煤气化渣玻化微珠制备保温砂浆

胡晓霞，乔秀臣

(华东理工大学资源与环境工程学院，上海 200237)

0 引 言

联合国环境规划署指出建筑能耗约占全球总能耗的40%[1]，并且随着全球人口和经济的快速增长，这一比例将会持续增长。我国在20世纪初提出建筑绿色发展规划，在不到20年的时间里，将建筑节能比例由50%提高到65%，部分地区更是达到75%[2]。在此背景下，建筑保温材料的应用与开发得到广泛关注。

保温砂浆作为外墙保温领域的重要材料，能够提高建筑物的保温隔热性能，有效降低建筑能耗，已被广泛应用于建筑节能领域[3-4]。保温砂浆通常是以轻质材料为骨料，水泥、石膏等为胶凝材料，掺杂胶粉、引气剂、憎水剂等外加剂混合而成。按骨料化学成分的不同，保温砂浆可分为有机保温砂浆和无机保温砂浆。典型的有机保温砂浆有聚苯颗粒(EPS)保温砂浆[5]，典型无机保温砂浆有膨胀珍珠岩保温砂浆[6]、膨胀蛭石保温砂浆[7]和玻化微珠保温砂浆[8]等。有机保温砂浆虽然具有优良的保温隔热性能，但防火性能差；无机保温砂浆防火性能优异，但导热系数偏高。如何开发保温性能和防火性能兼具的轻质保温骨料，是该领域长期探索的难点和关键。

煤气化渣是煤炭气化过程中产生的固体废物，我国年排放煤气化渣量高达几千万吨[9]。由于煤气化渣残碳含量较高，限制了其在建筑材料领域的应用，目前固废处理主要以填埋为主，潜在环境污染压力巨大[10]。本课题组利用熔融发泡技术开发出一种煤气化渣合成空心玻化微珠的方法，本研究将重点探索煤气化渣玻化微珠作为轻质保温骨料配制保温砂浆的可行性。

1 实 验

1.1 原材料

(1)胶凝材料：选用上海南方水泥有限公司生产的P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥，其化学成分见表1，物理性能见表2。粉煤灰(CFA)来自山西某火电厂一级低钙粉煤灰，其化学成分见表1。

表1 水泥、粉煤灰和煤气化渣化学组成Table 1 Chemical composition of cement, coal fly ash(CFA) and coal gasification slag(CGS)

表2 水泥物理性能Table 2 Physical properties of cement

(2)保温骨料：所用煤气化渣的化学组成见表1，利用高温熔胀技术将煤气化渣分别合成粒径<3 mm、3～5 mm 和>5 mm三类玻化微珠，玻化微珠的物理性能见表3。

表3 煤气化渣玻化微珠的物理性能Table 3 Physical properties of VM-CGS

(3)外加剂：选用德国瓦克公司5044N乳胶粉、易来泰SEAL80有机硅憎水剂作为保温砂浆外加剂。

(4)水：自来水。

1.2 配合比

本研究共设计17组实验，砂浆配比见表4，研究水泥、粉煤灰、憎水剂和不同粒径VM-CGS的掺量对所制备保温砂浆性能的影响。乳胶粉的添加量全部为胶凝材料总质量的2%，VM-CGS体积与胶凝材料质量比记为V/B。

1.3 砂浆的制备

根据表4设计的配比准确称量水泥、胶粉、VM-CGS、粉煤灰及憎水剂，按照JGJ/T 70—2009检测每组配料的砂浆稠度使其保持(50±5) mm，确定各组配料的拌和需水量。将NRJ-411A型搅拌机混好的砂浆分别装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体模具和φ200 mm×H20 mm圆柱模具中，覆盖聚乙烯膜，于(20±3) ℃环境下静置48 h后脱模，然后将试样在(20±3) ℃、相对湿度70%的条件下继续养护至28 d，其中70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体试件用于测试干密度、抗压强度及吸水率，φ200 mm×H20 mm圆柱试件用于测试导热系数。

1.4 表征与性能测试

采用日立公司S-3400N扫描电子显微镜(SEM)观测样品微观形貌，按照GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》测试保温砂浆干密度和抗压强度，按照GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定：防护热板法》测定导热系数，按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》测定吸水率。

