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偏高岭土制备外墙保温材料试验
2016-10-10
市场上现有无机保温材料导热系数低、保温性能差,为此,以偏高岭土为主要原料、水玻 璃为碱激发剂、 双氧水为发泡剂,通过聚合反应制备新型外墙保温材料,考察水玻璃用量、发泡剂用量和养护温度 对保温材料密度、 抗压强度和导热系数的影响。结果表明:当水玻璃与偏高岭土质量比为1. 0、双氧水用量为偏高 岭土质量的2%、养护 温度为60 ℃时,获得的保温材料导热系数为0. 115 W/ (m·℃)、密度为356 kg/ m3 、抗压强度 为0. 821 MPa。试验结 果可以为偏高岭土制备外墙保温材料工艺提供技术支持。
Series No. 484 ꢀ Octoberꢀ 2016 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 总第 484期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE 2016 年第 10 期 偏高岭土制备外墙保温材料试验 1 1 2 1 1 1 赵英良 ꢀ 邢ꢀ 军 ꢀ 刘ꢀ 辉 ꢀ 邱景平 ꢀ 孙晓刚 ꢀ 胡世强 ( 1. 东北大学资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819;2. 招金矿业股份有限公司蚕庄金矿,山东 招远 265400) 摘ꢀ 要ꢀ 市场上现有无机保温材料导热系数低、保温性能差,为此,以偏高岭土为主要原料、水玻璃为碱激发剂、 双氧水为发泡剂,通过聚合反应制备新型外墙保温材料,考察水玻璃用量、发泡剂用量和养护温度对保温材料密度、 抗压强度和导热系数的影响。 结果表明:当水玻璃与偏高岭土质量比为 1. 0、双氧水用量为偏高岭土质量的 2% 、养护 3 温度为 60 ℃ 时,获得的保温材料导热系数为 0. 115 W/ (m·℃ )、密度为 356 kg/ m 、抗压强度为 0. 821 MPa。 试验结 果可以为偏高岭土制备外墙保温材料工艺提供技术支持。 关键词ꢀ 保温材料ꢀ 偏高岭土ꢀ 聚合反应 ꢀ ꢀ 中图分类号ꢀ TD985ꢀ ꢀ ꢀ 文献标志码ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 文章编号ꢀ 1001-1250(2016)-10-193-04 Experiment on Preparation of Exterior Thermal Insulation Materials Using Metakaolin 1 1 2 1 1 1 Zhao Yingliang ꢀ Xing Jun ꢀ Liu Hui ꢀ Qiu Jingping ꢀ Sun Xiaogang ꢀ Hu Shiqiang ( 1. College of Resources and Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China; 2. Canzhuang Gold Mine,Zhaojin Mining Industry Co. ,Ltd. ,Zhaoyuan 265400,China) Abstractꢀ Existing inorganic thermal insulation materials in market has low thermal conductivity,heat preservation per- formance is poor,therefore,using metakaolin as the main raw material,sodium silicate as alkali excitation agent,aquae hydroge- nii dioxidi as foaming agent,through polymerization preparation new exterior wall thermal insulation material. Influence of dos- age of sodium silicate,dosage of foaming agent and curing temperature on the thermal insulation material density,compressive strength and coefficient of thermal conductivity were investigated. Results show that when mass ratio of sodium silicate to metakaolin is 1. 0,aquae hydrogenii dioxidi dosage of 2% mass of metakaolin,curing temperature was 60 ℃ ,the thermal insu- 3 lation materials coefficient of thermal conductivity is 0. 115 W/ (m ℃ ),density of 356 kg/ m ,the compressive strength of 0 . 