膨脹珍珠巖保溫材料的制備工藝研究

膨脹珍珠巖保溫材料的制備工藝研究

目前，中國每年新增建筑面積為18.2億米。建筑能源消耗占全國能源消耗總量的27.5%，但國內(nèi)建筑節(jié)能水平較低。用于建筑以外的節(jié)能材料主要是聚苯板、傳統(tǒng)的膨脹珍珠巖板和壓力混凝土。然而，聚苯板有機(jī)板的防火性能很差，燃燒過程中會產(chǎn)生大量的毒氣體，對人類造成極大的傷害。國外禁止在建筑物中使用這些建筑材料。在中國，有機(jī)建筑材料也逐漸退出市場。傳統(tǒng)膨脹珍珠巖板的吸水率高，安裝施工中容易碎渣。由于兩口氣混凝土的密封性能高，干燥收縮值高，施工過程中泡沫和泡沫不會粘附在砂漿上，墻壁表面的磨損和劃痕嚴(yán)重。迫切需要建筑材料的防水性能好、防水性能好、國防火。因此，我們必須對建筑的內(nèi)壁進(jìn)行進(jìn)一步的研究。王小山等［2］研究了膨脹珍珠巖顆粒級配對保溫板性能的影響,其未從根本上解決材料吸水嚴(yán)重的問題;畢曉云［3－5］研究了有機(jī)物對珍珠巖的改性方法,其工藝較為復(fù)雜,不適于大量生產(chǎn)應(yīng)用;張憲圓等［6－8］研究了無機(jī)膠黏劑(水泥)基珍珠巖保溫板的性能,對吸水率的改善并不明顯,且質(zhì)量較低.基于此,筆者重點針對傳統(tǒng)珍珠巖保溫材料強(qiáng)度低、吸水嚴(yán)重等問題展開相關(guān)探討,并研究膠黏劑及工藝制度對試樣性能的影響規(guī)律.1原料和方法的試驗1.1原材料和設(shè)備膨脹珍珠巖:開口孔珍珠巖,選自沈陽市珍珠巖廠;無機(jī)粘結(jié)劑:以磷酸鹽為主的無機(jī)鹽,自制;(2)設(shè)備導(dǎo)熱系數(shù)測定:HOTDISK導(dǎo)熱系數(shù)測定儀1.2svc-400va液壓法生產(chǎn)混合液料將無機(jī)粘結(jié)劑、有機(jī)粘結(jié)劑、氫氧化鋁按1∶0.67∶0.27與適量的水混合均勻,然后加入膨脹珍珠巖,充分混合,靜置10min左右,將混合料裝入模具(見圖1)中,在SVC-4500VA液壓機(jī)上以10mm/min的速度模壓成型,成型最大壓力為4~6kPa,在室溫下干燥后,在230℃的烘箱中保溫2h,獲得樣品(工藝流程見圖2).1.3試樣的導(dǎo)熱系數(shù)、生物性能測試性能測試參照文獻(xiàn),具體方法如下.抗壓強(qiáng)度:加荷速度(2.0±0.5)kN/s,抗壓強(qiáng)度為荷載與受壓面積的比值.導(dǎo)熱系數(shù):將試樣加工成50mm×50mm×20mm的長方體樣品,測試樣品的導(dǎo)熱系數(shù).憎水性:參照文獻(xiàn).干密度:將試樣于70℃烘箱中烘干至恒重,密度為質(zhì)量與體積的比值.防火性能:參照文獻(xiàn).2試驗結(jié)果與討論2.1無機(jī)粘結(jié)劑的研制采用膠黏劑/珍珠巖質(zhì)量比研究無機(jī)膠黏劑用量對試樣強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響,測試結(jié)果見圖3.由圖3可知:隨著膠黏劑摻量的增加,試樣的強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大.制品的強(qiáng)度可能是由于無機(jī)粘結(jié)劑的固化產(chǎn)生的,自制的以磷酸鹽為主要成分的無機(jī)粘結(jié)劑具有高抗折、抗壓、抗水化性能;使用膠黏劑將珍珠巖粘結(jié)成板材后,膠黏劑填充于孔隙和空隙中,制品的導(dǎo)熱系數(shù)會有所增加,并隨著膠黏劑摻量的提高導(dǎo)熱系數(shù)增大.制品的憎水性能是由粘結(jié)劑中有機(jī)粘結(jié)劑的碳化作用決定的,有機(jī)粘結(jié)劑含量越多,碳化層越厚,憎水性越高,因此憎水性隨膠黏劑含量的增加而提高［15］.制品的防火性能是由有機(jī)膠黏劑與氫氧化鋁的比例決定的,當(dāng)其比例一定時,防火性能不變.氫氧化鋁是按有機(jī)粘結(jié)劑的40%添加的,因此制品的防火性能不隨膠黏劑/珍珠巖的比例變化而變化.(2)氫氧化鋁在制品中的雙向壓力有機(jī)粘結(jié)劑用量對試樣性能的影響如圖4所示.