泡沫粉煤灰保溫磚的制備與性能研究

曾小軍 劉維良 李陽城 馮翀龍

（景德鎮陶瓷學院，江西景德鎮333001）

0 引言

隨著逐年加劇的能源開采，地球上的煤、石油等不可再生資源已經漸漸枯竭，能源危機已經是刻不容緩的問題，并被列入了人類面臨的四大生存問題之一。有關部門的統計數據[1-2]顯示，在能源消耗比例中，建筑能耗占很高的比重，最高甚至可以達40%。因此，開發出高效保溫隔熱材料對于節約采暖能耗、保護環境、保持經濟高速發展具有極其重要的意義[3-4]。

泡沫保溫磚是閉孔保溫磚的一種，具有熱導率低、吸音與隔音能力高和強度長期不降低的性質。是一種輕質、保溫、隔熱和隔音的材料。泡沫保溫磚的生產具有生產工藝簡單和投資少的特點。隨著社會經濟的發展，粉煤灰的排放量在逐年遞增。大量的粉煤灰不僅因其質量較輕而易引起空氣污染，而且大量的堆積還占用大面積的耕地，造成不良的環境影響。故在滿足性能要求的條件下，以粉煤灰為主要原料生產泡沫保溫磚能充分利用大多數火力發電廠產生的固體廢棄物，降低生產成本，同時有較大的經濟效益和社會、環境效益。粉煤灰泡沫材料可制成輕質隔聲板、外墻板和保溫磚等，應用前景非常可觀。

基于上述能源現狀與建筑節能，加上泡沫保溫磚的諸多性能，本文通過大量的試驗得出了一種適合批量生產泡沫粉煤灰保溫磚的原料配比及制備工藝。

1 實驗

1.1 原料

粉煤灰、瓷石尾礦、石灰石、粘土和玻璃粉，產地均為景德鎮。

1.2 樣品制備

按實驗方案將各原料按一定比例稱量后進行球磨，球磨后的漿料過180目篩，再經榨泥、練泥、陳腐、半干壓成型和干燥，最后，在電阻爐中燒結。

1.3 性能測試

采用KYKY-1000 B型掃描電子顯微鏡觀察樣品斷口形貌；采用西安力創材料檢測技術有限公司的WDW-10型電子萬能試驗機測定樣品抗壓強度；采用GRD-Ⅱ型快速熱導儀測試樣品導熱系數；采用阿基米德排水法測試樣品密度和氣孔率。

2 結果分析與討論

2.1 粉煤灰用量對樣品性能的影響

從圖1和圖2可知，隨著粉煤灰用量的增加，材料的密度和抗壓強度先緩慢減小，當粉煤灰用量超過50 wt%時，密度和抗壓強度急劇減小。隨著粉煤灰用量的增加，材料的氣孔率增大直至飽和，其原因是粉煤灰用量增加后，粉煤灰較大的氣孔率和較高的熔點使材料的玻璃化程度降低，氣孔率增大。但當粉煤灰用量達到一定程度后，材料難以完全?；瑲饪茁式咏床ＡЩ系臍饪茁?，故材料的氣孔率趨于飽和。氣孔率的增大一定程度上使材料的密度和抗壓強度減小。隨粉煤灰用量的增加，材料的導熱系數先減小后增大。其原因是粉煤灰成型時，顆粒相互“架橋”，在材料內部構成一定體積的空腔，加上其顆粒內部存在著許多微孔，使粉煤灰在一定范圍內有降低材料導熱系數的功能[5]。當粉煤灰用量為50 wt%時導熱系數達到最低值。然而，粉煤灰畢竟是實心顆粒，且粉煤灰中高的F e2O3含量在燒成時容易造成材料出現“熔洞”狀缺陷，使材料的導熱系數增大，再提高粉煤灰摻量，導熱系數則明顯上升。摻入50 wt%的粉煤灰較為適量，且符合保溫磚性能要求。

圖1 粉煤灰用量對密度和抗壓強度的影響Fig.1 The influence of fly ash content on density and compressive strength

圖2 粉煤灰用量對導熱系數和氣孔率的影響Fig.2 The influence of fly ash content on thermal conductivity and porosity

圖3 石灰石用量對密度和抗壓強度的影響Fig.3 The influence of limestone content on density and compressive strength

圖4 石灰石用量對導熱系數和氣孔率的影響Fig.4 The influence of limestone content on thermal conductivity and porosity

2.2 石灰石用量對樣品性能的影響

石灰石在樣品中起發泡劑和助熔的作用。從圖3和圖4可知，隨著石灰石用量的增加，材料的密度和抗壓強度先減小后增大。當石灰石用量為15 wt%時達到最低值。其原因是石灰石用量的增加激活了粉煤灰的活性，高速發泡產生的微氣泡量越多，微細閉合氣泡量亦越多，故密度和抗壓強度減小。這也說明了氣孔率增大的原因。氣孔率的增大使氣孔中的氣體增多，從而導熱系數減小。當石灰用量增加到一定程度時，石灰石起助熔效果，使材料更加致密。同時，氣孔率趨于飽和。生成的CaSiO3晶體貫穿其中，它們相互交錯聯接，并具備一定的粘接強度，使材料早期的抗壓強度降低[6]，后期材料的致密使抗壓強度增大。

