彭慧蘊,陳吉明,羅利明,劉海峰,黃躍華,李相錦,習(xí)永廣

1. 西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010；2. 西南科技大學(xué) 礦物材料及應(yīng)用研究所，四川 綿陽 621010；3. 海南科技職業(yè)大學(xué)，海南 海口 571126

1 引言

在全球氣候變暖的大背景下，基于大國責(zé)任擔(dān)當(dāng)，我國提出碳達峰、碳中和“雙碳目標(biāo)”，為后疫情時代推動綠色發(fā)展方式和生活方式、實施結(jié)構(gòu)性減排提供了契機。據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心發(fā)布的《2050年中國能源和碳排放報告》顯示，建筑領(lǐng)域用能占國家總能耗比例20%以上，建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排在實現(xiàn)溫室氣體減排的目標(biāo)方面扮演著重要角色，節(jié)能低碳建筑的發(fā)展已成為必然趨勢[1]。

我國建筑領(lǐng)域能耗問題十分突出，建筑能耗是西方發(fā)達國家的2～3倍[2]。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，建筑領(lǐng)域需扭轉(zhuǎn)能源和碳排放持續(xù)增長的趨勢。當(dāng)前在節(jié)能建筑中所使用的主要是有機節(jié)能材料，在價格、防火與壽命等方面存在很大局限性。在化工、電力、冶金、石油、建材等許多行業(yè)和建筑供暖中也都涉及保溫與節(jié)能。因此，高性能礦物保溫材料的研發(fā)與應(yīng)用，對我國建筑節(jié)能、降低建筑碳排放量具有重要的意義。

目前，用于耐高溫的礦物保溫材料主要有膨脹珍珠巖、礦棉、玻璃纖維、泡沫玻璃等，但生產(chǎn)膨脹珍珠巖的溫度高達1 200 ℃[3]，而生產(chǎn)礦棉、玻璃纖維、泡沫玻璃等常需要更高的溫度，能耗高，碳排放量大。蛭石作為重要的節(jié)能非金屬礦產(chǎn)，可在較低溫度下即開始膨脹，在200～300 ℃時急劇膨脹，在800～1 100 ℃時達膨脹最大值，最大膨脹倍數(shù)一般為10～25倍[4]。膨脹后的蛭石導(dǎo)熱系數(shù)和松密度明顯減小，具有隔熱、防火、隔音等功能，通過冷壓或熱壓成型工藝可將膨脹蛭石與膠凝材料復(fù)合成型制備蛭石復(fù)合保溫材料，廣泛應(yīng)用于節(jié)能降耗領(lǐng)域[5-6]。研究發(fā)現(xiàn)，水玻璃水解生成的硅酸溶膠可明顯提高膨脹蛭石的黏結(jié)能力，以無機黏結(jié)劑水玻璃[7]、氟硅酸鈉[8]、硅丙樹脂[9]等與膨脹蛭石混合制備的保溫材料具有低吸水率和高保溫的特性；優(yōu)化工藝條件下制備的復(fù)合保溫材料的壓縮密度可達297.2 kg/m3，抗壓強度0.43 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.071 8 W/(m·K)[7]。以有機黏結(jié)劑酚醛樹脂[10]、脲醛樹脂[11]、聚酰亞胺[12]、硬質(zhì)聚氨酯[13]等，配合固化劑、發(fā)泡劑、表面活性劑等，可制備出具有優(yōu)異性能的膨脹蛭石保溫隔熱材料，獲得的材料不僅壓縮密度更低，導(dǎo)熱系數(shù)低至0.029 W/(m·K)，且具有優(yōu)異的阻燃特性，阻燃達到A級不燃。除使用普通黏結(jié)劑和有機樹脂外，研究人員還利用水泥配合聚苯乙烯發(fā)泡顆粒[14-15]、石膏[16-18]、地聚物[19]等與蛭石復(fù)合制備蛭石基復(fù)合保溫材料兼具耐高溫性能和隔熱性能。由于水泥、石膏、膨脹蛭石、石蠟之間相容性較好，也有學(xué)者利用石膏、水泥、石蠟等制備出蛭石基相變儲能材料[20-21]，材料不僅具有良好的熱穩(wěn)定性，還具有較好的吸熱潛熱值。膨脹蛭石保溫材料的廣泛使用可大大減少工業(yè)和民用設(shè)施的能量耗散，達到節(jié)能和降碳的目的。但目前對于膨脹蛭石保溫材料的施工試驗研究較少。

