二次鋁灰和粉煤灰制備輕質(zhì)耐火保溫材料

蕭淋耀

重慶力耀耐火材料有限公司 重慶 401332

水泥泡沫混凝土是一種多孔性墻體保溫材料，內(nèi)部含有大量氣孔，具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、隔音等優(yōu)越性能。當(dāng)前廣泛使用的水泥泡沫混凝土，存在脆性大、強(qiáng)度低、吸水率高、抗凍及抗裂性能差等諸多缺陷。新型墻體保溫材料的發(fā)展方向是研制和發(fā)展一體化建筑保溫材料，不但要求材料具有較小的干密度和良好的保溫性能，同時(shí)還要求具有較高的抗壓、抗拉性能，使得材料具有必要的承重和抗裂防震能力，還要求保溫材料具有良好的與環(huán)境相適應(yīng)的耐水、耐凍等性能。實(shí)踐表明，摻入無機(jī)摻合料是改善水泥泡沫混凝土成型、力學(xué)以及相關(guān)物理性能的重要途徑，開展無機(jī)摻合料改性水泥泡沫混凝土的研究具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義。因此，本文將從抗壓強(qiáng)度、混凝土結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面就粉煤灰、硅灰這兩種無機(jī)摻合料對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，以期對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的改性實(shí)踐起到參考作用[1]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)中二次鋁灰由河南某鋁加工企業(yè)提供,粉煤灰由河南某礦業(yè)有限公司熱電廠提供[2]。采用MagiX(PANalytical)熒光分析儀分析二次鋁灰和粉煤灰主要元素組成，其中二次鋁灰的主要元素組成為(%):Al36.40、023.33、Mg4.77、C114.59、F1.34、Si0.69、Na7.32、K4.56、Ca0.95、Ti0.42、Fe0.54;粉煤灰主要元素組成為(%):A120348.30、Si0240.24、Ca03.17、Fe2032.70、MgO0.03、Ti021.92、K200.28、Na200.13、S0.064、P0.092、C1.45。二次鋁灰主要元素為鋁、氯、鎂、鈉、氟、硅、鈣、鐵和鈦，其中主要元素為鋁，其中氯元素主要是以氯化鈉和氯化鉀的鹽分存在。粉煤灰的主要成分為A12O3和Si02，其總含量為88.5%，A/S質(zhì)量比為1.20。粉煤灰的玻璃相含量約35.6%，主要雜質(zhì)成分Fe2O3的含量為2.70%，其中單質(zhì)Fe含量約0.5%(換算成Fe203約0.71%)，堿金屬氧化物含量總和(K20+Na20)＜0.5%。同時(shí)，少量的殘C(1.45%)可在制備輕質(zhì)耐火材料過程中燒盡除去凹[3]。

1.2 力學(xué)試驗(yàn)方法

制備邊長為10cm的正方體試塊，并測(cè)量試塊的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度取值為3個(gè)試塊抗壓強(qiáng)度的均值。值得注意的是，如果某試塊的抗壓強(qiáng)度值與均值的差值的絕對(duì)值＞均值，則應(yīng)該剔除該試塊，取剩余試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)量值的均值作為試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度。制備長為16cm、寬與高均為4cm的長方體試塊，并測(cè)量試塊的抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度取值方法同抗壓強(qiáng)度取值方法。

1.3 性能檢測(cè)

根據(jù)GB/T2997-2000，檢測(cè)燒后試樣的體積密度和顯氣孔率；根據(jù)YB/T4130-2005，采用水流量平板法測(cè)定燒后試樣的導(dǎo)熱系數(shù)(350～1000C)；根據(jù)GB/T5072-2008，檢測(cè)燒后試樣的冷態(tài)(高溫)耐壓強(qiáng)度；根據(jù)GB/T5988-2007，測(cè)定試樣的加熱線變化；采用X'PertPRO型X射線衍射儀分析制品的XRD衍射圖譜；采用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡觀察制品的微觀形貌[4]。

