綠色建筑中的再生陶瓷保溫墻體材料制備及性能研究

摘要：為促進建筑節能、綠色發展，本試驗以廢陶瓷替代混凝土中的部分粗骨料，以膨脹蛭石替代混凝土中的部分細骨料，制備一種再生保溫混凝土材料，并對其力學性能和導熱性能進行研究。結果表明，（1）與普通混凝土相比，摻有廢陶瓷和膨脹蛭石的再生保溫混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量均較低。并且，隨著廢陶瓷和膨脹蛭石替代率增加，材料力學性能不斷降低。（2）膨脹蛭石可以顯著降低混凝土材料導熱系數，增強混凝土材料保溫性能。當膨脹蛭石細骨料替代率從0%增加至55%時，再生保溫混凝土材料導熱系數減小30%以上。以15%廢陶瓷粗骨料替代率、15%～35%的膨脹蛭石細骨料替代率制備的再生保溫混凝土材料，力學性能和導熱性能良好，可以起到保溫、節能的作用。

關鍵詞：廢陶瓷；膨脹蛭石；保溫材料；抗壓強度；粘合結構

中圖分類號：TQ 178文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0067-04

Research on preparation and properties of recycled ceramic heat-conservation wall materials in green building

LI Wenjia1，2

（1.University of Greenwich，London SE9 2UG，UK；

2.Yunnan University of Finance and Economies，Kunming 650100，China）

Abstract：In order to promote building energy conservation and green development，this experiment used waste ce?ramics to replace part of the coarse aggregate in concrete and expanded vermiculite to replace part of the fine aggre?gate in concrete to prepare a recycled thermal insulation concrete material，and its mechanical properties and ther?mal conductivity were studied.The results show that：（1）Compared with ordinary concrete，the compressive strength，splitting tensile strength and elastic modulus of recycled thermal insulation concrete mixed with waste ce?ramics and expanded vermiculite are lower.Moreover，as the substitution rate of waste ceramics and expanded ver?miculite increases，the mechanical properties of the materials continue"to decrease.（2）Expanded vermiculite can significantly reduce the thermal conductivity of concrete materials and enhance the thermal insulation performance of concrete materials.When the replacement rate of expanded vermiculite fine aggregate increases from 0%to 55%，the thermal conductivity of recycled thermal insulation concrete material decreases by more than 30%.The recycled thermal insulation concrete material prepared with 15%waste ceramic coarse aggregate replacement rate and 15%～35%expanded vermiculite fine aggregate replacement rate has good mechanical properties and thermal conductivi?ty，which can play a role in heat preservation and energy saving.

Key words：waste ceramics；expanded vermiculite；thermal insulation material；compressive strength；bondingstructure

隨著建筑行業的快速發展，建筑能耗在我國總能源消耗中的占比與日俱增。為促進節能降碳，發展超低能耗建筑材料成為建筑行業發展的主要方向之一[1-2]。基于此，許多學者對超低能耗建筑材料進行研究。例如，林飛燕[3]以玻璃纖維對聚氨酯發泡材料進行改性，制備了一種保溫建筑墻體材料，并對其力學性能和保溫性能進行研究。孫玉清[4]以低成本的膨脹珍珠巖和SiO2氣凝膠制備氣凝膠水泥基保溫材料，并研究其性能。結果表明纖維素和可再分散乳膠粉的添加，可以降低氣凝膠水泥基保溫材料的導熱系數。另外，喬宏霞等[5]對廢舊陶瓷進行再生利用，制備一種陶瓷再生混凝土，并采用正交試驗研究其最佳配合比。考慮到膨脹蛭石具備較小的導熱系數，結合以上學者的研究，為進一步降低建筑能耗、節能減排，本文以廢陶瓷和膨脹蛭石為主要原料，制備一種再生保溫混凝土材料，并研究其性能。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：廢陶瓷（工業純，萬鴻礦業）；碎石（工業純，晶森礦產）；石英砂（工業純登峰建材）；膨脹蛭石（工業純，杰潤發保溫材料）；P× O 42.5普通硅酸鹽水泥（工業純，麥尼礦產）；PC-1009型聚羧酸減水劑（工業純，福鑫精細化工）。

主要設備：RD1020型電子天平（榮達儀器）；WEW-S20型萬能試驗機（中泰試驗設備）；3030C型導熱系數測定儀（晟興儀器）；WD-300型立式攪拌桶（濟寧威達機械）；DHG-9030A型干燥箱（特爾儀器設備）。

