張 濤，李珊珊，魏 莉

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

節(jié)能降耗、提高能源的有效利用率是當(dāng)前社會發(fā)展的趨勢[1-3]。建筑能耗在社會的總能源消耗中占比很大，通過使用保溫材料增強建筑外墻隔熱保溫性能可以減少能量的損失[4-6]。我國在建筑節(jié)能方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步，隨著國家對建筑外墻材料防火要求越來越嚴(yán)格，目前大量使用的聚苯板、XPS板等雖然保溫效果好，但防火等級還未達(dá)到A1級，市場亟需保溫效果好且防火性能優(yōu)異的新型建筑材料[7-8]。

工業(yè)生產(chǎn)活動中常常會產(chǎn)生大量的保溫材料廢棄物，如珍珠巖、巖棉、玻璃棉、硅酸鹽棉等無機材料及橡塑、聚氨酯、泡沫塑料等有機材料，這些材料因無法自然降解、重返生產(chǎn)線會造成對產(chǎn)品質(zhì)量的影響而無法回收利用，成為固廢物且難以處理。隨著環(huán)保政策的愈加嚴(yán)厲，保溫材料固廢物的處理成為產(chǎn)廢單位亟需解決的問題。

目前對于工業(yè)固廢的利用已日益受到關(guān)注[9-11]，但利用廢舊保溫棉制備生態(tài)絕熱材料用于建筑墻體保溫的研究還較少。梁樹力[12]以硅酸鹽和建筑垃圾為原料，通過原位組裝方法制備出新一代輕質(zhì)高強、低成本且具有良好保溫絕熱效果的保溫節(jié)能材料。夏東波等[13]以廢舊聚氨酯為主要原料，通過醇解工藝制備了一種新型聚氨酯保溫材料，其耐熱性能穩(wěn)定，保溫效果良好。龍漢國等[14]以粉煤灰、重礦渣等工業(yè)廢渣為主要原料，制備了加氣混凝土無機保溫材料，其各項性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

有機保溫材料因質(zhì)輕、保溫絕熱性能好及易加工的優(yōu)點被廣泛運用于各類墻體材料[15]，但其易燃燒，且燃燒時會產(chǎn)生有毒氣體，帶來安全和環(huán)保問題[16]，利用廢舊巖棉等無機保溫材料制備生態(tài)絕熱材料是固廢資源利用的重要發(fā)展方向[17]。因此，本文以巖棉、玻璃纖維棉等廢舊保溫材料為主要原料，通過特定工藝制成一種新型生態(tài)絕熱材料，用于建筑墻體的保溫，并研究原料配比對材料力學(xué)性能和絕熱性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設(shè)備

1.1.1 實驗材料

混合廢棉，由工業(yè)中廢棄的硅酸鋁纖維、巖棉、玻璃纖維棉等組成，利用機器打碎后形成均勻的混合棉體系，纖維長度1～5mm；微米級多孔輕質(zhì)粉體填料，粒徑1～3μm，浙江寧波運通新材料科技有限公司；P·O 42.5R水泥，沈陽冀東水泥有限公司；固化劑，實驗室自制的一種復(fù)合固化劑，由硅酸鈉、氟硅酸鎂、磷酸二氫鈉等復(fù)合而成。

1.1.2 實驗設(shè)備

膠砂混合機，JJ-5型，紹興寶加儀器有限公司；熱流法導(dǎo)熱儀，HFM型,耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)(上海)有限公司；微機控制壓力試驗機，YAM-1000E型，濟南新時代試金儀器有限公司；掃描電子顯微鏡(SEM)，SU8000型，日本日立公司。

1.2 實驗方法

按照實驗設(shè)計比例將水泥、固化劑和去離子水在膠砂混合機中攪拌混合，形成水泥膠凝漿料；將混合廢棉和微米級多孔輕質(zhì)粉體填料按比例加入水泥膠凝漿料中，經(jīng)攪拌形成膏狀絕熱材料漿料；將絕熱材料漿料放置在模具中成型，經(jīng)過干燥、脫模形成待測樣品；分別使用導(dǎo)熱系數(shù)儀和微機控制壓力試驗機測試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)和相關(guān)力學(xué)性能。