由圖4可知:隨著有機(jī)粘結(jié)劑摻量的增加,試樣的導(dǎo)熱系數(shù)降低;試樣的抗壓強(qiáng)度有所提高,但當(dāng)有機(jī)粘結(jié)劑用量超過粘結(jié)劑用量的60%時,試樣的強(qiáng)度會顯著降低.自制的有機(jī)膠黏劑可以在較低溫度下成膜而形成強(qiáng)度,且強(qiáng)度隨著溫度的升高而增大;當(dāng)溫度過高時,有機(jī)粘結(jié)劑碳化,碳化層的出現(xiàn)會減弱膠黏劑與珍珠巖顆粒間的粘結(jié)力,此時制品的強(qiáng)度隨溫度的升高而降低.制品的導(dǎo)熱系數(shù)隨有機(jī)粘結(jié)劑摻量的增加而降低.另外,有機(jī)粘結(jié)劑在成膜固化時會包含微小氣泡,也可能在一定程度上有利于制品導(dǎo)熱系數(shù)的降低.氫氧化鋁不僅可以促進(jìn)聚合磷酸鋁的固化,提高強(qiáng)度,而且能夠改善制品的防火性能.在一定范圍內(nèi),隨著氫氧化鋁含量的增加,保溫板的強(qiáng)度略有增加,這是由于氫氧化鋁與磷酸二氫鋁中的組分反應(yīng),生成鋁的磷酸鹽,促進(jìn)了磷酸鹽網(wǎng)絡(luò)的形成.當(dāng)氫氧化鋁摻量達(dá)到一定量時,膠黏劑的膠結(jié)能力反而下降,這是由于氫氧化鋁與磷酸二氫鋁生成不溶于水的鹽造成的.在高溫條件下,氫氧化鋁會吸收熱量,同時脫水,降低制品的溫度,從而對苯丙乳液起到阻燃的作用［14］.按制備的膨脹珍珠巖保溫板,其抗壓強(qiáng)度為0.4MPa,密度為200kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)0.06W/(m·K),憎水率為98%,不燃燒,符合GB8624-2006《建筑材料及制品燃燒性能分級》中的規(guī)定.2.2型制成系統(tǒng)對樣品性能的影響(1)模壓與討論對試樣密度的影響加荷速度對制品的尺寸穩(wěn)定性有顯著影響［13］,加荷速度越慢,制品的尺寸穩(wěn)定性越好.膨脹珍珠巖為多孔結(jié)構(gòu),在受力時會發(fā)生彈性變形,因此在壓制制品成型后會發(fā)生彈性后效,即模壓成型后彈性應(yīng)力的釋放,壓塊將發(fā)生彈性膨脹,體積增大,這不僅影響制品的尺寸,還會對制品的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響.為避免其發(fā)生,加荷速度應(yīng)保持在較低水平.若保壓時間過短,壓力沒有傳遞到應(yīng)有的深度外力就已消失,則會使試樣的密度偏小.在模壓成型過程中,備料與模具內(nèi)壁在摩擦力的作用下會使應(yīng)力損失,使備料內(nèi)部受力不均勻,從而導(dǎo)致制品的密度不均勻.一般采用雙面模壓的方法并持荷一段時間以減小彈性后效.前期研究表明:試樣高徑比比值愈大,則坯體壓強(qiáng)差也愈大,坯體密度在上方最大,下方及中心部位密度較小.這主要是由于:當(dāng)壓力通過壓頭傳到坯料時,靠近壓頭的壞料層中比較粗的顆粒將該層的細(xì)顆粒和超細(xì)顆粒分開,使它們不僅在豎向而且在橫向上彼此接近.然后壓頭進(jìn)一步推進(jìn),壓力通過靠近壓頭的密實層向里層傳遞,并逐漸減少.部分壓力還由壓頭傳到模壁上,因此坯體在不同的高度和截面上具有不同的密度.(2)密度與荷載的關(guān)系試樣的密度隨著荷載的增加而增大［13］.荷載大小對試樣密度的影響見圖5.施壓后,顆粒開始滑動,成緊密狀態(tài)堆積,密度逐漸提高.從而使試樣具有一定的強(qiáng)度.其原因:1具有粗糙表面的顆粒的混合料被壓實時,顆粒相互交織在一起,一些顆粒的凸出部分嵌入另一些顆粒的凹陷部分,形成機(jī)械強(qiáng)度,即咬合力,把顆粒膠結(jié)在一起;2膠黏劑在顆粒表面之間形成一層很薄的薄膜,對顆粒有膠結(jié)作用.試樣成型過程中的加荷越大,制品的密度越大［13］.試樣密度隨荷載的變化為非線性關(guān)系,經(jīng)線性回歸分析,試樣的密度與荷載呈指數(shù)增長,即式中:ρ為試樣的密度,g/cm3;Q為荷載,MPa.模壓成型時混合料受力過程共分為三個階段:1混合料尚未受到壓力(P=0),處于松散的堆積狀態(tài).各個顆粒的排列是不規(guī)則的,互相堆疊,顆粒間呈“架橋”現(xiàn)象,而形成較大空隙.