821 MPa. Experimental results can provide technical support for preparation of exterior wall thermal insulation material using metakaolin. Keywordsꢀ Thermal insulation material,Metakaolin,Geopolymerization [ 4-5] 。 无机保温材料具有较好的 ꢀ ꢀ 近年来,随着我国城镇化和工业化建设步伐的加 发一系列的环保问题 快,新增建筑面积逐年增加,当前我国建筑耗能约占 防火性能。 目前,虽然无机保温材料的市场占有率仅 为 10% 左右,但是种类非常多,市场上现有的无机保 温材料主要有纤维类保温材料(岩棉和玻璃棉)、无 机砂浆类保温材料(膨胀蛭石、膨胀珍珠岩和玻化微 珠)、高温发泡类保温材料(发泡玻璃和发泡陶瓷)、 到社会总能耗的 30% 左右,并且还将呈现递增的趋 [ 1] 。 随着到 2020 年全社会建筑节能达到 65% 以 势 上的总目标的确立,市场上对于建筑外墙保温材料的 需求将逐渐提高。 外墙保温材料按材质不同可分为 有机保温材料和无机保温材料。 有机保温材料( 如 EPS、XPS、PU 等) 因具有导热系数小、质量轻、吸水 率低等优点,是目前应用最为广泛的保温材料。 然而 有机保温材料具有可燃性,一旦被点燃会释放大量的 [ 6-7] 发泡水泥等 ,但这几类保温材料的导热系数均较 高,保温性能较低。 因此,急需研发一种新型的建筑 外墙保温材料以克服现有保温材料的弊端,满足不断 增长的建筑需求。 [ 2-3] 热量和有毒气体 ,造成严重的后果。 另外,有机保 矿物 聚 合 材 料 ( Geopolymer) 最 早 是 由 Joseph [8] Davidovits 于 1978 年提出的 ,主要是通过将一些天 温材料容易老化、脱落、开裂,生产和使用过程也易引 收稿日期ꢀ 2016-07-22 基金项目ꢀ “十二五”国家科技支撑计划(编号:2012BAJ17B01,2012BAJ17B02)。 作者简介ꢀ 赵英良(1987—),男,硕士研究生。 通讯作者ꢀ 邢ꢀ 军(1967—),男,教授,博士。 · 193· 总第 484 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 10 期 然材料(如偏高岭石、粉煤灰等) 或者工业废弃物与 碱激活剂(如 NaOH、NaSiO3 等) 混合,通过聚合反应 所形成的一种铝硅酸盐聚合物,其基本结构是由铝氧 由表 1 可以看出,偏高岭土主要成分为 SiO2 和 Al2 O3 ,二者总量约为 98% 。 由图 1 可知,偏高岭土物相主要为无定形相,可 以检测到少量的石英和白云母晶相。 [ 9] 四面体和硅氧四面体组成的三维网状胶凝体 。 无 机聚合材料具有优良的性质,如强度高、硬化快、耐腐 由图 2 可知,偏高岭土粒度主要集中在 74 μm 以下,且粒度分布较均匀,利于矿物聚合反应的进行。 1. 2ꢀ 碱激发剂 [ 10] , 蚀性强、渗透率低、收缩率和膨胀率低、耐高温等 因此,无机聚合材料从诞生至今,得到了国内外的广 泛关注。 目前,矿物聚合材料主要是部分替代硅酸盐 水泥作为新型胶凝材料使用,作为有毒固体废弃物或 者放射性物质的固封材料以及利用其良好的力学性 水玻璃作为本次试验的碱激发剂,其 SiO2 含量 为 26% ,Na2 O 含量为 8. 2% 。 1. 3ꢀ 发泡剂 [ 11] 能替代金属或陶瓷等方面 ,然而在外墙保温方面 双氧水(体积浓度 30% )作为发泡剂。 的应用很少。 2 ꢀ 试验方法与讨论 本研究以偏高岭土为主要原料合成无机聚合材 料作为保温材料,考察水玻璃用量、双氧水用量以及 养护温度对保温材料性能的影响。 将 500 g 偏高岭土与一定量水玻璃(水玻璃用量 以水玻璃与偏高岭土的质量比计) 在水泥净浆搅拌 机中混合搅拌 2 min 以便使料浆混合均匀,加入双氧 水(双氧水用量以双氧水占偏高岭土的质量百分比 计)后继续搅拌 2 min,混合料注入 40 mm×40 mm×40 mm 的钢模中。 将试模置于恒温恒湿养护箱中,在温 度为 20 ℃、湿度为 90% 环境下养护 24 h 后,保持湿 度 90% 不变,再在不同的温度下养护 7 d 后,测定其 性能。 1 ꢀ 试验材料 1 . 1ꢀ 偏高岭土 偏高岭土(Metakaolin,MK)购买自山东某建筑材料 有限公司,其主要化学成分分析结果如表 1 所示。 XRD 分析结果和粒度分析结果分别如图 1 和图 2 所示。 表 1ꢀ 偏高岭土化学成分分析结果 Table 1ꢀ Chemical composition analysis 采用阿基米德原理测定材料的密度,抗压强度采 用 NYLꢁ200D 型压力试验机进行测定,导热系数的 测定采用 DRMꢁⅠ型导热系数仪。 试验数据取 5 次 试验的平均值。 results of metakaolin % 成 分 SiO Al O Fe O CaO MgO K O Na O TiO 2 2 2 3 2 3 2 2 含 量 52. 3 45. 6 0. 33 0. 24 0. 11 0. 05 0. 15 1. 46 3 ꢀ 试验结果与讨论 3. 1ꢀ 水玻璃用量的影响 固定双氧水用量为 2% 、养护温度为 60 ℃,考察 水玻璃与偏高岭土质量比对保温材料性能的影响,结 果如图 3 所示。 