利用淤泥制備建筑陶瓷外墻自保溫材料的研究

況學成+陳宗玲+胡麗芳+李思樂+張明珠+殷敏

摘 要：本實驗選用來源廣泛的河道淤泥取代常用的陶瓷原料粘土，利用發泡工藝制備新型燒結陶瓷自保溫磚，此燒結陶瓷保溫磚具有密度小、導熱系數小、抗壓強度大等特點。利用廢料開發自保溫體系承重和保溫相結合的墻體材料，既做到廢物利用又滿足了節能要求。

關鍵詞：淤泥；保溫材料；導熱系數；抗壓強度；發泡劑

1 引言

隨著世界能源的逐漸緊缺，以及保護環境的日益重視，廢物利用與節能將成為未來發展的主導，節約能源范圍較廣，其中建筑節能是節能減排的重要組成部分。開發新型的保溫墻體砌磚，完全符合這一發展趨勢。

目前，我國建筑節能方面采用外墻外保溫技術。但外墻外保溫體系受材料的限制，其設計壽命一般不超過25年，難以實現與建筑物同壽命，外墻裝飾也具有一定的局限性，此外，還需定期維護和維修。而外墻自保溫技術則是將建筑主體和圍護結構的隔熱保溫融為一體，與外墻外保溫體系相比，具有造價低廉、維護費用低、外裝飾多樣化，與建筑主體同壽命等優勢。

傳統的實心粘土磚由于質量重、大量消耗資源、保溫性能差，將逐漸被新型的墻體保溫材料所取代。外墻自保溫體系由于其材料密度小，只有普通實心粘土磚的1/5～1/3重，保溫隔熱性能好、耐火性好，且施工技術成熟簡單，很適合節能市場的需求。

本試驗選用來源廣泛的河道淤泥取代常用的陶瓷原料粘土，通過高溫發泡劑的發泡原理，在燒制過程中形成一定形狀和大小的空洞，達到降低導熱系數目的，從而獲得建筑陶瓷外墻自保溫材料。

2 實驗內容

2.1 實驗原料及設備

佛山某河道淤泥、Na2CO3、CaCO3、Na2SiO3·5H2O， 數顯抗壓強度試驗機，導熱系數測試儀，電爐，手動壓片機等。

2.2 實驗方法

本課題選擇用正交實驗法，使用Na2CO3為助熔劑來調節淤泥的燒結溫度。取淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣和燒成溫度為四個因素、選取三個水平，并以導熱系數，抗壓強度為測量考察指標，按配方設計表1進行實驗。然后用Na2SiO3·5H2O取代最優配方E10里面的Na2CO3做助熔劑，按照表2進行實驗。最后對助熔劑Na2SiO3·5H2O進行單因素實驗，按照表3進行實驗。

2.3 性能測試

本實驗所測試的產品性能主要有真密度、體積密度、顯氣孔率、真氣孔率以及閉口氣孔率、導熱系數、抗壓強度，以及SEM掃描分析。

3 實驗結果與分析

3.1 正交實驗的結果與分析

本文選取淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣和燒成溫度為正交實驗的四個因素，并選取三個水平，以導熱系數，抗壓強度為測量考察指標，進行正交優化實驗。實驗結果如表4所示。 綜合上面分析，得到材料的最優配方為：A3B3C2D2，即淤泥90 g、Na2CO3 15 g、CaCO3 10g，燒成溫度為1050℃。所以我們定此優化配方編號為E10（淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%、燒成溫度1050 ℃，此時導熱系數為0.5352 W/m·k、抗壓強度為20MPa。）。

3.2 用五水硅酸鈉取代碳酸鈉

從正交實驗優化出最優配方為E10，為了進一步改善保溫材料的性能，在此優化配方上，選用Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3來做助熔劑進行實驗，實驗結果如表5所示。

從表5中可以得出，Na2SiO3·5H2O比Na2CO3做助熔劑效果更好，主要原因如下：（1） Na2O引入可以降低燒結溫度，增加玻璃相，玻璃相的增加會使得氣泡的溶解度增大，氣孔率下降。Na2SiO3·5H2O和Na2CO3兩者都引入了Na2O，但是后者引入Na2O的量更多，所以相同質量的Na2SiO3·5H2O和Na2CO3所起到的助熔效果不一樣，明顯Na2CO3的助熔效果更好，燒結溫度更低，產生的玻璃相也更多，從而氣泡被消除的比較多，氣孔率比較低。（2） 相同量的Na2CO3和Na2SiO3·5H2O引入的Na+的量不同，Na2CO3引入的Na+比Na2SiO3·5H2O引入的Na+量多，所以Na2CO3的降粘作用更大。Na2SiO3·5H2O做助熔劑比Na2CO3做助熔劑的熔體粘度大，從而導致氣體難以排出，提高氣孔率。（3）氣孔率的高低與導熱系數的成反比的關系，氣孔率越高的保溫材料，導熱系數也越低，Na2SiO3·5H2O做助熔劑時，氣孔率明顯比較高，而且多為閉口氣孔，使得導熱系數更低。（4）氣孔率高的材料密度也比較小，Na2SiO3·5H2O做助熔劑時的氣孔率更高，所以密度相應更小。（5）選Na2SiO3·5H2O做助熔劑時，不僅氣孔率高，而且多為閉口氣孔，所以材料的吸水率遠遠低于Na2CO3做助熔劑的吸水率。（6）氣孔率越低的材料，抗壓強度越大，Na2SiO3·5H2O做助熔劑時，氣孔率比較高，相應的抗壓強度本應該越小，但是Na2SiO3·5H2O做助熔劑時引入了大量的SiO2，使得反應CaCO3+SiO2→CaSiO3+CO2↑向右邊移動，生成了大量強度比較大的CaSiO3晶體。因此，Na2SiO3·5H2O做助熔劑時的抗壓強度大于Na2CO3做助熔劑的抗壓強度。所以，Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3做助熔劑時，保溫材料的各項性能更好。

