不同固體廢棄物對保溫材料形成和性能的影響

焦 宏 濤, 高 文 元,2, 唐 乃 嶺,2, 李 長 敏,2

( 1.大連工業大學 紡織與材料工程學院, 遼寧 大連 116034; 2.遼寧省新材料與材料改性重點實驗室, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著對節約能源與保護環境的要求不斷提高,建筑維護結構的保溫技術也在日益加強,尤其是外墻保溫技術得到了長足的發展,并成為我國一項重要的建筑節能技術[1]。

由于我國的建筑節能水平還遠低于發達國家,常規能源資源的有限性和消耗需求的無限性已構成制約我國產業發展的瓶頸,煤炭的巨量消費已成為我國大氣污染的主要來源,所以積極推廣建筑節能和開發利用環保節能新材料是我國目前建筑業的一個重要課題[2]。

在建筑節能領域,外墻外保溫技術作為建筑節能外圍結構保溫的主要技術已成為共識,但是其系統產品需消耗大量的能源和資源[3]。與此同時,我國又存在大量的糖濾泥、粉煤灰、廢玻璃和高爐礦渣等固體廢棄物,占用大量土地,嚴重污染環境。因此以固體廢棄物為原料開發外墻外保溫材料,生產能耗低,利用大量的固體廢棄物,符合循環經濟發展的要求,已成為外墻外保溫技術發展的一個重要方向。

稅安澤等[4]利用拋光磚廢料制備多孔保溫建筑材料,研究了原料組分、原料配方、各工藝參數對材料容重、孔隙率、孔結構、導熱系數、機械強度等的影響。作者以爐渣、糖濾泥、廢玻璃、黏土為原料制備保溫材料,主要研究了爐渣、糖濾泥、廢玻璃等固體廢棄物在制備保溫材料過程中所起的作用,利用各類固體廢棄物自身的性質生產保溫材料,以實現廢物利用和節能環保的雙贏。

1 實 驗

1.1 原 料

實驗所用爐渣,大連工業大學鍋爐爐渣；糖濾泥,內蒙古；廢玻璃,大連；水曲柳,吉林。原料化學成分見表1。

表1 原料化學組成(質量分數)

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

1.2 方 法

對原料進行預處理,對其成分和性能進行分析。將糖廠廢棄物糖濾泥進行自然晾曬,使其水分小于13%,易于儲存,可直接用于實驗。廢玻璃要經過破碎,再經過研磨,其粒度要求過160目篩。爐渣需經過球磨使其粒度達到120目篩。按照配方稱取原料,將配料混合后在攪拌機中攪拌1～2 h,攪拌好后,加入15%～17%的水分對其進行造粒,再陳腐48 h后,在15～25 MPa的壓力下進行成型,然后放入烘箱中干燥,干燥溫度為105～110 ℃,干燥時間為3～4 h,將干燥好的樣品放入電路中進行燒結,燒結溫度1 050～1 150 ℃。待燒結結束,制品隨爐冷卻。

1.3 性能測試與結構表征

利用酸堿滴定法對糖濾泥中CaCO3的含量進行了測定；用三點抗彎測試儀測試樣品的抗壓強度；用水煮法測試樣品的吸水率、氣孔率、密度；利用導熱系數儀對樣品進行導熱分析；樣品的物相組成采用日本的D/MAX-IIIX射線衍射儀進行分析；樣品的顯微形貌用日本JSM-6460LV掃描電子顯微鏡進行觀測。

2 結果與討論

2.1 爐渣對保溫材料強度的影響

從圖1可看出,隨著爐渣目數的增大,也就是其粒度的減小,抗壓強度隨之增加,當爐渣所過目數大于120目時,抗壓強度增加的幅度趨于平緩。垃圾爐渣是生活垃圾在垃圾發電廠經高溫燃燒處理后的副產品。經研究發現,垃圾爐渣富含SiO2、Al2O3和Fe2O3等成分[5]。這些爐渣、大多數鐵合金爐渣及保護渣的主要組成可歸結為CaO-Al2O3-SiO2系。爐渣中這些成分的存在,使得制品存在高的強度。當爐渣粒度過大時,固相不能完全接觸,不能形成反應所需要的條件,反應不能充分進行,因此強度相對較低,當爐渣粒度較小時,其反應活性增強,使其充分地發生反應,其強度有明顯的增加。當粒度再細時,成本增加,但其強度增加的不再明顯,因此取爐渣粒度為過120目篩。

圖1 爐渣目數對抗壓強度的影響

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

從圖2可看出,隨著爐渣含量的增加,制品的強度增加。這是由于爐渣中的主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3,這些成分是形成陶瓷結構的必要成分,隨著爐渣含量的增加,SiO2、Al2O3等成分所占的比例也越大,在高溫下形成的陶瓷晶相也愈多,因此其強度也愈高。但由于爐渣屬瘠性料,當其含量所占原料的比例過大時,不易于成型,爐渣過量,在高溫時,并不能全部形成陶瓷結構,因此其強度降低,而未完全反應的爐渣,具有高的吸水率,因此隨著爐渣含量的增加,吸水率持續增加[6]。因此再保證易于成型和滿足制品燒結強度的條件下,使其加入量最大。綜合考慮,爐渣加入量為25%。

