玄武巖纖維摻量對泡沫玻璃性能影響的研究

2018-09-13 02:21:36申鵬飛秦子鵬駱成彥

陶瓷學報 2018年4期

申鵬飛，秦子鵬，田艷，李剛，駱成彥

(石河子大學，水利建筑工程學院，新疆石河子 832000)

0 引言

隨著經濟社會的發展和科學技術的進步，我國加大了創建“資源節約型，環境友好型”國家的力度，節能型材料越來越受歡迎[1]。在我國的能源消耗中，建筑業能耗已經成為三大“能耗大戶”之一[2]。因此，研制低能耗的新型建筑材料，特別是低導熱的保溫隔熱材料，具有十分重要的意義。目前，我國實施全面推進建筑節能，使建筑保溫材料成為建筑領域研究的熱點。泡沫玻璃是一種內部有許多均勻微小氣孔連通或封閉的無機非金屬質輕多孔的新型環保材料，其具有容重低、強度高、導熱系數小、不燃性、防蟲蛀、耐酸耐堿能力強、無害、無毒、無放射、化學性質穩定、易加工且不易變型等特點，得到許多人的認知和重視，使其在外墻與屋面保溫、石油化工、隔音吸聲、污水過濾、綠化保水等領域得到廣泛的應用[3-7]。

粉煤灰泡沫玻璃是以粉煤灰和玻璃粉為主要原料，加入一定量的發泡劑，經過爐內高溫處理，混合體吸熱熔化，發泡劑發生氧化或分解反應產生氣體，當泡內氣體壓力大于氣泡表面張力時，形成一種內部充滿數量多、體積小、分布均勻連通或封閉的氣孔結構，再經降溫后得到的新型環保節能的建筑功能材料[8-13]。然而，由于粉煤灰泡沫玻璃內部氣孔較多，且分布隨機，加之玻璃粉燒結后脆性較大，故其性能往往存在一定的缺陷，主要表現為抗壓抗折強度低、吸水率大和易開裂等方面[14]。

玄武巖纖維具有耐高溫、化學穩定性好、吸濕性低、抗酸堿能力強和與粉煤灰泡沫玻璃結合性良好等特點。在泡沫玻璃制品中加入玄武巖纖維不僅可以在粉煤灰泡沫玻璃中起到增強、阻裂、提韌等作用[15,16]；而且還可以利用其在粉煤灰泡沫玻璃中呈三維空間亂向分布得特點，改變粉煤灰泡沫玻璃內部孔結構，從而使其物理、力學性能得到提高。本文主要通過單因素試驗法對粉煤灰泡沫玻璃的性能進行測定，分析玄武巖纖維的摻量對粉煤灰泡沫玻璃的物理性能、力學性能、熱工性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原料

(1)粉煤灰：產自新疆石河子天富南熱電廠，粉煤灰化學組分測定按照GB/T 1574-2007中規定的成分分析方法，主要化學成分及物理指標見表1。

(2)玻璃粉：玻璃粉原料為石河子市某玻璃店收集的廢棄平板玻璃，清水洗凈后，烘干，放入滾筒球磨機中球磨2 h，過200目篩，篩余量4．70wt．%(孔徑為0．074 mm)；廢玻璃化學組分的測定利用X-射線熒光光譜儀，采用熔片法檢測其成分，主要化學成分見表1。

(3)玄武巖纖維：成都某公司提供，其物理力學性能見表2。

(4)外加劑：碳酸鈉(分析純，Na2CO3含量為99．5%)，由天津市致遠試劑有限公司生產；磷酸三鈉(分析純，Na3PO4?12H2O含量在98．0%以上)，由天津市致遠試劑有限公司生產；硼砂(分析純，Na2B4O7? 10H2O含量大于99．5%)由天津市致遠試劑有限公司生產。

(5)脫模劑：氮化硼離型噴劑，型號：JD-3028AAA。

(6)水：普通自來水。

1.2 工藝流程

泡沫玻璃的制備工藝流程分為兩種：一種是“一步法”；另一種是“兩步法”，即先將泡沫玻璃混合料進行烘干處理，其次拆掉模具，再次將脫模后的坯體放入高溫爐中進行燒制。本實驗采用“兩步法”，試驗所用粉煤灰泡沫玻璃配合比見表3。