本文從蛭石的膨脹性能出發(fā)，對微波法制備膨脹蛭石、膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫材料的性能及在建筑和管道保溫中的施工與應(yīng)用進行研究和評價，以推進工業(yè)蛭石礦產(chǎn)的開發(fā)及在建筑節(jié)能和減碳領(lǐng)域中的應(yīng)用，對于我國建筑節(jié)能和工業(yè)節(jié)能具有重要的意義，對于助力碳減排和碳達標(biāo)也具有重要的意義[2]。

2 微波法制備膨脹蛭石

蛭石原料采自新疆尉犁且干布拉克蛭石礦床，粒徑為2～4 mm，厚度≥0.5 mm，顏色以棕黃色為主，具油脂光澤，堆積密度為1.20 g/cm3，主要礦物組成為金云母-水金云母-蛭石分結(jié)型間層結(jié)構(gòu)礦物。

(1)微波膨脹蛭石制備：采用微波法對蛭石原料進行加熱膨脹，加熱功率800 W，加熱時間2 min，得到微波膨脹蛭石樣品(EV)，按片徑編號為Sm(片徑0.5～1 mm)和Bm(片徑2～4 mm)。

(2)微波化學(xué)膨脹蛭石制備：使用質(zhì)量濃度為30%的雙氧水對蛭石原料浸泡12 h，將浸泡過的蛭石進行微波加熱膨脹，功率800 W，加熱時間2 min，得到微波化學(xué)膨脹蛭石，按片徑編號為Smc和Bmc。按照國家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 441—2009，測定膨脹蛭石顆粒材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和含水率，測試結(jié)果列于表1。

從表1可以看出，無論是微波法還是微波化學(xué)法，相對于電加熱處理，大片徑的蛭石膨脹效果都更好，堆積密度更低，這是由于微波加熱是通過微波穿透樣品，使蛭石樣品中的水分子發(fā)生相互摩擦碰撞產(chǎn)生大量熱能，進一步將水分子汽化形成水蒸氣，片徑越大，氣體逸出蛭石結(jié)構(gòu)層越難，瞬間產(chǎn)生的壓力越大，蛭石的膨脹效果越好。但大片徑膨脹蛭石的含水率更高，這是因為吸水率主要受表層膨脹蛭石對空氣中的水分的吸附-脫附動態(tài)反應(yīng)的影響，膨脹效果好，比表面積大，吸附的水分子更多。

表1 膨脹蛭石的工藝性能

從表1還可以看出，相比于微波法，微波化學(xué)法制備的膨脹蛭石的堆積密度更低，最低可以達到80.60 kg/m3，遠低于建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 441—2009《膨脹蛭石》4.1分類中優(yōu)等品膨脹蛭石的堆積密度(100 kg/cm3)，表現(xiàn)為材料導(dǎo)熱系數(shù)更低，具有更好的應(yīng)用性能和市場應(yīng)用價值。

3 膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫材料

將膨脹蛭石與一定配比的燒石膏均勻混合，加入適量水?dāng)嚢杈鶆?，得到半干混合料或者漿體后移入長方體模具中，分別通過模壓法(壓縮比為2，0.05 MPa，30 s)和澆注法制備200 mm×200 mm× 40 mm板狀樣品。置于電熱恒溫干燥箱中養(yǎng)護和干燥后，得到膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫板。根據(jù)成型工藝及所用膨脹蛭石骨料的種類，膨脹蛭石保溫板分類記錄為：C-Sm，C-Bm，P-Sm，P-Bm，P-Smc，P-Bmc。其中，大寫字母C表示澆注成型，P表示模壓成型，Sm和Bm表示所使用的膨脹蛭石的編號。依照國家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 442—2009，測定膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫板的密度、抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)和含水率。