2 结果与讨论

2.1 玻化微珠粒径对保温砂浆性能的影响

三种粒径(<3 mm、3～5 mm、>5 mm)玻化微珠的微观形貌如图1所示。图1(a)、(c)、(e)为玻化微珠的外表面形貌，VM-CGS外表面总体呈光滑封闭形态，随着粒径增大，外表面越来越光滑完整，因此VM-CGS的吸水率随粒径增大而降低(见表3)。图1(b)、(d)、(f)为玻化微珠的内部形貌，三种粒径VM-CGS的内部均呈蜂窝状泡孔结构，绝大多数泡孔为独立封闭的空腔结构，部分泡孔孔壁破坏形成连通孔；泡孔尺寸不随VM-CGS粒径变化而有明显改变，泡孔平均直径为300 μm左右；随着VM-CGS粒径增大，泡孔形状的规整性和排列有序性降低，相应的VM-CGS筒压强度和保温性能随粒径增大而减弱(见表3)。

图1 不同粒径VM-CGS的SEM照片Fig.1 SEM images of VM-CGS with different particle sizes

按照S1、S2和S3配比制备保温砂浆，其性能测试结果见表5。保温砂浆养护样品的干密度随着VM-CGS粒径增大而增大，这主要是因为在V/B=7的条件下，单位体积保温砂浆样品中VM-CGS体积占比超过85%，而VM-CGS的堆积密度随着粒径增大而增大(见表3)。在VM-CGS体积相同的条件下，微珠粒径越大，比表面积越小[11]，包裹VM-CGS表面需要的胶凝材料用量就越少，而微珠间填充的胶凝材料则增多。包裹在VM-CGS表面的胶凝材料层较薄，保水能力有限，而填充在微珠间空隙的胶凝材料则具有较强的保水能力[12]，因此，相比于表3中VM-CGS的吸水率，表5中相应保温砂浆样品吸水率的增幅随VM-CGS粒径增大而增大，尤其是由>5 mm VM-CGS配制的保温砂浆，吸水率增幅超过40%。微珠间较多的胶凝材料利于保温砂浆样品的强度发展，所以保温砂浆样品抗压强度随着VM-CGS粒径的增加从0.26 MPa增大到0.53 MPa。按照S1和S2配比所制备保温砂浆满足GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》Ⅰ型砂浆的要求：抗压强度≥0.2 MPa，导热系数≤0.07 W/(m·K)[13]。

表3结果显示，三种粒径VM-CGS的导热系数随着粒径增加而增大，但是3～5 mm和>5 mm VM-CGS之间的导热系数差距甚微，然而表5结果则显示由>5 mm VM-CGS配制的保温砂浆样品导热系数明显高于由3～5 mm VM-CGS配制的保温砂浆，这是因为水泥浆料和水化产物相对于VM-CGS具有较高的导热系数[14]。对于轻质保温材料，既要具有较低的导热系数和较小的干密度，同时还要具有较高的强度，本研究体系内，以3～5 mm VM-CGS配制的保温砂浆综合性能最佳。

表5 VM-CGS粒径对保温砂浆性能的影响Table 5 Effect of VM-CGS particle size on properties of thermal insulation mortar

2.2 玻化微珠掺量对保温砂浆性能的影响

按照S0、S4、S5、S6和S7配比制备保温砂浆，其性能检测见图2。随着V/B从0增加到4，由3～5 mm VM-CGS所配制保温砂浆样品的干密度、抗压强度和导热系数迅速下降，随着V/B从4增加到7而缓慢降低。样品吸水率则呈现先快速增加，然后增速减缓的趋势。相比水泥浆料或水泥水化产物的堆积密度和导热系数，3～5 mm VM-CGS的堆积密度220.17 kg/m3和导热系数0.061 32 W/(m·K)显得非常小，因此3～5 mm VM-CGS掺入量增加必然会降低保温砂浆样品的干密度和导热系数，而随着水泥用量降低，样品强度相应降低。同时由于3～5 mm VM-CGS自身具有较大的吸水率，导致保温砂浆样品的吸水率随其掺入量的增加而升高。综上所述，V/B=7的条件下配制出的保温砂浆综合性能最佳。

图2 VM-CGS掺量对保温砂浆性能的影响Fig.2 Effect of the VM-CGS addition on the properties of thermal insulation mortar

从图3中VM-CGS与水泥水化产物结合面SEM照片可以发现，养护28 d后3～5 mm VM-CGS与水泥水化产物紧密啮合，但是VM-CGS孔壁并没有因为水化反应而遭到破坏，因此由3～5 mm VM-CGS所配制的保温砂浆在水化反应后依然会密闭大量气体而实现有效保温。与此同时，完整的孔壁也是保温砂浆样品维持较高强度的保证[15]。

