泡沫粉煤灰保溫磚的制備與性能研究

曾小軍 劉維良 李陽(yáng)城 馮翀龍

（景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院，江西景德鎮(zhèn)333001）

0 引言

隨著逐年加劇的能源開(kāi)采，地球上的煤、石油等不可再生資源已經(jīng)漸漸枯竭，能源危機(jī)已經(jīng)是刻不容緩的問(wèn)題，并被列入了人類面臨的四大生存問(wèn)題之一。有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1-2]顯示，在能源消耗比例中，建筑能耗占很高的比重，最高甚至可以達(dá)40%。因此，開(kāi)發(fā)出高效保溫隔熱材料對(duì)于節(jié)約采暖能耗、保護(hù)環(huán)境、保持經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展具有極其重要的意義[3-4]。

泡沫保溫磚是閉孔保溫磚的一種，具有熱導(dǎo)率低、吸音與隔音能力高和強(qiáng)度長(zhǎng)期不降低的性質(zhì)。是一種輕質(zhì)、保溫、隔熱和隔音的材料。泡沫保溫磚的生產(chǎn)具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單和投資少的特點(diǎn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，粉煤灰的排放量在逐年遞增。大量的粉煤灰不僅因其質(zhì)量較輕而易引起空氣污染，而且大量的堆積還占用大面積的耕地，造成不良的環(huán)境影響。故在滿足性能要求的條件下，以粉煤灰為主要原料生產(chǎn)泡沫保溫磚能充分利用大多數(shù)火力發(fā)電廠產(chǎn)生的固體廢棄物，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)有較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)、環(huán)境效益。粉煤灰泡沫材料可制成輕質(zhì)隔聲板、外墻板和保溫磚等，應(yīng)用前景非?？捎^。

基于上述能源現(xiàn)狀與建筑節(jié)能，加上泡沫保溫磚的諸多性能，本文通過(guò)大量的試驗(yàn)得出了一種適合批量生產(chǎn)泡沫粉煤灰保溫磚的原料配比及制備工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

粉煤灰、瓷石尾礦、石灰石、粘土和玻璃粉，產(chǎn)地均為景德鎮(zhèn)。

1.2 樣品制備

按實(shí)驗(yàn)方案將各原料按一定比例稱量后進(jìn)行球磨，球磨后的漿料過(guò)180目篩，再經(jīng)榨泥、練泥、陳腐、半干壓成型和干燥，最后，在電阻爐中燒結(jié)。

1.3 性能測(cè)試

采用KYKY-1000 B型掃描電子顯微鏡觀察樣品斷口形貌；采用西安力創(chuàng)材料檢測(cè)技術(shù)有限公司的WDW-10型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定樣品抗壓強(qiáng)度；采用GRD-Ⅱ型快速熱導(dǎo)儀測(cè)試樣品導(dǎo)熱系數(shù)；采用阿基米德排水法測(cè)試樣品密度和氣孔率。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 粉煤灰用量對(duì)樣品性能的影響

從圖1和圖2可知，隨著粉煤灰用量的增加，材料的密度和抗壓強(qiáng)度先緩慢減小，當(dāng)粉煤灰用量超過(guò)50 wt%時(shí)，密度和抗壓強(qiáng)度急劇減小。隨著粉煤灰用量的增加，材料的氣孔率增大直至飽和，其原因是粉煤灰用量增加后，粉煤灰較大的氣孔率和較高的熔點(diǎn)使材料的玻璃化程度降低，氣孔率增大。但當(dāng)粉煤灰用量達(dá)到一定程度后，材料難以完全?；?，氣孔率接近未玻璃化原料的氣孔率，故材料的氣孔率趨于飽和。氣孔率的增大一定程度上使材料的密度和抗壓強(qiáng)度減小。隨粉煤灰用量的增加，材料的導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大。其原因是粉煤灰成型時(shí)，顆粒相互“架橋”，在材料內(nèi)部構(gòu)成一定體積的空腔，加上其顆粒內(nèi)部存在著許多微孔，使粉煤灰在一定范圍內(nèi)有降低材料導(dǎo)熱系數(shù)的功能[5]。當(dāng)粉煤灰用量為50 wt%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最低值。然而，粉煤灰畢竟是實(shí)心顆粒，且粉煤灰中高的F e2O3含量在燒成時(shí)容易造成材料出現(xiàn)“熔洞”狀缺陷，使材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大，再提高粉煤灰摻量，導(dǎo)熱系數(shù)則明顯上升。摻入50 wt%的粉煤灰較為適量，且符合保溫磚性能要求。

圖1 粉煤灰用量對(duì)密度和抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 The influence of fly ash content on density and compressive strength

圖2 粉煤灰用量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和氣孔率的影響Fig.2 The influence of fly ash content on thermal conductivity and porosity

圖3 石灰石用量對(duì)密度和抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of limestone content on density and compressive strength

圖4 石灰石用量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和氣孔率的影響Fig.4 The influence of limestone content on thermal conductivity and porosity

2.2 石灰石用量對(duì)樣品性能的影響

石灰石在樣品中起發(fā)泡劑和助熔的作用。從圖3和圖4可知，隨著石灰石用量的增加，材料的密度和抗壓強(qiáng)度先減小后增大。當(dāng)石灰石用量為15 wt%時(shí)達(dá)到最低值。其原因是石灰石用量的增加激活了粉煤灰的活性，高速發(fā)泡產(chǎn)生的微氣泡量越多，微細(xì)閉合氣泡量亦越多，故密度和抗壓強(qiáng)度減小。這也說(shuō)明了氣孔率增大的原因。氣孔率的增大使氣孔中的氣體增多，從而導(dǎo)熱系數(shù)減小。當(dāng)石灰用量增加到一定程度時(shí)，石灰石起助熔效果，使材料更加致密。同時(shí)，氣孔率趨于飽和。生成的CaSiO3晶體貫穿其中，它們相互交錯(cuò)聯(lián)接，并具備一定的粘接強(qiáng)度，使材料早期的抗壓強(qiáng)度降低[6]，后期材料的致密使抗壓強(qiáng)度增大。

