趙英良,邢 軍,劉 輝,邱景平,孫曉剛,李 浩

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2.招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦，招遠(yuǎn) 265400)

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多孔礦物聚合材料在外墻保溫方面應(yīng)用的試驗(yàn)研究

趙英良1,邢 軍1,劉 輝2,邱景平1,孫曉剛1,李 浩1

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819；2.招金礦業(yè)股份有限公司蠶莊金礦，招遠(yuǎn) 265400)

以偏高嶺土為主要原料，水玻璃為堿激發(fā)劑，雙氧水為發(fā)泡劑，通過(guò)聚合反應(yīng)制備外墻保溫材料。本次試驗(yàn)以水玻璃與偏高嶺土重量比、發(fā)泡劑用量和養(yǎng)護(hù)溫度為三個(gè)主要因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)確定保溫材料的最優(yōu)制備條件。試驗(yàn)中以體積密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)三個(gè)指標(biāo)來(lái)表征材料的性能，最終確定制備材料的最佳水玻璃與偏高嶺土的重量比為1.2, 雙氧水用量為3%，養(yǎng)護(hù)溫度為50 ℃。在此條件下所得外墻保溫材料的體積密度為296 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.091 W/(m·℃)，抗壓強(qiáng)度為0.92 MPa，性能指標(biāo)可滿足建筑外墻保溫的要求。

偏高嶺土； 礦物聚合材料； 外墻保溫； 正交試驗(yàn)

1 引 言

近年來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶動(dòng)了建筑行業(yè)的持續(xù)升溫。在我國(guó)現(xiàn)有的400多億平方米的建筑中，約有99%為高耗能建筑[1]。因此，需要開(kāi)發(fā)綠色建筑材料，以減少建筑耗能。其中采用外墻保溫材料是實(shí)驗(yàn)建筑節(jié)能的重要手段。

目前市場(chǎng)上應(yīng)用于建筑外墻的保溫材料主要為有機(jī)保溫材料，如EPS、XPS、PU等，這類(lèi)保溫材料雖然具有導(dǎo)熱系數(shù)小、質(zhì)量輕以及吸水率低等優(yōu)點(diǎn)，但其具有可燃性，一旦被點(diǎn)燃會(huì)釋放大量的熱量和有毒氣體[2,3]，造成嚴(yán)重的后果。另外，有機(jī)保溫材料容易老化、脫落、開(kāi)裂以及其生產(chǎn)和使用中引發(fā)的一系列環(huán)保問(wèn)題，使得有機(jī)保溫材料所暴露的問(wèn)題日益嚴(yán)重[4,5]。與有機(jī)保溫材料相比，無(wú)機(jī)保溫材料具有較好的防火性能，如巖棉、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、發(fā)泡玻璃和發(fā)泡陶瓷等[6,7]，但這類(lèi)保溫材料普遍具有導(dǎo)熱系數(shù)高的缺點(diǎn)。

在此背景下，本文研究應(yīng)用偏高嶺土制備多孔礦物聚合材料，應(yīng)用于外墻保溫，并通過(guò)正交試驗(yàn)確定了材料制備的最佳條件。

2 試 驗(yàn)

偏高嶺土(Metakaolin，MK)購(gòu)買(mǎi)自山東某建筑材料有限公司，其主要成分組成如表1所示。物相組成和粒度分布如圖1和圖2所示。由表1可以看出，偏高嶺土的主要成分為SiO2和Al2O3, 二者總量約為98%，且SiO2和Al2O3的摩爾比約為2。由圖1可知，偏高嶺土的物相主要為無(wú)定形相，可以檢測(cè)到少量的石英和白云母晶相。水玻璃(Water glass，WG)作為本次試驗(yàn)的堿激發(fā)劑，其中SiO2含量為26%，Na2O 含量為8.2%。雙氧水(H2O2，30%體積濃度)作為發(fā)泡劑。

表1 偏高嶺土成分組成Tab.1 Composition of metakaolin /%

圖1 偏高嶺土物相組成 (Q-石英，M-白云母)Fig.1 Phase composition of metakaolin

圖2 偏高嶺土粒度分布Fig.2 Size distribution of metakaolin

3 試驗(yàn)方法與討論

3.1 材料制備及性能檢測(cè)方法

偏高嶺土與水玻璃在水泥凈漿攪拌機(jī)中混合攪拌2 min，加入雙氧水后繼續(xù)攪拌2 min后注模。將試模在常溫下養(yǎng)護(hù)24 h后，然后分別置于不同的溫度下養(yǎng)護(hù)至7 d。