1.2試驗方法

1.2.1配合比設計

本試驗以廢陶瓷代替部分粗骨料碎石，以膨脹蛭石代替部分細骨料石英砂，制備可用于綠色建筑的再生保溫C40混凝土試件。其中，C40混凝土試件的基本配方為：水膠比0.45、P× O 42.5普通硅酸鹽水泥370 kg/m3、碎石1218 kg/m3、石英砂628 kg/m3[6-7]。即分別以廢陶瓷體積比0%、15%、30%，膨脹蛭石體積比0%、15%、35%、55%制備12種試樣。其中，編號1為普通混凝土試樣，編號2～12為再生保溫混凝土材料試樣。

1.2.2試樣的制備

（1）根據1.2.1中的C40混凝土試件基本配方以及再生保溫材料的配合比設計，用電子天平稱量一定量的P× O 42.5普通硅酸鹽水泥、碎石、石英砂、廢陶瓷、膨脹蛭石等原材料，備用；

（2）在攪拌機中加入少量水和適量膨脹蛭石，進行預濕攪拌處理1 min；

（3）繼續向攪拌機中添加適量的石英砂，進行攪拌處理1 min。再加入適量P× O 42.5普通硅酸鹽水泥、碎石和廢陶瓷，繼續攪拌1 min；

（4）向攪拌機中添加適量的水和減水劑，進行攪拌處理3 min，獲得混凝土砂漿；

（5）在試樣模具中刷上一層油，將制備好的混凝土砂漿倒入試樣模具中，插搗成型。然后，通過振動臺，對試樣進行振實處理，排出砂漿內部多余的氣泡。刮平試樣，再靜置24 h；

（6）脫模，對試樣進行標準養護處理28 d，獲得普通混凝土試樣和再生保溫材料試樣，備用。

1.3性能測試

1.3.1抗壓強度

采用試驗機對立方體試樣150 mm×150 mm×150 mm進行測試，分析材料的抗壓強度。參考標準為GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》。

1.3.2劈裂抗拉強度

參考GB/T 50081—2019《普通混凝土力學性能試驗方法》，通過試驗機，以0.65 MPa的加載速度對150 mm×150 mm×150 mm的立方體試樣進行測試，分析材料的劈裂抗拉強度。

1.3.3彈性模量

按照GB/T 50081—2019對試樣100 mm×100 mm×300 mm進行測試，分析材料的彈性模量。

1.3.4導熱系數

本試驗通過穩態雙平板法測試試樣導熱系數。對試樣300 mm×300 mm×30 mm進行標準養護一定時間，再放入干燥箱中烘干。將2個同編號試樣的側面磨平，緊貼冷熱板放入導熱系數測定儀中進行測試，分析材料的導熱性能[8]。

2結果與分析

2.1抗壓強度分析

圖1為各試件的抗壓強度的情況。

由圖1可知，當膨脹蛭石細骨料替代率不變時，隨著混凝土試件中廢陶瓷粗骨料替代率增大，抗壓強度不斷降低。并且，當混凝土試件中的廢陶瓷粗骨料替代率不變時，隨著膨脹蛭石細骨料替代率從0%增加到55%，試件抗壓強度也不斷降低。在廢陶瓷粗骨料替代率為0%的條件下，膨脹蛭石細骨料替代率為0%、15%、35%、55%的混凝土試件抗壓強度分別是42.8 MPa、40.2 MPa、36.4 MPa、33.1 MPa。在廢陶瓷粗骨料替代率為30%的條件下，對于膨脹蛭石細骨料替代率為0%、15%、35%、55%的混凝土試件，抗壓強度均出現降低的現象，分別是36.7 MPa、33.2 MPa、30.6 MPa、28.3 MPa。

分析可知，當以廢陶瓷代替混凝土試件中的部分粗骨料碎石時，廢陶瓷和粗骨料碎石間的界面過渡區強度較小。所以，再生保溫混凝土材料較脆弱，性能下降。同時，在混凝土試件中，廢陶瓷粗骨料是片狀結構，壓碎指標大，容易引起應力集中，進而增大廢陶瓷粗骨料在混凝土材料基體中的棱角效應。因此，在摻入廢陶瓷后，再生保溫混凝土材料的抗壓強度降低[9-10]。另外，在膨脹蛭石方面，由于膨脹蛭石強度低于石英砂，所以，當混凝土試件中的部分細骨料被膨脹蛭石代替時，材料抗壓強度降低。并且，當摻有膨脹蛭石的混凝土試件受到外力作用時，膨脹蛭石會被破壞解體，導致材料基體內部出現孔隙，降低材料強度。當膨脹蛭石細骨料替代率增加，混凝土試件中的膨脹蛭石更多。這些膨脹蛭石被破壞解體后形成的孔隙通道，這進一步使材料抗壓強度降低。而且，因為膨脹蛭石與混凝土基體材料之間的粘結作用較弱。所以，在混凝土中摻入過多膨脹蛭石，會使混凝土基體材料更加“松散”，導致混凝土材料強度下降[11-12]。

