利用淤泥制備建筑陶瓷外墻自保溫材料的研究

況學成+陳宗玲+胡麗芳+李思樂+張明珠+殷敏

摘 要：本實驗選用來源廣泛的河道淤泥取代常用的陶瓷原料粘土，利用發(fā)泡工藝制備新型燒結(jié)陶瓷自保溫磚，此燒結(jié)陶瓷保溫磚具有密度小、導熱系數(shù)小、抗壓強度大等特點。利用廢料開發(fā)自保溫體系承重和保溫相結(jié)合的墻體材料，既做到廢物利用又滿足了節(jié)能要求。

關(guān)鍵詞：淤泥；保溫材料；導熱系數(shù)；抗壓強度；發(fā)泡劑

1 引言

隨著世界能源的逐漸緊缺，以及保護環(huán)境的日益重視，廢物利用與節(jié)能將成為未來發(fā)展的主導，節(jié)約能源范圍較廣，其中建筑節(jié)能是節(jié)能減排的重要組成部分。開發(fā)新型的保溫墻體砌磚，完全符合這一發(fā)展趨勢。

目前，我國建筑節(jié)能方面采用外墻外保溫技術(shù)。但外墻外保溫體系受材料的限制，其設計壽命一般不超過25年，難以實現(xiàn)與建筑物同壽命，外墻裝飾也具有一定的局限性，此外，還需定期維護和維修。而外墻自保溫技術(shù)則是將建筑主體和圍護結(jié)構(gòu)的隔熱保溫融為一體，與外墻外保溫體系相比，具有造價低廉、維護費用低、外裝飾多樣化，與建筑主體同壽命等優(yōu)勢。

傳統(tǒng)的實心粘土磚由于質(zhì)量重、大量消耗資源、保溫性能差，將逐漸被新型的墻體保溫材料所取代。外墻自保溫體系由于其材料密度小，只有普通實心粘土磚的1/5～1/3重，保溫隔熱性能好、耐火性好，且施工技術(shù)成熟簡單，很適合節(jié)能市場的需求。

本試驗選用來源廣泛的河道淤泥取代常用的陶瓷原料粘土，通過高溫發(fā)泡劑的發(fā)泡原理，在燒制過程中形成一定形狀和大小的空洞，達到降低導熱系數(shù)目的，從而獲得建筑陶瓷外墻自保溫材料。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗原料及設備

佛山某河道淤泥、Na2CO3、CaCO3、Na2SiO3·5H2O， 數(shù)顯抗壓強度試驗機，導熱系數(shù)測試儀，電爐，手動壓片機等。

2.2 實驗方法

本課題選擇用正交實驗法，使用Na2CO3為助熔劑來調(diào)節(jié)淤泥的燒結(jié)溫度。取淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣和燒成溫度為四個因素、選取三個水平，并以導熱系數(shù)，抗壓強度為測量考察指標，按配方設計表1進行實驗。然后用Na2SiO3·5H2O取代最優(yōu)配方E10里面的Na2CO3做助熔劑，按照表2進行實驗。最后對助熔劑Na2SiO3·5H2O進行單因素實驗，按照表3進行實驗。

2.3 性能測試

本實驗所測試的產(chǎn)品性能主要有真密度、體積密度、顯氣孔率、真氣孔率以及閉口氣孔率、導熱系數(shù)、抗壓強度，以及SEM掃描分析。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 正交實驗的結(jié)果與分析

本文選取淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣和燒成溫度為正交實驗的四個因素，并選取三個水平，以導熱系數(shù)，抗壓強度為測量考察指標，進行正交優(yōu)化實驗。實驗結(jié)果如表4所示。 綜合上面分析，得到材料的最優(yōu)配方為：A3B3C2D2，即淤泥90 g、Na2CO3 15 g、CaCO3 10g，燒成溫度為1050℃。所以我們定此優(yōu)化配方編號為E10（淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%、燒成溫度1050 ℃，此時導熱系數(shù)為0.5352 W/m·k、抗壓強度為20MPa。）。