图3 3～5 mm VM-CGS与水泥水化产物结合面SEM照片Fig.3 SEM images of bonding surface of 3 mm to 5 mm VM-CGS and cement hydration products

2.3 粉煤灰替代水泥对保温砂浆性能的影响

图4为粉煤灰替代水泥对保温砂浆性能的影响，实验测得所用粉煤灰和水泥的堆积密度分别为680 kg/m3和946 kg/m3，所以随着粉煤灰替代水泥量的增加，保温砂浆养护样品的干密度逐级降低(见图4(a))。当粉煤灰替代10%的水泥后，养护样品的抗压强度从0.48 MPa增加到0.50 MPa(见图4(b))，导热系数则从0.061 39 W/(m·K)降低到0.061 14 W/(m·K) (见图4(c))。继续增加粉煤灰替代量，样品强度持续降低，而导热系数升高。具有部分微球颗粒的粉煤灰替代水泥通常可以改善砂浆和易性[16]，而且合适的掺量可以发挥粉煤灰的“微集料效应”，但粉煤灰的反应活性比水泥低[17]，过量取代水泥在28 d养护龄期产生的水化产物较少[18]，导致抗压强度降低。图4(c)的结果同时也表明，合适比例取代水泥可以发挥粉煤灰中空心微珠的保温优势[19]，但是粉煤灰颗粒本身疏松多孔，其掺量增加会提高保温砂浆的吸水率(见图4(d))。

图4 粉煤灰替代水泥对保温砂浆性能的影响Fig.4 Effects of fly ash substituting cement on properties of thermal insulation mortar

虽然粉煤灰过多取代水泥会导致保温砂浆强度和保温性能变弱，但是在V/B=7的条件下，当粉煤灰取代70%水泥后，由3～5 mm VM-CGS配制的保温砂浆养护28 d的抗压强度和导热系数分别为0.20 MPa和0.063 83 W/(m·K)，仍满足GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》Ⅰ型砂浆要求。本实验条件下，粉煤灰等质量代替10%水泥时，所配制的保温砂浆综合性能最佳。

2.4 憎水剂掺量对保温砂浆性能的影响

图5为憎水剂掺量对保温砂浆性能的影响。按照表4中 S7、S12、S13、S14、S15和S16的配比制备保温砂浆，其干密度测试结果见图5(a)，添加0.2%憎水剂，保温砂浆干密度变化率仅为0.74%，继续增加憎水剂掺量，保温砂浆干密度则快速降低，这是因为憎水剂的掺入能阻止水与水泥颗粒的有效接触，进而影响水泥水化[20]，导致水化产物量降低，从而使保温砂浆中因水化反应而增加的结构水量减少，最终促使保温砂浆样品的干密度降低。但同时也因为水化反应产物量减少，导致保温砂浆样品的抗压强度随憎水剂掺量增加而降低[21](见图5(b))。图5(c)结果显示，憎水剂掺入对导热系数影响不明显,导热系数维持在0.060 W/(m·K)左右。图5(d)结果显示，憎水剂掺量达到水泥质量的0.8%时才体现出显著憎水效果，而低于0.8%的憎水剂掺量均无法有效实现憎水，从而使得样品在浸水48 h期间，水泥颗粒能够继续有效发生水化反应，进而导致吸水率数值增加。本实验条件下，憎水剂掺量为0.8%和1.0%时，保温砂浆的抗压强度和导热系数可满足GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》Ⅰ型砂浆要求，且掺量为1.0%时憎水效果更佳。

图5 憎水剂掺量对保温砂浆性能的影响Fig.5 Effect of hydrophobic agent addition on properties of thermal insulation mortar

3 结 论

(1)以煤气化渣制备的玻化微珠为保温骨料，能够制备出满足GB/T 20473—2006《建筑保温砂浆》Ⅰ型要求的保温砂浆。

(2)适量粉煤灰替代水泥时，其“微集料效应”和部分中空微珠有利于改善保温砂浆的力学性能和保温性能，但过量掺入粉煤灰，则导致保温砂浆强度急剧下降。

(3)掺入憎水剂对保温砂浆的导热系数无明显影响，但会影响水泥水化；憎水剂掺量达到水泥质量的0.8%时才能体现出憎水效果。

(4)本实验条件下，VM-CGS粒径为3～5 mm，VM-CGS体积与水泥质量比为7，粉煤灰替代水泥质量为10%，憎水剂掺量为1.0%时，所制得保温砂浆的综合性能最佳。