粉煤灰水泥发泡保温材料的研究与应用

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根据建设部节能技术发展规划的要求，节能型建筑物将成为今后发展方向。因此，轻质高效的保温材料将取代传统落后的保温材料，而研究开发高强度、低成本和防火性能好的保温材料是亟待解决的课题。
无机材料发泡技术已在国内外建材领域普遍采用。其类型有：①加气法(如加气混凝土)；②充气法(如充气石膏、发泡菱苦土)；③泡沫剂法(如泡沫混凝土)；④高温烧成法(如泡沫玻璃)。上述发泡方法主要缺点是：泡沫制品内部形成的泡孔孔径难以控制，而且大部分泡孔是开孔的；有的必须高温烧成，生产设备比较复杂，投资较大。我们利用粉煤灰和水泥，加入AC引发剂等材料，在常温常压下发泡制成轻质保温材料。其制品内部泡孔为闭孔结构，可调节泡孔孔径，泡孔均匀分布，属非燃烧体，不存在防火问题。可广泛用于建筑物墙体、屋面的保温隔热，是一种具有发展前途的新型保温材料。

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1 原材料
1．1 粉煤灰
粉煤灰系燃煤电厂废弃物，到2000年，我国灰渣排放量将达到1．5亿吨左右。由此产生的资源和环境问题将十分突出，如能利用粉煤灰做保温材料，可谓一举多得。
粉煤灰是由各种颗粒机械混合而成的群体，其中多为球形玻璃体，比表面积较大，其矿物组成主要是玻璃相、莫来石相、石英、赤铁矿、磁铁矿及少量未燃烧碳粒。我国粉煤灰的化学成分均值和北京石景山电厂粉煤灰化学组成如表l、表2，粉煤灰质量指标的分级如表3。
由上表可知，北京石景山电厂粉煤灰为低钙粉煤灰(低钙灰CaO含量为1％~l0％)。 粉煤灰的放射性组分主要来源于燃料煤灰，放射性元素含量随所用煤种而异，经燃烧后放射性元素富集于灰分中。粉煤灰中含放射性元素主要有四种，238U、226Ra、232Th及40K。为了保证安全的生活环境，国家已制定出两个标准，即“建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准”GB6763―86和“建筑材料放射卫生防护标准”GB6566―86。据资料介绍，石景山电厂粉煤灰按GB6763―86的公式计算结果表明，其放射性水平未超过国家规定的标准。但是对新开发的粉煤灰资源，仍须进行放射性监测。
1．2 无机胶凝材料
无机胶凝材料是粉煤灰水泥发泡材料强度的主要来源，要求其早期强度高、速凝，如硫铝酸盐水泥、菱苦土、石膏等材料。
硫铝酸盐水泥和铁铝酸盐水泥是以石灰石、矾土(铁矾土)和石膏等为原料，经低温(1300~1350℃)煅烧成熟料，并通过掺加适量混合材、石膏等进行粉磨制成的水泥。其水化产物主要是钙矾石、硫铝酸钙、铝胶和铁胶等组成。因为它的矿物组成与水化产物和硅酸盐不同，因此水泥性能也不同，详见表4、表5。水泥标号以3d强度确定，分为425、525、625三种，其指标应符合ZBQll005―87和JC435―91的要求。其中525#3d抗压强度为51．5MPa，抗折强度为7．4MPa，初凝时间不小于25min，终凝时间不大于180min。
菱苦土是菱镁矿(主要成分为MgO)经850℃燃烧后磨细而成，其中MgO含量不小于75％。抗压强度大于30MPa，抗折强度大于1．5MPa，初凝时间不大于40min，终凝时间不大于7h。
1．3 AC引发剂
AC引发剂是粉煤灰水泥发泡材料的关键技术。在未加入发泡剂之前，粉煤灰水泥料浆是固一液两相共存体系，当加入发泡剂之后产生气体，气体体积不断膨胀形成了气一液界面。气体通过液体时，由于表面张力的作用，液体表面自动收缩，形成了液体薄膜包围气体的所谓“气泡”，当气泡内气体的压力大于液体表面张力时，泡体破裂气体逸出。另外，各种矿物质及其生成物大多数是极性分子，水是极性分子，这些矿物质能被水湿润。而气体是非极性分子，这些矿物质不能被气体吸附，有沉淀趋势。可见，粉煤灰料浆是固一液一气三相共存的不稳定体系，气体要逸出，固体要沉降，水分要泌出，不能形成均匀的多孔分散体系。如果粉煤灰料浆体系加入AC引发剂之后，则提高了粉煤灰水泥料浆的液一气界面的表面张力，使气泡稳定，提高料浆的保气能力，同时在引发剂作用下，使固体颗粒向气泡附着，避免固体颗粒沉降，并在气泡周围形成一层具有一定强度的薄膜，增加气泡的稳定性，因而有效的形成固一液一气三相多孔均匀分散体系。 AC引发剂掺量多少对粉煤灰水泥发泡料浆的泡孔孔径大小、物理力学性能、泡孔的匀质性都有明显的影响。泡孔孔径、力学性能与AC引发剂掺量的关系如表6。
1．4 发泡剂
通常产生气泡而制成泡沫制品的过程大致有二种方法，即物理发泡和化学发泡。物理方法是由发泡剂在机械搅拌下产生大量泡沫或用压缩空气的方法形成气泡分散于料浆中；而化学发泡是发泡剂在料浆中发生化学反应，放出气体而形成细小气泡。发泡剂又可分为金属和非金属两大类，金属发泡剂有锌粉、铝粉等，非金属发泡剂有碳化钙、双氧水等。双氧水的放气速度较快，在5~10min内反应完毕，并对温度、介质及碱金属反应十分敏感。目前，加气混凝土使用铝粉作为发泡剂最为广泛。本研究使用的发泡剂主要采用化学发泡法，在碱性条件下反应放出气体。不同类型的发泡剂所制成的制品性能相差很大。
1．5 水
主要用于水泥水化和形成气泡的介质，其次用于调节料浆的稠度及制品性能。
1．6 其他
为了提高制品的强度和均匀性，还可以加入分散剂、增强剂、防水剂、减水剂等。