3.2 用五水硅酸鈉取代碳酸鈉

從正交實驗優(yōu)化出最優(yōu)配方為E10，為了進一步改善保溫材料的性能，在此優(yōu)化配方上，選用Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3來做助熔劑進行實驗，實驗結(jié)果如表5所示。

從表5中可以得出，Na2SiO3·5H2O比Na2CO3做助熔劑效果更好，主要原因如下：（1） Na2O引入可以降低燒結(jié)溫度，增加玻璃相，玻璃相的增加會使得氣泡的溶解度增大，氣孔率下降。Na2SiO3·5H2O和Na2CO3兩者都引入了Na2O，但是后者引入Na2O的量更多，所以相同質(zhì)量的Na2SiO3·5H2O和Na2CO3所起到的助熔效果不一樣，明顯Na2CO3的助熔效果更好，燒結(jié)溫度更低，產(chǎn)生的玻璃相也更多，從而氣泡被消除的比較多，氣孔率比較低。（2） 相同量的Na2CO3和Na2SiO3·5H2O引入的Na+的量不同，Na2CO3引入的Na+比Na2SiO3·5H2O引入的Na+量多，所以Na2CO3的降粘作用更大。Na2SiO3·5H2O做助熔劑比Na2CO3做助熔劑的熔體粘度大，從而導致氣體難以排出，提高氣孔率。（3）氣孔率的高低與導熱系數(shù)的成反比的關(guān)系，氣孔率越高的保溫材料，導熱系數(shù)也越低，Na2SiO3·5H2O做助熔劑時，氣孔率明顯比較高，而且多為閉口氣孔，使得導熱系數(shù)更低。（4）氣孔率高的材料密度也比較小，Na2SiO3·5H2O做助熔劑時的氣孔率更高，所以密度相應更小。（5）選Na2SiO3·5H2O做助熔劑時，不僅氣孔率高，而且多為閉口氣孔，所以材料的吸水率遠遠低于Na2CO3做助熔劑的吸水率。（6）氣孔率越低的材料，抗壓強度越大，Na2SiO3·5H2O做助熔劑時，氣孔率比較高，相應的抗壓強度本應該越小，但是Na2SiO3·5H2O做助熔劑時引入了大量的SiO2，使得反應CaCO3+SiO2→CaSiO3+CO2↑向右邊移動，生成了大量強度比較大的CaSiO3晶體。因此，Na2SiO3·5H2O做助熔劑時的抗壓強度大于Na2CO3做助熔劑的抗壓強度。所以，Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3做助熔劑時，保溫材料的各項性能更好。

通過SEM掃描圖（見圖1）（E10和F1的掃描圖）可以得出，用Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3做助熔劑，并加入適當?shù)牧?，氣孔率較E10明顯增多，氣孔孔徑也從10-20 μm增大到150 μm左右，氣孔呈圓球狀，且氣孔大小較均勻。

3.3 Na2SiO3·5H2O加入量的影響

根據(jù)前面的對比結(jié)果，得出Na2SiO3·5H2O做助熔劑時，保溫材料的各項性能更好。所以選用Na2SiO3·5H2O做助熔劑，然后考慮助熔劑不同加入量對各項性能的影響。各項性能的測試結(jié)果如表6所示。

綜合考慮保溫材料的性能要求，從表6中可以看出，當Na2SiO3·5H2O加入量為30 g時，保溫材料的總體性能比較好。優(yōu)化配方為F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 結(jié)論

（1） 在淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣、燒成溫度的四因素三水平的實驗中，通過分析四因素對兩個性能指標導熱系數(shù)和抗壓強度的影響，得到最優(yōu)配方為E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，燒成溫度為1050 ℃。此時，導熱系數(shù)為0.5352 W/ m·k、抗壓強度為20 MPa。

（2） 在本試驗條件下，用NaSiO3·5H2O做助熔劑保溫材料的各項性能明顯好于Na2CO3做助熔劑保溫材料。此時，導熱系數(shù)為0.4986 W/ m·k、抗壓強度為 25MPa。

（3） 在NaSiO3·5H2O單因素實驗結(jié)果中，得出最佳配方為F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此時，各項性能指標分別為：真氣孔率為83%、密度為0.75 g/cm3、導熱系數(shù)為0.1123 W/m·k、抗壓強度為19MPa、吸水率為4.5%。

參考文獻

[1] 趙毅，朱振峰等.多孔陶瓷材料的研究現(xiàn)狀及應用.陶瓷.2008

（11）：27～30.

