二次铝灰和粉煤灰制备轻质耐火保温材料

萧淋耀

重庆力耀耐火材料有限公司 重庆 401332

水泥泡沫混凝土是一种多孔性墙体保温材料，内部含有大量气孔，具有轻质、保温、隔热、隔音等优越性能。当前广泛使用的水泥泡沫混凝土，存在脆性大、强度低、吸水率高、抗冻及抗裂性能差等诸多缺陷。新型墙体保温材料的发展方向是研制和发展一体化建筑保温材料，不但要求材料具有较小的干密度和良好的保温性能，同时还要求具有较高的抗压、抗拉性能，使得材料具有必要的承重和抗裂防震能力，还要求保温材料具有良好的与环境相适应的耐水、耐冻等性能。实践表明，掺入无机掺合料是改善水泥泡沫混凝土成型、力学以及相关物理性能的重要途径，开展无机掺合料改性水泥泡沫混凝土的研究具有重要的理论和实际应用意义。因此，本文将从抗压强度、混凝土结构两个方面就粉煤灰、硅灰这两种无机掺合料对泡沫混凝土力学性能的影响进行分析，以期对泡沫混凝土力学性能的改性实践起到参考作用[1]。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验中二次铝灰由河南某铝加工企业提供,粉煤灰由河南某矿业有限公司热电厂提供[2]。采用MagiX(PANalytical)荧光分析仪分析二次铝灰和粉煤灰主要元素组成，其中二次铝灰的主要元素组成为(%):Al36.40、023.33、Mg4.77、C114.59、F1.34、Si0.69、Na7.32、K4.56、Ca0.95、Ti0.42、Fe0.54;粉煤灰主要元素组成为(%):A120348.30、Si0240.24、Ca03.17、Fe2032.70、MgO0.03、Ti021.92、K200.28、Na200.13、S0.064、P0.092、C1.45。二次铝灰主要元素为铝、氯、镁、钠、氟、硅、钙、铁和钛，其中主要元素为铝，其中氯元素主要是以氯化钠和氯化钾的盐分存在。粉煤灰的主要成分为A12O3和Si02，其总含量为88.5%，A/S质量比为1.20。粉煤灰的玻璃相含量约35.6%，主要杂质成分Fe2O3的含量为2.70%，其中单质Fe含量约0.5%(换算成Fe203约0.71%)，碱金属氧化物含量总和(K20+Na20)＜0.5%。同时，少量的残C(1.45%)可在制备轻质耐火材料过程中烧尽除去凹[3]。

1.2 力学试验方法

制备边长为10cm的正方体试块，并测量试块的抗压强度，试验抗压强度取值为3个试块抗压强度的均值。值得注意的是，如果某试块的抗压强度值与均值的差值的绝对值＞均值，则应该剔除该试块，取剩余试块抗压强度测量值的均值作为试验抗压强度。制备长为16cm、宽与高均为4cm的长方体试块，并测量试块的抗折强度，试验的抗折强度取值方法同抗压强度取值方法。

1.3 性能检测

根据GB/T2997-2000，检测烧后试样的体积密度和显气孔率；根据YB/T4130-2005，采用水流量平板法测定烧后试样的导热系数(350～1000C)；根据GB/T5072-2008，检测烧后试样的冷态(高温)耐压强度；根据GB/T5988-2007，测定试样的加热线变化；采用X'PertPRO型X射线衍射仪分析制品的XRD衍射图谱；采用JSM-6360LV扫描电子显微镜观察制品的微观形貌[4]。

1.4 Si02气凝胶的热稳定性分析

Si02气凝胶在0～332°C处出现了较平缓的失重，这是SiO2气凝胶孔隙和表面存在的少量水和乙醇蒸发导致的;在320～608°C出现了快速失重,这主要是疏水基团-CH3的氧化放热所致;温度继续升高至900°C时，Si02气凝胶出现了亲水性质，质量变化逐渐趋于平缓。此外，当草酸用量≤1.5mL时，SiO2气凝胶的质量损失逐渐减小；当草酸用量为1.5mL时，质量损失最小，热稳定最好；当草酸用量增加至2.0mL时，质量损失出现轻微增大。这是因为在一定范围内，随着草酸用量的增加，SiO2气凝胶的残炭率逐渐升高，耐高温性逐渐增大，热分解温度逐渐升高，使得样品的质量损失减小，热稳定性增强;但过量的草酸掺杂，使得局部出现颗粒团聚，在升温过程中容易吸热挥发导致质量损失较大凹。整体来看，样品在900C高温下的热失重曲线逐渐趋于水平，说明制备的SiO2气凝胶可承受900°C的高温，能够满足建筑领域超高性能隔热保温材料的使用要求。