1.4 Si02氣凝膠的熱穩(wěn)定性分析

Si02氣凝膠在0～332°C處出現(xiàn)了較平緩的失重，這是SiO2氣凝膠孔隙和表面存在的少量水和乙醇蒸發(fā)導(dǎo)致的;在320～608°C出現(xiàn)了快速失重,這主要是疏水基團(tuán)-CH3的氧化放熱所致;溫度繼續(xù)升高至900°C時(shí)，Si02氣凝膠出現(xiàn)了親水性質(zhì)，質(zhì)量變化逐漸趨于平緩。此外，當(dāng)草酸用量≤1.5mL時(shí)，SiO2氣凝膠的質(zhì)量損失逐漸減小；當(dāng)草酸用量為1.5mL時(shí)，質(zhì)量損失最小，熱穩(wěn)定最好；當(dāng)草酸用量增加至2.0mL時(shí)，質(zhì)量損失出現(xiàn)輕微增大。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，隨著草酸用量的增加，SiO2氣凝膠的殘?zhí)柯手饾u升高，耐高溫性逐漸增大，熱分解溫度逐漸升高，使得樣品的質(zhì)量損失減小，熱穩(wěn)定性增強(qiáng);但過量的草酸摻雜，使得局部出現(xiàn)顆粒團(tuán)聚，在升溫過程中容易吸熱揮發(fā)導(dǎo)致質(zhì)量損失較大凹。整體來看，樣品在900C高溫下的熱失重曲線逐漸趨于水平，說明制備的SiO2氣凝膠可承受900°C的高溫，能夠滿足建筑領(lǐng)域超高性能隔熱保溫材料的使用要求。

1.5 SiO2氣凝膠顆粒直接加入纖維網(wǎng)

通過短纖鋪網(wǎng)加固成型的非織造布，可在纖維鋪網(wǎng)后加固前，增加氣凝膠顆粒添加裝置，將氣凝膠顆粒添加至纖維網(wǎng)，隨著后續(xù)加固使氣凝膠顆粒與非織造布固結(jié)在一起。此方法可添加的氣凝膠含量較大，但在后續(xù)加固時(shí)由于較大的壓力或摩擦力可能會(huì)使氣凝膠結(jié)構(gòu)破損，從而使所添加氣凝膠的有效率降低。在熱風(fēng)非織造布(PE-PET)纖網(wǎng)進(jìn)入熱風(fēng)自黏合工序前，創(chuàng)新性地采用自然沉降法將SiO2氣凝膠分別黏附在0.1tex、0.3tex的PE-PET皮芯結(jié)構(gòu)纖維表面。研究人員在鋪網(wǎng)和熱風(fēng)工序之間添加盛有氣凝膠顆粒的網(wǎng)篩裝置，通過篩網(wǎng)的抖動(dòng)使氣凝膠顆粒自然沉降到PE-PET纖維網(wǎng)上，通過保暖性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)0.3tex熱風(fēng)氣凝膠氈的保暖性能高于0.1tex熱風(fēng)氣凝膠氈。在玻纖針刺氈制備過程中，在玻璃纖維網(wǎng)進(jìn)入針刺加固工序之前，將1μm～200μm的氣凝膠粉末加入由溶劑、分散劑、穩(wěn)定劑等組成的溶液中，攪拌均勻后，用噴槍吸取噴于玻璃纖維網(wǎng)上，然后針刺形成了氣凝膠玻纖氈。

2 結(jié)果分析

2.1 原料配比對(duì)試樣性能的影響

在1200°C下燒結(jié)1h,研究不同高鋁料和粉煤灰配比對(duì)輕質(zhì)保溫耐火材料性能指標(biāo)的影響，數(shù)據(jù)可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，試樣的體積密度逐漸降低，顯氣孔率逐漸升高，線收縮率逐漸降低，常溫耐壓強(qiáng)度先增大后降低。充分考慮制備試樣的體積密度和常溫耐壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系，優(yōu)選了高鋁料40%、粉煤灰60%為最佳配料比例。此種配比下制備的輕質(zhì)耐火保溫材料試樣的體積密度為0.90g/cm3,顯氣孔率為61.55%，線收縮率為1.47%，常溫耐壓強(qiáng)度為3.57MPa。。

