生态外墙保温板的胶结材料研究

朱晓丽，陈瑞军，刘 刚

（1.唐山学院环境与化学工程系，河北 唐山 063000；2.河北省无机非金属材料实验室 华北理工大学材料科学与工程学院， 河北 唐山 063210）

外墙板作为一种新型的低碳建筑材料，成为近些年外墙装饰材料的新宠。传统的保温板胶粘剂采用有机聚合物和水泥组合成聚合物砂浆，随着时间的延长，粘接强度会受到一定的影响。针对这一缺陷，本文研发出一种新型胶粘剂，其间无须使用有机胶结材料，而是以无机矿渣微粉为主要原料，采用水玻璃、氢氧化钠作为外加剂，掺加铁尾矿砂以及少量的粉煤灰作为砂浆集料，制成无机胶粘剂，然后用泡沫板或挤塑板作为保温材料，使其与陶瓷板粘接，制成生态外墙保温板。

1 原材料及试验方法

试验选用42.5 级普通硅酸盐水泥、矿渣微粉作为无机碱激发胶结材料，铁尾矿砂以及少量的粉煤灰作为砂浆集料，矿渣微粉比表面积控制在500 m/kg左右，铁尾矿砂通过2.5 mm 方孔筛，筛余不大于2%，粉煤灰通过45 μm 方孔筛，筛余不大于12%。采用的激发剂水玻璃模数为2.4 ～2.6，颗粒状NaOH 纯度为96%。原材料矿渣微粉、铁尾矿砂及粉煤灰化学成分如表1 所示。

表1 原材料化学成分

试验矿渣微粉掺加量在一定区间内选择，根据不同配比测定试体的抗折强度和抗压强度。试验步骤具体如下：按照设计要求，外加剂、粉煤灰和水灰比（W/C）作为定量，保持不变，水玻璃中含水量计入用水量。矿渣微粉掺量为60%～65%，相应的铁尾矿掺量为3%～35%，粉煤灰均为5%，水玻璃、氢氧化钠均为矿渣微粉的4%，制成规格为40 mm× 40 mm×160 mm 的长方体试体。将制备好试体带模放入标准养护室中养护1 d 后拆模。脱模后的试件在不同的龄期进行抗折强度、抗压强度测定。

2 试验结果及分析

2.1 矿渣微粉替代硅酸盐水泥研究

用相同质量的矿渣微粉与42.5 级普通硅酸盐水泥对比测定试体强度，结果如表2 所示。

表2 矿渣微粉与水泥试体强度

矿渣微粉试体的28 d 抗折强度、抗压强度分别达到8.2 MPa、56.2 MPa，而硅酸盐水泥试体28 d 抗折强度、抗压强度分别为7.1 MPa、43.7 MPa。矿渣微粉作为胶凝材料，其抗折强度、抗压强度均高于硅酸盐水泥试体。矿渣微粉作为胶结材料，可以替代硅酸盐水泥。在液态水玻璃及高浓度OH离子的作用下，矿渣微粉表面的玻璃体结构被破坏，碱溶液能够促进胶凝材料中Ca、Si、Al 元素的溶解而形成水化硅酸钙凝胶，从而影响其强度发展。对于矿渣微粉与碱溶液反应制备的无机胶结材料，制备过程无须高温煅烧，具有节约能源、凝结快、耐侵蚀性优良等特点。矿渣微粉替代水泥作为胶结材料，不需要再加入有机胶凝材料，抗老化、使用寿命长的优势明显。因此，试验利用矿渣微粉代替硅酸盐水泥作为胶结材料。

2.2 胶结材料及集料的确定

根据上述试验结果，采用矿渣微粉作为胶结材料，掺加铁尾矿砂及少量的粉煤灰作为砂浆集料。选取矿渣微粉掺加比例在60%～65%，粉煤灰5%和水胶比0.26 作为定量，相应的铁尾矿掺量为30%～35%，外加剂水玻璃、氢氧化钠均为矿渣微粉的4%，分别测定3 d、28 d 抗折强度、抗压强度，结果如表3 所示。