通過SEM掃描圖（見圖1）（E10和F1的掃描圖）可以得出，用Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3做助熔劑，并加入適當的量，氣孔率較E10明顯增多，氣孔孔徑也從10-20 μm增大到150 μm左右，氣孔呈圓球狀，且氣孔大小較均勻。

3.3 Na2SiO3·5H2O加入量的影響

根據前面的對比結果，得出Na2SiO3·5H2O做助熔劑時，保溫材料的各項性能更好。所以選用Na2SiO3·5H2O做助熔劑，然后考慮助熔劑不同加入量對各項性能的影響。各項性能的測試結果如表6所示。

綜合考慮保溫材料的性能要求，從表6中可以看出，當Na2SiO3·5H2O加入量為30 g時，保溫材料的總體性能比較好。優化配方為F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 結論

（1） 在淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣、燒成溫度的四因素三水平的實驗中，通過分析四因素對兩個性能指標導熱系數和抗壓強度的影響，得到最優配方為E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，燒成溫度為1050 ℃。此時，導熱系數為0.5352 W/ m·k、抗壓強度為20 MPa。

（2） 在本試驗條件下，用NaSiO3·5H2O做助熔劑保溫材料的各項性能明顯好于Na2CO3做助熔劑保溫材料。此時，導熱系數為0.4986 W/ m·k、抗壓強度為 25MPa。

（3） 在NaSiO3·5H2O單因素實驗結果中，得出最佳配方為F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此時，各項性能指標分別為：真氣孔率為83%、密度為0.75 g/cm3、導熱系數為0.1123 W/m·k、抗壓強度為19MPa、吸水率為4.5%。

參考文獻

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[12] 薛世浩，汪竹茂.利用淤泥制磚的半工業性試驗.磚瓦，1999，

（3）：21～25

[13] 李彬，金玲巧等.發泡劑對鉬渣多孔玻璃性能的影響.中國陶

瓷，2009（45）：28～30.

綜合考慮保溫材料的性能要求，從表6中可以看出，當Na2SiO3·5H2O加入量為30 g時，保溫材料的總體性能比較好。優化配方為F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 結論

（1） 在淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣、燒成溫度的四因素三水平的實驗中，通過分析四因素對兩個性能指標導熱系數和抗壓強度的影響，得到最優配方為E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，燒成溫度為1050 ℃。此時，導熱系數為0.5352 W/ m·k、抗壓強度為20 MPa。

（2） 在本試驗條件下，用NaSiO3·5H2O做助熔劑保溫材料的各項性能明顯好于Na2CO3做助熔劑保溫材料。此時，導熱系數為0.4986 W/ m·k、抗壓強度為 25MPa。

（3） 在NaSiO3·5H2O單因素實驗結果中，得出最佳配方為F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此時，各項性能指標分別為：真氣孔率為83%、密度為0.75 g/cm3、導熱系數為0.1123 W/m·k、抗壓強度為19MPa、吸水率為4.5%。

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綜合考慮保溫材料的性能要求，從表6中可以看出，當Na2SiO3·5H2O加入量為30 g時，保溫材料的總體性能比較好。優化配方為F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

4 結論

（1） 在淤泥、碳酸鈉、碳酸鈣、燒成溫度的四因素三水平的實驗中，通過分析四因素對兩個性能指標導熱系數和抗壓強度的影響，得到最優配方為E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，燒成溫度為1050 ℃。此時，導熱系數為0.5352 W/ m·k、抗壓強度為20 MPa。

（2） 在本試驗條件下，用NaSiO3·5H2O做助熔劑保溫材料的各項性能明顯好于Na2CO3做助熔劑保溫材料。此時，導熱系數為0.4986 W/ m·k、抗壓強度為 25MPa。

（3） 在NaSiO3·5H2O單因素實驗結果中，得出最佳配方為F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此時，各項性能指標分別為：真氣孔率為83%、密度為0.75 g/cm3、導熱系數為0.1123 W/m·k、抗壓強度為19MPa、吸水率為4.5%。

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