利用玄武巖纖維廢料的墻體材料熱工性能研究

劉國強 張貞強 劉開明 鄒山梅 王建林 杜紅山

（1甘肅能源化工職業學院；2甘肅鴻盛巖棉科技有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

我國建筑能耗接近全社會總能耗的40%，而城鎮建筑中節能建筑的比重還不足25%。蘭州屬于寒冷地區，建筑圍護結構外墻傳熱系數至少應≤0.60，建筑節能應達到65%?，F階段蘭州乃至甘肅地區為了達到此規定，普遍采用外墻保溫技術，墻體結構與墻體保溫分步施工。此法除增加建筑成本外，由于寒暑溫差導致的熱應力、風荷載、雨雪影響、高溫照射等原因，使得外保溫材料的耐候性普遍比較差。建筑物設計使用年限一般為50年，而保溫層僅為25年，無法實現保溫與建筑墻體同壽命。

輕集料自保溫砌塊是自身能夠滿足建筑節能設計標準要求的一種建筑保溫與結構一體化技術產品，具有自重輕、保溫隔熱和耐火性能好、保溫與建筑墻體同壽命等特點。

本項目擬利用巖棉廢料生產輕集料砌塊。巖棉作為A級阻燃型外墻保溫材料，在發達國家產量很高，在歐洲外墻保溫材料市場占有率高達60%[1]。巖棉廢料包括廢巖棉和爐底渣，這些廢料由于容重輕、難降解，污染環境，大部分被傾倒掩埋。我國巖棉2016年產量為252.50萬噸，2017年269.70萬噸[2]，2018年320萬噸[3]，巖棉廢料的量約占巖棉板總產量的20%～25%，傾倒掩埋不僅浪費人力、運力，而且對環境造成破壞，填埋后的土壤則失去使用價值。有研究表明，將巖棉作為混凝土組分添加，可以改善混凝土性能[4]，這為綠色處理巖棉廢料提供了良好的思路。

1 實驗方法

本項目研究所用材料PO42.5級水泥，普通建筑用砂，細度模數為2.9，碎石，最大粒徑31.5mm,膨脹珍珠巖，表觀密度399kg/m3，經過改性后的循環流化床燃煤產生的高鈣粉煤灰[5]，還有玄武巖纖維廢料（廢巖棉+爐底渣）。

圖1 廢巖棉XRD圖譜

表1 玄武巖纖維廢料的成分

通過對廢料進行XRF分析可知，廢料中含有大量Ca、Si的氧化物和少量的Al、Fe、Mg,其組成物質與硅酸鹽水泥相同，可知其對混凝土無害，可作為制備混凝土的原材料。

通過圖1可以看出，廢巖棉在16°～39°之間出現一個明顯的彌散衍射峰，可知巖棉廢料具備近程無序，遠程有序的非晶態玻璃體形態，結晶程度低，潛在活性高。

圖2 爐底渣XRD圖譜

圖2表明，爐底渣在形成過程中冷卻速度稍慢，結晶程度比廢巖棉要高，但仍含有大量的玻璃體，其結晶礦物也具備對混凝土無害的特征。從以上分析可知，玄武巖纖維廢料不但對混凝土無害，且因其含有大量玻璃體，在適當激發的前提下，還可能對混凝土產生積極的影響。

本項目采用JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術規程》進行配合比設計，并考察了各添加成分對材料力學性能的影響[6]。從所有64組配比中，綜合抗壓強度和密度兩項因素，選取性能良好的4組配比進行了熱工性能測試。所選取4組配合比如下表所示。

表2 C30基準配合比（單位：Kg/m3）

表3 C50基準配合比（單位：Kg/m3）

表4 測定導熱系數時用的配合比（單位：Kg/m3）

2 實驗結果

經試配并嚴格養護后的試塊，利用穩態平板高精度導熱系數測定儀進行了導熱系數的測定，結果如下表所示。

表5 導熱系數及容重測定結果

圖3 各因素之間的相關性

從圖3可以看出，添加各輔助成分后，材料抗壓強度都有大幅度下降，同時導熱系數及密度也相應下降，與實驗目標一致。原因是，陶粒與膨脹珍珠巖都具有較大孔洞，其本身導熱性差，密度低，致使實驗配制材料導熱系數約可降至原來的1/3，密度可降低25%。其中，R3配比強度最低，導熱系數及密度也最小，因其中添加的膨脹珍珠巖比例最高。但這個配比是按C50標號為基準配比，強度損失達到65%，因其水泥添加量大，故而不經濟。R2配比強度損失最小，因其中添加巖棉廢料最多，纖維狀巖棉起到增加各部分連接作用，對提高強度有利。雖然導熱系數較高，但仍較基準配比降低了60%左右，密度降低程度與其他配比相當。

除檢測導熱系數和密度之外，項目還對試配混凝土進行了掃描電鏡分析。

從圖4可以看出，水化產物與膨脹珍珠巖界面接觸緊密，無明顯裂紋，水化產物包裹珍珠巖生長。從圖5可以看出，試樣中由于添加膨脹珍珠巖，形成孔洞較多，有利于降低試塊密度，降低材料導熱性能。從圖6可以看出，實驗所用的經過處理的循環流化床高鈣粉煤灰規則球形顆粒占大多數，體系中的粉煤灰分布均勻。從圖7可以清楚看到，纖維狀巖棉，水化產物諸如鈣礬石、氫氧化鈣等聚集在巖棉末端或貫穿巖棉纖維之間，有利于提高混凝土的強度。

圖4 試樣1000倍SEM照片

圖5 試樣100倍SEM照片

圖6 試樣2000倍SEM照片

圖7 試樣5000倍SEM照片

3 幾點思考

新型墻體材料的使用極大地促進了建筑節能，減輕房屋自重，對于建筑物結構設計和提高建筑經濟性具有非常重要的意義。非承重構件僅起保溫、隔熱、隔聲、隔氣的作用，因此對非承重構件更應大力推廣應用輕質材料。

通過項目組大量的實驗研究，將巖棉廢料以及改性后的循環流化床燃煤產生的高鈣粉煤灰，配合陶粒、膨脹珍珠巖等原材料配制的輕集料混凝土，可以用于制備小型空心砌塊。本項目試配的利用玄武巖纖維廢料輕集料混凝土，具有密度小，導熱系數小，保溫性好的優點。編號R2的配比，密度1826kg/m3，導熱系數0.3015（W/（K·m)，如果將它做成空心砌塊，按經驗[7]可得強度等級MU10級、密度1100kg/m3的砌塊，它的應用將使結構構件從斷面尺寸到單位容重等參數都大大優化，不僅減輕建筑物自重，還能夠完善結構設計，提高建筑經濟性，具備良好的經濟效果。

從實驗結果來看，此項目仍有深入研究的空間，按照R2配合比試配的結果，在混凝土立方體試塊強度達到26MP的時候，密度降低為1800kg/m3，如果繼續增加輕骨料比例，則在滿足強度要求的情況下，密度可以繼續降低，導熱系數也可以降低。此外，通過圖7可以看出，廢巖棉并未完全分散，應繼續加強對其分散性的研究，以使其纖維增強發揮更高的作用。