廢棄紅磚制備保溫隔熱水性涂料及優化

鄭 毅，李 天，武舒婭，周 濤，趙由才

(同濟大學，上海 200092)

我國正處于快速城市化的進程中，建筑行業貢獻全國26.7%的GDP[1]。與此同時，大量建筑廢物帶來嚴重的環境問題，如占用土地資源、造成空氣污染、消耗原材料等，也是世界環境問題的難點[2]。目前建筑廢物處理的方式主要包括分揀利用、填埋、道路建設等[3-4]，但由于再生材料的成本、性能與天然產品存在差距[5-6]，資源化利用效率低，因此需探索新的建筑廢棄物的資源化利用方向。

建筑保溫隔熱水性涂料是一種新型多功能涂料，能夠通過反射隔熱、阻隔隔熱、輻射隔熱等方式有效減少建筑物能量損失[7-8]。建筑廢棄物中的混凝土、廢磚塊等硅酸鹽質物料可用來制備建筑保溫隔熱水性涂料，為建筑廢棄物資源化利用提供新思路[9]。繆正坤[10]等利用建筑廢物制備保溫隔熱砌塊，余江[11]等利用建筑廢物和污泥等固體廢棄物燒制保溫隔熱發泡陶瓷材料，均表明產品具有較好的性能。

本研究以廢棄紅磚作為典型建筑廢物,選擇阻隔型和反射型作為研究方向探究涂層厚度和顏料體積濃度對磚粉水性涂料保溫隔熱性能的影響。在此基礎上，選擇空心玻璃微珠、粉煤灰漂珠、膨脹珍珠巖、木質纖維、海泡石和硅酸鋁[12-14]作為功能填料，分析不同功能填料對磚粉水性涂料的適配性，實現磚粉水性涂料的功能化應用。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

紅磚塊取自同濟大學校內建筑物拆除過程，經過鄂式破碎和電磁粉碎兩級破碎后,過80目篩。其余實驗材料如表1。

表1 實驗中使用的藥品

1.2 實驗設計

1.2.1 基本配方

保溫隔熱涂料的試驗配方如表2所示。

表2 保溫隔熱磚粉水性涂料配方

1.2.2 保溫隔熱涂料的制備方法

試驗基本配方與表2相同，僅將功能填料對磚粉填料進行部分替代，但不參與球磨過程。制備工藝如圖1所示。

圖1 保溫隔熱磚粉水性涂料制備工藝

1.2.3 涂料性能測試

1.2.3.1 反射隔熱

以無石棉纖維增強水泥板板為空白試板，試板尺寸為350 mm×350 mm×5 mm，利用滾筒刷在試板表面進行多次涂裝，保持涂層表面均勻平整，待表面干燥后測定涂層厚度，直至涂層厚度與測試要求相符，然后將試板放在標準環境中養護7 d。試板養護完成后按照圖2進行測試，測試時涂層面向紅外燈泡，根據數顯溫度計記錄下腔體溫度變化。

圖2 涂層反射隔熱測試裝置

1.2.3.2 阻隔隔熱

水性涂料阻隔隔熱根據圖3測試，在鐵罐側表面利用滾筒刷進行涂裝，干燥涂層厚度根據測試要求需要。同一批次測試時，向罐內倒入等體積相同溫度的熱水，每隔一段時間測試水溫，記錄其變化情況。

圖3 涂層阻隔隔熱測試裝置

2 結果與討論

2.1 涂層厚度對保溫隔熱性能的影響

圖4為磚粉水性涂料進行快速厚涂后的涂層情況，可以觀察到涂層表面出現大量較大的裂紋，嚴重影響外觀及使用性能，表明在此配方體系下，涂層表層與底層的干燥速率差異過大。表層干燥成型后，底層仍處于濕粘狀態，所以當底層繼續干燥收縮，引起表層龜裂。因此，磚粉水性涂料無法進行一次性厚涂涂裝，應采取多次薄涂的方式進行測試。

圖4 厚涂磚粉水性涂層外觀

磚粉水性涂料阻隔型隔熱效果實驗設置厚度0～13 mm 8個涂層組別，將100℃沸水倒入容器中，觀察水溫隨時間的變化情況，表3為測試結果。涂層厚度小于5 mm時，實驗始末溫差由43.8℃降低至43.3℃，變化幅度較小，僅為0.5℃；當大于5 mm時，溫差由43.0℃降低至41.1℃，減小了1.9℃，隔熱效果變化較為明顯。當涂層較薄時(<5 mm)，無法對熱量起到很好的阻礙作用，涂層尚未發揮阻隔隔熱；隨著涂層的增厚，一方面涂層熱阻增大，降溫速率減小，另一方面發熱體損失的熱量越多的被涂層吸收儲存，涂層可更好的維持發熱體的溫度。因此，磚粉水性涂料涂層發揮阻隔隔熱效果需要大于7 mm，且厚度增加對隔熱效果影響顯著。

表3 磚粉涂層厚度對阻隔隔熱的影響

由于反射型涂料在隔熱過程中不需要提供特別大的熱阻，因此涂裝厚度較薄，實驗設置了0.1～1 mm 7個組別及一個空白對照組，磚粉水性涂料反射型隔熱效果如表4所示。實驗各組升溫速率在加熱過程中呈現由小及大，最終變小且溫度保持相對恒定。紅外輻射前期主要對空腔體進行加熱，而后期則整個實驗裝置與外界達到熱平衡，因此這兩個階段升溫均較慢。在實驗厚度范圍內，隔熱效果受涂層厚度影響不明顯，不同厚度組別的溫度變化相似，最大溫差值47.3℃，最小溫差值46.8℃。

