多孔礦物聚合材料在外墻保溫方面應用的試驗研究

趙英良,邢 軍,劉 輝,邱景平,孫曉剛,李 浩

(1.東北大學資源與土木工程學院，沈陽 110819；2.招金礦業股份有限公司蠶莊金礦，招遠 265400)

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多孔礦物聚合材料在外墻保溫方面應用的試驗研究

趙英良1,邢 軍1,劉 輝2,邱景平1,孫曉剛1,李 浩1

(1.東北大學資源與土木工程學院，沈陽 110819；2.招金礦業股份有限公司蠶莊金礦，招遠 265400)

以偏高嶺土為主要原料，水玻璃為堿激發劑，雙氧水為發泡劑，通過聚合反應制備外墻保溫材料。本次試驗以水玻璃與偏高嶺土重量比、發泡劑用量和養護溫度為三個主要因素設計正交試驗確定保溫材料的最優制備條件。試驗中以體積密度、抗壓強度和導熱系數三個指標來表征材料的性能，最終確定制備材料的最佳水玻璃與偏高嶺土的重量比為1.2, 雙氧水用量為3%，養護溫度為50 ℃。在此條件下所得外墻保溫材料的體積密度為296 kg/m3，導熱系數為0.091 W/(m·℃)，抗壓強度為0.92 MPa，性能指標可滿足建筑外墻保溫的要求。

偏高嶺土； 礦物聚合材料； 外墻保溫； 正交試驗

1 引 言

近年來，國民經濟的飛速發展帶動了建筑行業的持續升溫。在我國現有的400多億平方米的建筑中，約有99%為高耗能建筑[1]。因此，需要開發綠色建筑材料，以減少建筑耗能。其中采用外墻保溫材料是實驗建筑節能的重要手段。

目前市場上應用于建筑外墻的保溫材料主要為有機保溫材料，如EPS、XPS、PU等，這類保溫材料雖然具有導熱系數小、質量輕以及吸水率低等優點，但其具有可燃性，一旦被點燃會釋放大量的熱量和有毒氣體[2,3]，造成嚴重的后果。另外，有機保溫材料容易老化、脫落、開裂以及其生產和使用中引發的一系列環保問題，使得有機保溫材料所暴露的問題日益嚴重[4,5]。與有機保溫材料相比，無機保溫材料具有較好的防火性能，如巖棉、膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、發泡玻璃和發泡陶瓷等[6,7]，但這類保溫材料普遍具有導熱系數高的缺點。

在此背景下，本文研究應用偏高嶺土制備多孔礦物聚合材料，應用于外墻保溫，并通過正交試驗確定了材料制備的最佳條件。

2 試 驗

偏高嶺土(Metakaolin，MK)購買自山東某建筑材料有限公司，其主要成分組成如表1所示。物相組成和粒度分布如圖1和圖2所示。由表1可以看出，偏高嶺土的主要成分為SiO2和Al2O3, 二者總量約為98%，且SiO2和Al2O3的摩爾比約為2。由圖1可知，偏高嶺土的物相主要為無定形相，可以檢測到少量的石英和白云母晶相。水玻璃(Water glass，WG)作為本次試驗的堿激發劑，其中SiO2含量為26%，Na2O 含量為8.2%。雙氧水(H2O2，30%體積濃度)作為發泡劑。

表1 偏高嶺土成分組成Tab.1 Composition of metakaolin /%

圖1 偏高嶺土物相組成 (Q-石英，M-白云母)Fig.1 Phase composition of metakaolin

圖2 偏高嶺土粒度分布Fig.2 Size distribution of metakaolin

3 試驗方法與討論

3.1 材料制備及性能檢測方法

偏高嶺土與水玻璃在水泥凈漿攪拌機中混合攪拌2 min，加入雙氧水后繼續攪拌2 min后注模。將試模在常溫下養護24 h后，然后分別置于不同的溫度下養護至7 d。

利用阿基米德排水法測量材料的體積密度，抗壓強度采用NYL-200D型壓力試驗機進行測試，樣品尺寸為50 mm×100 mm；導熱系數采用DRM-Ⅰ型導熱系數測定儀，樣品尺寸為20 cm×20 cm×2 cm。

