王旭東

(北京市公安消防總隊(duì)，北京 100035)

A級(jí)不燃外墻保溫材料的制備與性能研究

王旭東

(北京市公安消防總隊(duì)，北京 100035)

針對(duì)目前我國(guó)建筑外墻保溫技術(shù)對(duì)高性能A級(jí)不燃保溫材料的需求，以工業(yè)廢料粉煤灰為主要原料，水泥為膠凝材料，利用添加泡沫和水泥固化相結(jié)合方法制備粉煤灰基泡沫陶瓷作為保溫材料用于建筑外墻，并且探討了制備條件對(duì)樣品表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)、彎拉強(qiáng)度及孔隙結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫添加量是制備過(guò)程中最為關(guān)鍵的因素，為了滿足樣品兼有良好的保溫性能和合適的力學(xué)強(qiáng)度，泡沫添加量應(yīng)該控制在漿料質(zhì)量的20%～30%之間比較合適。

不燃外墻保溫材料；泡沫陶瓷；導(dǎo)熱系數(shù)

0 引言

隨著能源危機(jī)的爆發(fā)，“節(jié)能減排”已經(jīng)成為我國(guó)能否可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。為了降低建筑能耗，國(guó)內(nèi)大力推行建筑保溫節(jié)能，強(qiáng)制實(shí)行公共建筑節(jié)能50%和民用建筑節(jié)能65%的標(biāo)準(zhǔn)，要求新建建筑要嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有建筑將逐步實(shí)施節(jié)能改造。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，建筑物通過(guò)圍欄結(jié)構(gòu)(主要包括門(mén)窗、外墻、屋頂和地面等)散失的熱量大約占整個(gè)系統(tǒng)熱損失的60%，所以對(duì)建筑外墻進(jìn)行保溫是建筑節(jié)能中相當(dāng)有效的手段之一，其中應(yīng)用最多的是外墻外保溫技術(shù)。

建筑外墻保溫技術(shù)中常用的保溫材料主要包括有機(jī)和無(wú)機(jī)兩種類型[2]。有機(jī)保溫材料因其隔熱性能好、質(zhì)輕、施工方便、價(jià)格便宜等眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，然而有機(jī)保溫材料可燃，一旦被點(diǎn)燃會(huì)釋放大量的熱量、煙氣和毒性氣體[3]，并且會(huì)在建筑外墻上迅速蔓延，造成嚴(yán)重的火災(zāi)后果。近年來(lái)由外墻保溫材料著火引起的火災(zāi)事故頻發(fā)，其中最嚴(yán)重的3起是2009年的央視北配樓火災(zāi)、2010年的上海靜安公寓火災(zāi)和2011年的沈陽(yáng)皇朝萬(wàn)鑫酒店火災(zāi)。

目前節(jié)能減排是大勢(shì)所趨，節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)逐步提高，研發(fā)高性能的新型無(wú)機(jī)外墻保溫材料將成為當(dāng)前建筑防火和新材料應(yīng)用領(lǐng)域中的重要科技問(wèn)題之一?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)中也明確規(guī)定了人員密集場(chǎng)所的建筑、建筑高度大于100 m的住宅建筑以及建筑高度大于50 m的其他建筑要求使用A級(jí)不燃保溫材料。

表1為市場(chǎng)上幾種典型保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和燃燒等級(jí)，雖然無(wú)機(jī)保溫材料的保溫性能不如有機(jī)保溫材料，但是防火性能優(yōu)異(A級(jí)不燃)，而且無(wú)機(jī)保溫材料的環(huán)境友好性和與建筑同壽命的優(yōu)點(diǎn)也是有機(jī)保溫材料無(wú)法比擬的。

多孔陶瓷是以孔隙為結(jié)構(gòu)特征的陶瓷材料，由于其具有低密度、低導(dǎo)熱、耐高溫、耐腐蝕、高孔隙和大比表面積等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于過(guò)濾器、分離膜、催化劑載體、隔熱隔音材料等領(lǐng)域[4]。多孔陶瓷既具有優(yōu)良的防火性能也兼有保溫隔熱功能，具有用于建筑外墻保溫的潛在價(jià)值。本文將在前人研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)多孔陶瓷的制備工藝進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以工業(yè)廢料粉煤灰為主要原料，水泥為膠凝材料，將添加泡沫和水泥固化相結(jié)合方法制備高孔隙率的粉煤灰基泡沫陶瓷用于建筑外墻保溫，并且探究了泡沫添加量對(duì)泡沫陶瓷性能的影響，為我國(guó)城市建筑火災(zāi)的防控提供技術(shù)支撐。

表1 典型建筑外墻保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和燃燒等級(jí)

1 材料與方法

1.1 原料及試劑

本文所用工業(yè)廢料的粉煤灰取自某熱電公司，膠凝材料水泥為快硬快凝硫鋁酸鹽水泥，助熔劑來(lái)自玻璃廠，分散劑羧甲基纖維素鈉和發(fā)泡劑十二烷基硫酸鈉均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，水為蒸餾水。

