彭慧蘊(yùn),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(yáng) 621010;2. 西南科技大學(xué) 礦物材料及應(yīng)用研究所,四川 綿陽(yáng) 621010;3. 海南科技職業(yè)大學(xué),海南 海口 571126
在全球氣候變暖的大背景下,基于大國(guó)責(zé)任擔(dān)當(dāng),我國(guó)提出碳達(dá)峰、碳中和“雙碳目標(biāo)”,為后疫情時(shí)代推動(dòng)綠色發(fā)展方式和生活方式、實(shí)施結(jié)構(gòu)性減排提供了契機(jī)。據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心發(fā)布的《2050年中國(guó)能源和碳排放報(bào)告》顯示,建筑領(lǐng)域用能占國(guó)家總能耗比例20%以上,建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排在實(shí)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(shì)[1]。
我國(guó)建筑領(lǐng)域能耗問(wèn)題十分突出,建筑能耗是西方發(fā)達(dá)國(guó)家的2~3倍[2]。為實(shí)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(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)前在節(jié)能建筑中所使用的主要是有機(jī)節(jié)能材料,在價(jià)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(duì)我國(guó)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(dá)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(kāi)始膨脹,在200~300 ℃時(shí)急劇膨脹,在800~1 100 ℃時(shí)達(dá)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(guò)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(wú)機(jī)黏結(jié)劑水玻璃[7]、氟硅酸鈉[8]、硅丙樹(shù)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(dá)297.2 kg/m3,抗壓強(qiáng)度0.43 MPa,導(dǎo)熱系數(shù)0.071 8 W/(m·K)[7]。以有機(jī)黏結(jié)劑酚醛樹(shù)脂[10]、脲醛樹(shù)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(dá)到A級(jí)不燃。除使用普通黏結(jié)劑和有機(jī)樹(shù)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(chǔ)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(dá)到節(jié)能和降碳的目的。但目前對(duì)于膨脹蛭石保溫材料的施工試驗(yàn)研究較少。
本文從蛭石的膨脹性能出發(fā),對(duì)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(jìn)行研究和評(píng)價(jià),以推進(jìn)工業(yè)蛭石礦產(chǎn)的開(kāi)發(fā)及在建筑節(jié)能和減碳領(lǐng)域中的應(yīng)用,對(duì)于我國(guó)建筑節(jié)能和工業(yè)節(jié)能具有重要的意義,對(duì)于助力碳減排和碳達(dá)標(biāo)也具有重要的意義[2]。
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(duì)蛭石原料進(jìn)行加熱膨脹,加熱功率800 W,加熱時(shí)間2 min,得到微波膨脹蛭石樣品(EV),按片徑編號(hào)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(duì)蛭石原料浸泡12 h,將浸泡過(guò)的蛭石進(jìn)行微波加熱膨脹,功率800 W,加熱時(shí)間2 min,得到微波化學(xué)膨脹蛭石,按片徑編號(hào)為Smc和Bmc。按照國(guó)家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 441—2009,測(cè)定膨脹蛭石顆粒材料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)和含水率,測(cè)試結(jié)果列于表1。
從表1可以看出,無(wú)論是微波法還是微波化學(xué)法,相對(duì)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(guò)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(jìn)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?yàn)槲手饕鼙韺优蛎涷问瘜?duì)空氣中的水分的吸附-脫附動(dòng)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(dá)到80.60 kg/m3,遠(yuǎn)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(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。
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(zhǎng)方體模具中,分別通過(guò)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(hù)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(xiě)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(hào)。依照國(guó)家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 442—2009,測(cè)定膨脹蛭石/石膏復(fù)合保溫板的密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)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(duì)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(duì)水分子的吸附性更強(qiáng),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(guò)程中石燒膏漿體進(jìn)入膨脹蛭石孔隙中,內(nèi)部的氣孔和孔隙減少,毛細(xì)作用較弱,吸水性不強(qiáng),最終導(dǎo)致較低的含水率。
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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)榕蛎涷问w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(qiáng)度和密度相對(duì)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(qiáng)度相對(duì)較低。
表2 膨脹蛭石/石膏保溫板的抗壓強(qiáng)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(shí),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(qiáng)度,主要的原因是澆注過(guò)程中石燒膏漿體進(jìn)入膨脹蛭石孔隙中,成型的水量充足,燒石膏水化反應(yīng)進(jìn)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(qiáng)度均較高。
