不同固体废弃物对保温材料形成和性能的影响

焦 宏 涛, 高 文 元,2, 唐 乃 岭,2, 李 长 敏,2

( 1.大连工业大学 纺织与材料工程学院, 辽宁 大连 116034; 2.辽宁省新材料与材料改性重点实验室, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

随着对节约能源与保护环境的要求不断提高,建筑维护结构的保温技术也在日益加强,尤其是外墙保温技术得到了长足的发展,并成为我国一项重要的建筑节能技术[1]。

由于我国的建筑节能水平还远低于发达国家,常规能源资源的有限性和消耗需求的无限性已构成制约我国产业发展的瓶颈,煤炭的巨量消费已成为我国大气污染的主要来源,所以积极推广建筑节能和开发利用环保节能新材料是我国目前建筑业的一个重要课题[2]。

在建筑节能领域,外墙外保温技术作为建筑节能外围结构保温的主要技术已成为共识,但是其系统产品需消耗大量的能源和资源[3]。与此同时,我国又存在大量的糖滤泥、粉煤灰、废玻璃和高炉矿渣等固体废弃物,占用大量土地,严重污染环境。因此以固体废弃物为原料开发外墙外保温材料,生产能耗低,利用大量的固体废弃物,符合循环经济发展的要求,已成为外墙外保温技术发展的一个重要方向。

税安泽等[4]利用抛光砖废料制备多孔保温建筑材料,研究了原料组分、原料配方、各工艺参数对材料容重、孔隙率、孔结构、导热系数、机械强度等的影响。作者以炉渣、糖滤泥、废玻璃、黏土为原料制备保温材料,主要研究了炉渣、糖滤泥、废玻璃等固体废弃物在制备保温材料过程中所起的作用,利用各类固体废弃物自身的性质生产保温材料,以实现废物利用和节能环保的双赢。

1 实 验

1.1 原 料

实验所用炉渣,大连工业大学锅炉炉渣；糖滤泥,内蒙古；废玻璃,大连；水曲柳,吉林。原料化学成分见表1。

表1 原料化学组成(质量分数)

Tab.1 Chemical compositions of raw materials (Mass fraction) %

1.2 方 法

对原料进行预处理,对其成分和性能进行分析。将糖厂废弃物糖滤泥进行自然晾晒,使其水分小于13%,易于储存,可直接用于实验。废玻璃要经过破碎,再经过研磨,其粒度要求过160目筛。炉渣需经过球磨使其粒度达到120目筛。按照配方称取原料,将配料混合后在搅拌机中搅拌1～2 h,搅拌好后,加入15%～17%的水分对其进行造粒,再陈腐48 h后,在15～25 MPa的压力下进行成型,然后放入烘箱中干燥,干燥温度为105～110 ℃,干燥时间为3～4 h,将干燥好的样品放入电路中进行烧结,烧结温度1 050～1 150 ℃。待烧结结束,制品随炉冷却。

1.3 性能测试与结构表征

利用酸碱滴定法对糖滤泥中CaCO3的含量进行了测定；用三点抗弯测试仪测试样品的抗压强度；用水煮法测试样品的吸水率、气孔率、密度；利用导热系数仪对样品进行导热分析；样品的物相组成采用日本的D/MAX-IIIX射线衍射仪进行分析；样品的显微形貌用日本JSM-6460LV扫描电子显微镜进行观测。

2 结果与讨论

2.1 炉渣对保温材料强度的影响

从图1可看出,随着炉渣目数的增大,也就是其粒度的减小,抗压强度随之增加,当炉渣所过目数大于120目时,抗压强度增加的幅度趋于平缓。垃圾炉渣是生活垃圾在垃圾发电厂经高温燃烧处理后的副产品。经研究发现,垃圾炉渣富含SiO2、Al2O3和Fe2O3等成分[5]。这些炉渣、大多数铁合金炉渣及保护渣的主要组成可归结为CaO-Al2O3-SiO2系。炉渣中这些成分的存在,使得制品存在高的强度。当炉渣粒度过大时,固相不能完全接触,不能形成反应所需要的条件,反应不能充分进行,因此强度相对较低,当炉渣粒度较小时,其反应活性增强,使其充分地发生反应,其强度有明显的增加。当粒度再细时,成本增加,但其强度增加的不再明显,因此取炉渣粒度为过120目筛。