1.3 性能測試

1.3.1 密度

在烘箱中將樣品烘干至恒重，然后在干燥器中冷卻至常溫后稱重，測試其體積，計算出密度。

1.3.2 力學(xué)性能

按照GB/T 7019-2014《纖維水泥制品試驗方法》測試樣品的抗沖擊強度、抗折強度及抗壓強度。

1.3.3 絕熱性能

按照GB/T 10294-2018《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》測試樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 固化劑用量對水泥膠凝時間的影響

水泥漿料的膠凝時間對現(xiàn)場施工工藝具有重要的影響。若膠凝時間太短，操作時間不夠，漿料較早凝固，使用時界面之間的粘接力降低，容易開裂，影響其性能；膠凝時間太長，成型困難，增加施工時的技術(shù)處理，降低效率。選擇合理的膠凝時間可以提高材料性能、降低成本、提高生產(chǎn)效率。因此，首先考察固化劑加入量對水泥膠凝時間的影響。

固化劑與水泥的質(zhì)量比分別取為0.03∶1、0.06∶1、0.12∶1、0.25∶1、0.50∶1、1.00∶1、1.25∶1，實驗測得固化劑用量對水泥膠凝時間的影響結(jié)果如圖1所示。

圖1 固化劑用量對水泥膠凝時間的影響

由圖1可見，固化劑與水泥質(zhì)量比從0.03∶1增加到1.25∶1時，水泥膠凝時間由18h降低至3.4h，固化劑可以在一定程度上加快固化反應(yīng)進(jìn)行，縮短膠凝時間。當(dāng)固化劑與水泥質(zhì)量比從1.00∶1增加到1.25∶1時，水泥膠凝時間由3.5h降低至3.4h，僅縮短0.1h，水泥膠凝時間變化曲線較為平緩，說明此時固化劑的加入對水泥膠凝時間的縮短影響很小，固化劑逐漸趨于飽和狀態(tài)。固化劑與水泥質(zhì)量比為1.00∶1時，膠凝時間為3.5h，在現(xiàn)場施工可操作時間范圍3～4h之內(nèi)，滿足施工要求，且從經(jīng)濟角度考慮還可以降低成本，因此，選取固化劑與水泥質(zhì)量比為1.00∶1。

2.2 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料固化時間的影響

以固化劑和水泥等質(zhì)量混合作為膠凝材料，混合廢棉與粉體(等質(zhì)量混合)作為填料，考察膠凝材料與填料質(zhì)量比分別為0.25∶1、0.50∶1、1.00∶1、1.25∶1、1.50∶1時對生態(tài)絕熱材料固化時間的影響，實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可見，膠凝材料與填料質(zhì)量比從0.25∶1增加到1.50∶1時，生態(tài)絕熱材料固化時間由42h降低至18h。當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比在0.50∶1～1.25∶1范圍內(nèi)時，固化時間縮短較快，兩者質(zhì)量比在1.25∶1時，固化時間已比較理想，因此膠凝材料與填料質(zhì)量比為1.25∶1為宜。膠凝材料的增加能促進(jìn)漿料快速成型，縮短生態(tài)絕熱材料的固化時間，提高生產(chǎn)效率。

圖2 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料固化時間的影響

2.3 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料性能的影響

為進(jìn)一步明確膠凝材料與填料用量對生態(tài)絕熱材料性能的影響，考察膠凝材料與填料質(zhì)量比分別為0.25∶1、0.50∶1、1.00∶1、1.25∶1、1.50∶1時對生態(tài)絕熱材料的抗折強度、抗沖擊強度、抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)及密度的影響。

2.3.1 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料抗折強度的影響

為明確膠凝材料與填料用量對生態(tài)絕熱材料在承受彎矩時極限折斷應(yīng)力的影響，考察不同膠凝材料用量下生態(tài)絕熱材料抗折強度的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料抗折強度的影響