3.2 試驗方案設計

本次試驗采用正交試驗，以水玻璃與偏高嶺土的重量比、雙氧水用量以及養護溫度為試驗因素，各因素選擇3個水平進行試驗。補充誤差項，構成4因素3水平L9(34)正交試驗，因素水平表如表2所示，實驗方案及實驗結果如表3所示。

表2 正交試驗方案L9(34)Tab.2 Orthogonal design plan L9(34)

表3 試驗方案與試驗結果Tab.3 Experiment program and results

3.3 試驗數據分析與討論

對表3的試驗數據進行分析，得出因素的主次和優選方案(結果如表4所示)，并畫出各因素與各指標的趨勢圖(如圖3～5所示)。

表4 試驗結果分析表Tab.4 Analysis of Experiment Results

圖3 體積密度與各因素的趨勢圖Fig.4 Tendency chart of bulk density and different factors

圖4 導熱系數與各因素的趨勢圖Fig.4 Tendency chart of thermal conductivity and different factors

圖5 抗壓強度與各因素的趨勢圖Fig.5 Tendency chart of compressive strength and different factors

對于體積密度而言，發泡劑H2O2的用量為最主要因素，堿激發劑水玻璃的用量之比次之，最優方案為B3A2C2，即H2O2用量為3%、水玻璃與偏高嶺土重量比為1.0、養護溫度為50 ℃時體積密度最小。由體積密度的趨勢圖(圖3)可以看出，隨著H2O2的用量增加，體積密度減小。這是由于H2O2的用量增加會產生更多的氣泡，使材料的孔隙度增加，進而降低體積密度。水玻璃含量的增加會在一定程度上為H2O2的分解提供充足的堿性環境，而且水玻璃增加的同時使水的含量增加，料漿的濃度降低，使氣泡產生所受的阻力減小，使材料的體積密度降低。但過量的水玻璃會產生的較強堿性環境，使H2O2的分解速率增加，但此時材料還沒有凝固，而且料漿的濃度過低，產生的氣孔由于漿體的流動性重新閉合，致使材料的孔隙率降低，體積密度增加。

導熱系數的變化與體積密度的變化成正相關關系，最優方案為B3A2C2，即H2O2用量為3%、水玻璃與偏高嶺土重量比為1.0、養護溫度為50℃時導熱系數最低。由圖4可以看出，隨著H2O2的用量增加，導熱系數降低。H2O2的用量增加產生更多的氣孔，使材料的孔隙率增加，由于氣孔中空氣的導熱系數低于材料中的固體部分，因此孔隙率的增高造成導熱系數的降低。

對于抗壓強度而言，堿激發劑水玻璃的用量為最主要因素，發泡劑H2O2的用量為次之，最優方案為A3B1C2，即堿激發劑水玻璃的用量之比為1.2、H2O2用量為1%、養護溫度為50℃時抗壓強度最大。由圖5可以看出，隨著堿激發劑水玻璃的用量增加，材料的抗壓強度呈直線上升趨勢。這是由于水玻璃用量的增加使反應體系中的可溶性Si的含量增加，進而增加了SiO2/Al2O3之比，使得反應產物中的Si-O-Si鍵的含量增加，由于Si-O-Si鍵的鍵能高于Si-O-Al鍵，所以材料的抗壓強度增加[8]。另一方面，水玻璃含量增加的同時使反應體系中水的含量增加，作為可溶性離子的運輸載體，水在聚合反應中起到重要的作用[9]。H2O2含量的增加降低了材料的強度，這是由于H2O2含量的增加造成材料的孔隙率增加，使得抗壓強度降低。在本次試驗中，抗壓強度隨著養護溫度的總體上呈現下降趨勢，這與其它文獻中抗壓強度隨著養護溫度升高而增加的情況有所不同。由圖3可以看出，隨著養護溫度的升高，材料的體積密度上升，這是由于在較高的養護溫度能催進H2O2的分解，產生更多的氣泡，從而使孔隙率增加，抗壓強度降低。