1.5 SiO2气凝胶颗粒直接加入纤维网

通过短纤铺网加固成型的非织造布，可在纤维铺网后加固前，增加气凝胶颗粒添加装置，将气凝胶颗粒添加至纤维网，随着后续加固使气凝胶颗粒与非织造布固结在一起。此方法可添加的气凝胶含量较大，但在后续加固时由于较大的压力或摩擦力可能会使气凝胶结构破损，从而使所添加气凝胶的有效率降低。在热风非织造布(PE-PET)纤网进入热风自黏合工序前，创新性地采用自然沉降法将SiO2气凝胶分别黏附在0.1tex、0.3tex的PE-PET皮芯结构纤维表面。研究人员在铺网和热风工序之间添加盛有气凝胶颗粒的网筛装置，通过筛网的抖动使气凝胶颗粒自然沉降到PE-PET纤维网上，通过保暖性能测试发现0.3tex热风气凝胶毡的保暖性能高于0.1tex热风气凝胶毡。在玻纤针刺毡制备过程中，在玻璃纤维网进入针刺加固工序之前，将1μm～200μm的气凝胶粉末加入由溶剂、分散剂、稳定剂等组成的溶液中，搅拌均匀后，用喷枪吸取喷于玻璃纤维网上，然后针刺形成了气凝胶玻纤毡。

2 结果分析

2.1 原料配比对试样性能的影响

在1200°C下烧结1h,研究不同高铝料和粉煤灰配比对轻质保温耐火材料性能指标的影响，数据可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，试样的体积密度逐渐降低，显气孔率逐渐升高，线收缩率逐渐降低，常温耐压强度先增大后降低。充分考虑制备试样的体积密度和常温耐压强度对应关系，优选了高铝料40%、粉煤灰60%为最佳配料比例。此种配比下制备的轻质耐火保温材料试样的体积密度为0.90g/cm3,显气孔率为61.55%，线收缩率为1.47%，常温耐压强度为3.57MPa。。

2.2 市售SiO2气凝胶毡/板性能分析

目前市场上较为成熟的产品为超临界法干燥玻璃纤维复合SiO2气凝胶毡。为了解我国市售气凝胶毡性能，目前全国市场上产业化的玻璃纤维复合SiO2气凝胶毡并根据GB/T34336—2017《纳米孔气凝胶复合绝热制品》和ASTMC1728—17《柔性气凝胶绝热材料规范》对产品性能进行测试分析。根据市场产品规格发现目前主流气凝胶毡厚度为5mm～10mm，比传统绝热材料薄，导热系数类型为A类，憎水型产品燃烧性能A2级，非憎水型产品燃烧性能A1级。测试结果表明：厚度偏差可满足国标要求，但部分产品无法满足ASTM要求，主要是玻纤针刺毡的工艺控制略有不足；产品25℃下的导热系数为0.017W/(m·K)～0.021W/(m·K)，均满足国标和ASTM要求；横向抗拉强度为1MPa～3.8MPa，纵向抗拉强度为0.5MPa～0.9MPa，远超国标要求；憎水型气凝胶毡不燃性测试无法通过，燃烧等级可达到A2级，非憎水型产品可通过不燃性测试达到A1级；憎水型产品憎水率可达到99%以上，吸水率小于1%，具有很好的防水性能，可达国标要求[5]。

2.3 粉煤灰对泡沫混凝土力学性能的影响

粉煤灰这一无机掺合料凭借“粉煤灰效应”，经常作为混凝土的改性材料，其对混凝土力学性能的影响主要有以下几方面：（1）粉煤灰的形态是玻璃微珠，将其加入混凝土后可以起到润滑混凝土的作用，一方面避免水泥在水化初期形成凝絮影响浆体的流变性，另一方面减少水的加入量，增强混凝土的强度，即粉煤灰的“形态效应”；（2）SiO2与Al2O3是粉煤灰中的活性成分，可以和水泥中的Ca（OH）2产生水化反应，生成水化硅酸钙与水化铝酸钙，特别是水化硅酸钙，可以起到增强泡沫混凝土黏结力与强度的作用，进而提高泡沫混凝土的稳定性、耐久性，即粉煤灰的“活化效应”；（3）泡沫混凝土是一种多孔水泥混凝土材料，粉煤灰颗粒可以起到泡沫混凝土泡沫细孔、孔隙的微填料作用，提高水泥机体的密实性与强度，即粉煤灰的“微集料效应”。在粉煤灰掺入试验中，用粉煤灰对水泥进行等量替换，对配合比进行试验设计。

