生態(tài)外墻保溫板的膠結(jié)材料研究

朱曉麗，陳瑞軍，劉 剛

（1.唐山學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系，河北 唐山 063000；2.河北省無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)驗(yàn)室 華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河北 唐山 063210）

外墻板作為一種新型的低碳建筑材料，成為近些年外墻裝飾材料的新寵。傳統(tǒng)的保溫板膠粘劑采用有機(jī)聚合物和水泥組合成聚合物砂漿，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，粘接強(qiáng)度會(huì)受到一定的影響。針對(duì)這一缺陷，本文研發(fā)出一種新型膠粘劑，其間無(wú)須使用有機(jī)膠結(jié)材料，而是以無(wú)機(jī)礦渣微粉為主要原料，采用水玻璃、氫氧化鈉作為外加劑，摻加鐵尾礦砂以及少量的粉煤灰作為砂漿集料，制成無(wú)機(jī)膠粘劑，然后用泡沫板或擠塑板作為保溫材料，使其與陶瓷板粘接，制成生態(tài)外墻保溫板。

1 原材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥、礦渣微粉作為無(wú)機(jī)堿激發(fā)膠結(jié)材料，鐵尾礦砂以及少量的粉煤灰作為砂漿集料，礦渣微粉比表面積控制在500 m/kg左右，鐵尾礦砂通過(guò)2.5 mm 方孔篩，篩余不大于2%，粉煤灰通過(guò)45 μm 方孔篩，篩余不大于12%。采用的激發(fā)劑水玻璃模數(shù)為2.4 ～2.6，顆粒狀NaOH 純度為96%。原材料礦渣微粉、鐵尾礦砂及粉煤灰化學(xué)成分如表1 所示。

表1 原材料化學(xué)成分

試驗(yàn)礦渣微粉摻加量在一定區(qū)間內(nèi)選擇，根據(jù)不同配比測(cè)定試體的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)步驟具體如下：按照設(shè)計(jì)要求，外加劑、粉煤灰和水灰比（W/C）作為定量，保持不變，水玻璃中含水量計(jì)入用水量。礦渣微粉摻量為60%～65%，相應(yīng)的鐵尾礦摻量為3%～35%，粉煤灰均為5%，水玻璃、氫氧化鈉均為礦渣微粉的4%，制成規(guī)格為40 mm× 40 mm×160 mm 的長(zhǎng)方體試體。將制備好試體帶模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)1 d 后拆模。脫模后的試件在不同的齡期進(jìn)行抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 礦渣微粉替代硅酸鹽水泥研究

用相同質(zhì)量的礦渣微粉與42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥對(duì)比測(cè)定試體強(qiáng)度，結(jié)果如表2 所示。

表2 礦渣微粉與水泥試體強(qiáng)度

礦渣微粉試體的28 d 抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到8.2 MPa、56.2 MPa，而硅酸鹽水泥試體28 d 抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度分別為7.1 MPa、43.7 MPa。礦渣微粉作為膠凝材料，其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均高于硅酸鹽水泥試體。礦渣微粉作為膠結(jié)材料，可以替代硅酸鹽水泥。在液態(tài)水玻璃及高濃度OH離子的作用下，礦渣微粉表面的玻璃體結(jié)構(gòu)被破壞，堿溶液能夠促進(jìn)膠凝材料中Ca、Si、Al 元素的溶解而形成水化硅酸鈣凝膠，從而影響其強(qiáng)度發(fā)展。對(duì)于礦渣微粉與堿溶液反應(yīng)制備的無(wú)機(jī)膠結(jié)材料，制備過(guò)程無(wú)須高溫煅燒，具有節(jié)約能源、凝結(jié)快、耐侵蝕性?xún)?yōu)良等特點(diǎn)。礦渣微粉替代水泥作為膠結(jié)材料，不需要再加入有機(jī)膠凝材料，抗老化、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)明顯。因此，試驗(yàn)利用礦渣微粉代替硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料。

2.2 膠結(jié)材料及集料的確定

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，采用礦渣微粉作為膠結(jié)材料，摻加鐵尾礦砂及少量的粉煤灰作為砂漿集料。選取礦渣微粉摻加比例在60%～65%，粉煤灰5%和水膠比0.26 作為定量，相應(yīng)的鐵尾礦摻量為30%～35%，外加劑水玻璃、氫氧化鈉均為礦渣微粉的4%，分別測(cè)定3 d、28 d 抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同礦渣微粉摻量配合比對(duì)強(qiáng)度的影響

由表3 可見(jiàn)，在粉煤灰摻量一定的情況下，隨著礦渣微粉用量的增加，試體的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有提升，出現(xiàn)峰值后又有所下降。當(dāng)?shù)V渣微粉的摻量保持在一定范圍時(shí)，試體的強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)較優(yōu)值。采用水玻璃、NaOH 激發(fā)礦渣微粉，堿激發(fā)礦渣材料水化后重要的特征就是收縮，對(duì)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期性能有著較大影響，同時(shí)在膠結(jié)材料中摻加一定量的鐵尾礦砂及少量粉煤灰，其作用是降低水化放熱量，降低試體的收縮變形，同時(shí)不會(huì)影響水化產(chǎn)物的形成。礦渣微粉的較優(yōu)摻加范圍為62%～64%。因此，確定礦渣微粉、鐵尾礦砂和粉煤灰的百分比為63%、32%、5%，外加劑水玻璃和氫氧化鈉摻加量均為礦渣膠結(jié)材料用量的4%，水灰比為0.26，將其作為制備膠粘劑的 配比。