3.3 最優制備方案確定

因素A：對于體積密度和導熱系數來說都是A2最優，但對于抗壓強度來說A3是最佳水平，由于因素A對于抗壓強度是最主要因素(表4)，對導熱系數和體積密度是次要因素，并且從圖3和圖4可以看出，對于體積密度和導熱系數來說，A2和A3所對應的數值相差不大，從極差分析(表4)來說，因素A對于體積密度和導熱系數是次要因素，所以根據因素A對不同指標的重要程度，選取A3。

因素B：對于體積密度和導熱系數取B3好，而對于抗壓強度來說取B1最優，但因素B對于體積密度和導熱系數來說是主要因素，而對抗壓強度是次要因素，所以根據多數傾向和B因素對不同指標的影響重要程度，選擇B3。

因素C：對于導熱系數和抗壓強度來所，最佳水平為C2，而水平C3是體積密度的最佳水平。對于三個指標來說，因素C都是處于末位的次要因素，因此，本著降低成本的原則，選擇C2水平。

綜合上述分析，最優方案為A3B3C2，即水玻璃和偏高嶺土重量比為1.2，雙氧水用量為3%，養護溫度為50 ℃。在此條件下制備材料，所得材料的體積密度為296 kg/m3，導熱系數為0.091 W/(m·℃)，抗壓強度為0.92 MPa，性能指標可滿足建筑保溫的要求。最優條件下建筑外墻保溫材料的外觀形貌如圖6所示，使用超景深三維顯微鏡對其微觀結構進行觀測，如圖7所示。由圖6和圖7可以看出，最優條件下所制備外墻保溫材料的孔結構呈蜂窩狀，且氣孔大小較為均勻，外形為近似橢圓形，效果較為理想。

圖6 最優條件下外墻保溫材料的外觀形貌 (左圖為材料表面，右圖為斷面)Fig.6 Appearance of exterior thermal insulation materials under the optimal conditions

圖7 最優條件下外墻保溫材料的微觀氣孔結構Fig.7 Microcosmic pore of exterior thermal insulation materials under the optimal conditions

4 結 論

以偏高嶺土為主要原料制備外墻保溫材料，通過正交試驗優化材料的制備條件，確定最佳的制備條件為水玻璃與偏高嶺土重量比為1.2, H2O2用量為3%，養護溫度為50 ℃，在此條件下制備的外墻保溫材料性能滿足建筑保溫的有關要求，因此，利用偏高嶺土制備外墻保溫材料有望成為一條外墻保溫材料制備的新途徑。

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Application of Porous Geopolymer on Exterior Thermal Insulation Materials

ZHAOYing-liang1,XINGJun1,LIUHui2,QIUJing-ping1,SUNXiao-gang1,LIHao1

(1.College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China;2.Can Zhuang Gold Mine,Zhaojin Mining Industry Co.Ltd,Zhaoyuan 265400,China)

Preparation of exterior thermal insulation materials using metakaolin as raw material, water glass as alkali activator and H2O2as foaming agent through geopolymerization reaction. In this experiment, selecting the mass ratio of water glass and metakaolin, foaming agent dosage and curing temperature as principal factors to design orthogonal test in order to determine the optimum preparation condition. Using bulk density, compressive strength and thermal conductivity to represent materials performance, and the optimum mass ratio of water glass and metakaolin, foaming agent dosage and curing temperature were 1.2, 3% and 50 ℃. The final product prepared under this condition had bulk density of 296 kg/m3, thermal conductivity of 0.091 W/(m·℃) and compressive strength of 0.92MPa, which met the requirements of building external wall thermal insulation.

metakaolin;geopolymer;exterior thermal insulation;orthogonal experiment

“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAJ17B01，2012BAJ17B02)

趙英良(1987- )，男，碩士研究生.主要從事資源綜合利用方面的研究.

邢 軍，博士，教授.

TD985

A

1001-1625(2016)10-3340-05