利用阿基米德排水法測(cè)量材料的體積密度，抗壓強(qiáng)度采用NYL-200D型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，樣品尺寸為50 mm×100 mm；導(dǎo)熱系數(shù)采用DRM-Ⅰ型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，樣品尺寸為20 cm×20 cm×2 cm。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)，以水玻璃與偏高嶺土的重量比、雙氧水用量以及養(yǎng)護(hù)溫度為試驗(yàn)因素，各因素選擇3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。補(bǔ)充誤差項(xiàng)，構(gòu)成4因素3水平L9(34)正交試驗(yàn)，因素水平表如表2所示，實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)方案L9(34)Tab.2 Orthogonal design plan L9(34)

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment program and results

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論

對(duì)表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出因素的主次和優(yōu)選方案(結(jié)果如表4所示)，并畫(huà)出各因素與各指標(biāo)的趨勢(shì)圖(如圖3～5所示)。

表4 試驗(yàn)結(jié)果分析表Tab.4 Analysis of Experiment Results

圖3 體積密度與各因素的趨勢(shì)圖Fig.4 Tendency chart of bulk density and different factors

圖4 導(dǎo)熱系數(shù)與各因素的趨勢(shì)圖Fig.4 Tendency chart of thermal conductivity and different factors

圖5 抗壓強(qiáng)度與各因素的趨勢(shì)圖Fig.5 Tendency chart of compressive strength and different factors

對(duì)于體積密度而言，發(fā)泡劑H2O2的用量為最主要因素，堿激發(fā)劑水玻璃的用量之比次之，最優(yōu)方案為B3A2C2，即H2O2用量為3%、水玻璃與偏高嶺土重量比為1.0、養(yǎng)護(hù)溫度為50 ℃時(shí)體積密度最小。由體積密度的趨勢(shì)圖(圖3)可以看出，隨著H2O2的用量增加，體積密度減小。這是由于H2O2的用量增加會(huì)產(chǎn)生更多的氣泡，使材料的孔隙度增加，進(jìn)而降低體積密度。水玻璃含量的增加會(huì)在一定程度上為H2O2的分解提供充足的堿性環(huán)境，而且水玻璃增加的同時(shí)使水的含量增加，料漿的濃度降低，使氣泡產(chǎn)生所受的阻力減小，使材料的體積密度降低。但過(guò)量的水玻璃會(huì)產(chǎn)生的較強(qiáng)堿性環(huán)境，使H2O2的分解速率增加，但此時(shí)材料還沒(méi)有凝固，而且料漿的濃度過(guò)低，產(chǎn)生的氣孔由于漿體的流動(dòng)性重新閉合，致使材料的孔隙率降低，體積密度增加。

導(dǎo)熱系數(shù)的變化與體積密度的變化成正相關(guān)關(guān)系，最優(yōu)方案為B3A2C2，即H2O2用量為3%、水玻璃與偏高嶺土重量比為1.0、養(yǎng)護(hù)溫度為50℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)最低。由圖4可以看出，隨著H2O2的用量增加，導(dǎo)熱系數(shù)降低。H2O2的用量增加產(chǎn)生更多的氣孔，使材料的孔隙率增加，由于氣孔中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低于材料中的固體部分，因此孔隙率的增高造成導(dǎo)熱系數(shù)的降低。

對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，堿激發(fā)劑水玻璃的用量為最主要因素，發(fā)泡劑H2O2的用量為次之，最優(yōu)方案為A3B1C2，即堿激發(fā)劑水玻璃的用量之比為1.2、H2O2用量為1%、養(yǎng)護(hù)溫度為50℃時(shí)抗壓強(qiáng)度最大。由圖5可以看出，隨著堿激發(fā)劑水玻璃的用量增加，材料的抗壓強(qiáng)度呈直線上升趨勢(shì)。這是由于水玻璃用量的增加使反應(yīng)體系中的可溶性Si的含量增加，進(jìn)而增加了SiO2/Al2O3之比，使得反應(yīng)產(chǎn)物中的Si-O-Si鍵的含量增加，由于Si-O-Si鍵的鍵能高于Si-O-Al鍵，所以材料的抗壓強(qiáng)度增加[8]。另一方面，水玻璃含量增加的同時(shí)使反應(yīng)體系中水的含量增加，作為可溶性離子的運(yùn)輸載體，水在聚合反應(yīng)中起到重要的作用[9]。H2O2含量的增加降低了材料的強(qiáng)度，這是由于H2O2含量的增加造成材料的孔隙率增加，使得抗壓強(qiáng)度降低。在本次試驗(yàn)中，抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度的總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與其它文獻(xiàn)中抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)溫度升高而增加的情況有所不同。由圖3可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，材料的體積密度上升，這是由于在較高的養(yǎng)護(hù)溫度能催進(jìn)H2O2的分解，產(chǎn)生更多的氣泡，從而使孔隙率增加，抗壓強(qiáng)度降低。

