木質(zhì)素作用下膨脹珍珠巖保溫板的燃燒性能★

朱孟鑫 李景山 毛 旭 江澤布衣 陳泰燃

(鐵道警察學(xué)院治安學(xué)系，河南 鄭州 450053)

0 引言

我國建筑能耗占社會總能耗很大[1]，研制節(jié)能環(huán)保的建筑保溫材料是我國走建筑可持續(xù)發(fā)展之路的關(guān)鍵[2,3]。膨脹珍珠巖是非常好的無機保溫材料[4-7]，其質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、隔熱性能好、施工便利，適合用作屋面和墻體的隔熱保溫材料，但存在吸水率高、粘結(jié)強度低的缺點。木質(zhì)素是廣泛存在植物中的酚類高聚物，利用其分散性、粘結(jié)性和螫和性可以在耐火材料中起到增塑與減水的作用[8-11]。實驗選擇合適的膠結(jié)劑添加到膨脹珍珠巖和木質(zhì)素中，通過測試保溫實驗板的承壓能力與耐熱性能，研制出一種新型節(jié)能、環(huán)保、高效的建筑保溫材料。

1 保溫板的組分

1.1 原料與儀器

實驗所用膨脹珍珠巖取自鄭州日騰建材有限公司，木質(zhì)素購于河北晴俊纖維素廠，面粉取自鄭州面粉廠，黃泥取自新鄭市龍湖鎮(zhèn)，水泥取自山東金湖水泥有限公司，穩(wěn)泡劑選擇聚乙烯醇，發(fā)泡劑選擇脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉。主要實驗工具及儀器：JJ224BC型電子天平，常熟市雙杰測試儀器廠；MDJ-A01Y1型粉碎機，佛山市小熊電器有限公司；YXQM-10L行星式球磨機，廣州儒瑞科技有限公司；H2010G電動攪拌器，東莞市瑞星技術(shù)有限公司；DZF-6210真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；松下DMC-GK85相機，松下電器產(chǎn)業(yè)公司；YAW-300B型壓力試驗機，濟(jì)南航瑞精密機械有限公司；GM320紅外線測溫儀，無錫市勝利儀器有限公司；SX2-12-16TP箱式電阻爐，上海五相儀器儀表有限公司；秒表、熱電偶購于市場。

1.2 樣品制備

采用發(fā)泡注漿[12-15]的方法制備相同的兩組木質(zhì)素—膨脹珍珠巖實驗板，分別記為第Ⅰ組(用作承壓實驗)和第Ⅱ組(用作耐熱實驗)。將膨脹珍珠巖干燥后破碎，球磨后再過80目篩、稱重，將木質(zhì)素和面粉稱重，混合后配置溶液，加入穩(wěn)泡劑與發(fā)泡劑并攪拌5 min，將配置好的漿料倒入磨具固化、干燥，燒結(jié)至950 ℃，保溫、冷卻后得到樣品Ⅰ-1。將面粉替換為黃泥和水泥，其他不變，得到樣品Ⅰ-2，Ⅰ-3，第Ⅱ組三塊實驗板與第Ⅰ組相同。工藝流程如圖1所示。

各組實驗板中，膨脹珍珠巖加入量為40%，木質(zhì)素加入量為15%，面粉(黃泥、水泥)加入量為45%，穩(wěn)泡劑和發(fā)泡劑固定為總量0.4%(都為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，制作的實驗板規(guī)格為150 mm×150 mm×25 mm。詳細(xì)組分?jǐn)?shù)據(jù)見表1。

表1 木質(zhì)素—膨脹珍珠巖保溫板組分

2 保溫板的承壓實驗

對第Ⅰ組的3塊實驗板分別進(jìn)行承壓能力測試，測試依據(jù)GB/T 5486—2008無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法中6.3的試驗步驟進(jìn)行。測試結(jié)果分別記為Ⅰ-1，Ⅰ-2和Ⅰ-3，測試承壓能力過程時要注意觀察實驗板情況，在實驗板出現(xiàn)孔隙、裂縫或垮塌時做出記錄，實驗結(jié)束后認(rèn)真分析，對實驗板的承壓能力排出順序，分析添加面粉、黃泥和水泥的實驗板對承壓能力的影響關(guān)系。

2.1 承壓結(jié)果分析

對于摻加面粉的實驗板，承壓質(zhì)量達(dá)到211.5 kg時板上出現(xiàn)貫穿整板的斷裂線，且多處有掉渣現(xiàn)象，對于摻加黃泥的實驗板，承壓質(zhì)量達(dá)到239 kg時板上出現(xiàn)裂隙，覆蓋面約1/3，有部分掉渣現(xiàn)象，對于摻加水泥的實驗板，承壓質(zhì)量達(dá)到298.5 kg時板上出現(xiàn)裂紋，分布較均勻，整體完好，有少量掉渣。

2.2 承壓能力對比

根據(jù)實驗分析，編號為Ⅰ-3的實驗板承壓能力相對最優(yōu)，其次為Ⅰ-2，編號為Ⅰ-1的實驗板承壓能力最差。在實驗板厚度和其他組分固定的情況下，面粉、黃泥和水泥的摻量對實驗板承壓能力影響較大，摻加量相同時，摻加面粉、黃泥、水泥的實驗板的承壓能力結(jié)果為：水泥>黃泥>面粉。第Ⅰ組實驗板力學(xué)性能對比如表2所示。

