不同固體廢棄物對保溫材料形成和性能的影響

焦 宏 濤, 高 文 元,2, 唐 乃 嶺,2, 李 長 敏,2

( 1.大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院, 遼寧 大連 116034; 2.遼寧省新材料與材料改性重點實驗室, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著對節(jié)約能源與保護環(huán)境的要求不斷提高,建筑維護結(jié)構(gòu)的保溫技術(shù)也在日益加強,尤其是外墻保溫技術(shù)得到了長足的發(fā)展,并成為我國一項重要的建筑節(jié)能技術(shù)[1]。

由于我國的建筑節(jié)能水平還遠低于發(fā)達國家,常規(guī)能源資源的有限性和消耗需求的無限性已構(gòu)成制約我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸,煤炭的巨量消費已成為我國大氣污染的主要來源,所以積極推廣建筑節(jié)能和開發(fā)利用環(huán)保節(jié)能新材料是我國目前建筑業(yè)的一個重要課題[2]。

在建筑節(jié)能領域,外墻外保溫技術(shù)作為建筑節(jié)能外圍結(jié)構(gòu)保溫的主要技術(shù)已成為共識,但是其系統(tǒng)產(chǎn)品需消耗大量的能源和資源[3]。與此同時,我國又存在大量的糖濾泥、粉煤灰、廢玻璃和高爐礦渣等固體廢棄物,占用大量土地,嚴重污染環(huán)境。因此以固體廢棄物為原料開發(fā)外墻外保溫材料,生產(chǎn)能耗低,利用大量的固體廢棄物,符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的要求,已成為外墻外保溫技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

稅安澤等[4]利用拋光磚廢料制備多孔保溫建筑材料,研究了原料組分、原料配方、各工藝參數(shù)對材料容重、孔隙率、孔結(jié)構(gòu)、導熱系數(shù)、機械強度等的影響。作者以爐渣、糖濾泥、廢玻璃、黏土為原料制備保溫材料,主要研究了爐渣、糖濾泥、廢玻璃等固體廢棄物在制備保溫材料過程中所起的作用,利用各類固體廢棄物自身的性質(zhì)生產(chǎn)保溫材料,以實現(xiàn)廢物利用和節(jié)能環(huán)保的雙贏。

1 實 驗

1.1 原 料

實驗所用爐渣,大連工業(yè)大學鍋爐爐渣；糖濾泥,內(nèi)蒙古；廢玻璃,大連；水曲柳,吉林。原料化學成分見表1。

表1 原料化學組成(質(zhì)量分數(shù))

Tab.1 Chemical compositions of raw materials (Mass fraction) %

1.2 方 法

對原料進行預處理,對其成分和性能進行分析。將糖廠廢棄物糖濾泥進行自然晾曬,使其水分小于13%,易于儲存,可直接用于實驗。廢玻璃要經(jīng)過破碎,再經(jīng)過研磨,其粒度要求過160目篩。爐渣需經(jīng)過球磨使其粒度達到120目篩。按照配方稱取原料,將配料混合后在攪拌機中攪拌1～2 h,攪拌好后,加入15%～17%的水分對其進行造粒,再陳腐48 h后,在15～25 MPa的壓力下進行成型,然后放入烘箱中干燥,干燥溫度為105～110 ℃,干燥時間為3～4 h,將干燥好的樣品放入電路中進行燒結(jié),燒結(jié)溫度1 050～1 150 ℃。待燒結(jié)結(jié)束,制品隨爐冷卻。

1.3 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

利用酸堿滴定法對糖濾泥中CaCO3的含量進行了測定；用三點抗彎測試儀測試樣品的抗壓強度；用水煮法測試樣品的吸水率、氣孔率、密度；利用導熱系數(shù)儀對樣品進行導熱分析；樣品的物相組成采用日本的D/MAX-IIIX射線衍射儀進行分析；樣品的顯微形貌用日本JSM-6460LV掃描電子顯微鏡進行觀測。