3.1 密度和含水率

圖1為膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫板的密度、含水率與燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比的關(guān)系。從圖1(a)可以看出，膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫板的密度與燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比呈明顯的線性相關(guān)關(guān)系，膨脹蛭石片徑越大，密度擬合直線的斜率越小。隨膨脹蛭石加入量和片徑的增加，保溫板的密度逐漸降低。

圖1 蛭石保溫板的密度(a)和含水率(b)與燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比的關(guān)系

從圖1(b)膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫板的含水率與燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，隨燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比的增加，復(fù)合保溫板的含水率降低，而隨膨脹蛭石的片徑增大，含水率增加。復(fù)合保溫板的吸水率主要由膨脹蛭石和石膏對空氣中水分子的吸附引起，其中，膨脹蛭石的影響較大。膨脹蛭石顆粒的片徑越大，其膨脹倍數(shù)和孔隙率越大，含水率越高(表1)。因此，膨脹蛭石復(fù)合保溫板的含水率主要隨膨脹蛭石片徑的增大而增加。

由于微波化學(xué)法制備的膨脹蛭石較之微波膨脹蛭石膨脹更充分，比表面積更大，對水分子的吸附性更強，因而所制備的復(fù)合保溫板的含水率較高。而澆注成型的膨脹蛭石保溫板與模壓板相比，含水率較低。這是由于澆注石膏板的質(zhì)地比較致密，澆注過程中石燒膏漿體進入膨脹蛭石孔隙中，內(nèi)部的氣孔和孔隙減少，毛細作用較弱，吸水性不強，最終導(dǎo)致較低的含水率。

3.2 抗壓強度

表2為燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比與膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫板抗壓強度變化的關(guān)系?？梢钥闯觯S燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比的增加，復(fù)合保溫板的抗壓強度逐漸升高；而隨膨脹蛭石片徑的增大，復(fù)合保溫板的抗壓強度逐漸降低。這是因為膨脹蛭石顆粒的片徑越大，膨脹所產(chǎn)生的孔隙越多，因此大片徑膨脹蛭石制備的復(fù)合保溫板抗壓強度和密度相對較低。與微波法相比，微波化學(xué)法制備的膨脹蛭石由于膨脹倍數(shù)較高，因而復(fù)合保溫板的抗壓強度相對較低。

表2 膨脹蛭石/石膏保溫板的抗壓強度

由表2還可以發(fā)現(xiàn)，在燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比、膨脹蛭石的片徑和制備方法相同時，澆注的復(fù)合保溫板比模壓保溫板具有更大的密度和更高的強度，主要的原因是澆注過程中石燒膏漿體進入膨脹蛭石孔隙中，成型的水量充足，燒石膏水化反應(yīng)進行得更為充分，石膏的結(jié)晶性好，晶體致密度高，因此形成的保溫板的密度和抗壓強度均較高。

3.3 導(dǎo)熱系數(shù)

圖2為膨脹蛭石保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)與燒石膏/膨脹蛭石質(zhì)量比的關(guān)系。可以看出，相對于大片徑的膨脹蛭石，小片徑膨脹蛭石制作的保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)較大，分析認為小片徑的膨脹蛭石由于膨脹倍數(shù)小，堆積密度大，因而顆粒內(nèi)部空洞較小(少)，接觸點更多，熱流在板體內(nèi)部傳遞時熱阻更小，因而板體的導(dǎo)熱速率更快，導(dǎo)熱系數(shù)更大。

圖2 膨脹蛭石保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)與燒石膏/膨脹蛭石的關(guān)系

而相對于微波法，微波化學(xué)法制備的膨脹蛭石的膨脹率更高，堆積密度更小，顆粒內(nèi)部和顆粒間的間隙較多，所以制備的復(fù)合保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)較低。相對于模壓成型，澆注成型制備的膨脹蛭石復(fù)合保溫板由于石膏進入膨脹蛭石顆粒的孔隙中，導(dǎo)致致密度增高，孔隙率降低。因此，澆注成型的復(fù)合保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)明顯高于模壓成型的復(fù)合保溫板。