2.2劈裂抗拉強度分析

試件劈裂抗拉強度如圖2所示。

由圖2可知，當試件中膨脹蛭石細骨料替代率一定時，隨著廢陶瓷粗骨料替代率的增加，試件劈裂抗拉強度降低。當混凝土材料中未摻入膨脹蛭石時，隨著廢陶瓷粗骨料替代率從0%增加到30%，試件的劈裂抗拉強度從3.42 MPa降到2.67 MPa，降幅21.9%。

除此之外，當試件中廢陶瓷粗骨料替代率一定時，隨著膨脹蛭石細骨料替代率的增加，試件劈裂抗拉強度也呈現降低的趨勢。可以看到，當混凝土材料中未摻入廢陶瓷時，隨著膨脹蛭石細骨料替代率從0%增加到55%，試件的劈裂抗拉強度從3.42 MPa降低到2.63 MPa，降幅為23.1%。分析可知，當以廢陶瓷替代混凝土材料中的部分碎石粗骨料時，由于廢陶瓷含有較多微裂縫等缺陷，易破碎，且廢陶瓷的抗拉能力較差，與水泥石之間的粘合結構效果較差，混凝土材料強度降低[13-14]。當以膨脹蛭石替代混凝土材料中的部分細骨料時，由于膨脹蛭石與材料基體間的粘結效果也較差。因此，在膨脹蛭石與材料基體間的界面過渡區，很容易被破壞，導致材料性能下降。而且，膨脹蛭石的抗拉能力也較弱。當材料受到外力作用時，膨脹蛭石易被破碎，在材料基體內部產生更多微裂紋、孔隙等缺陷，從而出現應力集中的現象，使材料強度降低[15]。

2.3彈性模量分析

試件彈性模量如圖3所示。

由圖3可知，在再生保溫混凝土材料中的膨脹蛭石細骨料替代率一定的條件下，當再生保溫混凝土材料中廢陶瓷粗骨料替代率不斷增加，彈性模量減小。同樣，當再生保溫混凝土材料中的廢陶瓷粗骨料替代率一定時，隨著膨脹蛭石細骨料替代率的增加，試件的彈性模量也呈現出減小的現象。在膨脹蛭石細骨料替代率為0%的條件下，當再生保溫混凝土材料中廢陶瓷粗骨料替代率為0%、15%、30%時，彈性模量分別達到34.5、31.6、28.7 GPa。在膨脹蛭石細骨料替代率為55%的條件下，當再生保溫混凝土材料中廢陶瓷粗骨料替代率為0%、15%、30%時，彈性模量均出現減小的變化，分別減小至26.5、24.3、22.3 GPa，降幅分別為23.2%、23.1%、22.3%。這些變化發生的原理是，當在混凝土材料中摻入廢陶瓷和膨脹蛭石時，由于廢陶瓷與水泥石之間、膨脹蛭石與水泥石之間的粘結性能均較弱。因此，再生保溫混凝土材料的彈性模量減小。而且，廢陶瓷和膨脹蛭石本身的彈性模量小于普通混凝土中的天然骨料，也會導致再生保溫混凝土材料的彈性模量降低[16-17]。

2.4導熱系數分析

試件導熱系數如圖4所示。

由圖4可知，當混凝土材料中的膨脹蛭石細骨料替代率一定時，隨著廢陶瓷粗骨料替代率增加，再生保溫混凝土材料的導熱系數變化不大。在膨脹蛭石細骨料替代率為0%的條件下，廢陶瓷粗骨料替代率為0%、15%、30%的試件導熱系數分別是1.363、1.384、1.258 W/m× K，差別較小。這種現象說明，摻入廢陶瓷會略微減小材料導熱系數，但影響程度較小。然而，在混凝土材料中廢陶瓷粗骨料替代率一定的條件下，隨著膨脹蛭石細骨料替代率增加，再生保溫混凝土材料的導熱系數呈現不斷減小的趨勢。當混凝土材料中的廢陶瓷粗骨料替代率為0%時，隨著膨脹蛭石細骨料替代率從0%增加至55%，材料導熱系數也從1.363 W/m× K減小至0.862 W/m× K，降幅達到36.8%。

這些變化產生的原因是，廢陶瓷的導熱系數與普通混凝土中的粗骨料碎石相差較小，但廢陶瓷中存在較多的微裂縫等缺陷，因此，再生保溫混凝土材料的導熱系數會出現略微減小的變化，但幅度不大。而膨脹蛭石本身的導熱系數較小，是一種保溫材料。當以膨脹蛭石替代混凝土材料中的部分細骨料時，膨脹蛭石可以在一定程度上阻礙材料基體中的熱量傳遞，從而降低材料導熱系數。并且，隨著混凝土材料中膨脹蛭石細骨料替代率增加，混凝土基體材料中摻入的膨脹蛭石更多，這會減小混凝土原本的骨架體積。同時，膨脹蛭石屬于空腔氣泡顆粒，這會使混凝土材料基體中的孔隙增多。因此，材料密度減小，導熱系數降低[18-20]。