[2] 田杰謨，李信勇，張勇等.浸漿法制備生物多孔陶瓷[J ] .功能材

料. 2002 ，33 （6） ：656～657.

[3] 任雪潭，曾令可等.泡沫陶瓷制備工藝的探討.材料科學與工程.

2001 ，19 （1） ：102～103.

[4] 王慧，曾令可，張海文等.多孔陶瓷- 綠色功能材料[J ] .中國陶

瓷. 2002 ，38 （3） ：6～8.

[6] Kin YW，Kim SH，Park CB. Processing of closedcell silicon

oxycarbide foams from a preceramic polymer[J]. Jounal of Materials

Science，2004，39（18）：p5647～5652

[7] Colombo P，Scheffler M，ect.Conductive ceramic foams from a

preceramic polymer[J].Journal of the American Ceramic Society，

2001，84（10）：2265～2268.

[8] Colombo P. Engineering porosity in polymer-derived ceramics[J].

Journal of the European Ceramic Society，2008，28（7）：1389～1395 . [9] 艾凡榮.泡沫注凝法制備多孔陶瓷的研究[D].景德鎮(zhèn)：景德鎮(zhèn)陶

瓷學院，2007.

[10] 張曉飛.發(fā)泡一膠凝法制備多孔陶瓷小球的研究[D].長沙：中

南大學，2006.

[11] Ilker Bekir Topcu，Burak Islkdag，Manufacture of high heat con

ductivity resistant clay bricks containing perlite[J]，Building and

Environment，2007，42（10）.

[12] 薛世浩，汪竹茂.利用淤泥制磚的半工業(yè)性試驗.磚瓦，1999，

（3）：21～25

[13] 李彬，金玲巧等.發(fā)泡劑對鉬渣多孔玻璃性能的影響.中國陶

瓷，2009（45）：28～30.

綜合考慮保溫材料的性能要求，從表6中可以看出，當Na2SiO3·5H2O加入量為30 g時，保溫材料的總體性能比較好。優(yōu)化配方為F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 結(jié)論

（1） 在淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣、燒成溫度的四因素三水平的實驗中，通過分析四因素對兩個性能指標導熱系數(shù)和抗壓強度的影響，得到最優(yōu)配方為E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，燒成溫度為1050 ℃。此時，導熱系數(shù)為0.5352 W/ m·k、抗壓強度為20 MPa。

（2） 在本試驗條件下，用NaSiO3·5H2O做助熔劑保溫材料的各項性能明顯好于Na2CO3做助熔劑保溫材料。此時，導熱系數(shù)為0.4986 W/ m·k、抗壓強度為 25MPa。

（3） 在NaSiO3·5H2O單因素實驗結(jié)果中，得出最佳配方為F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此時，各項性能指標分別為：真氣孔率為83%、密度為0.75 g/cm3、導熱系數(shù)為0.1123 W/m·k、抗壓強度為19MPa、吸水率為4.5%。

參考文獻

[1] 趙毅，朱振峰等.多孔陶瓷材料的研究現(xiàn)狀及應用.陶瓷.2008

（11）：27～30.

[2] 田杰謨，李信勇，張勇等.浸漿法制備生物多孔陶瓷[J ] .功能材

料. 2002 ，33 （6） ：656～657.

[3] 任雪潭，曾令可等.泡沫陶瓷制備工藝的探討.材料科學與工程.

2001 ，19 （1） ：102～103.

[4] 王慧，曾令可，張海文等.多孔陶瓷- 綠色功能材料[J ] .中國陶

瓷. 2002 ，38 （3） ：6～8.

[6] Kin YW，Kim SH，Park CB. Processing of closedcell silicon

oxycarbide foams from a preceramic polymer[J]. Jounal of Materials

Science，2004，39（18）：p5647～5652

[7] Colombo P，Scheffler M，ect.Conductive ceramic foams from a

preceramic polymer[J].Journal of the American Ceramic Society，

2001，84（10）：2265～2268.

