗压强度和密实性也是十分重要的。