一種輕質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%的生產力難以正常作用。面對目前困境，積極推廣和大力發展保溫隔熱材料是最有效、最可行的措施。

輕質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，此外在建筑節能方面，能夠用于內墻的保溫隔熱。

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礦物，經過高溫焙燒，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火山熔巖，主要用于建筑領域、工業領域及農園藝領等。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、導熱系數測定儀、維卡儀、恒溫恒濕養護箱、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《無機硬質絕熱制品試驗方法》進行；導熱系數的測定，參照GB/T 10294-2008《絕熱材料穩態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快硬保溫隔熱材料的影響。以下為具體實驗數據。

    圖1～圖5所示為兩種水泥不同摻和比例情況下，輕質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，輕質快硬保溫隔熱材料的初凝、終凝時間，密度，導熱系數都在下降。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物CAH10、C2AH8和AH3凝膠遇到Ca(OH)2時，立即轉變為C3AH6。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，隨著養護時間的增長，水化反應接近尾聲，質量基本穩定，不再增長。

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

    2、力學性能

    從實驗結果我們可以看出，輕質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，輕質快硬保溫隔熱材料的凝結時間越短、密度越小、導熱系數越低。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、在配制輕質快硬保溫隔熱材料時，需根據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   文徑網絡工程項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)