趙小剛，劉亞?wèn)|，宋金鵬，張海棠

(1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401；2. 中北大學(xué)，山西 太原 030051)

我國(guó)粉煤灰年產(chǎn)量已達(dá)到7 億t 以上，如果不將這些固體廢棄物進(jìn)行循環(huán)利用，將會(huì)占用大量的土地資源并產(chǎn)生嚴(yán)重污染[1]。在節(jié)能環(huán)保的政策背景下，粉煤灰的綜合利用技術(shù)迎來(lái)了巨大發(fā)展機(jī)遇，近年來(lái)的綜合利用經(jīng)歷了以儲(chǔ)為主→儲(chǔ)用結(jié)合→以用為主3 個(gè)發(fā)展階段[2]，用于生產(chǎn)建筑材料已成為最具應(yīng)用前景的發(fā)展方向[3]。結(jié)合城市化改造和城鎮(zhèn)化建設(shè)的推廣，將粉煤灰應(yīng)用于生產(chǎn)建筑保溫材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的再利用，還可以克服建筑保溫材料易燃等問(wèn)題[4]。本研究采用發(fā)泡凝膠法制備了多孔粉煤灰保溫材料，研究了固相含量、助劑摻量和燒結(jié)溫度等對(duì)保溫材料熱學(xué)和力學(xué)性能的影響，優(yōu)化了成分配比和燒結(jié)溫度，結(jié)果將有助于節(jié)能環(huán)保、保溫性能良好的粉煤灰保溫材料的制備及工業(yè)化應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

粉煤灰：大唐國(guó)際陡河發(fā)電廠；硅藻土：石家莊馬躍建材有限公司，主要化學(xué)組成見(jiàn)表1；羧甲基纖維素鈉：山東森美生物科技有限公司；十二烷基硫酸鈉：河南銘之鑫化工產(chǎn)品有限公司；高嶺土：恒達(dá)礦產(chǎn)有限公司；明膠：天津祥盛有限公司；燒結(jié)助劑：水玻璃，密度1.45 g/cm3，濟(jì)南德旺化工有限公司。

表1 粉煤灰和硅藻土的主要化學(xué)組成 %

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

MS204TS 型電子天平，梅特勒托利多公司；R30A 型電動(dòng)攪拌器，南京庚辰科學(xué)儀器有限公司；SNR-430H 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，吳江威信電熱設(shè)備有限公司；TW-RG736 型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，格致科技有限公司；MTS-810 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，MTS 公司。

1.3 試樣制備

固定m(粉煤灰)∶m(硅藻土)∶m(高嶺土)=5∶1∶0.5 不變(混合粉磨至400 目)，通過(guò)改變固相含量、明膠摻量、燒結(jié)溫度和助劑摻量制備粉煤灰保溫材料[5]。制備過(guò)程中將粉磨后的粉煤灰、硅藻土、高嶺土與明膠以及羧甲基纖維素鈉混合后加40 ℃溫水進(jìn)行攪拌，得到不同固相含量的粉煤灰漿料；再加入十二烷基硫酸鈉，并快速攪拌進(jìn)行發(fā)泡處理，將泡沫漿料轉(zhuǎn)入表面涂抹有甘油的模具中；室溫干燥15 h 后轉(zhuǎn)入干燥箱中，進(jìn)行58 ℃/2 h+78 ℃/2 h+108 ℃/2 h 的梯度干燥處理，得到粉煤灰保溫材料生坯；生坯轉(zhuǎn)入馬弗爐中進(jìn)行不同燒結(jié)溫度保溫2 h 的空氣氣氛燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫后得到粉煤灰保溫材料。