表4 磚粉涂層厚度對反射隔熱的影響

一些研究[15-16]發現，涂層的熱反射不僅僅發生在涂層的表面，也發生在距涂層表面的一定厚度范圍內。光線照在涂層表面時，一部分直接發生反射，另一部分則在涂層淺表面發生類似折射的透射作用，淺表面的填料仍會起到反射作用。當涂層較薄時，光線可以直接透射到基材表面，涂層的隔熱效果減弱，而當涂層厚度增加到一定程度之后，光線透射已無法達到基材，而剛好達到基材的厚度可視為臨界厚度。但是在本研究的相鄰試驗組別中，并未觀察到明顯溫差變化，可能是因為臨界涂層厚度較小，或磚粉水性涂料不具有反射隔熱的功能。總的來說，薄層磚粉水性涂料反射隔熱不足，而厚度相對于阻隔隔熱又較小，因此整體的保溫隔熱增強效果不明顯。

2.2 顏料體積濃度對保溫隔熱性能的影響

顏料體積濃度是配方設計中一項重要的參數，會對涂料的隔熱性能產生潛在影響。表5為磚粉水性涂料的阻隔隔熱效果與顏料體積濃度之間的關系，試驗涂層厚度均為7 mm。溫差隨顏料體積濃度的增加先減小后增加，即隔熱效果先提高后降低。當顏料體積濃度=51.1%時，隔熱效果最好，溫差ΔT5僅為41.1℃，由于磚粉填料的導熱系數要低于聚合物乳液，因此隨著磚粉含量的增加，涂層的隔熱效果也逐漸升高；當顏料體積濃度>51.1%時，導熱系數相對較低的磚粉填料也無法彌補空隙帶來的不利影響，最終顏料體積濃度=67.7%時，隔熱效果最差，甚至ΔT8>ΔT1，溫差為44.4℃。

表5 顏料體積濃度對磚粉水性涂料阻隔隔熱的影響

磚粉水性涂料的反射隔熱與顏料體積濃度的關系如表6所示，試驗涂層厚度為0.4 mm。一方面，內部空隙相當于在涂層內部增加靜態空氣，靜態空氣可增加涂層整體的熱阻，但當顏料體積濃度過高時，填料顆粒裸露的機率增加，內部空隙易于彼此串通，甚至在涂層中形成不易觀察到的裂紋，隔熱效果反而不增反降。因此，磚粉水性涂料的阻隔隔熱的最佳顏料體積濃度處于47.2%～55.6%之間。

表6 顏料體積濃度對磚粉水性涂料反射隔熱的影響

2.3 功能填料種類對保溫隔熱效果的影響

由于磚粉水性涂料本身的隔熱效果并不突出，因此添加功能填料來提升其保溫隔熱性能。圖5為空白對照、膨脹珍珠巖和海泡石三種水性涂料的涂層厚度與保溫隔熱性能的關系，其中T30與T60分別指在第30 min和第60 min時的水溫，試驗初始水溫為90℃。從圖5中可觀察到，當涂層厚度為3 mm時，膨脹珍珠巖-磚粉(膨-磚)水性涂料與空白對照組之間的T30和T60溫差出現明顯差異，分別由2 mm時的0.2℃和0.3℃增加至0.6℃和0.7℃，當涂層厚度為7 mm時，溫差可達1.8℃和1.3℃。海泡石-磚粉(海-磚)水性涂料與空白對照組的溫差值沒有膨-磚水性涂料的大，但也相對明顯，涂層3 mm時T30與空白組溫差為0.4℃。因此添加功能填料后，磚粉水性涂料隔熱性能會顯著提高，涂層相對較薄時也可表現出阻隔隔熱的效果。雖然厚涂層的效果更顯著，但綜合考慮試驗的涂裝和樣品的制備，最終選擇3 mm為接下來功能填料隔熱性能探究的涂層厚度。

圖5 功能填料-磚粉涂層厚度對保溫隔熱性能的影響

Fig.5 Effect of the thickness of functional filler-brick powder coating on heat insulation

圖6為添加不同功能填料后，磚粉水性涂料的隔熱情況，初始水溫為90℃。由圖易得，6種功能填料的添加均可改善磚粉水性涂料的隔熱性能。其中，空心玻璃微珠-磚粉(空-磚)水性涂料和粉煤灰漂珠-磚粉(粉-磚)水性涂料的隔熱效果較好，T30溫度分別為66.3℃和65.6℃，膨-磚水性涂料和海-磚水性涂料次之，T30溫度分別為65.2℃和65.0℃，木質纖維-磚粉(木-磚)水性涂料和硅酸鋁-磚粉(硅-磚)水性涂料的隔熱效果較差，與空白組的64.2℃相比，兩者T30僅為64.7℃和64.8℃。第60 min后，木-磚、硅-磚和海-磚水性涂料的溫度與空白組溫差為0.3～0.4℃，此時保溫隔熱效果已經不明顯；空-磚、粉-磚和膨-磚水性涂料涂層仍表現出一定的隔熱效果，與空白組T60溫差分別為2.0℃、1.7℃和0.9℃。

圖6 功能填料-磚粉水性涂料隔熱效果

3 結論

(1)磚粉水性涂料厚涂時應采取多次薄涂的方式進行測試。涂料層大于7 mm時磚粉水性涂料涂層發揮阻隔隔熱效果，且厚度增加對隔熱效果影響顯著。在實驗范圍內，反射隔熱效果受涂層厚度影響不明顯。

(2)磚粉填料中添加功能填料有利于提高阻隔隔熱效果，降低隔熱所需涂層厚度，其中空心玻璃微珠和粉煤灰漂珠效果最好，膨脹珍珠巖和海泡石效果次之，而木質纖維和硅酸鋁的效果較差，與空白對照組差異不大。