申鵬飛，秦子鵬，田 艷，李 剛，駱成彥

(石河子大學(xué)，水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國加大了創(chuàng)建“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”國家的力度，節(jié)能型材料越來越受歡迎[1]。在我國的能源消耗中，建筑業(yè)能耗已經(jīng)成為三大“能耗大戶”之一[2]。因此，研制低能耗的新型建筑材料，特別是低導(dǎo)熱的保溫隔熱材料，具有十分重要的意義。目前，我國實(shí)施全面推進(jìn)建筑節(jié)能，使建筑保溫材料成為建筑領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。泡沫玻璃是一種內(nèi)部有許多均勻微小氣孔連通或封閉的無機(jī)非金屬質(zhì)輕多孔的新型環(huán)保材料，其具有容重低、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)小、不燃性、防蟲蛀、耐酸耐堿能力強(qiáng)、無害、無毒、無放射、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易加工且不易變型等特點(diǎn)，得到許多人的認(rèn)知和重視，使其在外墻與屋面保溫、石油化工、隔音吸聲、污水過濾、綠化保水等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3-7]。

粉煤灰泡沫玻璃是以粉煤灰和玻璃粉為主要原料，加入一定量的發(fā)泡劑，經(jīng)過爐內(nèi)高溫處理，混合體吸熱熔化，發(fā)泡劑發(fā)生氧化或分解反應(yīng)產(chǎn)生氣體，當(dāng)泡內(nèi)氣體壓力大于氣泡表面張力時(shí)，形成一種內(nèi)部充滿數(shù)量多、體積小、分布均勻連通或封閉的氣孔結(jié)構(gòu)，再經(jīng)降溫后得到的新型環(huán)保節(jié)能的建筑功能材料[8-13]。然而，由于粉煤灰泡沫玻璃內(nèi)部氣孔較多，且分布隨機(jī)，加之玻璃粉燒結(jié)后脆性較大，故其性能往往存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)為抗壓抗折強(qiáng)度低、吸水率大和易開裂等方面[14]。

玄武巖纖維具有耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定性好、吸濕性低、抗酸堿能力強(qiáng)和與粉煤灰泡沫玻璃結(jié)合性良好等特點(diǎn)。在泡沫玻璃制品中加入玄武巖纖維不僅可以在粉煤灰泡沫玻璃中起到增強(qiáng)、阻裂、提韌等作用[15,16]；而且還可以利用其在粉煤灰泡沫玻璃中呈三維空間亂向分布得特點(diǎn)，改變粉煤灰泡沫玻璃內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，從而使其物理、力學(xué)性能得到提高。本文主要通過單因素試驗(yàn)法對(duì)粉煤灰泡沫玻璃的性能進(jìn)行測定，分析玄武巖纖維的摻量對(duì)粉煤灰泡沫玻璃的物理性能、力學(xué)性能、熱工性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

(1)粉煤灰：產(chǎn)自新疆石河子天富南熱電廠，粉煤灰化學(xué)組分測定按照GB/T 1574-2007中規(guī)定的成分分析方法，主要化學(xué)成分及物理指標(biāo)見表1。

(2)玻璃粉：玻璃粉原料為石河子市某玻璃店收集的廢棄平板玻璃，清水洗凈后，烘干，放入滾筒球磨機(jī)中球磨2 h，過200目篩，篩余量4．70wt．%(孔徑為0．074 mm)；廢玻璃化學(xué)組分的測定利用X-射線熒光光譜儀，采用熔片法檢測其成分，主要化學(xué)成分見表1。

(3)玄武巖纖維：成都某公司提供，其物理力學(xué)性能見表2。

(4)外加劑：碳酸鈉(分析純，Na2CO3含量為99．5%)，由天津市致遠(yuǎn)試劑有限公司生產(chǎn)；磷酸三鈉(分析純，Na3PO4?12H2O含量在98．0%以上)，由天津市致遠(yuǎn)試劑有限公司生產(chǎn)；硼砂(分析純，Na2B4O7? 10H2O含量大于99．5%)由天津市致遠(yuǎn)試劑有限公司生產(chǎn)。

(5)脫模劑：氮化硼離型噴劑，型號(hào)：JD-3028AAA。

(6)水：普通自來水。

1.2 工藝流程

泡沫玻璃的制備工藝流程分為兩種：一種是“一步法”；另一種是“兩步法”，即先將泡沫玻璃混合料進(jìn)行烘干處理，其次拆掉模具，再次將脫模后的坯體放入高溫爐中進(jìn)行燒制。本實(shí)驗(yàn)采用“兩步法”，試驗(yàn)所用粉煤灰泡沫玻璃配合比見表3。

