新型墻體材料的制備及性能研究

新型墻體材料的制備及性能研究

根據中華人民共和國成立33號的文件，70%的中國房產工具是由粘土磚主導的。生產粘土磚每年耗用粘土資源達10多億m3,相當于毀田3.33萬hm2,耗能相當于7000多萬噸標準煤。實心粘土磚產量的繼續(xù)增長,既增加材料的生產能耗,又會導致新建筑物的采暖和空調能耗的大幅度增加,加劇能源供需矛盾。因此,開發(fā)節(jié)能效果明顯的承重用墻體材料對降低建筑能耗具有重要意義。我國墻體材料改革的根本出路是大力發(fā)展輕質、高強、多功能、復合化、配套化、易于施工的新型墻體材料。當前的重點是開發(fā)和發(fā)展優(yōu)質的、高摻量的粉煤灰和煤矸石墻材產品。礦物聚合材料(Geopolymer)在這方面有顯著的優(yōu)勢。礦物聚合材料是含有多種非晶質至半晶質相的三維鋁硅酸鹽礦物聚合物。20世紀90年代后期,VanJaarsveld和VanDeventer等致力于由粉煤灰等工業(yè)固體廢物制備礦物聚合材料及其應用的研究。這種材料制備工藝簡單,能耗低,原料來源廣,成本低廉,引起廣泛關注。本課題組曾以鉀長石尾礦為主要原料制備了礦物聚合材料,材料抗壓強度達19.4～24.9MPa,耐酸性、耐堿性均優(yōu)于類似建材的國家標準。礦物聚合材料的形成過程分為:溶解絡合、分散遷移、聚合濃縮和脫水硬化。任玉峰等以金礦尾礦為主要原料制備的制品抗壓強度符合燒結磚MU20和MU30的國家標準。金礦尾礦中的部分CN-被轉化成無害的NH3、CO2?332-和H2。王剛等以粉煤灰和鉀長石提鉀后的硅鋁質濾渣為主要原料,制備的代表性樣品的7d抗壓強度達40～50MPa,各項指標均達到了混凝土路面磚的標準要求(JC/T446-2000)。丁秋霞等以石英砂為主要原料制備的制品基體相的莫氏硬度為3.40～3.50。馮武威等以膨脹珍珠巖為主要原料制備的制品性能符合膨脹珍珠巖絕熱制品國家標準GB/T10303-2001350號合格品的技術指標,且生產過程的節(jié)能效果明顯。蘇玉柱等以粉煤灰和富鉀板巖提鉀后的硅鋁質濾渣為粉體原料,ISO標準砂為骨料制備的制品7d飽水抗壓強度達78.5MPa。聶軼苗等以粉煤灰、高嶺石等為原料,制備了具有良好力學性能和耐酸性的礦物聚合材料制品,指出其固化過程分為:粉煤灰中的玻璃相在強堿作用下溶解,Si、Al低聚體的形成,低聚體形成凝膠狀的類沸石前驅體,前驅體脫水形成非晶相物質,其中的Si主要以Q4形式存在,Al以4次配位形式存在。馬鴻文等申請了國內第一個關于制備礦物聚合材料的發(fā)明專利。本項實驗研究旨在以粉煤灰為主要原料制備輕質高強礦物聚合材料(簡稱墻體材料),用作新型可承重墻體材料。此前的研究[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]在材料的養(yǎng)護制度上均采用在35～60℃養(yǎng)護24h,再室溫養(yǎng)護5～6d,養(yǎng)護周期長,且無配套的工業(yè)化設備。本實驗擬采用蒸壓釜進行材料的養(yǎng)護,以提高反應溫度、壓力的方法提高鋁硅酸鹽聚合反應速率,縮短養(yǎng)護時間。以粉煤灰、高爐礦渣等為原料,ISO標準砂為骨料,制備的礦物聚合材料制品在蒸壓釜中的養(yǎng)護實驗結果表明,提高反應溫度、壓力,縮短養(yǎng)護時間,可以得到力學性能良好的礦物聚合材料制品。