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墙体中呢水泥保温材料
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1.保温材料概述
1.1保温材料定义及属性
建筑工程中用于控制室内热量外流的材料称为保温材料,把防止室外热量进入室内的材料称为隔热材料,将两种材料笼统的称为保温隔热材料,它们的本质是一样的,都是对热流具有显著组抗性的材料或材料复合体。
保温隔热材料通常是一种质轻、疏松、多孔、导热系数小的材料,通常使用的保温隔热材料在平均温度不大于623K(350°C)时,导热系数应小于0.14W/(m·K)。
保温隔热材料通过减缓由传导、对流、辐射产生的热流速率起到防止高温向低温传热,隔离太阳辐射和高温影响的作用。
1.2保温隔热材料的分类
保温隔热材料根据材质的不同,可分为:
无机保温隔热材料和有机保温隔热材料。
无机保温隔热材料大多吸水率高,易开裂,部分产品强度和粘结力差的问题;有机保温隔热材料的导热系数小,但极易燃烧,防火性能差,且原材料紧缺,价格较贵。
根据状态和结构的不同,可分为:
(1)泡沫状保温隔热材料(即固体基质连续而气孔不连续);
(2)粉末状保温隔热材料(即固体基质不连续而气孔连续);
(3)纤维状或多层状保温隔热材料(即固体基质和气孔都连续)。
根据形态的不同,可分为:
板块状保温隔热材料和浆体状保温隔热材料等。
目前常用的保温隔热材料的分类及品种如下表所示:
纤维状
无机
天然
石棉、海泡石、坡缕石
人造
矿棉(矿渣棉、岩棉)、玻璃棉、硅酸铝纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、莫来石纤维、碳纤维、纸纤维
有机
天然
木纤维、草纤维
微孔状
无机
天然
硅藻土
人造
碳酸钙制品、复合硅酸盐涂料及制品、反射涂料
气泡状
无机
人造
膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、泡沫石棉、泡沫玻璃、泡沫硅、粉煤灰微珠、玻璃微珠
有机
天然
软木
人造
泡沫材料[聚苯乙烯(EPS、XPS)、聚氨酯、聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛泡沫],泡沫橡胶,橡胶制品
层状
金属
人造
铝箔
1.2.1有机保温隔热材料
有机保温隔热材料主要以泡沫型保温隔热材料为主,聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫及其酚醛树脂泡沫是目前应用最为广泛的有机保温隔热材料。
这些材料具有导热系数小、强度高、吸水率低、不透水等特点。
(1)聚苯乙烯泡沫塑料
聚苯乙烯泡沫塑料是目前应用最广的一类塑料泡沫保温材料,其原料是聚苯乙烯树脂,经发泡后可在材料内部可产生大量密闭的微孔。
按照生产工艺进行划分,该类材料可分为膨胀型(EPS)与挤塑型(XPS)。
(2)聚氨酯泡沫塑料
聚氨酯泡沫材料是一种轻质保温材料,其生产过程是在聚合物多元醇和异氰酸酯基础上,添加催化剂、稳定剂、发泡剂等助剂,经混合后发泡反应而制成。
根据生产工艺的不同,可分为硬质和软质。
(3)酚醛树脂泡沫塑料
酚醛泡沫保温隔热材料在制备过程中,可通过控制发泡剂、固化剂和表面活性剂的量而控制发泡体的性能。
目前较为成熟的方法是在酚醛泡沫塑料体系中,添加颗粒状的聚苯乙烯泡沫作为填料。
1.2.2无机保温隔热材料
无机保温材料以膨胀珍珠岩、加气混凝土和矿棉等为代表,较有机材料相比具有极好的防火性和耐热性。
(1)膨胀珍珠岩
膨胀珍珠岩是以水玻璃或水泥无机胶凝材料作为浆料,膨胀珍珠岩作为主要填料,经养护或煅烧等加工工艺制备而成。
(2)加气混凝土
加气混凝土是通过在混凝土中加入发泡剂或通过机械搅拌的方式充入气体的方式制备出的一种具有多孔结构的混凝土材料。
(3)矿物棉
矿物棉,是通过将矿物岩石通过特殊的工艺制成纤维,进而通过胶黏剂粘接等方式制备出具有一定形状的制品。
常用的矿棉材料是岩棉和玻璃棉。
制备岩棉所用的原料为辉绿岩、玄武岩等火山岩,而玻璃棉的原料是石英砂、石灰石等天然矿石,但正是这些原料的不同使得它们制成的制品具有了不同的性质。