2.3 燒成溫度對(duì)樣品性能的影響

從圖5和圖6可知，隨著燒成溫度的提高，材料的密度和抗壓強(qiáng)度先增大后減小，導(dǎo)熱系數(shù)減小，氣孔率增大，且在950℃～1050℃變化明顯。其原因是發(fā)泡劑石灰石的分解溫度在900℃左右，前期由于溫度的提高使材料更加致密，抗壓強(qiáng)度更大。溫度到達(dá)1050℃時(shí)，繼續(xù)提高溫度，材料中的氣孔增大，導(dǎo)致密度和抗壓強(qiáng)度減小。同時(shí)，氣孔率增大。氣孔率的增大使氣孔中的氣體減少，從而導(dǎo)熱系數(shù)相應(yīng)減小。

2.4 保溫時(shí)間對(duì)樣品性能的影響

從圖7和圖8可知，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，材料的密度和抗壓強(qiáng)度先減小后趨于飽和。其原因是燒制時(shí)間越長(zhǎng)，材料?；潭仍礁?，粘度越大，發(fā)泡體積量越大，導(dǎo)致密度越小，抗壓強(qiáng)度越小。當(dāng)燒制時(shí)間達(dá)到一定數(shù)值后，材料中發(fā)泡劑分解減少，發(fā)泡體積增加量有限，因而材料密度和抗壓強(qiáng)度趨于飽和。隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)泡體積量越大，故氣孔率增大，同時(shí)，氣孔中氣體的增多使導(dǎo)熱系數(shù)減小。

圖5 燒成溫度對(duì)密度和抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 The influence of firing temperature on density and compressive strength

圖7 保溫時(shí)間對(duì)密度和抗壓強(qiáng)度的影響Fig.7 The influence of holding time on density and compressive strength

圖9 樣品的SEM照片F(xiàn)ig.9 The SEM images of the samples

圖6 燒成溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和氣孔率的影響Fig.6 The influence of firing temperature on thermal conductivity and porosity

圖8 保溫時(shí)間對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和氣孔率的影響Fig.8 The influence of holding time on thermal conductivity and porosity

2.5 氣孔的形成機(jī)理

從圖9可知，樣品含有大量的氣孔，氣孔分布比較均勻，且氣孔多是規(guī)整的形狀，內(nèi)壁光滑圓整。其形成機(jī)理如下：當(dāng)泡沫粉煤灰保溫磚的配料被加熱到600℃左右時(shí)，玻璃粉開(kāi)始粘連并形成空腔，這時(shí)發(fā)泡劑被封閉在空腔之中，當(dāng)溫度達(dá)到898℃時(shí)，發(fā)泡劑碳酸鈣發(fā)生以下反應(yīng)：CaCO3→CaO+CO2↑，CaCO3+SiO2→CaSiO3+co2↑，使材料變成多孔結(jié)構(gòu)，而軟化的粘性玻璃由于表面張力的作用，在材料內(nèi)部排出的氣體作用下開(kāi)始膨脹。同時(shí)，產(chǎn)生的CO2和粉煤灰中未燃盡的炭發(fā)生以下反應(yīng)：CO2+C→2CO，產(chǎn)生的CO與粉煤灰中的F e2O3發(fā)生以下反應(yīng)：Fe2O3+CO→2 FeO+CO2，F(xiàn)e2O3+3CO→2Fe+3CO2，產(chǎn)生的CO2又與C發(fā)生反應(yīng)生成CO，如此反復(fù)不斷進(jìn)行，氣體數(shù)量越來(lái)越多，從而使材料在高溫?zé)崴苄酝鈿し忾]下逐漸膨脹起來(lái)[7]。這就同時(shí)滿足粉煤灰泡沫材料經(jīng)燒制而引起膨脹的兩個(gè)條件：一方面在高溫下形成具有一定粘度的熔融物；另一方面當(dāng)物料達(dá)到一定粘度狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生足夠的氣體。在高溫下的熱膨脹，是固相、液相、氣相三相動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）制備泡沫粉煤灰保溫磚的最佳工藝參數(shù)為粉煤灰用量50 wt%，石灰石用量15 wt%，燒成溫度1050℃，保溫時(shí)間90 min。

（2）在最佳制備工藝條件下粉煤灰保溫磚的密度、氣孔率、導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到0.55 g/c m3，58.8%，0.13 W/m·k，4.0 MPa。

（3）泡沫粉煤灰保溫磚氣孔的形成機(jī)理是一種氣相、液相和固相之間動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果。

1 任邵明,郭漢丁,續(xù)振艷.我國(guó)建筑節(jié)能市場(chǎng)的外部性分析與激勵(lì)政策.建筑能耗,2009,(1):75～76

2 孫鳳明,李娟.既有居住建筑節(jié)能改造研究.工業(yè)建筑,2008,(3):35～38

3 張德信編著.建筑保溫隔熱材料.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006

4 蔣繼圣,羅玉萍,蘭翔編著.新型建筑絕熱,吸聲材料.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002

5 劉小波,孟祥銀.粉煤灰輕質(zhì)保溫磚的研制.硅酸鹽建筑制品,1995,(2):26～28

6 邵洪江,孫鳳緊,丁鑄.粉煤灰泡沫混凝土研究.山東建材,1999,(2):1～5

7 李剛.新型粉煤灰墻體材料研究.長(zhǎng)安大學(xué),2004