一種輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料的研究

張肖明 李秉潔 閆旭萌

陜西省建筑科學研究院

    前言

    我國能源資源存儲總量雖然豐富，但人均占有量太少，處于世界較低水平。因能源不足而導致20～30%的生產(chǎn)力難以正常作用。面對目前困境，積極推廣和大力發(fā)展保溫隔熱材料是最有效、最可行的措施。

輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料可用于高溫管道的保溫，如鍋爐、窯爐、化工廠、發(fā)電廠高溫管道等的外殼，由于其具有可涂抹的特性，還可用于一些異型設備、管道附件等，此外在建筑節(jié)能方面，能夠用于內(nèi)墻的保溫隔熱。

本文研究的是一種無機復合保溫隔熱材料，雖然在密度、導熱系數(shù)方面比不上有機保溫材料，但它作為一種A級防火保溫材料，不僅有無機保溫材料幾乎所有的優(yōu)良特性，還能夠綜合所使用原材料的特性，彌補單一材料性能上的不足。

    一、實驗

    1、實驗主要原材料

   （1）水泥

    本實驗采用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥和62.5的高鋁水泥，分別符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175-2007）和《鋁酸鹽水泥》（GB 201-2000）標準要求。

   （2）石棉絨纖維

    石棉絨纖維是一種天然硅酸鹽類礦物纖維，主要用于保溫、石油化工、石棉制品及建筑行業(yè)等。

   （3）水玻璃

    硅酸鈉的水溶液俗稱水玻璃，又稱泡花堿，是一種無機粘接劑。本實驗采用模數(shù)為3.0的水玻璃。

   （4）膨脹蛭石

    膨脹蛭石是一種層狀結構的含鎂水鋁硅酸鹽次生變質(zhì)礦物，經(jīng)過高溫焙燒，體積迅速膨脹而形成的，廣泛用于建筑領域、冶金領域及農(nóng)園藝領域等。本實驗采用10～20目膨脹蛭石。

   （5）膨脹珍珠巖

    膨脹珍珠巖是一種天然的酸性玻璃質(zhì)火山熔巖，主要用于建筑領域、工業(yè)領域及農(nóng)園藝領等。本實驗采用堆積密度為85kg/m3的膨脹珍珠巖。

   （6）氟硅酸鈉

    氟硅酸鈉是一種無臭無味的結晶性粉末或白色顆粒。本實驗主要利用氟硅酸鈉能夠加快水玻璃固化速度，是水玻璃的固化劑的特性。

   （7）分散劑

    分散劑主要用于減少纖維絮凝，使纖維盡可能均勻分布在一種不相干的溶液中。

    2、實驗儀器

    電動抗折試驗機、壓力試驗機、電熱鼓風恒溫干燥箱、導熱系數(shù)測定儀、維卡儀、恒溫恒濕養(yǎng)護箱、水泥膠砂攪拌儀、電子天平等。

    3、實驗方法

   （1）物理性能實驗

    材料凝結時間的測定，參照GB/T 1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》進行；密度的測定，參照GB/T 5486-2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》進行；導熱系數(shù)的測定，參照GB/T 10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》進行。

   （2）力學性能實驗

    抗壓強度實驗和抗折強度實驗都參照GB/T 5486-2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》進行。

    二、實驗結果

    本實驗主要研究在水泥用量一定的情況下，兩種水泥即普通硅酸鹽水泥和高鋁水泥，按不同比例互相摻和對輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料的影響。以下為具體實驗數(shù)據(jù)。

    圖1～圖5所示為兩種水泥不同摻和比例情況下，輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料凝結時間、密度、抗壓強度、抗折強度及導熱系數(shù)的變化趨勢。