1實驗方法1.1粉煤灰的xrd分析粉煤灰:實驗用粉煤灰取自北京市石景山熱電廠(樣品號BF-06),化學成分由北京市現代建筑材料公司化驗室分析,SiO2=52.37,Al2O3=33.91,Fe2O3=5.59,MgO=0.77,CaO=3.93,燒失量為1.29,總量為97.86。XRD分析結果表明,物相主要為莫來石、鋁硅酸鹽玻璃相和少量石英(圖1)。預處理后的粉煤灰粒徑分布為d(0.5)=0.6μm,d(0.9)=1.4μm,平均粒徑為25.8μm。石灰:北京市現代建筑材料公司提供,有效CaO含量為62%,細度為0.08mm,篩余10.8%,消解溫度65℃,消解時間9min。水玻璃:北京市紅星廣廈化工建材有限責任公司,固體,模數3.0。NaOH:工業(yè)級,片狀。石膏:由脫硫灰代替,北京市現代建筑材料公司提供,主要成分為CaSO4·0.5H2O和CaSO3·H2O。1.2模具的制作和養(yǎng)護將原料置于周期式攪拌球磨機中濕法球磨15min后得到料漿;轉入40mm×40mm×40mm三聯模具中振動成型。坯體在室溫下固化3h后脫模送入蒸壓釜(192℃,1.3MPa)養(yǎng)護9h(升溫2h,恒溫5h,降溫2h)。最后將制品放入自來水中在室溫下養(yǎng)護24h,測定其飽水抗壓強度。2成品的飽和度測定在前期實驗基礎上,選擇石灰、水玻璃及NaOH用量(質量比)為影響制品力學性能(飽水抗壓強度)的主要因素,進行了L9(33)三因素三水平的正交實驗。全部實驗制品均在蒸壓釜中于192℃、1.3MPa條件下養(yǎng)護9h。出釜后在自來水中浸泡24h,測定其飽水抗壓強度(相同條件下制備的3個試樣測定結果平均值,下文同)。代表性實驗結果見表1。2.1飽水抗壓強度固相原料用相同的配比,即石灰12%,水玻璃10%,NaOH2%,固液質量比分別取1.8、2.0、2.2和2.5。所得制品的飽水抗壓強度分別為5.3MPa、14.0MPa、7.2MPa和10.4MPa。實驗發(fā)現固液比太高或太低都會影響材料的成型,它對制品抗壓強度的影響主要取決于體系中堿的濃度、自由水的含量及引起的制品體積密度的變化。2.2抗壓強度和用量固定水玻璃用量為10%,NaOH用量為3%,固液質量比為2.0,石灰用量分別為7%、15%和20%,抗壓強度分別為6.4MPa、10.5MPa、9.9MPa。結果表明,CaO用量增加對材料的強度先起增強作用,到一定程度則對強度產生不利影響,這取決于材料中物相含量的變化。3性能表現3.1含水率和吸水率測定含水率測定:確認制品在常溫下的質量后,置于干燥箱中,在105℃下干燥24h后稱重,損失質量與干燥制品質量的比值即為含水率。吸水率測定:確認制品在105℃下干燥24h后的質量后,在蒸餾水中浸泡24h,取出稱量其飽水質量,制品吸收的水分質量與干燥制品質量的比值即為吸水率(表2)。制品的含水率和吸水率分別為19.84±0.06%和44.42±0.23%,高于普通燒結粘土磚吸水率小于20%的要求;高強礦物聚合材料的含水率和吸水率分別為5.3%和15.0%。3.2實質粘土磚的密度由實驗制品的體積密度測定結果(表3)可知,代表性樣品的出釜密度為1.38±0.01g/cm3,體積密度為1.14±0.02g/cm3,低于實心粘土磚的密度(1.70～1.80g/cm3);高強礦物聚合材料的密度為1.80～1.92g/cm3。3.3導熱系數測試用GRD-Ⅱ型熱導儀測得實驗制品的平均導熱系數為0.12W/(m·K),低于普通粘土磚的導熱系數0.81W/(m·K),表明該材料作為墻體材料,其保溫性能優(yōu)于實心粘土磚。