由图 3 可以看出,随着水玻璃用量的提高,保温 材料导热系数和密度均先降低后提高;随着水玻璃与 偏高岭土质量比的提高,保温材料抗压强度逐渐提 高。 水玻璃用量的增加为双氧水的分解提供了充足 的碱性环境,而且增加水玻璃用量意味着料浆浓度的 降低,使保温材料内部产生气泡时所受阻力降低,保 温材料内部的孔隙率提高,导热系数和密度降低;然 而当水玻璃用量过高时,产生强碱性环境,使 H2 O2 的分解速度加快,但此时材料还没有凝固,而且料浆 的浓度过低,产生的气孔由于浆体的流动性重新闭 合,致使材料的孔隙率降低,保温材料导热系数和密 度提高。 抗压强度的变化趋势在一定范围内与导热 系数和密度相反,这是由于水玻璃用量的增加使反应 体系中可溶性的 Si 含量增加,进而提高了 n(SiO2 ) / n(Al2 O3 ),使得反应产物中 Si—O—Si 键含量增加, ꢀ ꢀ 图 1ꢀ 偏高岭土 XRD 分析结果 Fig. 1ꢀ XRD analysis results of metakaolin Q—石英;M—白云母 图 2ꢀ 偏高岭土粒度分布 Fig. 2ꢀ Size distribution of metakaolin · 194· ꢀ ꢀ ꢀ 赵英良等:偏高岭土制备外墙保温材料试验ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 10 期 图 3ꢀ 水玻璃与偏高岭土质量比对保温材料性能的影响 Fig. 3ꢀ Influence of mass ratio of sodium silicate to metakaolin on thermal insulation materials property 由于 Si—O—Si 键的键能高于 Si—O—Al 键的键能, 3. 2ꢀ 双氧水用量的影响 [ 11] 所以保温材料抗压强度提高 。 另一方面,水玻璃 固定水玻璃与偏高岭土质量比为 1. 0、养护温度 为 60 ℃,考察双氧水用量对保温材料性能的影响,结 果如图 4 所示。 含量的增加使反应体系中水含量增加,水作为可溶性 [ 12] 离子的运输载体,可以促进聚合反应的进行 。 综 合考虑,确定水玻璃与偏高岭土质量比为 1. 0。 图 4ꢀ 双氧水用量对材料性能的影响 Fig. 4ꢀ Influence of aquae hydrogenii dioxidi dosage on thermal insulation materials property ꢀ ꢀ 由图 4 可以看出,随着双氧水用量的增加,保温 隙率降低,材料的密度、抗压强度和导热系数提高。 材料的密度、抗压强度和导热系数均先降低后提高。 双氧水用量的增加会产生更多的气泡,使材料的孔隙 率提高,引起材料的密度、抗压强度和导热系数下降; 当双氧水用量继续增加时,H2 O2 分解产生的气泡过 多,气泡容易兼并形成大泡而破裂,因而造成材料孔 综合考虑,确定双氧水用量为 2% 。 3. 3ꢀ 养护温度的影响 固定水玻璃与偏高岭土质量比为 1. 0、双氧水用 量为 2% ,考察养护温度对保温材料性能的影响,结 果如图 5 所示。 图 5ꢀ 养护温度用量对材料性能的影响 Fig. 5ꢀ Influence of curing temperature on thermal insulation materials property ꢀ ꢀ 由图 5 可以看出:随着养护温度的升高,保温材 导热系数和密度下降;升高温度可以促进聚合反应的 发生,从而增强材料的抗压强度;然而当温度继续升 高到 80 ℃时,材料的抗压强度反而略有下降,这是由 料的导热系数和密度逐渐降低,升高温度可以促进双 氧水反应,产生更多的气泡,使得材料的孔隙率提高, · 195· 总第 484 期ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金ꢀ ꢀ 属ꢀ ꢀ 矿ꢀ ꢀ 山ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2016 年第 10 期 [ 4]ꢀ 云ꢀ 正. 利用铁矿尾矿制备轻质保温墙体材料的研究[D]. 西 安:西安建筑科技大学,2011. 于温度过高时,双氧水被大量的分解,产生大量的气 泡,使得材料的孔隙率提高,抵消了升高温度对聚合 反应的促进作用,抗压强度小幅下降。 而且过高的温 度使得料浆的水分挥发过快,由于聚合反应必须要以 水为载体,所以过高的温度反而会抑制聚合反应的发 生,导致材料的抗压强度下降。 综合考虑,确定养护 Yun Zheng. Preparation of Lightweight Insulation Wall Material from Iron Ore Tailings[ D]. Xian:Xi′an University of Architecture and Technology,2011. [5]ꢀ 王应灿. 铁尾矿制备轻质隔热保温建筑材料的研究[J]. 金属矿 山,2007(5):75-77. Wang Yingchan. Research on using iron tailing to produce light- weight heat insulating building material[J]. Metal Mine,2007(5): 温度为 60 ℃。 此时获得的保温材料导热系数为 3 0 0 . 