由圖3可見，隨著膠凝材料用量增加，生態(tài)絕熱材料的抗折強度先增大后減小。當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比從0.25∶1增加到0.50∶1時，抗折強度由3.3MPa增加到12.0MPa。由于膠凝材料增加，漿料中水化產(chǎn)物增多并擴展到孔隙中，結(jié)構(gòu)逐漸緊密，故抗折強度增大；填料中纖維在漿料中起骨架支撐的作用，加強物料之間的連接，提高生態(tài)絕熱材料的抗折強度和柔韌抗裂性，受到外力時，表現(xiàn)出一定的延展性，可有效抑制微裂紋的擴展，使得生態(tài)絕熱材料不易開裂。當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比從0.50∶1增加到1.50∶1時，生態(tài)絕熱材料的抗折強度由12.0MPa減小到7.6MPa。這是由于單位體積試樣中填料用量減少，即廢棉纖維用量和粉體減少，使得纖維彼此之間的連接作用減弱，纖維的承載力減弱，微裂紋逐漸累積擴展，而輕質(zhì)粉體過少不能將內(nèi)部空隙填滿，受到外力時出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致強度下降。當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比在0.50∶1～1.25∶1的范圍內(nèi)時，材料的抗折強度均大于JCT 412.1-2018《纖維水泥平板》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中C類R3等級(≥10MPa)。

2.3.2 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料抗沖擊強度的影響

為明確膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料抵抗外來沖擊破壞能力的影響，考察不同膠凝材料用量下生態(tài)絕熱材料抗沖擊強度的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料抗沖擊強度影響

由圖4可見，隨著膠凝材料用量的增加，生態(tài)絕熱材料的抗沖擊強度先增大后減小。當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比從0.25∶1增加到1.25∶1時,生態(tài)絕熱材料的抗沖擊強度從1.47MPa 增加到9.25MPa。這是由于填料用量較多時，廢棉纖維在材料內(nèi)部相互穿插，與膠凝材料中析出的水化產(chǎn)物形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而輕質(zhì)粉體充填在空隙中，改善內(nèi)部的缺陷，材料強度得到提高。當(dāng)生態(tài)絕熱材料中膠凝材料與填料質(zhì)量比從1.25∶1增加到1.50∶1時，抗沖擊強度從9.25MPa降低至6.35MPa。這是由于單位體積試樣中膠凝材料占比高于纖維粉體占比，膠凝材料的彈性模量遠(yuǎn)高于廢棉纖維和粉體，兩者的彈性模量不一致，在外力作用下，生態(tài)絕熱材料受力不均勻?qū)е聫姸认陆?。?dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比為1.25∶1時，抗沖擊強度最大，為9.25MPa，達(dá)到JCT 412.1-2018《纖維水泥平板》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)C5等級(≥2.6MPa)。

2.3.3 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料抗壓強度的影響

為明確膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料在受到壓力時抵抗強度破壞能力的影響，考察不同膠凝材料用量下生態(tài)絕熱材料抗壓強度的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料抗壓強度的影響

由圖5可見，隨著膠凝材料用量的增加，生態(tài)絕熱材料的抗壓強度先增大后減小，當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比從0.25∶1增加到1.25∶1時，生態(tài)絕熱材料的抗壓強度從2.6MPa增加到6.7MPa。隨著膠凝材料增加，膠凝材料析出的水化產(chǎn)物與纖維相互連接在一起，形成網(wǎng)絡(luò)狀空間結(jié)構(gòu)體系，該體系能夠抵抗外界的荷載，在外界壓力作用下，不易引起應(yīng)力集中，抗壓強度提高。當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比從1.25∶1增加到1.50∶1時，生態(tài)絕熱材料的抗壓強度從6.7MPa降低至6.4MPa，由于膠凝材料多于廢棉纖維及粉體，當(dāng)膠凝材料過多時，會出現(xiàn)水泥團聚的現(xiàn)象，限制了纖維與粉體的遷移，導(dǎo)致分散不均勻，纖維相對減少，與析出的水化產(chǎn)物之間連接力減弱，不能形成大量的網(wǎng)絡(luò)狀空間結(jié)構(gòu)體系，粉體過少未能將空隙填滿，強度有所降低?？梢?，當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比為1.25∶1時，膠凝材料與填料用量促進(jìn)分散效果最佳，力學(xué)性能得到提升，其抗壓強度最大，為6.7MPa。

