利用玄武岩纤维废料的墙体材料热工性能研究

刘国强 张贞强 刘开明 邹山梅 王建林 杜红山

（1甘肃能源化工职业学院；2甘肃鸿盛岩棉科技有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

我国建筑能耗接近全社会总能耗的40%，而城镇建筑中节能建筑的比重还不足25%。兰州属于寒冷地区，建筑围护结构外墙传热系数至少应≤0.60，建筑节能应达到65%。现阶段兰州乃至甘肃地区为了达到此规定，普遍采用外墙保温技术，墙体结构与墙体保温分步施工。此法除增加建筑成本外，由于寒暑温差导致的热应力、风荷载、雨雪影响、高温照射等原因，使得外保温材料的耐候性普遍比较差。建筑物设计使用年限一般为50年，而保温层仅为25年，无法实现保温与建筑墙体同寿命。

轻集料自保温砌块是自身能够满足建筑节能设计标准要求的一种建筑保温与结构一体化技术产品，具有自重轻、保温隔热和耐火性能好、保温与建筑墙体同寿命等特点。

本项目拟利用岩棉废料生产轻集料砌块。岩棉作为A级阻燃型外墙保温材料，在发达国家产量很高，在欧洲外墙保温材料市场占有率高达60%[1]。岩棉废料包括废岩棉和炉底渣，这些废料由于容重轻、难降解，污染环境，大部分被倾倒掩埋。我国岩棉2016年产量为252.50万吨，2017年269.70万吨[2]，2018年320万吨[3]，岩棉废料的量约占岩棉板总产量的20%～25%，倾倒掩埋不仅浪费人力、运力，而且对环境造成破坏，填埋后的土壤则失去使用价值。有研究表明，将岩棉作为混凝土组分添加，可以改善混凝土性能[4]，这为绿色处理岩棉废料提供了良好的思路。

1 实验方法

本项目研究所用材料PO42.5级水泥，普通建筑用砂，细度模数为2.9，碎石，最大粒径31.5mm,膨胀珍珠岩，表观密度399kg/m3，经过改性后的循环流化床燃煤产生的高钙粉煤灰[5]，还有玄武岩纤维废料（废岩棉+炉底渣）。

图1 废岩棉XRD图谱

表1 玄武岩纤维废料的成分

通过对废料进行XRF分析可知，废料中含有大量Ca、Si的氧化物和少量的Al、Fe、Mg,其组成物质与硅酸盐水泥相同，可知其对混凝土无害，可作为制备混凝土的原材料。

通过图1可以看出，废岩棉在16°～39°之间出现一个明显的弥散衍射峰，可知岩棉废料具备近程无序，远程有序的非晶态玻璃体形态，结晶程度低，潜在活性高。

图2 炉底渣XRD图谱

图2表明，炉底渣在形成过程中冷却速度稍慢，结晶程度比废岩棉要高，但仍含有大量的玻璃体，其结晶矿物也具备对混凝土无害的特征。从以上分析可知，玄武岩纤维废料不但对混凝土无害，且因其含有大量玻璃体，在适当激发的前提下，还可能对混凝土产生积极的影响。

本项目采用JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》进行配合比设计，并考察了各添加成分对材料力学性能的影响[6]。从所有64组配比中，综合抗压强度和密度两项因素，选取性能良好的4组配比进行了热工性能测试。所选取4组配合比如下表所示。

表2 C30基准配合比（单位：Kg/m3）

表3 C50基准配合比（单位：Kg/m3）

表4 测定导热系数时用的配合比（单位：Kg/m3）

2 实验结果

经试配并严格养护后的试块，利用稳态平板高精度导热系数测定仪进行了导热系数的测定，结果如下表所示。

表5 导热系数及容重测定结果

图3 各因素之间的相关性

从图3可以看出，添加各辅助成分后，材料抗压强度都有大幅度下降，同时导热系数及密度也相应下降，与实验目标一致。原因是，陶粒与膨胀珍珠岩都具有较大孔洞，其本身导热性差，密度低，致使实验配制材料导热系数约可降至原来的1/3，密度可降低25%。其中，R3配比强度最低，导热系数及密度也最小，因其中添加的膨胀珍珠岩比例最高。但这个配比是按C50标号为基准配比，强度损失达到65%，因其水泥添加量大，故而不经济。R2配比强度损失最小，因其中添加岩棉废料最多，纤维状岩棉起到增加各部分连接作用，对提高强度有利。虽然导热系数较高，但仍较基准配比降低了60%左右，密度降低程度与其他配比相当。

除检测导热系数和密度之外，项目还对试配混凝土进行了扫描电镜分析。

从图4可以看出，水化产物与膨胀珍珠岩界面接触紧密，无明显裂纹，水化产物包裹珍珠岩生长。从图5可以看出，试样中由于添加膨胀珍珠岩，形成孔洞较多，有利于降低试块密度，降低材料导热性能。从图6可以看出，实验所用的经过处理的循环流化床高钙粉煤灰规则球形颗粒占大多数，体系中的粉煤灰分布均匀。从图7可以清楚看到，纤维状岩棉，水化产物诸如钙矾石、氢氧化钙等聚集在岩棉末端或贯穿岩棉纤维之间，有利于提高混凝土的强度。

图4 试样1000倍SEM照片

图5 试样100倍SEM照片

图6 试样2000倍SEM照片

图7 试样5000倍SEM照片

3 几点思考

新型墙体材料的使用极大地促进了建筑节能，减轻房屋自重，对于建筑物结构设计和提高建筑经济性具有非常重要的意义。非承重构件仅起保温、隔热、隔声、隔气的作用，因此对非承重构件更应大力推广应用轻质材料。

通过项目组大量的实验研究，将岩棉废料以及改性后的循环流化床燃煤产生的高钙粉煤灰，配合陶粒、膨胀珍珠岩等原材料配制的轻集料混凝土，可以用于制备小型空心砌块。本项目试配的利用玄武岩纤维废料轻集料混凝土，具有密度小，导热系数小，保温性好的优点。编号R2的配比，密度1826kg/m3，导热系数0.3015（W/（K·m)，如果将它做成空心砌块，按经验[7]可得强度等级MU10级、密度1100kg/m3的砌块，它的应用将使结构构件从断面尺寸到单位容重等参数都大大优化，不仅减轻建筑物自重，还能够完善结构设计，提高建筑经济性，具备良好的经济效果。

从实验结果来看，此项目仍有深入研究的空间，按照R2配合比试配的结果，在混凝土立方体试块强度达到26MP的时候，密度降低为1800kg/m3，如果继续增加轻骨料比例，则在满足强度要求的情况下，密度可以继续降低，导热系数也可以降低。此外，通过图7可以看出，废岩棉并未完全分散，应继续加强对其分散性的研究，以使其纤维增强发挥更高的作用。