3結語

（1）本試驗中，再生保溫混凝土材料的抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量均低于普通混凝土，但其強度符合GB/T 50081—2019中的標準要求。隨著混凝土材料中廢陶瓷和膨脹蛭石摻量增多，材料抗壓強度、劈裂抗拉強度以及彈性模量均不斷降低；

（2）廢陶瓷的摻入對混凝土材料導熱系數的作用效果較小，而膨脹蛭石的摻入會顯著降低混凝土材料導熱系數。當廢陶瓷粗骨料替代率為0%時，隨著膨脹蛭石細骨料替代率從0%增加至55%，導熱系數降幅達到36.8%；

（3）為使再生保溫混凝土材料具備良好的力學性能和保溫效果，材料中的廢陶瓷粗骨料替代率為15%比較適宜，膨脹蛭石細骨料替代率在15%～35%范圍比較適宜。

【參考文獻】

[1]唐鵬.稻殼與偏高嶺土地聚物制備的建筑節能保溫材料[J].塑料助劑，2022（3）：38-42.

[2]謝誠，張立.新型的氣凝膠建筑節能材料制備及性能[J].粘接，2023，50（1）：66-69.

[3]林飛燕.建筑墻體的纖維增強聚氨酯保溫材料制備及性能研究[J].磚瓦，2022（10）：144-146.

[4]孫玉清，回麗麗，趙娜，等.氣凝膠珍珠巖的制備及其在水泥基中的應用[J].粘接，2021，46（5）：18-22.

[5]喬宏霞，彭寬，陳克凡，等.基于正交設計的陶瓷再生混凝土配合比試驗[J].蘭州理工大學學報，2020，46（6）：148-152.

[6]杜磊，郭啟龍，高敏，等.再生微粉復合膠凝體系C40混凝土的制備及性能研究[J].新型建筑材料，2022，49（10）：59-64.

[7]林祖宏，尤超，馮環，等.銅礦尾砂與再生骨料組合配制C40混凝土性能試驗研究[J].混凝土，2021（8）：107-109.

[8]曹星星，黨鈞陶，李風蘭.水灰比對泡沫混凝土抗壓強度和導熱系數的影響[J].混凝土與水泥制品，2022（11）：68-71.

[9]宗景美，張雪蘭，韓猛.廢棄陶瓷骨料混凝土的力學性能和三維預測模型研究[J].硅酸鹽通報，2022，41（5）：1774-1781.

[10]程云虹，楊四輝，張靖瑜，等.陶瓷細骨料替代方式對混凝土抗壓強度的影響[J].東北大學學報（自然科學版），2020，41（11）：1661-1666.

[11]侯艷娟，單世龍，李正寧，等.玻化粉煤灰微珠混凝土基本力學性能及水化熱釋放研究[J].鐵道勘察，2023，49（4）：7-12.

[12]宋雙.CA-LA/膨脹性膨脹蛭石PCM的制備及性能研究[J].四川建材，2022，48（6）：16-17.

[13]王超男，胡新萍，任濤，等.利用煤矸石及廢陶瓷制備泡沫陶瓷的研究[J].江西建材，2020（8）：28-29.

[14]喬宏霞，彭寬，陳克凡，等.陶瓷再生混凝土力學性能及微觀結構分析[J].蘭州理工大學學報，2020，46（3）：122-126.

[15]宋兵，孫恒，潘林澤，等.復摻煅燒硅藻土的膨脹蛭石再生混凝土力學性能[J].吉林化工學院學報，2022，39（1）：80-85.

[16]肖琪聃，馮留洋，徐釩棟，等.廢陶瓷骨料混凝土制備及基本力學性能研究[J].信陽師范學院學報（自然科學版），2022，35（2）：325-330.

[17]仝凡，王小山，屠浩馳，等.新型低溫泡沫玻璃陶瓷復合建筑保溫材料制備[J].材料科學與工程學報，2021，39（4）：585-589.

[18]潘紅，王瑾，高子棟，等.粉煤灰/赤泥基發泡陶瓷保溫材料的制備及性能研究[J].廣東建材，2022，38（8）：1-5.

[19]王淑娟.油頁巖廢渣對膨脹蛭石保溫砂漿性能的影響[J].非金屬礦，2022，45（1）：23-26.

[20]蔣連接，朱方之，馬靜，等.摻橡膠顆粒的膨脹蛭石保溫砂漿抗凍性能研究[J].結構工程師，2020，36（5）：122-126.

（責任編輯：張玉平）