[8] Colombo P. Engineering porosity in polymer-derived ceramics[J].

Journal of the European Ceramic Society，2008，28（7）：1389～1395 . [9] 艾凡榮.泡沫注凝法制備多孔陶瓷的研究[D].景德鎮(zhèn)：景德鎮(zhèn)陶

瓷學院，2007.

[10] 張曉飛.發(fā)泡一膠凝法制備多孔陶瓷小球的研究[D].長沙：中

南大學，2006.

[11] Ilker Bekir Topcu，Burak Islkdag，Manufacture of high heat con

ductivity resistant clay bricks containing perlite[J]，Building and

Environment，2007，42（10）.

[12] 薛世浩，汪竹茂.利用淤泥制磚的半工業(yè)性試驗.磚瓦，1999，

（3）：21～25

[13] 李彬，金玲巧等.發(fā)泡劑對鉬渣多孔玻璃性能的影響.中國陶

瓷，2009（45）：28～30.

綜合考慮保溫材料的性能要求，從表6中可以看出，當Na2SiO3·5H2O加入量為30 g時，保溫材料的總體性能比較好。優(yōu)化配方為F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 結(jié)論

（1） 在淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣、燒成溫度的四因素三水平的實驗中，通過分析四因素對兩個性能指標導熱系數(shù)和抗壓強度的影響，得到最優(yōu)配方為E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，燒成溫度為1050 ℃。此時，導熱系數(shù)為0.5352 W/ m·k、抗壓強度為20 MPa。

（2） 在本試驗條件下，用NaSiO3·5H2O做助熔劑保溫材料的各項性能明顯好于Na2CO3做助熔劑保溫材料。此時，導熱系數(shù)為0.4986 W/ m·k、抗壓強度為 25MPa。

（3） 在NaSiO3·5H2O單因素實驗結(jié)果中，得出最佳配方為F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此時，各項性能指標分別為：真氣孔率為83%、密度為0.75 g/cm3、導熱系數(shù)為0.1123 W/m·k、抗壓強度為19MPa、吸水率為4.5%。

參考文獻

[1] 趙毅，朱振峰等.多孔陶瓷材料的研究現(xiàn)狀及應用.陶瓷.2008

（11）：27～30.

[2] 田杰謨，李信勇，張勇等.浸漿法制備生物多孔陶瓷[J ] .功能材

料. 2002 ，33 （6） ：656～657.

[3] 任雪潭，曾令可等.泡沫陶瓷制備工藝的探討.材料科學與工程.

2001 ，19 （1） ：102～103.

[4] 王慧，曾令可，張海文等.多孔陶瓷- 綠色功能材料[J ] .中國陶

瓷. 2002 ，38 （3） ：6～8.

[6] Kin YW，Kim SH，Park CB. Processing of closedcell silicon

oxycarbide foams from a preceramic polymer[J]. Jounal of Materials

Science，2004，39（18）：p5647～5652

[7] Colombo P，Scheffler M，ect.Conductive ceramic foams from a

preceramic polymer[J].Journal of the American Ceramic Society，

2001，84（10）：2265～2268.

[8] Colombo P. Engineering porosity in polymer-derived ceramics[J].

Journal of the European Ceramic Society，2008，28（7）：1389～1395 . [9] 艾凡榮.泡沫注凝法制備多孔陶瓷的研究[D].景德鎮(zhèn)：景德鎮(zhèn)陶

瓷學院，2007.

[10] 張曉飛.發(fā)泡一膠凝法制備多孔陶瓷小球的研究[D].長沙：中

南大學，2006.

[11] Ilker Bekir Topcu，Burak Islkdag，Manufacture of high heat con

ductivity resistant clay bricks containing perlite[J]，Building and

Environment，2007，42（10）.

[12] 薛世浩，汪竹茂.利用淤泥制磚的半工業(yè)性試驗.磚瓦，1999，

（3）：21～25

[13] 李彬，金玲巧等.發(fā)泡劑對鉬渣多孔玻璃性能的影響.中國陶

瓷，2009（45）：28～30.