玻璃棉是一种玻璃纤维,属无机纤维范畴,是目前常用的保温隔热材料。
2.发泡水泥的研究发展
2.1发泡水泥发展概述
发泡水泥是指利用化学发泡剂发生化学反应在新拌料浆中产生大量微小气泡,经浇注成型、养护等工序制成的轻质多孔材料。
发泡水泥材料具有保温隔热性好、耐久性好等优点。
2002年,新加坡南洋大学的Suryavanshi和英国谢菲尔德大学的Swamy以陶瓷微珠做填料,将其填充到波特兰水泥浆中,制备出了一种高抗水性等性能优良的发泡材料。
陶瓷微珠是一种具有低密度(堆积密度400kg/m3)、低膨胀(膨胀系数8x10-6°C-1)、高硬度(莫氏硬度6)、高熔点(熔点1600~1800°C)等特性的无机粉体。
因而将其填充进水泥中,可降低制品的密度,提高制品的强度和耐火度。
此外,陶瓷微珠其特有的真空结构,可阻隔热量的传递,提高材料的保温隔热性能,同时微珠表面无吸附性可降低材料的收缩和吸水性,是一种良好的发泡水泥填料。
2004年,墨西哥的Rubio-Avalos等研究人员发现β型硫酸钙半水合物(β-CaSO4·1/2H2O)和NaHCO3在有H2O的条件可发生反应生成气体,于是他们将其作为发泡剂填充进水泥中,成功制得了一种无机泡沫水泥材料。
2005年,台湾的Kuen和Davin等人,通过在水泥中添加铝粉做发泡剂,淤泥灰填充水泥形成了性能较好的发泡水泥。
2006年,俄罗斯的Yakovlev和Keriené等人以浓缩的芳烃类物质为原材料,通过缩聚反应和碳化作用合成出了一种聚团后直径30μm,长度为10mm的碳纳米管,并将这种碳纳米管填充到波特兰泡沫水泥中,制备出了一种性能优异的发泡水泥材料。
2008年,美国的Muthyala将玻璃微珠分散在水泥泥浆中,并通过添加大量的橡胶胶乳对水泥泥浆进行了改性,此外还添加了一定量的纳米粘土粒子和玻璃纤维,制备出了一种新型的发泡水泥制品。
2.2水泥发泡剂的发泡机理简述
通常采用在原料中充入气体,添加低沸点的液体、可分解出气体的物质,或利用机械搅拌的方法产生气体的发泡工艺来制备发泡材料。
无论采用何种发泡工艺,发泡过程一般都要包括三个阶段:
气泡核的形成、气泡的长大及其材料的固化成型。
发泡成型:
(1)将气体或低沸点液体融入浆液中,然后这些气体或低沸点液体与溶液开始分离分散,形成大量均匀的细密的气泡核;
(2)以气泡核为中心,材料中的气体分子通过扩散进入气泡核,气泡开始长大,气泡核膨胀;(3),通过降温或化学反应固化定型将跑题结构固定,形成发泡材料。
气泡核的形成。
在发泡成型过程中要控制好气泡核的形成阶段,必须研究聚合物浆液中的气泡成核机理,弄清气泡成核数量及分布与其各影响因素(如聚合物浆液的粘弹性、发泡剂浓度、成型压力等等)之间的关系。
关于气泡核形成方面的理论研究有:
经典成核理论、自由体积理论、热点成核理论、界面成核理论、剪切成核理论等。
气泡的长大。
气泡在长的过程中存在许多动量、能量、以及质量方面的问题,且过程多而复杂,因此很难定量的描述气泡长大的过程。
因此,人们常常通过设定模型来简化气泡增长的过程。
目前常用来定性的描述气泡长大过程模型有海岛模型和细胞膜型。
2.3应用于泡沫混凝土中的发泡剂
从化学组成成分上来看,混凝土发泡剂主要是由表面活性剂和蛋白质两大类物质组成。
这类物质除能在极少量情况下就能降低溶液表面张力外,还可以通过不同方式促进泡沫的稳定,进而提高了泡沫混凝土的性能。
有效地改善混凝土的物理力学性能,提高混凝土的流动度、耐久性、节约水泥、降低容重,从而起到节约能耗,改善环境的目的。
2.3.1表面活性剂类发泡剂
表面活性剂具有良好的表面活性,一直被认为是制备发泡剂的优良试剂。
作为两亲性物质,表面活性剂的一系列物理和化学性质皆由其分子结构决定。
在相同浓度情况下,极性基的亲水作用强,易溶于水的表面活性剂溶解度大,表现出的起泡性能也就越好,但泡沫表面膜层含水较多,表现为排液速度快,不利于泡沫稳定。
而表面活性剂在混凝土中所表现出来的性质往往与其在水溶液中的性质相差很大,在复杂的混凝土化学环境下,表面活性剂与水泥颗粒的相容性一定程度上决定了泡沫混凝土的性能。
美国1937年研究并于1938年获得专利的“文沙”(Vinsol)树脂,是最早问世的混凝土发泡剂,属于松香类发泡剂。