2.2 市售SiO2氣凝膠氈/板性能分析

目前市場(chǎng)上較為成熟的產(chǎn)品為超臨界法干燥玻璃纖維復(fù)合SiO2氣凝膠氈。為了解我國市售氣凝膠氈性能，目前全國市場(chǎng)上產(chǎn)業(yè)化的玻璃纖維復(fù)合SiO2氣凝膠氈并根據(jù)GB/T34336—2017《納米孔氣凝膠復(fù)合絕熱制品》和ASTMC1728—17《柔性氣凝膠絕熱材料規(guī)范》對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行測(cè)試分析。根據(jù)市場(chǎng)產(chǎn)品規(guī)格發(fā)現(xiàn)目前主流氣凝膠氈厚度為5mm～10mm，比傳統(tǒng)絕熱材料薄，導(dǎo)熱系數(shù)類型為A類，憎水型產(chǎn)品燃燒性能A2級(jí)，非憎水型產(chǎn)品燃燒性能A1級(jí)。測(cè)試結(jié)果表明：厚度偏差可滿足國標(biāo)要求，但部分產(chǎn)品無法滿足ASTM要求，主要是玻纖針刺氈的工藝控制略有不足；產(chǎn)品25℃下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.017W/(m·K)～0.021W/(m·K)，均滿足國標(biāo)和ASTM要求；橫向抗拉強(qiáng)度為1MPa～3.8MPa，縱向抗拉強(qiáng)度為0.5MPa～0.9MPa，遠(yuǎn)超國標(biāo)要求；憎水型氣凝膠氈不燃性測(cè)試無法通過，燃燒等級(jí)可達(dá)到A2級(jí)，非憎水型產(chǎn)品可通過不燃性測(cè)試達(dá)到A1級(jí)；憎水型產(chǎn)品憎水率可達(dá)到99%以上，吸水率小于1%，具有很好的防水性能，可達(dá)國標(biāo)要求[5]。

2.3 粉煤灰對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

粉煤灰這一無機(jī)摻合料憑借“粉煤灰效應(yīng)”，經(jīng)常作為混凝土的改性材料，其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響主要有以下幾方面：（1）粉煤灰的形態(tài)是玻璃微珠，將其加入混凝土后可以起到潤滑混凝土的作用，一方面避免水泥在水化初期形成凝絮影響漿體的流變性，另一方面減少水的加入量，增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，即粉煤灰的“形態(tài)效應(yīng)”；（2）SiO2與Al2O3是粉煤灰中的活性成分，可以和水泥中的Ca（OH）2產(chǎn)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，特別是水化硅酸鈣，可以起到增強(qiáng)泡沫混凝土黏結(jié)力與強(qiáng)度的作用，進(jìn)而提高泡沫混凝土的穩(wěn)定性、耐久性，即粉煤灰的“活化效應(yīng)”；（3）泡沫混凝土是一種多孔水泥混凝土材料，粉煤灰顆粒可以起到泡沫混凝土泡沫細(xì)孔、孔隙的微填料作用，提高水泥機(jī)體的密實(shí)性與強(qiáng)度，即粉煤灰的“微集料效應(yīng)”。在粉煤灰摻入試驗(yàn)中，用粉煤灰對(duì)水泥進(jìn)行等量替換，對(duì)配合比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.4 導(dǎo)熱性能

隨著玻璃纖維在聚氨酯發(fā)泡材料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)熱系數(shù)呈先降低后增加的趨勢(shì)，但均滿足聚氨酯發(fā)泡材料對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的基本要求。當(dāng)玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)最低，值為0.02W/m·K。未摻入玻璃纖維導(dǎo)熱系數(shù)為0.023W/m·K，導(dǎo)熱系數(shù)降低了13.0%，說明玻璃纖維的加入可以降低聚氨酯發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫性能。當(dāng)玻璃纖維大于6%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨之升高；當(dāng)玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，試樣比未摻入玻璃纖維的導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加，達(dá)到0.026W/m·K，表明玻璃纖維加入到一定的范圍時(shí)，玻璃纖維使得聚氨酯發(fā)泡材料內(nèi)部的泡孔破裂，然后玻璃纖維填充了泡孔部位，使得導(dǎo)熱系數(shù)增加。因此，綜合考慮壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，玻璃纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)的性能最佳。

