生態外墻保溫板的膠結材料研究

朱曉麗，陳瑞軍，劉 剛

（1.唐山學院環境與化學工程系，河北 唐山 063000；2.河北省無機非金屬材料實驗室 華北理工大學材料科學與工程學院， 河北 唐山 063210）

外墻板作為一種新型的低碳建筑材料，成為近些年外墻裝飾材料的新寵。傳統的保溫板膠粘劑采用有機聚合物和水泥組合成聚合物砂漿，隨著時間的延長，粘接強度會受到一定的影響。針對這一缺陷，本文研發出一種新型膠粘劑，其間無須使用有機膠結材料，而是以無機礦渣微粉為主要原料，采用水玻璃、氫氧化鈉作為外加劑，摻加鐵尾礦砂以及少量的粉煤灰作為砂漿集料，制成無機膠粘劑，然后用泡沫板或擠塑板作為保溫材料，使其與陶瓷板粘接，制成生態外墻保溫板。

1 原材料及試驗方法

試驗選用42.5 級普通硅酸鹽水泥、礦渣微粉作為無機堿激發膠結材料，鐵尾礦砂以及少量的粉煤灰作為砂漿集料，礦渣微粉比表面積控制在500 m/kg左右，鐵尾礦砂通過2.5 mm 方孔篩，篩余不大于2%，粉煤灰通過45 μm 方孔篩，篩余不大于12%。采用的激發劑水玻璃模數為2.4 ～2.6，顆粒狀NaOH 純度為96%。原材料礦渣微粉、鐵尾礦砂及粉煤灰化學成分如表1 所示。

表1 原材料化學成分

試驗礦渣微粉摻加量在一定區間內選擇，根據不同配比測定試體的抗折強度和抗壓強度。試驗步驟具體如下：按照設計要求，外加劑、粉煤灰和水灰比（W/C）作為定量，保持不變，水玻璃中含水量計入用水量。礦渣微粉摻量為60%～65%，相應的鐵尾礦摻量為3%～35%，粉煤灰均為5%，水玻璃、氫氧化鈉均為礦渣微粉的4%，制成規格為40 mm× 40 mm×160 mm 的長方體試體。將制備好試體帶模放入標準養護室中養護1 d 后拆模。脫模后的試件在不同的齡期進行抗折強度、抗壓強度測定。

2 試驗結果及分析

2.1 礦渣微粉替代硅酸鹽水泥研究

用相同質量的礦渣微粉與42.5 級普通硅酸鹽水泥對比測定試體強度，結果如表2 所示。

表2 礦渣微粉與水泥試體強度

礦渣微粉試體的28 d 抗折強度、抗壓強度分別達到8.2 MPa、56.2 MPa，而硅酸鹽水泥試體28 d 抗折強度、抗壓強度分別為7.1 MPa、43.7 MPa。礦渣微粉作為膠凝材料，其抗折強度、抗壓強度均高于硅酸鹽水泥試體。礦渣微粉作為膠結材料，可以替代硅酸鹽水泥。在液態水玻璃及高濃度OH離子的作用下，礦渣微粉表面的玻璃體結構被破壞，堿溶液能夠促進膠凝材料中Ca、Si、Al 元素的溶解而形成水化硅酸鈣凝膠，從而影響其強度發展。對于礦渣微粉與堿溶液反應制備的無機膠結材料，制備過程無須高溫煅燒，具有節約能源、凝結快、耐侵蝕性優良等特點。礦渣微粉替代水泥作為膠結材料，不需要再加入有機膠凝材料，抗老化、使用壽命長的優勢明顯。因此，試驗利用礦渣微粉代替硅酸鹽水泥作為膠結材料。

2.2 膠結材料及集料的確定

根據上述試驗結果，采用礦渣微粉作為膠結材料，摻加鐵尾礦砂及少量的粉煤灰作為砂漿集料。選取礦渣微粉摻加比例在60%～65%，粉煤灰5%和水膠比0.26 作為定量，相應的鐵尾礦摻量為30%～35%，外加劑水玻璃、氫氧化鈉均為礦渣微粉的4%，分別測定3 d、28 d 抗折強度、抗壓強度，結果如表3 所示。

