新型墙体材料的制备及性能研究

新型墙体材料的制备及性能研究

根据中华人民共和国成立33号的文件，70%的中国房产工具是由粘土砖主导的。生产粘土砖每年耗用粘土资源达10多亿m3,相当于毁田3.33万hm2,耗能相当于7000多万吨标准煤。实心粘土砖产量的继续增长,既增加材料的生产能耗,又会导致新建筑物的采暖和空调能耗的大幅度增加,加剧能源供需矛盾。因此,开发节能效果明显的承重用墙体材料对降低建筑能耗具有重要意义。我国墙体材料改革的根本出路是大力发展轻质、高强、多功能、复合化、配套化、易于施工的新型墙体材料。当前的重点是开发和发展优质的、高掺量的粉煤灰和煤矸石墙材产品。矿物聚合材料(Geopolymer)在这方面有显著的优势。矿物聚合材料是含有多种非晶质至半晶质相的三维铝硅酸盐矿物聚合物。20世纪90年代后期,VanJaarsveld和VanDeventer等致力于由粉煤灰等工业固体废物制备矿物聚合材料及其应用的研究。这种材料制备工艺简单,能耗低,原料来源广,成本低廉,引起广泛关注。本课题组曾以钾长石尾矿为主要原料制备了矿物聚合材料,材料抗压强度达19.4～24.9MPa,耐酸性、耐碱性均优于类似建材的国家标准。矿物聚合材料的形成过程分为:溶解络合、分散迁移、聚合浓缩和脱水硬化。任玉峰等以金矿尾矿为主要原料制备的制品抗压强度符合烧结砖MU20和MU30的国家标准。金矿尾矿中的部分CN-被转化成无害的NH3、CO2−332-和H2。王刚等以粉煤灰和钾长石提钾后的硅铝质滤渣为主要原料,制备的代表性样品的7d抗压强度达40～50MPa,各项指标均达到了混凝土路面砖的标准要求(JC/T446-2000)。丁秋霞等以石英砂为主要原料制备的制品基体相的莫氏硬度为3.40～3.50。冯武威等以膨胀珍珠岩为主要原料制备的制品性能符合膨胀珍珠岩绝热制品国家标准GB/T10303-2001350号合格品的技术指标,且生产过程的节能效果明显。苏玉柱等以粉煤灰和富钾板岩提钾后的硅铝质滤渣为粉体原料,ISO标准砂为骨料制备的制品7d饱水抗压强度达78.5MPa。聂轶苗等以粉煤灰、高岭石等为原料,制备了具有良好力学性能和耐酸性的矿物聚合材料制品,指出其固化过程分为:粉煤灰中的玻璃相在强碱作用下溶解,Si、Al低聚体的形成,低聚体形成凝胶状的类沸石前驱体,前驱体脱水形成非晶相物质,其中的Si主要以Q4形式存在,Al以4次配位形式存在。马鸿文等申请了国内第一个关于制备矿物聚合材料的发明专利。本项实验研究旨在以粉煤灰为主要原料制备轻质高强矿物聚合材料(简称墙体材料),用作新型可承重墙体材料。此前的研究[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]在材料的养护制度上均采用在35～60℃养护24h,再室温养护5～6d,养护周期长,且无配套的工业化设备。本实验拟采用蒸压釜进行材料的养护,以提高反应温度、压力的方法提高铝硅酸盐聚合反应速率,缩短养护时间。以粉煤灰、高炉矿渣等为原料,ISO标准砂为骨料,制备的矿物聚合材料制品在蒸压釜中的养护实验结果表明,提高反应温度、压力,缩短养护时间,可以得到力学性能良好的矿物聚合材料制品。1实验方法1.1粉煤灰的xrd分析粉煤灰:实验用粉煤灰取自北京市石景山热电厂(样品号BF-06),化学成分由北京市现代建筑材料公司化验室分析,SiO2=52.37,Al2O3=33.91,Fe2O3=5.59,MgO=0.77,CaO=3.93,烧失量为1.29,总量为97.86。XRD分析结果表明,物相主要为莫来石、铝硅酸盐玻璃相和少量石英(图1)。预处理后的粉煤灰粒径分布为d(0.5)=0.6μm,d(0.9)=1.4μm,平均粒径为25.8μm。石灰:北京市现代建筑材料公司提供,有效CaO含量为62%,细度为0.08mm,筛余10.8%,消解温度65℃,消解时间9min。水玻璃:北京市红星广厦化工建材有限责任公司,固体,模数3.0。NaOH:工业级,片状。石膏:由脱硫灰代替,北京市现代建筑材料公司提供,主要成分为CaSO4·0.5H2O和CaSO3·H2O。1.2模具的制作和养护将原料置于周期式搅拌球磨机中湿法球磨15min后得到料浆;转入40mm×40mm×40mm三联模具中振动成型。坯体在室温下固化3h后脱模送入蒸压釜(192℃,1.3MPa)养护9h(升温2h,恒温5h,降温2h)。最后将制品放入自来水中在室温下养护24h,测定其饱水抗压强度。2成品的饱和度测定在前期实验基础上,选择石灰、水玻璃及NaOH用量(质量比)为影响制品力学性能(饱水抗压强度)的主要因素,进行了L9(33)三因素三水平的正交实验。全部实验制品均在蒸压釜中于192℃、1.3MPa条件下养护9h。出釜后在自来水中浸泡24h,测定其饱水抗压强度(相同条件下制备的3个试样测定结果平均值,下文同)。代表性实验结果见表1。2.1饱水抗压强度固相原料用相同的配比,即石灰12%,水玻璃10%,NaOH2%,固液质量比分别取1.8、2.0、2.2和2.5。