1.3 試件的制備

將粉煤灰、玻璃粉、玄武巖纖維以及其他外加劑按試驗(yàn)方案中的比例稱取，首先把粉煤灰、玻璃粉和玄武巖纖維放入攪拌機(jī)中，攪拌3-5 min；再將外加劑粉末倒入混合的粉體中，攪拌5 min；最后，倒入基料總質(zhì)量(粉煤灰和玻璃粉)35%水，攪拌3-4 min，裝入預(yù)先涂有氮化硼的鋼模具中，放在混凝土振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)至混合體中沒有氣泡溢出為止，然后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，以80 ℃烘干，即得到粉煤灰泡沫玻璃坯體。為使粉煤灰泡沫玻璃在燒制過程中受熱均勻，需在高溫電阻爐底部鋪設(shè)20 mm左右的石英砂。高溫電阻爐的燒制程序分為四個(gè)階段，如圖1所示。

表1 粉煤灰和玻璃的化學(xué)組分及物理指標(biāo)Tab.1 Chemical composition and physical indicators of fly ash and glass

表2 玄武巖纖維的物理性能Tab.2 The physical properties of basalt fibers

表3 粉煤灰泡沫玻璃的配合比Tab.3 The mixture ratio of fly ash foam glass

預(yù)熱階段：從室溫以5 ℃/min升溫至400 ℃，并在400 ℃保溫30 min，以去除坯體中的游離水、吸附水、結(jié)合水等；發(fā)泡階段：以10 ℃/min的升溫速率將坯體加熱到860 ℃，并在此溫度保溫25 min，以使產(chǎn)生的氣體被熔融的玻璃液包裹而不外溢，形成較為均勻的氣泡結(jié)構(gòu)；穩(wěn)泡與退火階段：以15 ℃/min的速率降溫至600 ℃，并在此溫度保溫30 min，以使形成的氣泡結(jié)構(gòu)迅速穩(wěn)定下來，避免坯體在最后的階段氣體外溢造成下陷，隨后關(guān)閉電源，待電阻爐內(nèi)降至室溫后，取出泡沫玻璃樣品。制得泡沫玻璃試樣如圖2所示。

1.4 粉煤灰泡沫玻璃的性能測試

(1)吸水率與含水率，試件尺寸為40 mm × 40 mm ×40 mm，依照GBT 5486-2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》、JC/T 647-2014《泡沫玻璃絕熱制品》及GB/T10297-1998《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定》進(jìn)行測定。

圖1 電阻爐燒制程序Fig.1 The program of resistance furnace

(2)抗折強(qiáng)度采用40 mm × 40 mm × 160 mm的試件，用無錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的DKZ-5000型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折強(qiáng)度的測定；抗壓強(qiáng)度用無錫市錫儀建材儀器廠生產(chǎn)的40 mm × 40 mm水泥抗壓夾具，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

(3)導(dǎo)熱系數(shù)采用北京世紀(jì)建通環(huán)境技術(shù)有限公司研制的單試樣雙熱流計(jì)式JTRG-III型熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維對(duì)表觀密度的影響

粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度間接地反映了泡沫玻璃試樣密實(shí)程度，而越密實(shí)的試樣其導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大。因此，粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度的大小對(duì)衡量其保溫性能具有重要作用。由圖3可以看出，加入玄武巖纖維后，粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度與基準(zhǔn)試樣相比，有所增大，呈遞增的趨勢。說明玄武巖纖維的摻量對(duì)其表觀密度的影響較大，這可能是因?yàn)樾鋷r纖維在復(fù)合材料內(nèi)部形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在高溫?zé)Y(jié)過程中對(duì)孔結(jié)構(gòu)的膨脹產(chǎn)生了阻礙作用；隨著玄武巖纖維摻量的增加，粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度逐漸增加。而當(dāng)玄武巖纖維摻量在3‰-4‰時(shí)，其表觀密度的增加并不明顯，這說明一定摻量的玄武巖纖維會(huì)使泡沫玻璃的孔結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，對(duì)泡沫玻璃的發(fā)泡產(chǎn)生影響。

圖2 不同摻量纖維下的試樣Fig.2 The samples obtained with different fiber content

2.2 玄武巖纖維對(duì)吸水率、含水率的影響

粉煤灰泡沫玻璃的含水率、吸水率對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響較大。粉煤灰泡沫玻璃的吸水主要包括毛細(xì)孔滲透和連通孔滲透兩種形式。毛細(xì)孔是在粉煤灰泡沫玻璃高溫煅燒過程中形成的孔，而連通孔是由于大氣泡吞并小氣泡相互連接形成的。從試驗(yàn)所得試樣的斷面可以看出，粉煤灰泡沫玻璃內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)分布均勻，大孔和連通孔相對(duì)較少，說明試驗(yàn)所得試樣的吸水主要是通過毛細(xì)孔的滲透來實(shí)現(xiàn)的。由圖4可以看出，加入玄武巖纖維后，粉煤灰泡沫玻璃的含水率與空白樣相比，基本保持不變，維持在0．35%左右，說明玄武巖纖維對(duì)粉煤灰泡沫玻璃的含水率影響不大。而粉煤灰泡沫玻璃的吸水率與基準(zhǔn)試樣相比，其都在15%處上下浮動(dòng)，這是由于材料本身具有的離散性造成的。由以上分析可知，玄武巖纖維對(duì)粉煤灰泡沫玻璃的含水率、吸水率影響較小。