图1 炉渣目数对抗压强度的影响

Fig.1 Effect of mesh number of slag on the compressive strength

从图2可看出,随着炉渣含量的增加,制品的强度增加。这是由于炉渣中的主要成分为SiO2、Al2O3和Fe2O3,这些成分是形成陶瓷结构的必要成分,随着炉渣含量的增加,SiO2、Al2O3等成分所占的比例也越大,在高温下形成的陶瓷晶相也愈多,因此其强度也愈高。但由于炉渣属瘠性料,当其含量所占原料的比例过大时,不易于成型,炉渣过量,在高温时,并不能全部形成陶瓷结构,因此其强度降低,而未完全反应的炉渣,具有高的吸水率,因此随着炉渣含量的增加,吸水率持续增加[6]。因此再保证易于成型和满足制品烧结强度的条件下,使其加入量最大。综合考虑,炉渣加入量为25%。

图2 炉渣质量分数对抗压强度的影响

Fig.2 Effect of slag amounts on the compressive strength

2.2 糖滤泥含量对制品气孔率及密度的影响

图3 糖滤泥质量分数对制品气孔率及密度的影响

Fig.3 Effect of sugar mud amounts on the porosity and density

2.3 废玻璃对制品反应温度及其结构性能的影响

添加废玻璃可以降低陶瓷制品的烧成温度[8]。从图4中可以看出,随着废玻璃所过目数的增加,即其粒度的减小,制品的烧成温度随之降低。随着碎玻璃粒度的减小,制品的吸水率下降,烧成温度降低,强度增加。综合考虑,取废玻璃粒度为160目。

图4 废玻璃粒度对烧结温度的影响

Fig.4 Effect of waste glass granule size on the sintering temperature

由图5可知,随着废玻璃含量的增加,制品的烧成温度有所降低,继续增加废玻璃含量,制品的烧成温度不再降低。制品中的废玻璃除了可以降低烧成温度外,熔融态的玻璃相可以将滤泥分解产生的气体包裹,形成封闭的孔隙结构。综合考虑实际生产成本问题,废玻璃质量分数取14%。

图5 废玻璃质量分数对烧成温度的影响

Fig.5 Effect of waste glass amounts on the sintering temperature

2.4 保温材料物相分析和微观结构分析

2.4.1 物相分析

通过对图6分析可知,以炉渣25%、糖滤泥28%、废玻璃14%、水曲柳33%质量分数比制作的制品在1 060 ℃下保温0.5 h,形成了莫来石相和少量的钙长石相,并且存在方石英。部分莫来石晶相是由于掺加了废玻璃的瓷体生成了莫来石,还有一部分是由于黏土脱水后分解,再经高温转化形成的。而钙长石是由糖滤泥中的CaCO3和黏土中的SiO2发生反应形成的。黏土中的高岭石经脱水分解,再经高温转化形成硅铝尖晶石。尽管硅铝尖晶石结构较偏高岭石稳定,但结构中空位较多,因而它也很不稳定,继续加热就会转化成热力学稳定的莫来石而分离出方石英。莫来石、钙长石、方石英是构成该材料的主要晶相,赋予了材料高的强度。

图6 1 060 ℃烧结的制品XRD图

2.4.2 微观结构分析

图7为炉渣25%、糖滤泥28%、废玻璃14%、水曲柳33%质量分数比制作的制品在1 060 ℃ 下保温0.5 h的SEM图。由图7可以看出,制品的显微结构是以玻璃相(图7中B处)为基质的,并含有一定量的莫来石相(图7中C处)、钙长石相(图7中E处)、方石英相(图7中D处)和大量的气相(图7中A处),这与XRD测试结果一致。经测试制品的导热系数小于0.40 W/(m·K),达到保温材料的保温要求。材料的有效导热系数大小取决于材料的孔隙率,孔隙率越高,材料的导热性能愈差,保温效果愈好[9]。制品中有大量的孔隙存在,这些孔隙以闭孔结构存在,在闭孔结构中呈静止状态的空气及二氧化碳,其热导率很低,从而达到保温的目的。

图7 1 060 ℃烧结的制品SEM图

3 结 论

以炉渣为原料制备保温材料,当炉渣质量分数为25%、粒度过120目筛时,材料的抗压强度可达14 MPa。

以碎玻璃为助熔剂,废玻璃质量分数为14%、粒度过160目筛时烧成温度为1 060 ℃。

以糖滤泥为成孔剂,当糖滤泥质量分数为28%,材料孔隙率可达35%,密度为1.204 g/cm3,导热系数小于0.40 W/(m·K),且大部分孔隙为闭孔结构。

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[2] 万晓霏,唐平龙,张栋煌. 外墙保温技术及环保节能材料探讨[J]. 中国高新技术企业, 2008(3):70-72.

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[4] 税安泽,夏海斌,曾令可,等. 利用抛光砖废料制备多孔保温建筑材料[J]. 硅酸盐通报, 2008, 27(1):191-195.

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