表3 不同礦渣微粉摻量配合比對強度的影響

由表3 可見，在粉煤灰摻量一定的情況下，隨著礦渣微粉用量的增加，試體的抗折強度和抗壓強度都有提升，出現峰值后又有所下降。當礦渣微粉的摻量保持在一定范圍時，試體的強度出現一個較優值。采用水玻璃、NaOH 激發礦渣微粉，堿激發礦渣材料水化后重要的特征就是收縮，對結構的長期性能有著較大影響，同時在膠結材料中摻加一定量的鐵尾礦砂及少量粉煤灰，其作用是降低水化放熱量，降低試體的收縮變形，同時不會影響水化產物的形成。礦渣微粉的較優摻加范圍為62%～64%。因此，確定礦渣微粉、鐵尾礦砂和粉煤灰的百分比為63%、32%、5%，外加劑水玻璃和氫氧化鈉摻加量均為礦渣膠結材料用量的4%，水灰比為0.26，將其作為制備膠粘劑的 配比。

2.3 膠結材料的微觀分析

2.3.1 激發純礦渣微粉的水化試驗

礦渣微粉作為膠結材料，水化28 d 時試樣的電鏡照片顯示，漿體結構中顆粒間存在許多絮凝狀物質。能譜分析表明，水玻璃OH的極性作用較強，容易破壞礦渣顆粒的Ca-O、Si-O 和Al-O 鍵，從而促進礦渣水化反應，生成更多低Ca/Si 的凝膠，這些絮凝狀物質為無定型態的C-S-H 凝膠，尤其在礦渣顆粒間形成的水化硅酸鈣粒子的凝膠對堿激發礦渣強度的發展起主要作用。

2.3.2 激發礦渣微粉及集料的水化試驗

礦渣微粉及集料水化28 d 時試樣的電鏡照片顯示，C-S-H 凝膠多且集料大顆粒較多，而大顆粒被凝膠包裹。因此，在一定粒徑范圍內，鐵尾礦砂粒徑越大，被膠凝材料膠結包裹的面積越大，大顆粒之間的孔隙可以被小顆粒鐵尾礦砂及粉煤灰填充，顆粒填充效果好，堆積密度大，相對比表面積大，與水化硅酸鈣凝膠的膠結作用更強，強度更高。

2.4 生態外墻保溫板的制備

制備生態外墻保溫板前，首先將陶瓷板浸濕，然后按照上述試驗得到的最優配比制備生態外墻保溫板的膠粘劑。將稱量好的各種原料倒入攪拌鍋中拌勻，加入少量水先溶解氫氧化鈉，然后加入液態水玻璃，攪拌均勻，加水至礦渣微粉量的26%。攪拌好后將其倒入攪拌鍋中，由水泥膠砂攪拌機攪拌均勻，用小鏟將攪拌好的砂漿均勻地鋪在陶瓷板上，然后將保溫材料放在鋪好砂漿的陶瓷板上，按壓使其粘接牢固，最后將制好的陶瓷保溫板養護1 周左右。養護條件為：溫度15 ～25 ℃，相對濕度大于50%。

生態外墻保溫板的制備過程中，應注意以下幾點：要充分拌勻膠粘劑砂漿，砂漿不能出現離析、分層現象；涂抹的厚度在5 mm 左右；按壓時，泡沫板或擠塑板保溫材料四周要按壓均勻；一次配制量最好在45 min 之內用完。

2.5 生態外墻保溫板力學性能

用泡沫板或擠塑板作為保溫材料，使其與陶瓷板通過無機膠粘劑結合，制成生態外墻保溫板。養護7 d 后，分別測定其拉伸粘接強度。

對試樣A 外墻保溫板進行拉伸試驗，5 組試樣 7 d 拉伸粘接強度的測定值均大于0.10 MPa，由結果可以看到，泡沫板與陶瓷板接觸面粘接良好，泡沫板內部結構被拉壞；試樣B 外墻保溫板做拉伸抗試驗，其7 d 拉伸粘接強度也均大于0.10 MPa，擠塑板與陶瓷板接觸面粘接良好，擠塑板內部結構發生破壞。因此，兩種生態外墻保溫板的拉伸粘接強度均符合外墻保溫膠粘劑技術性能指標的要求（7 d 拉伸粘接強度大于0.1 MPa）。

3 結語

利用礦渣微粉、粉煤灰、鐵尾礦砂和外加劑制備無機膠粘劑，將泡沫板或擠塑板與陶瓷板粘接起來，為鐵尾礦砂、粉煤灰的回收利用找到了一個有效途徑，同時為新型建筑材料的發展開辟了一個新通道。通過廢渣再利用、降低生產能耗等方式來降低生產成本，生態外墻保溫板有更加良好的經濟效益。