2 結(jié)果與討論

2.1 爐渣對保溫材料強度的影響

從圖1可看出,隨著爐渣目數(shù)的增大,也就是其粒度的減小,抗壓強度隨之增加,當爐渣所過目數(shù)大于120目時,抗壓強度增加的幅度趨于平緩。垃圾爐渣是生活垃圾在垃圾發(fā)電廠經(jīng)高溫燃燒處理后的副產(chǎn)品。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),垃圾爐渣富含SiO2、Al2O3和Fe2O3等成分[5]。這些爐渣、大多數(shù)鐵合金爐渣及保護渣的主要組成可歸結(jié)為CaO-Al2O3-SiO2系。爐渣中這些成分的存在,使得制品存在高的強度。當爐渣粒度過大時,固相不能完全接觸,不能形成反應所需要的條件,反應不能充分進行,因此強度相對較低,當爐渣粒度較小時,其反應活性增強,使其充分地發(fā)生反應,其強度有明顯的增加。當粒度再細時,成本增加,但其強度增加的不再明顯,因此取爐渣粒度為過120目篩。

圖1 爐渣目數(shù)對抗壓強度的影響

Fig.1 Effect of mesh number of slag on the compressive strength

從圖2可看出,隨著爐渣含量的增加,制品的強度增加。這是由于爐渣中的主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3,這些成分是形成陶瓷結(jié)構(gòu)的必要成分,隨著爐渣含量的增加,SiO2、Al2O3等成分所占的比例也越大,在高溫下形成的陶瓷晶相也愈多,因此其強度也愈高。但由于爐渣屬瘠性料,當其含量所占原料的比例過大時,不易于成型,爐渣過量,在高溫時,并不能全部形成陶瓷結(jié)構(gòu),因此其強度降低,而未完全反應的爐渣,具有高的吸水率,因此隨著爐渣含量的增加,吸水率持續(xù)增加[6]。因此再保證易于成型和滿足制品燒結(jié)強度的條件下,使其加入量最大。綜合考慮,爐渣加入量為25%。

圖2 爐渣質(zhì)量分數(shù)對抗壓強度的影響

Fig.2 Effect of slag amounts on the compressive strength

2.2 糖濾泥含量對制品氣孔率及密度的影響

圖3 糖濾泥質(zhì)量分數(shù)對制品氣孔率及密度的影響

Fig.3 Effect of sugar mud amounts on the porosity and density

2.3 廢玻璃對制品反應溫度及其結(jié)構(gòu)性能的影響

添加廢玻璃可以降低陶瓷制品的燒成溫度[8]。從圖4中可以看出,隨著廢玻璃所過目數(shù)的增加,即其粒度的減小,制品的燒成溫度隨之降低。隨著碎玻璃粒度的減小,制品的吸水率下降,燒成溫度降低,強度增加。綜合考慮,取廢玻璃粒度為160目。

圖4 廢玻璃粒度對燒結(jié)溫度的影響

Fig.4 Effect of waste glass granule size on the sintering temperature

由圖5可知,隨著廢玻璃含量的增加,制品的燒成溫度有所降低,繼續(xù)增加廢玻璃含量,制品的燒成溫度不再降低。制品中的廢玻璃除了可以降低燒成溫度外,熔融態(tài)的玻璃相可以將濾泥分解產(chǎn)生的氣體包裹,形成封閉的孔隙結(jié)構(gòu)。綜合考慮實際生產(chǎn)成本問題,廢玻璃質(zhì)量分數(shù)取14%。