1.3 試件的制備

將粉煤灰、玻璃粉、玄武巖纖維以及其他外加劑按試驗方案中的比例稱取，首先把粉煤灰、玻璃粉和玄武巖纖維放入攪拌機中，攪拌3-5 min；再將外加劑粉末倒入混合的粉體中，攪拌5 min；最后，倒入基料總質量(粉煤灰和玻璃粉)35%水，攪拌3-4 min，裝入預先涂有氮化硼的鋼模具中，放在混凝土振動臺上振動至混合體中沒有氣泡溢出為止，然后放入電熱鼓風干燥箱，以80 ℃烘干，即得到粉煤灰泡沫玻璃坯體。為使粉煤灰泡沫玻璃在燒制過程中受熱均勻，需在高溫電阻爐底部鋪設20 mm左右的石英砂。高溫電阻爐的燒制程序分為四個階段，如圖1所示。

表1 粉煤灰和玻璃的化學組分及物理指標Tab.1 Chemical composition and physical indicators of fly ash and glass

表2 玄武巖纖維的物理性能Tab.2 The physical properties of basalt fibers

表3 粉煤灰泡沫玻璃的配合比Tab.3 The mixture ratio of fly ash foam glass

預熱階段：從室溫以5 ℃/min升溫至400 ℃，并在400 ℃保溫30 min，以去除坯體中的游離水、吸附水、結合水等；發泡階段：以10 ℃/min的升溫速率將坯體加熱到860 ℃，并在此溫度保溫25 min，以使產生的氣體被熔融的玻璃液包裹而不外溢，形成較為均勻的氣泡結構；穩泡與退火階段：以15 ℃/min的速率降溫至600 ℃，并在此溫度保溫30 min，以使形成的氣泡結構迅速穩定下來，避免坯體在最后的階段氣體外溢造成下陷，隨后關閉電源，待電阻爐內降至室溫后，取出泡沫玻璃樣品。制得泡沫玻璃試樣如圖2所示。

1.4 粉煤灰泡沫玻璃的性能測試

(1)吸水率與含水率，試件尺寸為40 mm × 40 mm ×40 mm，依照GBT 5486-2008《無機硬質絕熱制品試驗方法》、JC/T 647-2014《泡沫玻璃絕熱制品》及GB/T10297-1998《非金屬固體材料導熱系數的測定》進行測定。

圖1 電阻爐燒制程序Fig.1 The program of resistance furnace

(2)抗折強度采用40 mm × 40 mm × 160 mm的試件，用無錫建儀儀器機械有限公司生產的DKZ-5000型電動抗折試驗機進行抗折強度的測定；抗壓強度用無錫市錫儀建材儀器廠生產的40 mm × 40 mm水泥抗壓夾具，在萬能試驗機上進行抗壓強度測試。

(3)導熱系數采用北京世紀建通環境技術有限公司研制的單試樣雙熱流計式JTRG-III型熱流計式導熱儀測試。

2 結果與討論

2.1 玄武巖纖維對表觀密度的影響

粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度間接地反映了泡沫玻璃試樣密實程度，而越密實的試樣其導熱系數相對較大。因此，粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度的大小對衡量其保溫性能具有重要作用。由圖3可以看出，加入玄武巖纖維后，粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度與基準試樣相比，有所增大，呈遞增的趨勢。說明玄武巖纖維的摻量對其表觀密度的影響較大，這可能是因為玄武巖纖維在復合材料內部形成了三維網狀結構，在高溫燒結過程中對孔結構的膨脹產生了阻礙作用；隨著玄武巖纖維摻量的增加，粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度逐漸增加。而當玄武巖纖維摻量在3‰-4‰時，其表觀密度的增加并不明顯，這說明一定摻量的玄武巖纖維會使泡沫玻璃的孔結構發生改變，對泡沫玻璃的發泡產生影響。