2.4 导热性能

随着玻璃纤维在聚氨酯发泡材料中质量分数的增加，导热系数呈先降低后增加的趋势，但均满足聚氨酯发泡材料对导热系数的基本要求。当玻璃纤维的质量分数为6%时的导热系数最低，值为0.02W/m·K。未掺入玻璃纤维导热系数为0.023W/m·K，导热系数降低了13.0%，说明玻璃纤维的加入可以降低聚氨酯发泡材料的导热系数，提高保温性能。当玻璃纤维大于6%时，导热系数随之升高；当玻璃纤维质量分数达到10%时，试样比未掺入玻璃纤维的导热系数显著增加，达到0.026W/m·K，表明玻璃纤维加入到一定的范围时，玻璃纤维使得聚氨酯发泡材料内部的泡孔破裂，然后玻璃纤维填充了泡孔部位，使得导热系数增加。因此，综合考虑压缩强度、导热系数实验结果，玻璃纤维的质量分数为6%时的性能最佳。

2.5 物理性能

将碱催化剂滴加到溶胶中至形成湿凝胶，时间记为Si02气凝胶的凝胶时间，用SiO2气凝胶的质量除以体积来表征密度ρ，采用全自动比表面积与孔隙度分析仪对Si02气凝胶的比表面积和孔径进行测试，介质为N2，测试温度为-190C,孔隙率P按照式(1)进行计算:P=1-ρbρsX100%式中:ρb为SiO2气凝胶的体积密度，kg/m3;ρs为SiO2气凝胶的骨架密度，定为1900kg/m3。Si02气凝胶隔热材料的FT-IR谱图为Si02气凝胶隔热材料的凝胶时间、密度、孔隙率、孔体积、比表面积和孔径分布。Si02气凝胶的孔径变化较小，基本都在30.5～31.4nm之间;而凝胶时间、孔隙率、孔体积呈现出先减少后增加的趋势;密度先升高后降低。当氨水浓度为5mo1/L时，Si02气凝胶的凝胶时间最短为13.2min，密度最大为0.14g/cm3，孔隙率最小为92.34%。这是因为随着氨水浓度的增加，催化效率得到提高，从而增加了气凝胶的致密性和密度，降低孔隙率，缩短了凝胶时间，但当氨水浓度过大时，溶胶体系中会出现局部先凝胶和团聚现象，影响了凝胶整体的均匀程度,从而导致凝胶时间增大，孔隙率出现升高。

3 结论

针对保温材料多孔介质的特点，建立两相多孔材料导热系数模型。利用保温材料吸湿过程中的导热系数测试结果，对模型进行验证。主要得到以下结论：（1）采用均匀处理化方法，建立了基于最小热阻力法则的导热系数模型。与串联模型、并联模型、W-M模型相比，本文提出的导热系数模型在预测聚氨酯保温材料导热系数方面具有更高的预测精度。（2）孔隙率与含水率均是影响聚氨酯保温材料导热系数的重要因素。保温材料导热系数随孔隙率增大而减小，随含水率的增大而增大。（3）若保温材料长期吸湿，将导致保温材料的保温性能大幅降低[6]。因此，需要提高保温材料的憎水性，并做好渠道的防渗处理，使保温材料在服役期间处于较为干燥的状态，以减小环境因素对其保温性能的影响。

4 结束语

建筑节能保温技术的快速发展加速了各类新型节能保温材料研发，并已广泛应用于多领域建筑工程实践当中。本文立足于节能保温材料在建筑外墙中的应用实际，以建筑外墙保温工程需求出发，科学选择外墙保温材料，最大限度发挥材料的性能优势为目的，依据节能保温材料分类分析差异化优势特征，研究建筑外墙应用节能保温材料应用准则，并系统阐述了节能保温材料在建筑外墙的实际应用，以期为建筑外墙的节能保温理论研究和相关工程实践提供参考借鉴，助力节能保温建筑的良性发展。