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??梢钥闯?,相對(duì)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(rèn)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(diǎn)更多,熱流在板體內(nèi)部傳遞時(shí)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(duì)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(duì)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(jìn)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。
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(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)等數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià),為全面直觀評(píng)價(jià)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。
選擇大小、結(jié)構(gòu)相同樣板房共兩間,樣板房?jī)?nèi)墻用微波化學(xué)膨脹蛭石進(jìn)行保溫抹灰處理,作為對(duì)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(hào)的分體落地式空調(diào)(型號(hào)KFR-50LW/DHR (W1-G)+T)對(duì)試驗(yàn)樣板房間和對(duì)照樣板房間進(jìn)行供熱,空調(diào)預(yù)設(shè)溫度25 ℃(制熱模式)。在相同試驗(yàn)條件下,比較保溫處理樣板房與未保溫處理樣板房?jī)?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(jì)算二者的差值,得到節(jié)能效率并對(duì)保溫效果做出相應(yīng)評(píng)價(jià)。
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(yùn)行時(shí)間的關(guān)系??梢钥闯?,樣板房的耗電量與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系,耗電量隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而增加,保溫樣板房耗電量對(duì)應(yīng)直線的斜率明顯小于對(duì)比樣板房耗電量對(duì)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(yùn)行時(shí)間的關(guān)系圖可以看出,從系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)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(yùn)行700 h時(shí),保溫樣板房較對(duì)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(yùn)行時(shí)間的關(guān)系(a.耗電量;b.節(jié)約電量、節(jié)能效率)
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(duì)照組,管道全裸露,沒(méi)有敷設(shè)保溫材料進(jìn)行保溫處理。在冬季室外平均氣溫為7 ℃條件下,分別采用儲(chǔ)水式電熱水器(型號(hào)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(yàn)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(jì)算二者的差值得到保溫管道累計(jì)節(jié)約電量,進(jìn)一步計(jì)算節(jié)能效率并對(duì)保溫系統(tǒng)的保溫效果做出相應(yīng)評(píng)價(jià)。
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(yùn)行時(shí)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(yùn)行時(shí)間存在顯著的線性關(guān)系,耗電量隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)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(yùn)行時(shí)間的關(guān)系可以看出,保溫管道累計(jì)節(jié)省電能與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系,從系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)行700 h時(shí),保溫管道較對(duì)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(yùn)行時(shí)間的關(guān)系(a.耗電量;b.節(jié)約電量、節(jié)能效率)
膨脹蛭石保溫樣板房工程和管道保溫樣板工程實(shí)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)?huì)有廣闊的應(yīng)用空間。
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(shù)脂等)或增強(qiáng)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(kù)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(dá)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(dá)到吸音、隔音的目的[22]。
以膨脹蛭石制成的高強(qiáng)度輕質(zhì)耐火板,可用作高級(jí)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(kù)、倉(cāng)庫(kù)、圖書(shū)館、檔案室及特殊要求場(chǎng)所[23]。
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(shí)也用膨脹蛭石對(duì)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(wú)機(jī)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(duì)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(dá)1 000 ℃以上,因此可廣泛用作耐火磚的耐火保溫涂層,以達(dá)節(jié)能的目的[25]。
我國(guó)二氧化碳的排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值,在2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。建筑行業(yè)的節(jié)能降耗對(duì)碳達(dá)峰和碳中和至關(guān)重要,這對(duì)新型無(wú)機(jī)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(qiáng)度并助力碳減排碳達(dá)標(biāo)的功能,對(duì)于構(gòu)建綠色建筑與節(jié)能降碳工程,促進(jìn)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和重大戰(zhàn)略決策的實(shí)施具有重要的意義。