圖5 廢玻璃質(zhì)量分數(shù)對燒成溫度的影響

Fig.5 Effect of waste glass amounts on the sintering temperature

2.4 保溫材料物相分析和微觀結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 物相分析

通過對圖6分析可知,以爐渣25%、糖濾泥28%、廢玻璃14%、水曲柳33%質(zhì)量分數(shù)比制作的制品在1 060 ℃下保溫0.5 h,形成了莫來石相和少量的鈣長石相,并且存在方石英。部分莫來石晶相是由于摻加了廢玻璃的瓷體生成了莫來石,還有一部分是由于黏土脫水后分解,再經(jīng)高溫轉(zhuǎn)化形成的。而鈣長石是由糖濾泥中的CaCO3和黏土中的SiO2發(fā)生反應形成的。黏土中的高嶺石經(jīng)脫水分解,再經(jīng)高溫轉(zhuǎn)化形成硅鋁尖晶石。盡管硅鋁尖晶石結(jié)構(gòu)較偏高嶺石穩(wěn)定,但結(jié)構(gòu)中空位較多,因而它也很不穩(wěn)定,繼續(xù)加熱就會轉(zhuǎn)化成熱力學穩(wěn)定的莫來石而分離出方石英。莫來石、鈣長石、方石英是構(gòu)成該材料的主要晶相,賦予了材料高的強度。

圖6 1 060 ℃燒結(jié)的制品XRD圖

2.4.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖7為爐渣25%、糖濾泥28%、廢玻璃14%、水曲柳33%質(zhì)量分數(shù)比制作的制品在1 060 ℃ 下保溫0.5 h的SEM圖。由圖7可以看出,制品的顯微結(jié)構(gòu)是以玻璃相(圖7中B處)為基質(zhì)的,并含有一定量的莫來石相(圖7中C處)、鈣長石相(圖7中E處)、方石英相(圖7中D處)和大量的氣相(圖7中A處),這與XRD測試結(jié)果一致。經(jīng)測試制品的導熱系數(shù)小于0.40 W/(m·K),達到保溫材料的保溫要求。材料的有效導熱系數(shù)大小取決于材料的孔隙率,孔隙率越高,材料的導熱性能愈差,保溫效果愈好[9]。制品中有大量的孔隙存在,這些孔隙以閉孔結(jié)構(gòu)存在,在閉孔結(jié)構(gòu)中呈靜止狀態(tài)的空氣及二氧化碳,其熱導率很低,從而達到保溫的目的。

圖7 1 060 ℃燒結(jié)的制品SEM圖

3 結(jié) 論

以爐渣為原料制備保溫材料,當爐渣質(zhì)量分數(shù)為25%、粒度過120目篩時,材料的抗壓強度可達14 MPa。

以碎玻璃為助熔劑,廢玻璃質(zhì)量分數(shù)為14%、粒度過160目篩時燒成溫度為1 060 ℃。

以糖濾泥為成孔劑,當糖濾泥質(zhì)量分數(shù)為28%,材料孔隙率可達35%,密度為1.204 g/cm3,導熱系數(shù)小于0.40 W/(m·K),且大部分孔隙為閉孔結(jié)構(gòu)。

[1] 張彩鳳,張炳傳. 建筑保溫技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學院學報, 2007, 7(4):50-52.

[2] 萬曉霏,唐平龍,張棟煌. 外墻保溫技術(shù)及環(huán)保節(jié)能材料探討[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2008(3):70-72.

[3] 黃振利,張盼. 固體廢棄物在建筑外墻外保溫中的利用[J]. 建設科技, 2007(6):56-57.

[4] 稅安澤,夏海斌,曾令可,等. 利用拋光磚廢料制備多孔保溫建筑材料[J]. 硅酸鹽通報, 2008, 27(1):191-195.

[5] 王婷,魏玉國,馬洪福. 垃圾爐渣在道路基層應用的研究[J]. 市政公用建設, 2009(2):50-52.

[6] OTI J E, KINUTHIA J M, BAI J. Using slag for unfired-clay masonry-bricks[J]. Construction Materials, 2008, 161(4):147-155.

[7] 郭曉玲,保國裕. 碳酸法制糖濾泥的污染、治理與資源化[J]. 輕工環(huán)保, 1994, 16(1):48-50,56.

[8] 蔣述興,黎明,李龍,等. 廢玻璃降低日用陶瓷燒成溫度的研究[J]. 陶瓷學報, 2010, 31(2):287-290.

[9] SCHLEGEL E, HUSSLER K, SEIFERT H. The principle of microporosity in the production of high performance thermal insulating materials[J]. Interceram, 2007, 56(5):336-339.