3.4cao用量對飲料的影響墻體材料制品的X射線粉末衍射分析結果見圖2,結合制品的新鮮斷面的掃描電鏡觀察(圖3)分析,表明其物相主要為莫來石、托貝莫來石和非晶態(tài)的基體相。托貝莫來石呈針葉狀,大小為3～15μm。它們相互交織,形成網狀結構,起到了纖維增強的作用;結構中形成大量孔隙,降低了材料的體積密度,增強了保溫性能,提高了含水率和吸水率。隨著CaO用量的增加,制品SM2-8、SM2-4和SM2-1中托貝莫來石的X射線衍射峰依次增強,含量增高;莫來石的X射線衍射峰有減弱趨勢,說明在高CaO用量時,粉煤灰中的莫來石有一部分參與水熱反應。粉煤灰中未反應的莫來石和玻璃體在制品中起骨料的作用,在一定程度上提高了制品的力學性能。CaO用量提高時,反應消耗的玻璃體和莫來石增多,制品中的骨料相對減少,不利于制品力學性能的提高。高強礦物聚合材料制品斷面的掃描電鏡照片顯示氣孔較少,ISO標準砂骨料與硅鋁質凝膠相形成的基體相間的結合相當緊密,強度達78.5～89.0MPa。4堿提高材料的力學性能原料濕法球磨過程中,由于受機械力和堿性溶液的作用,粉煤灰中玻璃體的硅氧結構從聚合態(tài)向單體轉化,即玻璃體的Si—O—Si、Al—O—Si鍵被打斷,降低了粉煤灰玻璃體的聚合度,使玻璃體表面羥基化,而表面羥基化的玻璃體極易與Ca(OH)2等反應,生成水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣,促進蒸壓養(yǎng)護時托貝莫來石的形成,5CaO+6SiO2+5H2O→C—S—H凝膠→Ca5Si6O16(OH)2·4H2O。表面羥基化的Si、Al離子團也容易與堿金屬離子和OH-等作用,形成—Si—O—Na、—Si—O—Ca—OH、Al(OH)-4、Al(OH)2?552-、Al(OH)3?663-等聚合體,進而生成凝膠狀的類沸石前驅體,促使鋁硅酸鹽更加充分的聚合反應,提高了基體相的聚合度,也就提高了墻體材料的力學性能,反應過程可表示為:礦物聚合材料屬于堿激發(fā)膠凝材料,堿的濃度影響粉煤灰中玻璃體的溶解反應。實驗表明,鋁硅酸鹽礦物的溶解度隨堿性溶液的濃度增大而升高。CaO遇水反應,需要消耗一定的水,在CaO量固定的情況下,降低固液比,則堿的濃度降低,從而降低玻璃體中硅鋁組分的溶解度,不利于OH-與硅鋁礦物顆粒反應形成聚合物前驅物,而這些聚合物前驅物是形成基體相、提高力學性能的基礎。提高固液比,則體系中的自由水相對減少,不利于前驅物鋁硅配合物在固體顆粒間的分散和遷移,影響基體相的聚合度和均勻性,降低了材料的強度。因此,固液比有一個優(yōu)化值。Ca2+在聚合物基體相中起平衡電荷的作用,Ca可激發(fā)硅酸鹽和多硅鋁酸鹽網絡的形成和基體相的硬化,縮短材料的固化時間。實驗中添加CaO主要是使其參與水熱反應,形成托貝莫來石。CaO用量較少時,托貝莫來石的量也較少,其針葉狀的形態(tài)在材料制品中起類似纖維增強的作用,提高了材料的抗壓強度;CaO用量增加,托貝莫來石增多,形成大量孔隙,孔隙對強度的副作用超出托貝莫來石的纖維增強作用,材料的致密度下降,降低了材料的抗壓強度,因此CaO的用量應有一個優(yōu)化值。5其他晶相物質以粉煤灰為主要原料,以石灰、水玻璃、石膏和NaOH為輔料,通過濕法球磨和蒸壓釜養(yǎng)護(192℃,1.3MPa),制備了墻體材料,制品的體積密度約