2.3 膠結(jié)材料的微觀分析

2.3.1 激發(fā)純礦渣微粉的水化試驗(yàn)

礦渣微粉作為膠結(jié)材料，水化28 d 時(shí)試樣的電鏡照片顯示，漿體結(jié)構(gòu)中顆粒間存在許多絮凝狀物質(zhì)。能譜分析表明，水玻璃OH的極性作用較強(qiáng)，容易破壞礦渣顆粒的Ca-O、Si-O 和Al-O 鍵，從而促進(jìn)礦渣水化反應(yīng)，生成更多低Ca/Si 的凝膠，這些絮凝狀物質(zhì)為無(wú)定型態(tài)的C-S-H 凝膠，尤其在礦渣顆粒間形成的水化硅酸鈣粒子的凝膠對(duì)堿激發(fā)礦渣強(qiáng)度的發(fā)展起主要作用。

2.3.2 激發(fā)礦渣微粉及集料的水化試驗(yàn)

礦渣微粉及集料水化28 d 時(shí)試樣的電鏡照片顯示，C-S-H 凝膠多且集料大顆粒較多，而大顆粒被凝膠包裹。因此，在一定粒徑范圍內(nèi)，鐵尾礦砂粒徑越大，被膠凝材料膠結(jié)包裹的面積越大，大顆粒之間的孔隙可以被小顆粒鐵尾礦砂及粉煤灰填充，顆粒填充效果好，堆積密度大，相對(duì)比表面積大，與水化硅酸鈣凝膠的膠結(jié)作用更強(qiáng)，強(qiáng)度更高。

2.4 生態(tài)外墻保溫板的制備

制備生態(tài)外墻保溫板前，首先將陶瓷板浸濕，然后按照上述試驗(yàn)得到的最優(yōu)配比制備生態(tài)外墻保溫板的膠粘劑。將稱(chēng)量好的各種原料倒入攪拌鍋中拌勻，加入少量水先溶解氫氧化鈉，然后加入液態(tài)水玻璃，攪拌均勻，加水至礦渣微粉量的26%。攪拌好后將其倒入攪拌鍋中，由水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌均勻，用小鏟將攪拌好的砂漿均勻地鋪在陶瓷板上，然后將保溫材料放在鋪好砂漿的陶瓷板上，按壓使其粘接牢固，最后將制好的陶瓷保溫板養(yǎng)護(hù)1 周左右。養(yǎng)護(hù)條件為：溫度15 ～25 ℃，相對(duì)濕度大于50%。

生態(tài)外墻保溫板的制備過(guò)程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：要充分拌勻膠粘劑砂漿，砂漿不能出現(xiàn)離析、分層現(xiàn)象；涂抹的厚度在5 mm 左右；按壓時(shí)，泡沫板或擠塑板保溫材料四周要按壓均勻；一次配制量最好在45 min 之內(nèi)用完。

2.5 生態(tài)外墻保溫板力學(xué)性能

用泡沫板或擠塑板作為保溫材料，使其與陶瓷板通過(guò)無(wú)機(jī)膠粘劑結(jié)合，制成生態(tài)外墻保溫板。養(yǎng)護(hù)7 d 后，分別測(cè)定其拉伸粘接強(qiáng)度。

對(duì)試樣A 外墻保溫板進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，5 組試樣 7 d 拉伸粘接強(qiáng)度的測(cè)定值均大于0.10 MPa，由結(jié)果可以看到，泡沫板與陶瓷板接觸面粘接良好，泡沫板內(nèi)部結(jié)構(gòu)被拉壞；試樣B 外墻保溫板做拉伸抗試驗(yàn)，其7 d 拉伸粘接強(qiáng)度也均大于0.10 MPa，擠塑板與陶瓷板接觸面粘接良好，擠塑板內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此，兩種生態(tài)外墻保溫板的拉伸粘接強(qiáng)度均符合外墻保溫膠粘劑技術(shù)性能指標(biāo)的要求（7 d 拉伸粘接強(qiáng)度大于0.1 MPa）。

3 結(jié)語(yǔ)

利用礦渣微粉、粉煤灰、鐵尾礦砂和外加劑制備無(wú)機(jī)膠粘劑，將泡沫板或擠塑板與陶瓷板粘接起來(lái)，為鐵尾礦砂、粉煤灰的回收利用找到了一個(gè)有效途徑，同時(shí)為新型建筑材料的發(fā)展開(kāi)辟了一個(gè)新通道。通過(guò)廢渣再利用、降低生產(chǎn)能耗等方式來(lái)降低生產(chǎn)成本，生態(tài)外墻保溫板有更加良好的經(jīng)濟(jì)效益。