圖1 普通硅酸鹽水泥用量與凝結時間的關系

圖2 普通硅酸鹽水泥用量與密度的關系

圖3 普通硅酸鹽水泥用量與抗壓強度的關系

圖4 普通硅酸鹽水泥用量與抗折強度的關系

圖5 普通硅酸鹽水泥用量與導熱系數(shù)的關系

    三、實驗結果分析

    從總體趨勢來看，當水泥總用量一定時，隨著普通硅酸鹽水泥使用比例的增加，輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料的物理性能和力學性能都逐漸降低。

    1、物理性能

    從實驗結果可知，隨著普通硅酸鹽水泥使用比例的增加，輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料的初凝、終凝時間，密度，導熱系數(shù)都在下降。主要由于：

   （1）普通硅酸鹽水泥中的石膏和硅酸三鈣水化析出的Ca(OH)2均能加快高鋁水泥的凝結速度，并且當高鋁水泥的水化產(chǎn)物CAH10、C2AH8和AH3凝膠遇到Ca(OH)2時，立即轉(zhuǎn)變?yōu)镃3AH6。另一方面，當普通硅酸鹽水泥中的石膏被高鋁水泥消耗后，就不能起到緩凝的作用，同時，硅酸三鈣的水化速度又由于Ca(OH)2被消耗而加快。

   （2）高鋁水泥具有高強快硬的特點，水化速度快，3天幾乎能夠達到100%的強度。所以，當高鋁水泥用量較多時，試件養(yǎng)護3天的密度偏大；用量少時，相對較小。高鋁水泥使用比例變化對養(yǎng)護28天的試件密度影響不大。主要由于普通硅酸鹽水泥強度增長相對緩慢，隨著養(yǎng)護時間的增長，水化反應接近尾聲，質(zhì)量基本穩(wěn)定，不再增長。

   （3）容重是材料氣孔率的直接反應，通常固體物質(zhì)的導熱系數(shù)要遠大于氣體的導熱系數(shù)，一般情況下，容重較小的物質(zhì)導熱系數(shù)較低。本實驗中，隨著輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料密度的減小，導熱系數(shù)也出現(xiàn)了相應的降低。

    2、力學性能

    從實驗結果我們可以看出，輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料的3天和28天抗壓、抗折強度隨著普通硅酸鹽水泥使用比例的增加而降低且3天抗壓、抗折強度的下降趨勢大于28天的下降趨勢。主要原因是：

   （1）高鋁水泥具有高強快硬的特性，早期強度增長迅速，3天幾乎可以達到最高強度。所以，當高鋁水泥用量多時，試件的3天抗壓、抗折強度增長較快；用量少時，增長相對較慢。

   （2）由于普通硅酸鹽水泥的抗壓、抗折強度增長速度較高鋁水泥的抗壓、抗折強度增長速度緩慢，隨著養(yǎng)護時間的增長，普通硅酸鹽水泥的水化反應逐漸接近尾聲，強度基本不再增長。所以，當普通硅酸鹽水泥用量較多時，試件的后期抗壓、抗折強度增加稍多，用量少時，增加相對較小。同時，水玻璃對試件的抗壓、抗折強度也有一定的貢獻。

    四、結論

    根據(jù)以上實驗結果及分析，可以總結以下實驗結論：

    1、當水泥用量一定時，普通硅酸鹽水泥使用比例越大，輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料的凝結時間越短、密度越小、導熱系數(shù)越低。所以，當普通硅酸鹽水泥使用比例占水泥總量的50%時，達到的性能要求比較理想。

    2、當水泥用量一定時，隨著普通硅酸鹽水泥使用比例增大，輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料的抗壓、抗折強度逐漸減小。因此，當普通硅酸鹽水泥使用比例占水泥總量的20%時，能夠達到比較理想的性能要求。

    3、在配制輕質(zhì)快硬保溫隔熱材料時，需根據(jù)不同的物理性能和力學性能要求，對普通硅酸鹽水泥和高鋁水泥的使用比例進行調(diào)整以滿足不用的使用要求。

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網(wǎng)絡工程項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)