2.3.4 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)絕熱性能的主要熱物性參數(shù)之一，導(dǎo)熱系數(shù)越小，生態(tài)絕熱材料的絕熱性能越好?？疾觳煌z凝材料用量下生態(tài)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖6可見，隨著膠凝材料的增加，生態(tài)絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大。當(dāng)膠凝材料與填料質(zhì)量比較小時，單位體積試樣中廢棉纖維及粉體占比較多，廢棉纖維構(gòu)成絕熱材料的“骨架”支撐結(jié)構(gòu)，含有的粉體形成大量的間隙，骨架和間隙的存在使得絕熱材料內(nèi)部構(gòu)成相互隔絕的密閉多孔結(jié)構(gòu)，減弱內(nèi)部空氣對流傳熱，材料導(dǎo)熱系數(shù)較小。隨著膠凝材料用量增加，單位體積試樣中纖維與粉體減少，粉體不能充分填充空隙，空氣對流傳熱增強，絕熱性能變差，導(dǎo)熱系數(shù)增大。在實驗采用的膠凝材料與填料的質(zhì)量比范圍內(nèi)，制備得到生態(tài)絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)均達(dá)到JCT 412.1-2018 《纖維水泥平板》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)C類(≤0.25W/(m·K))。

2.3.5 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料密度的影響

體積密度是表征生態(tài)絕熱材料性能優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)，體積密度的大小會影響生態(tài)絕熱材料的絕熱性能和力學(xué)性能。實驗測得膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料密度的影響如圖7所示。

圖7 膠凝材料用量對生態(tài)絕熱材料密度的影響

由圖7可見，膠凝材料與填料的質(zhì)量比從0.25∶1增加到1.50∶1時，生態(tài)絕熱材料的密度由0.941g/cm3增大到1.239 g/cm3，隨著膠凝材料用量的增加，生態(tài)絕熱材料的密度增大。單位體積試樣中膠凝材料用量增加，相應(yīng)地填料中廢棉纖維含量減少，由于纖維的密度遠(yuǎn)小于膠凝材料的密度，隨著膠凝材料在試樣中占比增加，試樣的體積密度增大。

由上述實驗結(jié)果可見，生態(tài)絕熱材料的密度與其性能有一定關(guān)系。在實驗范圍內(nèi)，隨著密度的增大，力學(xué)性能先增強后有所降低，絕熱性能降低。

綜合以上分析，為兼顧生態(tài)絕熱材料的力學(xué)性能與絕熱性能，適宜的膠凝材料與填料的質(zhì)量比取為1.25∶1。

2.4 生態(tài)絕熱材料微觀形貌

纖維具有容重輕、導(dǎo)熱系數(shù)小等特點，還可以加強物料之間的連接，構(gòu)成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高生態(tài)絕熱材料的力學(xué)性能和絕熱性能。在適宜原料配比下制備得到生態(tài)絕熱材料，其不同放大倍數(shù)下的微觀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 不同倍數(shù)的生態(tài)絕熱材料SEM圖

由圖8a可見，生態(tài)絕熱材料中存在纖維束；由圖8b可見，生態(tài)絕熱材料中含有大量的纖維和骨料，纖維之間連接構(gòu)成立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。纖維的亂向分布可以增加材料的抗折性能，骨料起到支撐作用。

3 結(jié)論

以水泥和固化劑為膠凝材料，廢舊保溫棉和粉體為填料，制備得到生態(tài)絕熱材料。通過原料配比對生態(tài)絕熱材料的固化時間、力學(xué)性能及絕熱性能的影響分析，得到以下主要結(jié)論。

(1)固化劑與水泥質(zhì)量比為1.00∶1時，膠凝時間為3.5h，滿足現(xiàn)場施工要求。

(2)隨著膠凝材料用量增加，生態(tài)絕熱材料的固化時間縮短。

(3)當(dāng)膠凝材料與填料的質(zhì)量比為1.25∶1時，制備的生態(tài)絕熱材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和絕熱性能，其抗折強度為10.9MPa、抗沖擊強度為9.25MPa、抗壓強度為6.7MPa、導(dǎo)熱系數(shù)為0.181W/(m·K)，均達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。