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2 工艺流程及制品性能
2．1 可发性料浆的制备
按配合比称取物料投入特定的搅拌釜，在规定的时间内搅拌均匀后出料。根据有关资料及大量的试验结果，生产用原材料数量可按下式计算：
M＝m ―B
M制品单位体积干物料量kg／m3
m制品设计干密度kg／m3
B制品结合水含量kg／m3
结合水的数值是不易测定的，通过大量试验结果推算出结合水为干物料量的10％~20％，见表7数据。上式可改写成下式：
M＝m×(0.9 ~ 0.8)
B值可根据环境温度、材料、工艺等情况确定。
2．2 浇注成型静置发泡
浇注是将设定投料量的粉煤灰水泥发泡料浆注入模具，使其形成一定形状的保温材料坯体。浇注成型有两种方法：①移动浇注法。即搅拌机到达模具适当位置后加料搅拌，然后将发泡料浆一次性注入模具中，静置发泡，达到终凝之后切掉“面包头”，初步达到设计要求的形状。②模具固定法。即把模具摆放固定好，然后将发泡料浆注入模具中，静置发泡，终凝之后进行修正至符合出厂外观要求。
后者与前者相比，生产效率低，模具费用大，质量不稳定，成本高。将搅拌好的粉煤灰水泥可发性料浆注入模具静置发泡，在发泡过程中不能震动，否则破坏泡孔结构造成塌陷。在实践过程中得知，搅拌机的不同类型、搅拌速度、下料孔形状、投料量、模具等因素，均对制品性能产生一定影响。浇注成型过程中实际上是料浆发泡和水泥凝结硬化两个过程，二者之间关系必须协调一致，否则会产生发泡不到位、塌陷、气泡大小和强度达不到要求。大量试验结果表明，如图1所示，当发泡剂在碱性条件下，开始反应放出气体，料浆稠度处于最低值，料浆平面平稳上升，在10min内发气速度达到最大值，15min发气趋于缓慢，20min水泥开始稠化，此时正好是水泥初凝时间，料浆发气时间和水泥凝结硬化时间恰好协调一致，才能生产出合格产品。