1.2 樣品制備

圖1是制備粉煤灰基泡沫陶瓷的流程示意圖，首先將粉煤灰、分散劑和助熔劑加入水中球磨配制成穩(wěn)定的漿料，然后往漿料中添加雙快硫鋁酸鹽水泥，待分散均勻后，再加入泡沫得到泡沫漿料，接著將泡沫漿料倒入模具中靜置固化得到濕坯，待濕坯脫模后干燥得到坯體，最后將坯體高溫?zé)Y(jié)得到粉煤灰基泡沫陶瓷。

圖1 制備粉煤灰基泡沫陶瓷的流程示意圖

1.3 性能測(cè)試與表征

表觀密度，按照《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》(GB/T 5486—2008)中的試驗(yàn)方法，制備100 mm×100 mm×30 mm的樣品，在110 ℃左右溫度下干燥至恒重，稱取質(zhì)量M(精確至0.1 g)，測(cè)量長(zhǎng)、寬、高三方向上的軸線尺寸l1、l2、l3(精確到0.1 mm)，計(jì)算得出試塊的體積為V=l1×l2×l3,單位為mm3，表觀密度即為ρ=M/(V×10-3)，單位取g·cm-3。

導(dǎo)熱系數(shù)，采用瞬態(tài)法測(cè)量，制備100 mm×100 mm×30 mm的樣品2塊，在DRE-2C導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀上測(cè)量樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。

彎拉強(qiáng)度，按照《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》(GB/T 5486—2008)中的試驗(yàn)方法制備樣品，尺寸為30 mm×30 mm×30 mm，在Instron-E3000電子動(dòng)靜態(tài)疲勞機(jī)中以1 mm·min-1的速度對(duì)試件加壓，記錄壓縮變形值直至試件被破壞，記錄載荷值P(N)。試件的強(qiáng)度為σ=P/S(MPa)，其中S為受壓面積(mm2)。

孔隙結(jié)構(gòu)分析，將泡沫陶瓷截面清刷干凈后使用Philips-XL 30環(huán)境掃描電鏡觀察制備樣品斷面的微觀形貌特征。

2 結(jié)果與討論

當(dāng)多孔陶瓷用于保溫隔熱時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)將成為一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，一般要求小于0.2 W·m-1·K-1[5]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外很多研究者一直嘗試制備超低導(dǎo)熱系數(shù)的多孔陶瓷來(lái)提升保溫隔熱性能[6-7]，其中最常用的方法就是增大材料的孔隙率來(lái)達(dá)到降低導(dǎo)熱系數(shù)的目的。本文中的制備工藝主要是通過(guò)添加泡沫來(lái)增大濕坯的孔隙率，從而增大泡沫陶瓷的孔隙率，降低其導(dǎo)熱系數(shù)，所以為了研究泡沫添加量對(duì)樣品性能的影響，每次取一定量50%(文中涉及到的百分比均指質(zhì)量百分比)固含量的漿料，在添加少量水泥(不大于漿料質(zhì)量5%)后按漿料的質(zhì)量百分比加入不同質(zhì)量的泡沫，最后將干燥后的坯體在1 000 ℃燒結(jié)后測(cè)試樣品的表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)、彎拉強(qiáng)度和微觀形貌。

2.1 泡沫添加量對(duì)樣品表觀密度的影響

因?yàn)樘砑优菽瓕?duì)樣品的孔隙率或者表觀密度的影響最為直接，因此，首先測(cè)試了泡沫添加量對(duì)泡沫陶瓷表觀密度的影響，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，當(dāng)泡沫添加量從0增加到20%后，表觀密度開(kāi)始急劇下降，從1.20 g·cm-3到0.28 g·cm-3，之后添加泡沫量增大到60%，表觀密度逐漸平穩(wěn)降低，從0.28 g·cm-3逐漸降低至0.19 g·cm-3。添加泡沫后泡沫漿料的孔隙率增大，從而減少坯體的表觀密度，進(jìn)而降低了泡沫陶瓷的表觀密度。

2.2 泡沫添加量對(duì)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的影響

泡沫陶瓷表觀密度的降低將直接導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)的下降，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，樣品導(dǎo)熱系數(shù)的下降趨勢(shì)和表觀密度基本一致，隨著泡沫添加量的增大，樣品的表觀密度逐漸減小，那么相應(yīng)的孔隙率逐漸變大，所以樣品的導(dǎo)熱系數(shù)隨著樣品的孔隙率增大而減小。當(dāng)泡沫添加量從0增加到30%，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)從0.24 W·m-1·K-1迅速減小到0.06 W·m-1·K-1，而泡沫添加量從30%增加到60%，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)下降并不明顯。