表2 第Ⅰ組實驗板承壓能力

3 保溫板的耐熱實驗

對第Ⅱ組三塊實驗板進(jìn)行耐熱實驗，編號依次記為Ⅱ-1，Ⅱ-2，Ⅱ-3，模擬建筑物墻體保溫材料在火場溫度下的燃燒，使用非接觸式紅外線測溫儀和熱電偶組合的方式，取兩者平均值計算實驗板受火面與背火面的溫度，使用秒表每間隔10 s記錄一次數(shù)值，根據(jù)實驗板在測試中的狀態(tài)合理確定結(jié)束時間，測試時平均室溫20 ℃。通過分析三塊實驗板耐熱性能數(shù)據(jù)和外觀狀態(tài)對比，確定添加面粉、黃泥和水泥的實驗板耐熱性能優(yōu)劣。

3.1 實驗結(jié)果分析

從實驗板Ⅱ-1接觸火焰開始，受火面升溫速度很快，10 s即達(dá)到256 ℃，在前60 s時間受火面持續(xù)快速增溫至424 ℃，隨后120 s內(nèi)增速緩慢，溫度差為36 ℃；背火面大體呈現(xiàn)四個階段，首先是前50 s溫度基本維持在93 ℃左右，其次是50 s～110 s的勻速平穩(wěn)升溫至216 ℃階段，再次是110 s～150 s溫度保持階段，最后是150 s～180 s快速增溫至295 ℃階段。測試時間段內(nèi)，實驗板Ⅱ-1背火面最低溫度84 ℃，最高溫度295 ℃，最大溫差211 ℃，平均溫度為172.7 ℃。溫度變化過程如圖2所示。

對于實驗板Ⅱ-2，受火面在測試期間基本上是保持持續(xù)升溫狀態(tài)，前110 s升溫速度較實驗板Ⅱ-1平緩，但后70 s升溫速度比實驗板Ⅱ-1要快很多。從10 s溫度159 ℃至180 s溫度497 ℃，變化不明顯，前130 s比后50 s升溫速度稍快一些；背火面溫度變化階段較多，首先是前50 s溫度緩慢上升，從48.5 ℃升至74.3 ℃，隨后20 s時間內(nèi)溫度基本未變，70 s～90 s溫度加速升至108 ℃，隨后50 s間隔溫度升速減緩，僅升高28 ℃，從140 ℃～160 ℃的20 s間隔升溫速度變快達(dá)最高溫度185 ℃，最后20 s溫度基本保持不變。測試時間段內(nèi)，實驗板Ⅱ-2背火面最低溫度48.5 ℃，最高溫度185 ℃，最大溫差136.5 ℃，平均溫度109.9 ℃。溫度變化過程如圖3所示。

對于實驗板Ⅱ-3，受火面在測試時間段大體為兩個階段，先是160 s的勻速升溫階段，升溫趨勢比實驗板Ⅱ-1，Ⅱ-2都要平緩，然后是最后20 s的溫度保持400 ℃階段。背火面溫度變化總體平緩，前60 s溫度變化緩慢，溫升僅為22.8 ℃，較長時間維持在56 ℃左右，60 s～70 s增速較快，溫度上升至85.7 ℃，從70 s～110 s溫度上升非常緩慢，僅增加8 ℃，110 s～160 s溫度近勻速增長，差值為56.3 ℃，最后20 s溫度基本保持不變。測試時間段內(nèi)，實驗板Ⅱ-3背火面最低溫度為39.3 ℃，最高溫度為150 ℃，最大溫差110.7 ℃，平均溫度為92.2 ℃。

溫度變化過程如圖4所示。

3.2 耐熱能力對比

三塊保溫實驗板耐熱能力測試時間都為180 s，編號為Ⅱ-1，Ⅱ-2，Ⅱ-3的實驗板背火面最高平均溫度依次為295 ℃，185 ℃和150 ℃。實驗結(jié)束后對三塊實驗板外觀進(jìn)行觀察，編號為Ⅱ-1的實驗板向火面過火比較嚴(yán)重，且背火面在測試過程中也出現(xiàn)較長時間持續(xù)火焰和煙氣，實驗板中心區(qū)有較大的孔洞，表面有較多粉末狀顆粒；編號為Ⅱ-2的實驗板向火面出現(xiàn)穿透性縫隙，表面有多處鼓包和碳化現(xiàn)象，背火面有膨脹和酥化現(xiàn)象，整體外觀完整；編號為Ⅱ-3的實驗板向火面有輕微膨脹和顏色變深現(xiàn)象，周邊有輕微掉渣，背火面未出現(xiàn)火焰，面板無穿透性縫隙，外觀基本無變化。通過對保溫實驗板的耐熱測試分析對比，可以看出編號為Ⅱ-3的實驗板耐熱效果較好，編號為Ⅱ-1的實驗板耐熱效果最差。實驗板的導(dǎo)熱系數(shù)采用導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測定，實驗板耐熱實驗分析對比結(jié)果如表3所示。

表3 第Ⅱ組實驗板耐熱實驗分析對比

4 結(jié)語

1)在前期優(yōu)化原料配比制備保溫實驗板后，固定膨脹珍珠巖、木質(zhì)素等原料配比，選擇相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的面粉、黃泥、水泥作膠結(jié)材料分別制作實驗板，經(jīng)承壓能力測試，添加水泥的保溫實驗板優(yōu)于添加面粉和黃泥的實驗板。

2)耐熱能力測試表明：厚度為25 mm，40%膨脹珍珠巖+15%木質(zhì)素+45%水泥的實驗板耐熱能力最好，同等情況下添加面粉的實驗板耐熱性能最差。