115 W/ (m· ℃),密度为 356 kg / m ,抗压强度为 7 5-77. . 821 MPa。 [ [ 6]ꢀ 余海涛. 新型无机外墙外保温材料的研究与应用[ D]. 济南:济 南大学,2013. 4 ꢀ 结ꢀ 论 ( 1)随着水玻璃用量的增加,保温材料抗压强度 Yu Haitao. Research and Application of Exterior Wall Inorganic Ex- ternal Insulation Materials[D]. Jinan:University of Jinan,2013. 7] ꢀ 徐ꢀ 帅,周张健,张笑歌,等. 新型无机保温材料的研究进展 逐渐提高,导热系数和密度均先降低后提高;随着双 氧水用量的增加,保温材料抗压强度、导热系数和密 度均先降低后小幅提高;随着养护温度的升高,保温 材料抗压强度逐渐提高,导热系数和密度均逐渐降 低。 [ J]. 硅酸盐通报,2015,34(5):1302-1307. Xu Shuai,Zhou Zhangjian,Zhang Xiaoge,et al. Research progress of new inorganic insulation materials[ J]. Bulletin of the Chinese Ce- ramic Society,2015,34(5):1302-1307. [ [ [ 8]ꢀ Sanjayan J,Nazari A,Chen L,et cl. Physical and mechanical proper- ties of lightweight aerated geopolymer[J]. Construction and Building Materials,2015,79:236-244. ( 2)当水玻璃与偏高岭土质量比为 1. 0、双氧水 用量为偏高岭土质量的 2% 、养护温度为 60 ℃ 时,获 得的保温材料导热系数为 0. 115 W/ (m·℃)、密度 9]ꢀ Benito P,Leonelli C,Vaccari A. Geopolymers:a new and smart way for a sustainable development[J]. Applied Clay Science,2013,73: 3 为 356 kg / m 、抗压强度为 0. 821 MPa。 1 -8. 10]ꢀ Barrie E,Cappuyns V,Vassilieva E. Potential of inorganic polymers geopolymers) made of halloysite and volcanic glass for the immo- 参ꢀ 考ꢀ 文ꢀ 献 ( [ 1]ꢀ 邢ꢀ 军,李小庆,孙晓刚,等. 外墙泡沫保温材料的技术现状及 用砂岩质煤矸石试制[J]. 金属矿山,2015(3):199-204. bilisation of tailings from gold extraction [ J]. Applied Clay Sci- ence,2015,75:95-106. Xing Jun,Li Xiaoqing,Sun Xiaogang,et al. Technical status of foam insulation material of external wall and its preparation with sandstone coal gangue[J]. Metal Mine,2015(3):199-204. [ [ 11]ꢀ Feng Junjie,Zhang Ruifang,Gong Lunlun,et al. Development of porous fly ash-based geopolymer with low thermal conductivity[J]. Materials and Design,2015,65:529-533. [ [ 2]ꢀ Abdollahnejad Z,Pacheco Torgal F,Félix T,et al. Mix design,prop- erties and cost analysis of fly ash-based geopolymer foam[ J]. Con- struction and Building Materials,2015(8):18-30. 12]ꢀ Cheng Hui,Lin Kae Long,Cui Rong,et al. Effect of solid-to-liquid ratios on the properties of waste catalyst-metakaolin based geopoly- mers[J]. Construction and Building Materials,2015,88:74-83. 3] ꢀ Pacheco Torgal F,Fucic A,Jalali S. Toxicity of Building Materials [ M]. Cambridge:Wood Head Publishing Limited Abington Hall, (责任编辑ꢀ 王亚琴) 2012. · 196·
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