圖2 爐渣質量分數對抗壓強度的影響

Fig.2 Effect of slag amounts on the compressive strength

2.2 糖濾泥含量對制品氣孔率及密度的影響

圖3 糖濾泥質量分數對制品氣孔率及密度的影響

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

2.3 廢玻璃對制品反應溫度及其結構性能的影響

添加廢玻璃可以降低陶瓷制品的燒成溫度[8]。從圖4中可以看出,隨著廢玻璃所過目數的增加,即其粒度的減小,制品的燒成溫度隨之降低。隨著碎玻璃粒度的減小,制品的吸水率下降,燒成溫度降低,強度增加。綜合考慮,取廢玻璃粒度為160目。

圖4 廢玻璃粒度對燒結溫度的影響

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

由圖5可知,隨著廢玻璃含量的增加,制品的燒成溫度有所降低,繼續增加廢玻璃含量,制品的燒成溫度不再降低。制品中的廢玻璃除了可以降低燒成溫度外,熔融態的玻璃相可以將濾泥分解產生的氣體包裹,形成封閉的孔隙結構。綜合考慮實際生產成本問題,廢玻璃質量分數取14%。

圖5 廢玻璃質量分數對燒成溫度的影響

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

2.4 保溫材料物相分析和微觀結構分析

2.4.1 物相分析

通過對圖6分析可知,以爐渣25%、糖濾泥28%、廢玻璃14%、水曲柳33%質量分數比制作的制品在1 060 ℃下保溫0.5 h,形成了莫來石相和少量的鈣長石相,并且存在方石英。部分莫來石晶相是由于摻加了廢玻璃的瓷體生成了莫來石,還有一部分是由于黏土脫水后分解,再經高溫轉化形成的。而鈣長石是由糖濾泥中的CaCO3和黏土中的SiO2發生反應形成的。黏土中的高嶺石經脫水分解,再經高溫轉化形成硅鋁尖晶石。盡管硅鋁尖晶石結構較偏高嶺石穩定,但結構中空位較多,因而它也很不穩定,繼續加熱就會轉化成熱力學穩定的莫來石而分離出方石英。莫來石、鈣長石、方石英是構成該材料的主要晶相,賦予了材料高的強度。

圖6 1 060 ℃燒結的制品XRD圖

2.4.2 微觀結構分析

圖7為爐渣25%、糖濾泥28%、廢玻璃14%、水曲柳33%質量分數比制作的制品在1 060 ℃ 下保溫0.5 h的SEM圖。由圖7可以看出,制品的顯微結構是以玻璃相(圖7中B處)為基質的,并含有一定量的莫來石相(圖7中C處)、鈣長石相(圖7中E處)、方石英相(圖7中D處)和大量的氣相(圖7中A處),這與XRD測試結果一致。經測試制品的導熱系數小于0.40 W/(m·K),達到保溫材料的保溫要求。材料的有效導熱系數大小取決于材料的孔隙率,孔隙率越高,材料的導熱性能愈差,保溫效果愈好[9]。制品中有大量的孔隙存在,這些孔隙以閉孔結構存在,在閉孔結構中呈靜止狀態的空氣及二氧化碳,其熱導率很低,從而達到保溫的目的。

圖7 1 060 ℃燒結的制品SEM圖

3 結 論

以爐渣為原料制備保溫材料,當爐渣質量分數為25%、粒度過120目篩時,材料的抗壓強度可達14 MPa。

以碎玻璃為助熔劑,廢玻璃質量分數為14%、粒度過160目篩時燒成溫度為1 060 ℃。

以糖濾泥為成孔劑,當糖濾泥質量分數為28%,材料孔隙率可達35%,密度為1.204 g/cm3,導熱系數小于0.40 W/(m·K),且大部分孔隙為閉孔結構。

[1] 張彩鳳,張炳傳. 建筑保溫技術的發展趨勢[J]. 安徽水利水電職業技術學院學報, 2007, 7(4):50-52.

[2] 萬曉霏,唐平龍,張棟煌. 外墻保溫技術及環保節能材料探討[J]. 中國高新技術企業, 2008(3):70-72.

[3] 黃振利,張盼. 固體廢棄物在建筑外墻外保溫中的利用[J]. 建設科技, 2007(6):56-57.

[4] 稅安澤,夏海斌,曾令可,等. 利用拋光磚廢料制備多孔保溫建筑材料[J]. 硅酸鹽通報, 2008, 27(1):191-195.

[5] 王婷,魏玉國,馬洪福. 垃圾爐渣在道路基層應用的研究[J]. 市政公用建設, 2009(2):50-52.

[6] OTI J E, KINUTHIA J M, BAI J. Using slag for unfired-clay masonry-bricks[J]. Construction Materials, 2008, 161(4):147-155.

[7] 郭曉玲,保國裕. 碳酸法制糖濾泥的污染、治理與資源化[J]. 輕工環保, 1994, 16(1):48-50,56.

[8] 蔣述興,黎明,李龍,等. 廢玻璃降低日用陶瓷燒成溫度的研究[J]. 陶瓷學報, 2010, 31(2):287-290.

[9] SCHLEGEL E, HUSSLER K, SEIFERT H. The principle of microporosity in the production of high performance thermal insulating materials[J]. Interceram, 2007, 56(5):336-339.