4 微波法膨脹蛭石制備技術(shù)在建筑和管道保溫中的應(yīng)用

膨脹蛭石保溫材料的保溫性能受生產(chǎn)、施工等因素的影響，材料的保溫性能可根據(jù)保溫材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試導(dǎo)熱系數(shù)等數(shù)據(jù)來評價，為全面直觀評價保溫效果，我們建設(shè)了內(nèi)墻保溫樣板工程和管道保溫樣板工程。

4.1 內(nèi)墻保溫

選擇大小、結(jié)構(gòu)相同樣板房共兩間，樣板房內(nèi)墻用微波化學(xué)膨脹蛭石進行保溫抹灰處理，作為對照的另一間樣板房未做任何保溫處理(圖3)。在冬季室外平均氣溫為7 ℃條件下，采用相同型號的分體落地式空調(diào)(型號KFR-50LW/DHR (W1-G)+T)對試驗樣板房間和對照樣板房間進行供熱，空調(diào)預(yù)設(shè)溫度25 ℃(制熱模式)。在相同試驗條件下，比較保溫處理樣板房與未保溫處理樣板房內(nèi)的空調(diào)維持預(yù)設(shè)室內(nèi)溫度所消耗的電量差異，從而計算二者的差值，得到節(jié)能效率并對保溫效果做出相應(yīng)評價。

圖3 石膏基保溫砂漿的施工(a.保溫層的施工；b.抹面層的施工)

圖4a為兩間樣板房能耗與運行時間的關(guān)系?？梢钥闯?，樣板房的耗電量與系統(tǒng)運行時間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，耗電量隨運行時間的增長而增加，保溫樣板房耗電量對應(yīng)直線的斜率明顯小于對比樣板房耗電量對應(yīng)直線的斜率；從圖4b保溫樣板房節(jié)約電量、節(jié)能效率與運行時間的關(guān)系圖可以看出，從系統(tǒng)開始運行至50 h，節(jié)能效率快速提升至20%左右，之后稍有提升，約300 h后，保溫樣板房的節(jié)能效率一致穩(wěn)定在20%左右。在運行700 h時，保溫樣板房較對照樣板房節(jié)電150 kW·h。

圖4 樣板房能耗與保溫樣板房節(jié)電量、節(jié)能效率與運行時間的關(guān)系(a.耗電量；b.節(jié)約電量、節(jié)能效率)

4.2 管道保溫

建設(shè)兩組熱水循環(huán)管道，其中一組為保溫樣板管道，采用微波化學(xué)膨脹蛭石保溫材料保溫；另一組為對照組，管道全裸露，沒有敷設(shè)保溫材料進行保溫處理。在冬季室外平均氣溫為7 ℃條件下，分別采用儲水式電熱水器(型號F65-21B1，額定功率1 000 W)加熱產(chǎn)生恒溫?zé)崴?，預(yù)設(shè)水溫60 ℃，采用循環(huán)熱水泵使熱水在管道中循環(huán)。在相同試驗條件下，比較保溫管道系統(tǒng)與裸露管道系統(tǒng)電熱水器維持預(yù)設(shè)熱水溫度所消耗的電量差異，計算二者的差值得到保溫管道累計節(jié)約電量，進一步計算節(jié)能效率并對保溫系統(tǒng)的保溫效果做出相應(yīng)評價。

圖5 管道保溫層水泥基保溫砂漿的施工(a. 保溫層的施工；b. 防水層的施工)

圖6a為保溫管道和裸露管道的能耗與系統(tǒng)運行時間的關(guān)系?？梢钥闯?，保溫管道的耗電量和裸露管道的耗電量均與系統(tǒng)運行時間存在顯著的線性關(guān)系，耗電量隨運行時間的增長而成正比增加，保溫管道耗電量的變化速率明顯小于裸露管道的耗電量變化速率；從圖6b保溫管道的節(jié)約電量、節(jié)能效率與系統(tǒng)運行時間的關(guān)系可以看出，保溫管道累計節(jié)省電能與系統(tǒng)運行時間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系，從系統(tǒng)運行至100 h節(jié)能效率快速提高，之后稍有提升，約240 h后，保溫管道系統(tǒng)的節(jié)能效率一直穩(wěn)定在20%左右。在運行700 h時，保溫管道較對照的裸露管道節(jié)電147 kW·h。