圖2 泡沫添加量對(duì)泡沫陶瓷表觀密度的影響

圖3 泡沫添加量對(duì)泡沫陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)的影響

相對(duì)于工業(yè)保溫，外墻保溫材料對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的要求更為嚴(yán)格，一般要求導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該小于0.1 W·m-1·K-1。如圖3所示，當(dāng)泡沫添加量大于等于20%后樣品的導(dǎo)熱系數(shù)才小于0.1 W·m-1·K-1，所以該工藝制備滿足外墻保溫所需要的樣品，泡沫的添加量至少要大于20%。

2.3 泡沫添加量對(duì)樣品彎拉強(qiáng)度的影響

文獻(xiàn)中指出高孔隙率和納米孔徑可以有效降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)[8]，但是由于外墻保溫材料要求有一定的機(jī)械強(qiáng)度，而過(guò)高的孔隙率會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能急劇下降，所以通過(guò)不斷提高孔隙率來(lái)降低多孔陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)并不是沒(méi)有限度。圖4為泡沫添加量對(duì)樣品彎拉強(qiáng)度的影響。

圖4 泡沫添加量對(duì)泡沫陶瓷彎拉強(qiáng)度的影響

如圖4所示，隨著泡沫添加量的增大，樣品的彎拉強(qiáng)度是逐漸減小的，從1.80 MPa下降到0.12 MPa。而且，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)泡沫添加量大于30%后，樣品的彎拉強(qiáng)度急劇下降到0.2 MPa以下，很難滿足外墻保溫材料的要求，所以該工藝制備滿足外墻材料使用所需要的樣品，泡沫的添加量不應(yīng)大于30%。

2.4 泡沫添加量對(duì)樣品孔隙結(jié)構(gòu)的影響

通常情況下，泡沫是氣體分散在液固相中的一種分散體系，但是由于作為分散相的氣體的體積分?jǐn)?shù)非常高，該體系為一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，所以如何形成穩(wěn)定的泡沫漿料是該制備工藝中最為關(guān)鍵的因素，而這其中添加泡沫量對(duì)最終樣品的性能起到至關(guān)重要的作用。圖5為不同泡沫添加量樣品截面的SEM照片，從圖中可以看出隨著泡沫添加量的增大，漿料的體積變大，黏度變小，泡沫漿料也變得越來(lái)越不穩(wěn)定，表觀現(xiàn)象就是大孔增多，孔壁也逐漸變薄。同時(shí)，還可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)泡沫添加量大于30%以后出現(xiàn)了大量的破碎孔壁，這樣會(huì)影響樣品的力學(xué)性能，所以泡沫添加量不宜大于30%。

圖5 不同泡沫添加量樣品截面的SEM照片

綜上，使用添加泡沫法制備粉煤灰基泡沫陶瓷時(shí)，泡沫的添加量是最為關(guān)鍵的參數(shù)，增加泡沫添加量可以提高樣品的孔隙率，降低樣品導(dǎo)熱系數(shù)，但是過(guò)高的添加量會(huì)導(dǎo)致樣品的彎拉強(qiáng)度急劇下降而影響使用。所以，為了保證樣品具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)和合適的力學(xué)性能，泡沫添加量應(yīng)控制在20%～30%。

3 結(jié)論

本文以工業(yè)廢料粉煤灰為主要原料，利用添加泡沫和水泥固化相結(jié)合方法制備了粉煤灰基泡沫陶瓷，并且研究了泡沫添加量對(duì)樣品表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)、彎拉強(qiáng)度及孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果證明，泡沫添加量應(yīng)該為漿料質(zhì)量的20%～30%比較合適，從樣品性能來(lái)看，樣品的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到0.06 W·m-1·K-1，優(yōu)于市場(chǎng)上大部分無(wú)機(jī)外墻保溫材料，這說(shuō)明通過(guò)該方法制備A級(jí)不燃外墻保溫材料具有一定的市場(chǎng)潛力。

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(責(zé)任編輯馬龍)

PreparationandPerformanceInvestigationofNon-inflammableThermalInsulationMaterialsforBuilding’sExteriorWall

WANG Xudong

(BeijingFireCorps,Beijing100035,China)

To meet the need of high-performance, non-inflammable thermal insulation materials in the field of building’s exterior wall insulation technology of China, this paper proposes preparing foam ceramics from coal ash with the use of foaming and cement consolidation methods as the thermal insulation material used in exterior wall insulation. An experiment has been conducted to find out the effect of preparation conditions on the apparent density, bending strength, thermal conductivity and pore structure. The experimental results show that foam addition is a key factor in the preparation process, and the foam addition should be controlled between 20% to 30% of the slurry in order to meet the good thermal insulation performance and the appropriate mechanical strength.

non-inflammable thermal insulation material for building exterior wall; foam ceramics; thermal conductivity

2017-07-25

王旭東(1973— )，男，山東龍口人，高級(jí)工程師。

D631.6

A

1008-2077(2017)10-0020-04