在此階段,柱塞開始加壓,顆粒隨著柱塞移動,顆粒間的空隙被較小顆粒所填充,顆粒間的接觸很快就趨于緊密,架橋現(xiàn)象消失,空隙減少.在這階段,壓力稍有增加,壓塊的密度就增加很快.2當(dāng)柱塞繼續(xù)加壓,壓塊逐漸緊密,糊料內(nèi)呈現(xiàn)一定的阻力.在這一階段中,壓塊密度與所施壓力成比例地增大.但由于顆粒間的摩擦阻力也隨壓力和接觸表面的增大而上升,當(dāng)密度達(dá)到一定值時,雖然壓力繼續(xù)增加,密度的增加卻逐漸變慢.3壓力進(jìn)一步增加,壓塊密度不再增加,但在這一階段可以使壓塊各部分的密度漸趨均勻.成型制度主要影響制品的密度,密度直接影響導(dǎo)熱系數(shù).材料的導(dǎo)熱系數(shù)和密度的關(guān)系如圖6所示.由圖6可知:在低溫狀態(tài)下,空隙中的氣體可以近似認(rèn)為靜止不動,此時熱交換的方式僅為導(dǎo)熱,沒有熱交換.根據(jù)材料的組成與結(jié)構(gòu),氣體的導(dǎo)熱系數(shù)小于固體,因此在低溫狀態(tài)下,隨著材料孔隙率的增加或表觀密度的降低,其導(dǎo)熱系數(shù)變小.對于多孔材料,若固體材料導(dǎo)熱系數(shù)為λs,氣體部分導(dǎo)熱系數(shù)為λg,孔隙率為P,則總導(dǎo)熱系數(shù)一般介于λmin和λmax之間［16－17］.其中,由式(3)可知:材料的導(dǎo)熱系數(shù)并不是隨著表觀密度的減小而無限降低的.當(dāng)表觀密度小于某個臨界值時,由于孔隙率過高,空隙中的空氣開始發(fā)生對流,同時由于氣體對熱輻射的阻抗能力很低,高孔隙率也會使熱輻射傳熱增加,從而使導(dǎo)熱系數(shù)增大.2.3溫升制度對膠結(jié)面性能的影響干燥和升溫制度對制品的強(qiáng)度會產(chǎn)生較大的影響.干燥溫度對試樣強(qiáng)度的影響見圖7.從圖7可知:在一定范圍內(nèi),試樣的強(qiáng)度隨干燥溫度的升高而增大,當(dāng)溫度達(dá)到210~230℃時,強(qiáng)度達(dá)到最高(0.4MPa).這是由于隨著溫度的升高,無機(jī)粘結(jié)劑的固化強(qiáng)度增大,使試樣強(qiáng)度提高［12］.當(dāng)溫度超過250℃時,試樣的強(qiáng)度反而隨溫度的升高而下降,這可能是由于有機(jī)粘結(jié)劑發(fā)生碳化,雖然無機(jī)粘結(jié)劑的粘結(jié)強(qiáng)度提高,但是碳化層的溫度相對較低,這使膠結(jié)面的強(qiáng)度降低,因此試樣的強(qiáng)度降低.試樣制備的較為合理的干燥溫度為210~230℃.保溫溫度過高、升溫速度較快時,試樣會發(fā)生較大的膨脹,有可能造成試樣結(jié)構(gòu)的破壞.升溫制度對試樣體積穩(wěn)定性的影響見表1.由表1可知:直線升溫速度為100℃/h時,保溫溫度210℃為宜;二階段折線升溫,保溫溫度230℃為宜.造成膨脹可能是由于磷酸鹽未固化時,處于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的磷酸二氫鋁粘結(jié)強(qiáng)度低,如升溫速度過快,由于水分蒸發(fā)、溫度應(yīng)力、未完全膨脹的珍珠巖原巖的膨脹等原因,致使制品體積膨脹發(fā)生變形.3成型工藝對制品導(dǎo)熱系數(shù)的影響(1)以自制有機(jī)粘結(jié)劑和無機(jī)粘結(jié)劑制作的膨脹珍珠巖保溫制品,當(dāng)有機(jī)粘結(jié)劑用量為4%~7%,無機(jī)粘結(jié)劑用量為3%~7%,氫氧化鋁用量為3%~7%,膨脹珍珠巖用量為80%~88%時,制作樣品的導(dǎo)熱系數(shù)為0.06W/(m·K)、密度為180kg/m3、憎水率為98%、符合A1級防火標(biāo)準(zhǔn);(2)成型制度對導(dǎo)熱系數(shù)有一定的影響.試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨成型壓力的增加而降低,當(dāng)超過某一閾值時,導(dǎo)熱系數(shù)隨成型壓力的增加而增大.(3)粘結(jié)劑用量對制品的強(qiáng)度和性能有一定的影響.粘結(jié)劑用量越大,制品的強(qiáng)度越高;膠黏劑用量越大,