2.3 燒成溫度對樣品性能的影響

從圖5和圖6可知，隨著燒成溫度的提高，材料的密度和抗壓強度先增大后減小，導熱系數減小，氣孔率增大，且在950℃～1050℃變化明顯。其原因是發泡劑石灰石的分解溫度在900℃左右，前期由于溫度的提高使材料更加致密，抗壓強度更大。溫度到達1050℃時，繼續提高溫度，材料中的氣孔增大，導致密度和抗壓強度減小。同時，氣孔率增大。氣孔率的增大使氣孔中的氣體減少，從而導熱系數相應減小。

2.4 保溫時間對樣品性能的影響

從圖7和圖8可知，隨著保溫時間的延長，材料的密度和抗壓強度先減小后趨于飽和。其原因是燒制時間越長，材料?；潭仍礁?，粘度越大，發泡體積量越大，導致密度越小，抗壓強度越小。當燒制時間達到一定數值后，材料中發泡劑分解減少，發泡體積增加量有限，因而材料密度和抗壓強度趨于飽和。隨著保溫時間的延長，發泡體積量越大，故氣孔率增大，同時，氣孔中氣體的增多使導熱系數減小。

圖5 燒成溫度對密度和抗壓強度的影響Fig.5 The influence of firing temperature on density and compressive strength

圖7 保溫時間對密度和抗壓強度的影響Fig.7 The influence of holding time on density and compressive strength

圖9 樣品的SEM照片Fig.9 The SEM images of the samples

圖6 燒成溫度對導熱系數和氣孔率的影響Fig.6 The influence of firing temperature on thermal conductivity and porosity

圖8 保溫時間對導熱系數和氣孔率的影響Fig.8 The influence of holding time on thermal conductivity and porosity

2.5 氣孔的形成機理

從圖9可知，樣品含有大量的氣孔，氣孔分布比較均勻，且氣孔多是規整的形狀，內壁光滑圓整。其形成機理如下：當泡沫粉煤灰保溫磚的配料被加熱到600℃左右時，玻璃粉開始粘連并形成空腔，這時發泡劑被封閉在空腔之中，當溫度達到898℃時，發泡劑碳酸鈣發生以下反應：CaCO3→CaO+CO2↑，CaCO3+SiO2→CaSiO3+co2↑，使材料變成多孔結構，而軟化的粘性玻璃由于表面張力的作用，在材料內部排出的氣體作用下開始膨脹。同時，產生的CO2和粉煤灰中未燃盡的炭發生以下反應：CO2+C→2CO，產生的CO與粉煤灰中的F e2O3發生以下反應：Fe2O3+CO→2 FeO+CO2，Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2，產生的CO2又與C發生反應生成CO，如此反復不斷進行，氣體數量越來越多，從而使材料在高溫熱塑性外殼封閉下逐漸膨脹起來[7]。這就同時滿足粉煤灰泡沫材料經燒制而引起膨脹的兩個條件：一方面在高溫下形成具有一定粘度的熔融物；另一方面當物料達到一定粘度狀態時，產生足夠的氣體。在高溫下的熱膨脹，是固相、液相、氣相三相動態平衡的結果。

3 結論

（1）制備泡沫粉煤灰保溫磚的最佳工藝參數為粉煤灰用量50 wt%，石灰石用量15 wt%，燒成溫度1050℃，保溫時間90 min。

（2）在最佳制備工藝條件下粉煤灰保溫磚的密度、氣孔率、導熱系數及抗壓強度分別達到0.55 g/c m3，58.8%，0.13 W/m·k，4.0 MPa。

（3）泡沫粉煤灰保溫磚氣孔的形成機理是一種氣相、液相和固相之間動態平衡的結果。

1 任邵明,郭漢丁,續振艷.我國建筑節能市場的外部性分析與激勵政策.建筑能耗,2009,(1):75～76

2 孫鳳明,李娟.既有居住建筑節能改造研究.工業建筑,2008,(3):35～38

3 張德信編著.建筑保溫隔熱材料.北京:化學工業出版社,2006

4 蔣繼圣,羅玉萍,蘭翔編著.新型建筑絕熱,吸聲材料.北京:化學工業出版社,2002

5 劉小波,孟祥銀.粉煤灰輕質保溫磚的研制.硅酸鹽建筑制品,1995,(2):26～28

6 邵洪江,孫鳳緊,丁鑄.粉煤灰泡沫混凝土研究.山東建材,1999,(2):1～5

7 李剛.新型粉煤灰墻體材料研究.長安大學,2004