3.3 最優(yōu)制備方案確定

因素A：對(duì)于體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)說(shuō)都是A2最優(yōu)，但對(duì)于抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)A3是最佳水平，由于因素A對(duì)于抗壓強(qiáng)度是最主要因素(表4)，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和體積密度是次要因素，并且從圖3和圖4可以看出，對(duì)于體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)說(shuō)，A2和A3所對(duì)應(yīng)的數(shù)值相差不大，從極差分析(表4)來(lái)說(shuō)，因素A對(duì)于體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)是次要因素，所以根據(jù)因素A對(duì)不同指標(biāo)的重要程度，選取A3。

因素B：對(duì)于體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)取B3好，而對(duì)于抗壓強(qiáng)度來(lái)說(shuō)取B1最優(yōu)，但因素B對(duì)于體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)說(shuō)是主要因素，而對(duì)抗壓強(qiáng)度是次要因素，所以根據(jù)多數(shù)傾向和B因素對(duì)不同指標(biāo)的影響重要程度，選擇B3。

因素C：對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度來(lái)所，最佳水平為C2，而水平C3是體積密度的最佳水平。對(duì)于三個(gè)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，因素C都是處于末位的次要因素，因此，本著降低成本的原則，選擇C2水平。

綜合上述分析，最優(yōu)方案為A3B3C2，即水玻璃和偏高嶺土重量比為1.2，雙氧水用量為3%，養(yǎng)護(hù)溫度為50 ℃。在此條件下制備材料，所得材料的體積密度為296 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.091 W/(m·℃)，抗壓強(qiáng)度為0.92 MPa，性能指標(biāo)可滿足建筑保溫的要求。最優(yōu)條件下建筑外墻保溫材料的外觀形貌如圖6所示，使用超景深三維顯微鏡對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，如圖7所示。由圖6和圖7可以看出，最優(yōu)條件下所制備外墻保溫材料的孔結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀，且氣孔大小較為均勻，外形為近似橢圓形，效果較為理想。

圖6 最優(yōu)條件下外墻保溫材料的外觀形貌 (左圖為材料表面，右圖為斷面)Fig.6 Appearance of exterior thermal insulation materials under the optimal conditions

圖7 最優(yōu)條件下外墻保溫材料的微觀氣孔結(jié)構(gòu)Fig.7 Microcosmic pore of exterior thermal insulation materials under the optimal conditions

4 結(jié) 論

以偏高嶺土為主要原料制備外墻保溫材料，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化材料的制備條件，確定最佳的制備條件為水玻璃與偏高嶺土重量比為1.2, H2O2用量為3%，養(yǎng)護(hù)溫度為50 ℃，在此條件下制備的外墻保溫材料性能滿足建筑保溫的有關(guān)要求，因此，利用偏高嶺土制備外墻保溫材料有望成為一條外墻保溫材料制備的新途徑。

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Application of Porous Geopolymer on Exterior Thermal Insulation Materials

ZHAOYing-liang1,XINGJun1,LIUHui2,QIUJing-ping1,SUNXiao-gang1,LIHao1

(1.College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.Can Zhuang Gold Mine,Zhaojin Mining Industry Co.Ltd,Zhaoyuan 265400,China)

Preparation of exterior thermal insulation materials using metakaolin as raw material, water glass as alkali activator and H2O2as foaming agent through geopolymerization reaction. In this experiment, selecting the mass ratio of water glass and metakaolin, foaming agent dosage and curing temperature as principal factors to design orthogonal test in order to determine the optimum preparation condition. Using bulk density, compressive strength and thermal conductivity to represent materials performance, and the optimum mass ratio of water glass and metakaolin, foaming agent dosage and curing temperature were 1.2, 3% and 50 ℃. The final product prepared under this condition had bulk density of 296 kg/m3, thermal conductivity of 0.091 W/(m·℃) and compressive strength of 0.92MPa, which met the requirements of building external wall thermal insulation.

metakaolin;geopolymer;exterior thermal insulation;orthogonal experiment

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAJ17B01，2012BAJ17B02)

趙英良(1987- )，男，碩士研究生.主要從事資源綜合利用方面的研究.

邢 軍，博士，教授.

TD985

A

1001-1625(2016)10-3340-05