所得制品的饱水抗压强度分别为5.3MPa、14.0MPa、7.2MPa和10.4MPa。实验发现固液比太高或太低都会影响材料的成型,它对制品抗压强度的影响主要取决于体系中碱的浓度、自由水的含量及引起的制品体积密度的变化。2.2抗压强度和用量固定水玻璃用量为10%,NaOH用量为3%,固液质量比为2.0,石灰用量分别为7%、15%和20%,抗压强度分别为6.4MPa、10.5MPa、9.9MPa。结果表明,CaO用量增加对材料的强度先起增强作用,到一定程度则对强度产生不利影响,这取决于材料中物相含量的变化。3性能表现3.1含水率和吸水率测定含水率测定:确认制品在常温下的质量后,置于干燥箱中,在105℃下干燥24h后称重,损失质量与干燥制品质量的比值即为含水率。吸水率测定:确认制品在105℃下干燥24h后的质量后,在蒸馏水中浸泡24h,取出称量其饱水质量,制品吸收的水分质量与干燥制品质量的比值即为吸水率(表2)。制品的含水率和吸水率分别为19.84±0.06%和44.42±0.23%,高于普通烧结粘土砖吸水率小于20%的要求;高强矿物聚合材料的含水率和吸水率分别为5.3%和15.0%。3.2实质粘土砖的密度由实验制品的体积密度测定结果(表3)可知,代表性样品的出釜密度为1.38±0.01g/cm3,体积密度为1.14±0.02g/cm3,低于实心粘土砖的密度(1.70～1.80g/cm3);高强矿物聚合材料的密度为1.80～1.92g/cm3。3.3导热系数测试用GRD-Ⅱ型热导仪测得实验制品的平均导热系数为0.12W/(m·K),低于普通粘土砖的导热系数0.81W/(m·K),表明该材料作为墙体材料,其保温性能优于实心粘土砖。3.4cao用量对饮料的影响墙体材料制品的X射线粉末衍射分析结果见图2,结合制品的新鲜断面的扫描电镜观察(图3)分析,表明其物相主要为莫来石、托贝莫来石和非晶态的基体相。托贝莫来石呈针叶状,大小为3～15μm。它们相互交织,形成网状结构,起到了纤维增强的作用;结构中形成大量孔隙,降低了材料的体积密度,增强了保温性能,提高了含水率和吸水率。随着CaO用量的增加,制品SM2-8、SM2-4和SM2-1中托贝莫来石的X射线衍射峰依次增强,含量增高;莫来石的X射线衍射峰有减弱趋势,说明在高CaO用量时,粉煤灰中的莫来石有一部分参与水热反应。粉煤灰中未反应的莫来石和玻璃体在制品中起骨料的作用,在一定程度上提高了制品的力学性能。CaO用量提高时,反应消耗的玻璃体和莫来石增多,制品中的骨料相对减少,不利于制品力学性能的提高。高强矿物聚合材料制品断面的扫描电镜照片显示气孔较少,ISO标准砂骨料与硅铝质凝胶相形成的基体相间的结合相当紧密,强度达78.5～89.0MPa。4碱提高材料的力学性能原料湿法球磨过程中,由于受机械力和碱性溶液的作用,粉煤灰中玻璃体的硅氧结构从聚合态向单体转化,即玻璃体的Si—O—Si、Al—O—Si键被打断,降低了粉煤灰玻璃体的聚合度,使玻璃体表面羟基化,而表面羟基化的玻璃体极易与Ca(OH)2等反应,生成水化铝酸钙和水化硅酸钙,促进蒸压养护时托贝莫来石的形成,5CaO+6SiO2+5H2O→C—S—H凝胶→Ca5Si6O16(OH)2·4H2O。表面羟基化的Si、Al离子团也容易与碱金属离子和OH-等作用,形成—Si—O—Na、—Si—O—Ca—OH、Al(OH)-4、Al(OH)2−552-、Al(OH)3−663-等聚合体,进而生成凝胶状的类沸石前驱体,促使铝硅酸盐更加充分的聚合反应,提高了基体相的聚合度,也就提高了墙体材料的力学性能,反应过程可表示为:矿物聚合材料属于碱激发胶凝材料,碱的浓度影响粉煤灰中玻璃体的溶解反应。实验表明,铝硅酸盐矿物的溶解度随碱性溶液的浓度增大而升高。CaO遇水反应,需要消耗一定的水,在CaO量固定的情况下,降低固液比,则碱的浓度降低,从而降低玻璃体中硅铝组分的溶解度,不利于OH-与硅铝矿物颗粒反应形成聚合物前驱物,而这些聚合物前驱物是形成基体相、提高力学性能的基础。提高固液比,则体系中的自由水相对减少,不利于前驱物铝硅配合物在固体颗粒间的分散和迁移,影响基体相的聚合度和均匀性,降低了材料的强度。因此,固液比有一个优化值。Ca2+在聚合物基体相中起平衡电荷的作用,Ca可激发硅酸盐和多硅铝酸盐网络的形成和基体相的硬化,缩短材料的固化时间。实验中添加CaO主要是使其参与水热反应,形成托贝莫来石。CaO用量较少时,托贝莫来石的量也较少,其针叶状的形态在材料制品中起类似纤维增强的作用,提高了材料的抗压强度;CaO用量增加,托贝莫来石增多,形成大量孔隙,孔隙对强度的副作用超出托贝莫来石的纤维增强作用,材料的致密度下降,降低了材料的抗压强度,因此CaO的用量应有一个优化值。5其他晶相物质以粉煤灰为主要原料,以石灰、水玻璃、石膏和NaOH为辅料,通过湿法球磨和蒸压釜养护(192℃,1.3MPa),制备了墙体材料,制品的体积密度约