圖6 保溫管能耗、節(jié)能與系統(tǒng)運行時間的關(guān)系(a.耗電量；b.節(jié)約電量、節(jié)能效率)

5 膨脹蛭石在建筑節(jié)能和減碳中的作用

膨脹蛭石保溫樣板房工程和管道保溫樣板工程實例表明，膨脹蛭石保溫材料具有很好的保溫節(jié)能效果。若將膨脹蛭石作為建筑保溫材料使用，以其良好的保溫、隔熱、隔音性能和優(yōu)異的防火性能，加之可與其他材料復(fù)合加工制備高性能的保溫隔熱材料，在建筑節(jié)能和減碳領(lǐng)域?qū)袕V闊的應(yīng)用空間。

5.1 在保溫、隔熱、吸音材料方面

用膨脹蛭石與其他黏結(jié)材料(如石膏、水泥、水玻璃、瀝青、合成樹脂等)或增強材料(如石棉、玻璃纖維等)混合，根據(jù)不同用途的需要制造出各種形狀和規(guī)格尺寸的磚、板、管、殼等制品以及膨脹蛭石混凝土、膨脹蛭石灰漿等，它們可被廣泛地用作溫室和冷凍庫的墻壁及各種工業(yè)管道(如輸油、輸汽(氣)、輸水管道)、熱工設(shè)施和窯爐的保溫和絕熱層；高層建筑鋼架的包裹材料等，可達到保溫、隔熱或保冷的目的。用于禮堂、影劇院、廣播室、電話室、錄音室等建筑物的內(nèi)壁，還可達到吸音、隔音的目的[22]。

以膨脹蛭石制成的高強度輕質(zhì)耐火板，可用作高級建筑物的耐火夾層、防火門的門芯、隧道電氣和電纜的防火隔板、艦船上的隔板、頂板、防火家具等。用膨脹蛭石砌塊或板材裝修屋頂或天花板，或用松散的膨脹蛭石作為絕熱夾層，可保持屋內(nèi)溫度，且能抗震、抗裂、防火，用于冷藏庫、倉庫、圖書館、檔案室及特殊要求場所[23]。

5.2 在節(jié)能、降耗方面

膨脹蛭石除在保溫、隔熱領(lǐng)域中應(yīng)用具有節(jié)能降耗的作用外，在澆鑄鋼錠時也用膨脹蛭石對鋼水液面保溫，使鋼材合格率提高20%，鋼材總成本減少10%～39%。由于膨脹蛭石能起到使鋼水緩慢冷卻和除去雜質(zhì)的作用，因而能顯著改善鋼的顯微結(jié)構(gòu)，并使優(yōu)質(zhì)鋼產(chǎn)量增加2%～4%[24]。

用無機纖維和黏結(jié)劑與膨脹蛭石制成的隔熱板材可做成工業(yè)窯爐的隔熱保溫材料。膨脹蛭石砌塊和板材可用于對各種熱工設(shè)施和鋼、玻璃、陶瓷窯爐的保溫。膨脹蛭石產(chǎn)品允許使用溫度達1 000 ℃以上，因此可廣泛用作耐火磚的耐火保溫涂層，以達節(jié)能的目的[25]。

6 結(jié)語

我國二氧化碳的排放力爭在2030年前達到峰值，在2060年前實現(xiàn)“碳中和”。建筑行業(yè)的節(jié)能降耗對碳達峰和碳中和至關(guān)重要，這對新型無機保溫材料及其制備技術(shù)的需求更加迫切。工業(yè)蛭石加工為膨脹蛭石及制品后，具有優(yōu)異的輕質(zhì)、保溫和絕熱性能，可廣泛用作工業(yè)和民用設(shè)施的保溫隔熱材料，具有顯著的節(jié)能降耗、控制能耗強度并助力碳減排碳達標(biāo)的功能，對于構(gòu)建綠色建筑與節(jié)能降碳工程，促進國家碳達峰、碳中和重大戰(zhàn)略決策的實施具有重要的意義。