圖3 纖維摻量對(duì)表觀密度的影響Fig. 3 The influence of fiber content on the apparent density

2.3 玄武巖纖維對(duì)力學(xué)性能的影響

粉煤灰泡沫玻璃的強(qiáng)度主要來源于玻璃粉與粉煤灰經(jīng)高溫?zé)Y(jié)所形成的復(fù)合材料。當(dāng)粉煤灰泡沫玻璃的內(nèi)部孔分布越均勻、孔徑越小、孔形態(tài)越好時(shí)，其強(qiáng)度越高。由圖5、圖6可以看出，加入玄武巖纖維后，粉煤灰泡沫玻璃的抗壓、抗折強(qiáng)度與空白樣相比均有所提高。隨著玄武巖纖維摻量增加，其抗壓、抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)玄武巖纖維摻量在2‰-3‰時(shí)，其抗壓強(qiáng)度提高十分明顯，相比基準(zhǔn)試樣，提高了50%左右。而當(dāng)玄武巖纖維摻量在3‰-4‰時(shí)，其抗折強(qiáng)度提高最為顯著。這是由于玄武巖纖維摻量的加入，在復(fù)合材料內(nèi)部形成了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而改善了其抗壓強(qiáng)度，并且在一定摻量范圍內(nèi)，隨著摻量的增加，這種改善效果越明顯。當(dāng)玄武巖纖維摻量在4‰-5‰時(shí)，其抗壓強(qiáng)度急劇降低，但相比與基準(zhǔn)試樣，抗壓強(qiáng)度依然有所提高。這說明玄武巖纖維的三維網(wǎng)絡(luò)分布對(duì)復(fù)合材料起到了支撐作用，但是玄武巖纖維摻量過多，容易導(dǎo)致纖維在復(fù)合材料內(nèi)部分散性降低，破壞粉煤灰泡沫玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，致使抗壓強(qiáng)度下降。當(dāng)玄武巖纖維的摻量為4‰時(shí)，其抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為8．28 MPa、0．75 MPa，提高了2．24倍和1．92倍。

圖4 纖維摻量對(duì)含水率、吸水率的影響Fig.4 The influence of fiber content on the moisture content and moisture absorption rate

2.4 玄武巖纖維對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

導(dǎo)熱系數(shù)的大小是衡量保溫隔熱材料性能的重要指標(biāo)。粉煤灰泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)之所以較低，是因?yàn)槎喽忾]的孔洞所包含的氣相起到了增大熱阻的作用。因此，粉煤灰泡沫玻璃的孔隙率和孔的形態(tài)對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)有重要的影響。由圖7可知，加入玄武巖纖維后，粉煤灰泡沫玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)比空白樣的導(dǎo)熱系數(shù)大。隨著玄武巖纖維摻量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，其變化范圍始終在0．061-0．069 W/(m ? K)之間。可見玄武巖纖維的加入可使粉煤灰泡沫玻璃熱阻減小，但其摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響并不十分顯著。當(dāng)玄武巖纖維摻量為1‰時(shí)，粉煤灰泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)較小，保溫效果相對(duì)較好。

圖5 纖維摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 The influence of fiber content on the compressive strength

圖6 纖維摻量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響Fig.6 The influence of fiber content on the flexural strength

圖7 纖維摻量對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.7 The influence of fiber content on the heat conductivity coefficient

3 結(jié) 論

(1)粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度會(huì)隨著玄武巖纖維摻量的增加而呈增大趨勢，而當(dāng)玄武巖纖維摻量在3‰-4‰時(shí)，其表觀密度的增加并不明顯。但玄武巖纖維對(duì)粉煤灰泡沫玻璃的含水率、吸水率影響較小。

(2)隨著玄武巖纖維摻量的增加，泡沫玻璃的表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)呈逐漸增大趨勢。由此可見，玄武巖纖維摻量不能太高，進(jìn)而不利于泡沫玻璃的減重和保溫。

(3)玄武巖纖維對(duì)泡沫玻璃的力學(xué)性能的改善較為明顯。當(dāng)玄武巖纖維摻量為4‰時(shí)，泡沫玻璃的力學(xué)性能提高最為顯著，抗壓強(qiáng)度可達(dá)8．28 MPa，提高了2．24倍；抗折強(qiáng)度達(dá)到0．75 MPa，提高了1．92倍。