选用CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)体系无碱铝硅玻璃为研究对象, 设计8组Fe2O3组分变量, 利用高温熔融法制备试验样品。利用XRD、SEM、TG-DSC等测试方法, 先后对无碱玻璃样品的物相、析晶动力学、析晶行为和弹性模量等物化性能进行测试分析, 进而探讨Fe2O3含量及晶化处理对无碱玻璃弹性模量的影响。结果表明: 适量添加Fe2O3可以提升CMAS体系无碱玻璃的弹性模量, Fe2O3的质量分数为1.50%(F-6#)时, F-6#无碱玻璃弹性模量最大值为97.87 GPa, 析晶活化能为347.1 kJ/mol, 析晶指数n为1.383 4, 为表面析晶。经整体析晶法晶化处理后, F-6#微晶玻璃析出的主晶相为钙长石相(CaAl2Si2O8), 晶体尺寸为200~400 nm; 经烧结法晶化处理后, F-6#微晶玻璃析出的主晶相为钙长石相(CaAl2Si2O8), 晶体尺寸为300~500 nm。随着热处理温度的升高, 析出主晶相数量变多, 尺寸变大, 但主晶相种类并未改变。由于钙长石的弹性模量小于基础玻璃, F-6#无碱玻璃析晶后所得微晶玻璃样品的弹性模量有所降低。

本文通过XRD、SEM、TG-DSC、耐腐蚀性、密度、硬度、断裂韧性等测试, 研究不同热处理制度和煤矸石掺量对微晶玻璃晶体结构、微观形貌、物化性能的影响。结果表明, 该体系煤矸石微晶玻璃析出的主晶相为钙长石相(CaAl2Si2O8), 随着热处理晶化温度的升高, 析出的主晶相数量变多, 尺寸变大, 但主晶相种类并未改变。当热处理制度为核化温度750 ℃保温1 h、晶化温度1 000 ℃保温1 h时, 主晶相晶体尺寸大小约300~400 nm。在优化热处理制度下, 当煤矸石掺量从44%(质量分数)增加到70%时, 4种不同煤矸石掺量微晶玻璃的物化性能相差不大。综合考虑煤矸石固废利用率和样品的物化性能指标, 煤矸石掺量为70%的样品综合性能最佳。本文设计的煤矸石微晶玻璃体系, 对煤矸石固废的包容性好, 消纳性强, 可实现煤矸石固废的大掺量高值化利用, 为解决煤矸石固废堆积、环境污染等问题提供了理论基础和实验依据。