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

1 引言

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]。

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(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。

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(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。

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(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。

3.2 抗壓強(qiáng)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(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。

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?？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。

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(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。

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?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)

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(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)

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(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。

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(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]。

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(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]。

6 結(jié)語(yǔ)

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。