1.4 測(cè)試與表征

將燒結(jié)成型的保溫材料加工成半徑r、厚度h 的圓柱體試樣，按照式(1)計(jì)算表觀密度ρm和孔隙率ε[6]：

式中：m——保溫材料的質(zhì)量，g；

ρt——真密度，g/cm3。

采用TW-RG736 型導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀測(cè)試保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果取3 組試樣平均值；根據(jù)GB/T 1964—1996《多孔陶瓷壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，在MTS-810 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試抗壓強(qiáng)度，壓縮速率為3 mm/min，結(jié)果取3 組試樣的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固相含量對(duì)保溫材料性能的影響

明膠摻量(按占粉煤灰漿料質(zhì)量計(jì))為5%、燒結(jié)溫度950℃、十二烷基硫酸鈉摻量(按占粉煤灰漿料質(zhì)量計(jì))為0.5%，漿料中固相含量為35%～55%時(shí)對(duì)保溫材料表觀密度和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖1，對(duì)保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見(jiàn)圖2。

圖1 固相含量對(duì)保溫材料表觀密度和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1 可見(jiàn)，當(dāng)固相含量從35%增加至55%時(shí)，保溫材料的表觀密度先減小后增大，在固相含量為45%時(shí)表觀密度最小，這主要是因?yàn)樵谳^低的固相含量時(shí)，保溫材料漿料黏度低，在機(jī)械攪拌過(guò)程中，漿料中的發(fā)泡劑雖然會(huì)產(chǎn)生大量泡沫，但是穩(wěn)泡性較差[7]，保溫材料固化過(guò)程中坯體不易成型，最終造成成型坯體會(huì)產(chǎn)生較大的體積收縮甚至局部坍塌；而固相含量較高時(shí)，保溫材料漿料黏度高，機(jī)械攪拌過(guò)程中漿料發(fā)泡效果差，成型坯體體積收縮小而具有較大的表觀密度。當(dāng)固相含量從35%增加至55%時(shí)，保溫材料的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，在固相含量為55%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高(1.3 MPa)。這主要是因?yàn)樵谳^低的固相含量下，漿料發(fā)泡效果好，成型坯體中會(huì)由于體積收縮而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞[8]，抗壓強(qiáng)度較低；而在較高的固相含量下，漿料發(fā)泡效果較差，成型坯體體積收縮小、表觀密度大，相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度較高。

圖2 固相含量對(duì)保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖2 可見(jiàn)，當(dāng)固相含量為35%時(shí)，保溫材料的孔隙率為83.3%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.077 W/(m·K)；當(dāng)固相含量從35%增加至55%時(shí)，保溫材料的孔隙率先增大后減小，而導(dǎo)熱系數(shù)則先減小后增大，在固相含量為45%時(shí)孔隙率最大、導(dǎo)熱系數(shù)最小。這主要是因?yàn)楣滔嗪枯^低時(shí)，漿料發(fā)泡效果好而穩(wěn)定性差，使得成型坯體發(fā)生較大體積收縮甚至局部坍塌，保溫材料的多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，孔隙率較低而導(dǎo)熱系數(shù)較大[9]；在固相含量較高時(shí)，漿料發(fā)泡效果差，成型坯體體積收縮小，孔隙率較低、導(dǎo)熱系數(shù)較大。過(guò)高或者過(guò)低的固相含量都不利于形成抗壓強(qiáng)度較高且保溫性能良好的保溫材料，本試驗(yàn)中適宜的固相含量為45%。

2.2 明膠摻量對(duì)保溫材料性能的影響

固相含量為45%、燒結(jié)溫度為950 ℃、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%，明膠摻量為1%～7%時(shí)對(duì)保溫材料表觀密度和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3，對(duì)保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見(jiàn)圖4。