表3 不同矿渣微粉掺量配合比对强度的影响

由表3 可见，在粉煤灰掺量一定的情况下，随着矿渣微粉用量的增加，试体的抗折强度和抗压强度都有提升，出现峰值后又有所下降。当矿渣微粉的掺量保持在一定范围时，试体的强度出现一个较优值。采用水玻璃、NaOH 激发矿渣微粉，碱激发矿渣材料水化后重要的特征就是收缩，对结构的长期性能有着较大影响，同时在胶结材料中掺加一定量的铁尾矿砂及少量粉煤灰，其作用是降低水化放热量，降低试体的收缩变形，同时不会影响水化产物的形成。矿渣微粉的较优掺加范围为62%～64%。因此，确定矿渣微粉、铁尾矿砂和粉煤灰的百分比为63%、32%、5%，外加剂水玻璃和氢氧化钠掺加量均为矿渣胶结材料用量的4%，水灰比为0.26，将其作为制备胶粘剂的 配比。

2.3 胶结材料的微观分析

2.3.1 激发纯矿渣微粉的水化试验

矿渣微粉作为胶结材料，水化28 d 时试样的电镜照片显示，浆体结构中颗粒间存在许多絮凝状物质。能谱分析表明，水玻璃OH的极性作用较强，容易破坏矿渣颗粒的Ca-O、Si-O 和Al-O 键，从而促进矿渣水化反应，生成更多低Ca/Si 的凝胶，这些絮凝状物质为无定型态的C-S-H 凝胶，尤其在矿渣颗粒间形成的水化硅酸钙粒子的凝胶对碱激发矿渣强度的发展起主要作用。

2.3.2 激发矿渣微粉及集料的水化试验

矿渣微粉及集料水化28 d 时试样的电镜照片显示，C-S-H 凝胶多且集料大颗粒较多，而大颗粒被凝胶包裹。因此，在一定粒径范围内，铁尾矿砂粒径越大，被胶凝材料胶结包裹的面积越大，大颗粒之间的孔隙可以被小颗粒铁尾矿砂及粉煤灰填充，颗粒填充效果好，堆积密度大，相对比表面积大，与水化硅酸钙凝胶的胶结作用更强，强度更高。

2.4 生态外墙保温板的制备

制备生态外墙保温板前，首先将陶瓷板浸湿，然后按照上述试验得到的最优配比制备生态外墙保温板的胶粘剂。将称量好的各种原料倒入搅拌锅中拌匀，加入少量水先溶解氢氧化钠，然后加入液态水玻璃，搅拌均匀，加水至矿渣微粉量的26%。搅拌好后将其倒入搅拌锅中，由水泥胶砂搅拌机搅拌均匀，用小铲将搅拌好的砂浆均匀地铺在陶瓷板上，然后将保温材料放在铺好砂浆的陶瓷板上，按压使其粘接牢固，最后将制好的陶瓷保温板养护1 周左右。养护条件为：温度15 ～25 ℃，相对湿度大于50%。

生态外墙保温板的制备过程中，应注意以下几点：要充分拌匀胶粘剂砂浆，砂浆不能出现离析、分层现象；涂抹的厚度在5 mm 左右；按压时，泡沫板或挤塑板保温材料四周要按压均匀；一次配制量最好在45 min 之内用完。

2.5 生态外墙保温板力学性能

用泡沫板或挤塑板作为保温材料，使其与陶瓷板通过无机胶粘剂结合，制成生态外墙保温板。养护7 d 后，分别测定其拉伸粘接强度。

对试样A 外墙保温板进行拉伸试验，5 组试样 7 d 拉伸粘接强度的测定值均大于0.10 MPa，由结果可以看到，泡沫板与陶瓷板接触面粘接良好，泡沫板内部结构被拉坏；试样B 外墙保温板做拉伸抗试验，其7 d 拉伸粘接强度也均大于0.10 MPa，挤塑板与陶瓷板接触面粘接良好，挤塑板内部结构发生破坏。因此，两种生态外墙保温板的拉伸粘接强度均符合外墙保温胶粘剂技术性能指标的要求（7 d 拉伸粘接强度大于0.1 MPa）。

3 结语

利用矿渣微粉、粉煤灰、铁尾矿砂和外加剂制备无机胶粘剂，将泡沫板或挤塑板与陶瓷板粘接起来，为铁尾矿砂、粉煤灰的回收利用找到了一个有效途径，同时为新型建筑材料的发展开辟了一个新通道。通过废渣再利用、降低生产能耗等方式来降低生产成本，生态外墙保温板有更加良好的经济效益。