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3 粉煤灰水泥发泡料浆的特性
由于粉煤灰加入无机胶凝材料、AC引发剂、发泡剂等搅拌成可发性料浆，该料浆自加料至注入模具后全过程是在常温常压下完成的，工艺设备简单，投资不高。但是，可发性料浆不一定都能发泡成多孔材料，它必须具备一个综合的工作条件才能很好的发泡。概括起来，具备以下条件才能生产出合格产品：
(1)应具有胶结和凝结固化能力，这是粉煤灰水泥发泡保温材料强度的主要来源，通常采用水泥、菱苦土、石膏等。
(2)料浆注入模具后，发泡剂在碱性条件下放出气体使料浆膨胀，同时胶凝材料开始凝结使料浆固化，形成优良的多孔结构。如果发气快、凝结慢，料浆内部形成的泡孔会因自重而塌陷和逸出；如果发气慢、凝结快，发泡体膨胀率低或出现裂纹。也就是说，发气过程必须与凝结过程协调一致，才能得到理想的发泡体。
(3)料浆应具有早强的特点。当膨胀结束后，料浆强度增长较快对成型有利，底层料浆随着发气高度的增加承受压力也就越大，要求料浆的强度增长也就越快，故发气高度要有一定的限度。
(4)料浆应具有良好的流动性、和易性。这是一项综合的技术性质，包括粘聚性和保水性，使可发性料浆达到可操作的目的。粘聚性和保水性决定了料浆内部液一固两相的分离程度，而发泡剂必须处于液一固两相不分离状态才能形成良好的发泡体。同时还具有捕捉气体的能力。
(5)料浆要有发气能力，它是粉煤灰水泥发泡料浆产生气泡的主要来源。

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4 影响制品性能的因素
粉煤灰水泥发泡材料生产过程中，应经常检查发泡情况是否正常，尤其是每次进料时均按配方进行检查，正常后方能投入生产，因为可发性料浆受到诸因素的影响，主要有：
4．1 原材料性质及掺量
粉煤灰水泥可发性料浆与原材料性质和掺量有着密切的关系。例如不同产地的同种水泥、不同类型的水泥、不同产地的粉煤灰以及AC引发剂和发泡剂的用量，均与发泡制品性能密切相关，如图2、图3。
4．2 水灰比的影响
粉煤灰水泥可发性料浆的水灰比对制品性能有很大影响。同水泥制品的规律一样，高水灰比料浆易成型、强度低、不易发泡；低水灰比料浆流动性差，发泡剂放出的气体在膨胀过程中受阻，制品内部易出现裂纹，制品强度高。
4，3 入模时间的影响
料浆拌和后应立即注入模具，尽量缩短“无效时间”。因为发泡剂一旦加入后，立即发生化学反应，开始放出气体，如果延长入模时间，料浆内部已形成的泡孔在注模过程中损失掉，同时浪费一部分发泡剂，甚至达不到预期效果。
4．4 环境温度与水温的影响
生产粉煤灰水泥发泡材料最适宜的环境温度应在15℃以上，如果温度太低，发泡效果不理想，强度也不高，甚至出现粉化现象。如果提高水温，即使在环境温度低于15℃的情况下，也能生产出合格产品。

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5 应用与结论
5．1 应 用
(1)网架结构复合屋面板
网架结构复合屋面板及墙板是一种集承重、保温、装饰于一体的新型建筑结构材料。该产品用轻钢结构型钢，内配钢筋和玻璃纤维网布作骨架，中间用粉煤灰水泥发泡材料或其它保温材料等作芯材，用特制水泥砂浆作面层组合而成。它具有：①抗弯、抗剪性能好；②保温、隔热、隔声性能好；③耐腐蚀、抗大气性能好；④重量轻、搬运安装省时省力；⑤规格多样化，外形、厚度可根据用户要求生产出平面任意形状的开洞板、采光边框板、挑檐板、天沟板、天窗下档、天窗端壁及各种墙板；⑥根据用户要求进行防水、装饰，施工方便。
产品主要性能：
①承载力：活荷载；②荷载值下绕度：L／200；③导热系数：0．07W／m.K；④空气隔声量：30dB；⑤耐火极限：1．5h
目前，已生产网架结构屋面板有以下几种形式(图略)。在工程上应用达1．5万m2，产值达250万元。
(2)保温砌块
新型保温砌块是以粉煤灰水泥发泡料浆浇注而成具有一定形状的制品。它具有密度小、导热系数低、有一定的憎水性、施工方便等特点。
产品主要性能：
① 外形尺寸：600mm×300mm×15mm；②密度：280~400kg／m3；③抗压强度：＞0．35Mpa；④抗折强度：＞0．20MPa；⑤导热系数：0．06~0．09W／m2．K
目前，保温砌块已生产560m3，产值达21万元。
5，2 结 论
(1)以轻钢组合成金属框架，框架内由钢丝网架和粉煤灰水泥发泡材料复合在一起，然后在上下面层铺抹抗裂砂浆，用于球形网架结构的屋面板。
(2)粉煤灰水泥发泡材料是一种非燃烧体，重量轻，导热系数小，有一定强度的保温材料，可以预制也可现浇，可广泛应用于各类建筑物的外墙保温、屋面保温隔热。
(3)粉煤灰水泥在常温常压下发泡，是一种新型保温材料，无论在技术上和经济上都是一个行之有效的方法。