2.5 物理性能

將堿催化劑滴加到溶膠中至形成濕凝膠，時(shí)間記為Si02氣凝膠的凝膠時(shí)間，用SiO2氣凝膠的質(zhì)量除以體積來表征密度ρ，采用全自動(dòng)比表面積與孔隙度分析儀對(duì)Si02氣凝膠的比表面積和孔徑進(jìn)行測(cè)試，介質(zhì)為N2，測(cè)試溫度為-190C,孔隙率P按照式(1)進(jìn)行計(jì)算:P=1-ρbρsX100%式中:ρb為SiO2氣凝膠的體積密度，kg/m3;ρs為SiO2氣凝膠的骨架密度，定為1900kg/m3。Si02氣凝膠隔熱材料的FT-IR譜圖為Si02氣凝膠隔熱材料的凝膠時(shí)間、密度、孔隙率、孔體積、比表面積和孔徑分布。Si02氣凝膠的孔徑變化較小，基本都在30.5～31.4nm之間;而凝膠時(shí)間、孔隙率、孔體積呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì);密度先升高后降低。當(dāng)氨水濃度為5mo1/L時(shí)，Si02氣凝膠的凝膠時(shí)間最短為13.2min，密度最大為0.14g/cm3，孔隙率最小為92.34%。這是因?yàn)殡S著氨水濃度的增加，催化效率得到提高，從而增加了氣凝膠的致密性和密度，降低孔隙率，縮短了凝膠時(shí)間，但當(dāng)氨水濃度過大時(shí)，溶膠體系中會(huì)出現(xiàn)局部先凝膠和團(tuán)聚現(xiàn)象，影響了凝膠整體的均勻程度,從而導(dǎo)致凝膠時(shí)間增大，孔隙率出現(xiàn)升高。

3 結(jié)論

針對(duì)保溫材料多孔介質(zhì)的特點(diǎn)，建立兩相多孔材料導(dǎo)熱系數(shù)模型。利用保溫材料吸濕過程中的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。主要得到以下結(jié)論：（1）采用均勻處理化方法，建立了基于最小熱阻力法則的導(dǎo)熱系數(shù)模型。與串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、W-M模型相比，本文提出的導(dǎo)熱系數(shù)模型在預(yù)測(cè)聚氨酯保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)方面具有更高的預(yù)測(cè)精度。（2）孔隙率與含水率均是影響聚氨酯保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素。保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率增大而減小，隨含水率的增大而增大。（3）若保溫材料長期吸濕，將導(dǎo)致保溫材料的保溫性能大幅降低[6]。因此，需要提高保溫材料的憎水性，并做好渠道的防滲處理，使保溫材料在服役期間處于較為干燥的狀態(tài)，以減小環(huán)境因素對(duì)其保溫性能的影響。

4 結(jié)束語

建筑節(jié)能保溫技術(shù)的快速發(fā)展加速了各類新型節(jié)能保溫材料研發(fā)，并已廣泛應(yīng)用于多領(lǐng)域建筑工程實(shí)踐當(dāng)中。本文立足于節(jié)能保溫材料在建筑外墻中的應(yīng)用實(shí)際，以建筑外墻保溫工程需求出發(fā)，科學(xué)選擇外墻保溫材料，最大限度發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢(shì)為目的，依據(jù)節(jié)能保溫材料分類分析差異化優(yōu)勢(shì)特征，研究建筑外墻應(yīng)用節(jié)能保溫材料應(yīng)用準(zhǔn)則，并系統(tǒng)闡述了節(jié)能保溫材料在建筑外墻的實(shí)際應(yīng)用，以期為建筑外墻的節(jié)能保溫理論研究和相關(guān)工程實(shí)踐提供參考借鑒，助力節(jié)能保溫建筑的良性發(fā)展。