圖3 明膠摻量對(duì)保溫材料表觀密度和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3 可見(jiàn)，當(dāng)明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的表觀密度先減小后增大，在明膠摻量為3%時(shí)表觀密度最小(0.254 g/cm3)，這主要是因?yàn)楫?dāng)明膠摻量較低時(shí)，保溫材料漿料在成型過(guò)程中會(huì)發(fā)生局部坍塌，成型坯體表觀密度較大，而當(dāng)明膠摻量增加至3%以上時(shí)，保溫材料漿料黏度升高，發(fā)泡效果較差，成型坯體收縮小，使得保溫材料具有較大的表觀密度。當(dāng)明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，在明膠摻量為7%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高(0.57 MPa)，這主要是因?yàn)檩^低的明膠摻量會(huì)使得成型坯體內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，此時(shí)抗壓強(qiáng)度較低，而隨著明膠摻量增加，成型坯體密實(shí)性提高，抗壓強(qiáng)度相應(yīng)得到提高。

圖4 明膠摻量對(duì)保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖4 可見(jiàn)，當(dāng)明膠摻量從1%增加至7%，保溫材料的孔隙率先增大后減小，導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大，在明膠摻量為3%時(shí)孔隙率最大、導(dǎo)熱系數(shù)最小，不同明膠摻量的保溫材料的孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。這主要是因?yàn)樵诿髂z摻量為1%時(shí)，保溫材料漿料黏度低，發(fā)泡效果好而穩(wěn)泡性差，成型坯體內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，孔隙率低而導(dǎo)熱系數(shù)高；當(dāng)明膠摻量增加至3%時(shí)，保溫材料漿料發(fā)泡效果好，且成型坯體多孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，孔隙率高而導(dǎo)熱系數(shù)低；繼續(xù)增加明膠摻量，保溫材料漿料黏度增大，發(fā)泡效果差，成型坯體多孔結(jié)構(gòu)較少而孔隙率減小、導(dǎo)熱系數(shù)增大。在明膠摻量為5%時(shí)，保溫材料漿料發(fā)泡效果好且成型坯體多孔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保溫材料抗壓強(qiáng)度較高，具有良好的保溫特性，為本試驗(yàn)中適宜的明膠摻量。

2.3 燒結(jié)溫度對(duì)保溫材料性能的影響

固相含量為45%、明膠摻量為5%、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%、羧甲基纖維素鈉摻量為0.2%，燒結(jié)溫度為850～1050℃時(shí)對(duì)保溫材料表觀密度和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖5，對(duì)保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見(jiàn)圖6。

圖5 燒結(jié)溫度對(duì)保溫材料表觀密度和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5 可見(jiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度為850 ℃時(shí)，保溫材料的表觀密度為0.261 g/cm3、抗壓強(qiáng)度為0.36 MPa；隨著燒結(jié)溫度從850℃升高至1050 ℃，保溫材料的表觀密度和抗壓強(qiáng)度逐漸提高，在燒結(jié)溫度為1050 ℃時(shí)，保溫材料的表觀密度為0.297 g/cm3、抗壓強(qiáng)度為0.92 MPa。這主要是因?yàn)殡S著燒結(jié)溫度提高，保溫材料中骨料顆粒的表面能會(huì)不斷減小，更容易填充保溫材料中的孔洞等缺陷[10]，致密度提高的同時(shí)抗壓強(qiáng)度提高。

圖6 燒結(jié)溫度對(duì)保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖6 可見(jiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度為850 ℃時(shí)，保溫材料的孔隙率為87.4%、導(dǎo)熱系數(shù)為0.051 W/(m·K)；隨著燒結(jié)溫度從850℃提高到1050 ℃，保溫材料的孔隙率逐漸減小、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，當(dāng)燒結(jié)溫度為1050 ℃時(shí)，保溫材料的孔隙率減小至85.6%、導(dǎo)熱系數(shù)增大到0.083 W/(m·K)。這主要是因?yàn)殡S著燒結(jié)溫度的提高，保溫材料中的孔洞結(jié)構(gòu)會(huì)被骨料顆粒不斷填充，成型坯體會(huì)更加密實(shí)，內(nèi)部氣體傳熱效果減弱，導(dǎo)熱系數(shù)升高。這主要是因?yàn)闊Y(jié)溫度的升高有助于成型坯體中孔洞結(jié)構(gòu)的填充并形成致密化結(jié)構(gòu)。要想獲得抗壓強(qiáng)度較高且保溫性較好的保溫材料，適宜的燒結(jié)溫度為950 ℃。