圖2 不同摻量纖維下的試樣Fig.2 The samples obtained with different fiber content

2.2 玄武巖纖維對吸水率、含水率的影響

粉煤灰泡沫玻璃的含水率、吸水率對其導熱系數的影響較大。粉煤灰泡沫玻璃的吸水主要包括毛細孔滲透和連通孔滲透兩種形式。毛細孔是在粉煤灰泡沫玻璃高溫煅燒過程中形成的孔，而連通孔是由于大氣泡吞并小氣泡相互連接形成的。從試驗所得試樣的斷面可以看出，粉煤灰泡沫玻璃內部孔結構分布均勻，大孔和連通孔相對較少，說明試驗所得試樣的吸水主要是通過毛細孔的滲透來實現的。由圖4可以看出，加入玄武巖纖維后，粉煤灰泡沫玻璃的含水率與空白樣相比，基本保持不變，維持在0．35%左右，說明玄武巖纖維對粉煤灰泡沫玻璃的含水率影響不大。而粉煤灰泡沫玻璃的吸水率與基準試樣相比，其都在15%處上下浮動，這是由于材料本身具有的離散性造成的。由以上分析可知，玄武巖纖維對粉煤灰泡沫玻璃的含水率、吸水率影響較小。

圖3 纖維摻量對表觀密度的影響Fig. 3 The influence of fiber content on the apparent density

2.3 玄武巖纖維對力學性能的影響

粉煤灰泡沫玻璃的強度主要來源于玻璃粉與粉煤灰經高溫燒結所形成的復合材料。當粉煤灰泡沫玻璃的內部孔分布越均勻、孔徑越小、孔形態越好時，其強度越高。由圖5、圖6可以看出，加入玄武巖纖維后，粉煤灰泡沫玻璃的抗壓、抗折強度與空白樣相比均有所提高。隨著玄武巖纖維摻量增加，其抗壓、抗折強度呈現先增大后減小的趨勢。當玄武巖纖維摻量在2‰-3‰時，其抗壓強度提高十分明顯，相比基準試樣，提高了50%左右。而當玄武巖纖維摻量在3‰-4‰時，其抗折強度提高最為顯著。這是由于玄武巖纖維摻量的加入，在復合材料內部形成了三維網絡結構，從而改善了其抗壓強度，并且在一定摻量范圍內，隨著摻量的增加，這種改善效果越明顯。當玄武巖纖維摻量在4‰-5‰時，其抗壓強度急劇降低，但相比與基準試樣，抗壓強度依然有所提高。這說明玄武巖纖維的三維網絡分布對復合材料起到了支撐作用，但是玄武巖纖維摻量過多，容易導致纖維在復合材料內部分散性降低，破壞粉煤灰泡沫玻璃的內部結構，致使抗壓強度下降。當玄武巖纖維的摻量為4‰時，其抗壓、抗折強度達到最大，分別為8．28 MPa、0．75 MPa，提高了2．24倍和1．92倍。

圖4 纖維摻量對含水率、吸水率的影響Fig.4 The influence of fiber content on the moisture content and moisture absorption rate

2.4 玄武巖纖維對導熱系數的影響

導熱系數的大小是衡量保溫隔熱材料性能的重要指標。粉煤灰泡沫玻璃的導熱系數之所以較低，是因為多而封閉的孔洞所包含的氣相起到了增大熱阻的作用。因此，粉煤灰泡沫玻璃的孔隙率和孔的形態對其導熱系數有重要的影響。由圖7可知，加入玄武巖纖維后，粉煤灰泡沫玻璃的導熱系數比空白樣的導熱系數大。隨著玄武巖纖維摻量的增加，導熱系數呈現逐漸變大的趨勢，其變化范圍始終在0．061-0．069 W/(m ? K)之間。可見玄武巖纖維的加入可使粉煤灰泡沫玻璃熱阻減小，但其摻量對導熱系數的影響并不十分顯著。當玄武巖纖維摻量為1‰時，粉煤灰泡沫玻璃導熱系數較小，保溫效果相對較好。