2.4 燒結(jié)助劑對(duì)保溫材料性能的影響

固相含量為45%、明膠摻量為5%、十二烷基硫酸鈉摻量為0.5%、羧甲基纖維素鈉摻量為0.2%、燒結(jié)溫度為950 ℃，燒結(jié)助劑水玻璃摻量(按占粉煤灰漿料質(zhì)量計(jì))為0～8%時(shí)對(duì)保溫材料表觀密度和抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖7，對(duì)保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見(jiàn)圖8。

圖7 水玻璃摻量對(duì)保溫材料表觀密度和抗壓強(qiáng)度的影響

由圖7 可見(jiàn)，當(dāng)未摻水玻璃時(shí)，保溫材料的表觀密度為0.271 g/cm3、抗壓強(qiáng)度為0.52 MPa；當(dāng)水玻璃摻量從0 增加至8%時(shí)，保溫材料的表觀密度和抗壓強(qiáng)度逐漸提高，在水玻璃摻量為8%時(shí)，保溫材料的表觀密度為0.331 g/cm3、抗壓強(qiáng)度為0.87 MPa。這主要是由于增加水玻璃摻量會(huì)促進(jìn)水玻璃中Na+與硅氧四面體中的O 更多地結(jié)合，而使得燒結(jié)體中液相增多[11]，孔洞得到填充，表觀密度增大，同時(shí)抗壓強(qiáng)度提高。

圖8 水玻璃摻量對(duì)保溫材料孔隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖8 可見(jiàn)，當(dāng)未摻水玻璃時(shí)，保溫材料的孔隙率為87.1%、導(dǎo)熱系數(shù)為0.052 W/(m·K)；隨著水玻璃摻量從0 增加至8%，保溫材料的孔隙率逐漸減小、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，在水玻璃摻量為8%時(shí)，保溫材料的孔隙率減小至84.2%、導(dǎo)熱系數(shù)增大至0.071 W/(m·K)。這主要是因?yàn)樗Ａ搅康脑黾訒?huì)使得成型坯體中孔洞被更多的液相所填充，多孔結(jié)構(gòu)減少，孔隙率減小的同時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)增大。為了保證保溫材料具有良好的成型性能、較高抗壓強(qiáng)度的同時(shí)具有良好的保溫性能，建議水玻璃摻量為4%，此時(shí)保溫材料的表觀密度為0.301 g/cm3、抗壓強(qiáng)度為0.62 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.061 W/(m·K)。

綜合而言，當(dāng)固相含量為45%、明膠摻量為5%、燒結(jié)溫度為950 ℃、水玻璃摻量為4%時(shí)保溫材料具有良好的綜合性能，能夠滿足保溫材料表觀密度≤0.3 g/cm3、抗壓強(qiáng)度≥0.5 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.1 W/(m·K)的要求[12]。

3 結(jié) 論

(1)當(dāng)固相含量從35%增加至55%或者明膠摻量從1%增加至7%時(shí)，保溫材料的表觀密度和導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大、孔隙率先增大后減小，抗壓強(qiáng)度逐漸提高。

(2)隨著燒結(jié)溫度從850 ℃上升至1050 ℃，保溫材料的表觀密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，孔隙率逐漸減??；當(dāng)水玻璃摻量從0 增加至8%時(shí)，保溫材料的表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度逐漸升高，孔隙率逐漸減小。

(3)當(dāng)固相含量為45%、明膠摻量為5%、燒結(jié)溫度為950℃、水玻璃摻量為4%時(shí)，保溫材料具有良好的綜合性能，能夠滿足保溫材料表觀密度≤0.3 g/cm3、抗壓強(qiáng)度≥0.5 MPa、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.1 W/(m·K)的要求。