陈伟章在复配m(SDS)∶m(BS-12)=1∶3~1∶6时,混合体系具有超起泡能力,出现优异的增效协同性能。
Ouyang以聚乙二醇和十二烷基硫酸钠重量配比为1∶1合成水泥发泡剂。
试验表明:
此合成发泡剂与改性后的木质素磺酸盐高效减水剂作为复合外加剂使用时对水泥砂浆的流动度、水泥的水化过程以及硬化后水泥强度都产生了积极的影响。
其中发泡剂在4×10-5(质量分数)掺量时水泥浆体流动度达到最高;而在0~2.4×10-5(质量分数)掺量时,水泥砂浆的抗压强度逐渐增强,随着发泡剂浓度进一步增加,抗压强度略有下降后最终保持不变。
而在十二烷基硫酸钠水溶液中加入十二醇后,溶液黏度有很明显的上升趋势,可以很好地减慢泡沫内部的排液速度,从而在很大程度上增加了泡沫稳定性。
2.3.2蛋白质类发泡剂
蛋白质类发泡剂的制备实质是蛋白质的降解:
蛋白质大分子的肽键断裂,使得溶液中水溶性蛋白质小分子逐渐增多,溶液中的疏水基团也越来越多,降低了表面张力,有利于界面的形成;同时分子间基团强烈的氢键作用,保证溶液形成机械强度较高的泡沫液膜,进而促进发泡剂泡沫的稳定。
但蛋白质类发泡剂易受温度和pH值等外部环境影响而变性,是阻碍蛋白质类发泡剂进一步发展的重要因素。
自上世纪90年代中期,余红发利用羊蹄角制备蛋白质发泡剂以来,大量的科研工作者都利用动物的皮毛角开发蛋白质类发泡剂,使用的稳泡剂不尽相同。
寿延用鸡蛋黄为主原料,复配稳泡剂,研制了高效的混凝土发泡剂,克服了传统的蛋白类发泡剂原材料不足的缺陷。
Yumiko等利用藻酸盐提取物和变性蛋白质为原料制得发泡剂。
经研究发现,泡沫在长时间内保持尺寸大小不变,具有良好的稳定性。
2.3.3蛋白质/表面活性剂复合型发泡剂
蛋白质与表面活性剂混合体系界面吸附机理主要为置换和增溶。
通过改变溶液的界面张力进一步增强其表面活性,从而满足不断提升的工业需求。
这一领域国外研究较早,如美国研制的由烷基磺酸碱金属盐和水解蛋白质复合组成的液体发泡剂、日本采用蛋白质物添加适量的阳离子表面活性剂配成的混合发泡剂等。
3.发泡水泥保温材料的实验研究
泡沫水泥保温材料是新型节能墙体保温材料的一个重要发展方向。
发泡水泥是指利用化学发泡剂发生化学反应在新拌料浆中产生大量微小气泡,经浇注成型、养护等工序制成的轻质多孔材料。
与普通的水泥相比,泡沫水泥材料具有密度小、导热系数低、保温隔热性好、抗老化性好、隔音性能良好和抗震性能优异等特点。
而在泡沫水泥材料中掺入纤维可显著改善保温材料被弱化的力学性能。
3.1实验研究1
——采用物理发泡工艺,制备纤维增强泡沫水泥保温材料。
[实验内容详见参考文献7]
研究不同水灰比、泡沫掺量和聚丙烯纤维掺量对泡沫水泥保温材料性能的影响,确定纤维增强泡沫水泥保温材料的最佳配合比。
以普通硅酸盐水泥、水、发泡剂、稳泡剂、生石灰和纤维为原料,通过物理发泡的方法制备具有质轻、优异保温效果和优良耐火性能的纤维增强泡沫水泥保温材料。
试验结果表明,当水灰比为0.39、泡沫掺量为2.0ml/g、纤维掺量为0.9%、稳泡剂掺量为0.3%、生石灰掺量为1.5%时,泡沫水泥保温材料的干密度为324kg/m3,3d抗压强度为1.051MPa,3d抗折强度为0.611MPa,导热系数为0.069W/(m·K),各性能均优于JG/T266-2011《泡沫混凝土》的要求。
3.2实验研究2
——以普通硅酸盐水泥为结合剂,用粉煤灰和微硅粉取代砂和部分水泥制备泡沫混凝土。
[实验内容详见参考文献8]
采用预制泡沫的方法制备泡沫混凝土.具体的制备工艺如下:
先将水泥和粉煤灰(微硅粉)干拌1.5min,然后加水(扣除泡沫制备用水)和外加剂,搅拌2min后,加入纤维,再搅拌4min(不掺纤维的省去此步).料浆搅拌的同时,将按比例混合的发泡剂和水用高速搅拌机制成泡沫.将制好的泡沫加到料浆中一起搅拌2min,最后将泡沫混凝土浇注到试模中,用木板刮平表面.试件静置于试验室中24h,然后脱模并送入标准养护室养护至规定龄期。
研究结论,
(1)采用掺加微硅粉和聚丙烯纤维技术,可以制备表观密度在800~1500kg/m3,而抗压强度达到10~50MPa的结构用泡沫混凝土;
(2)微硅粉的掺入对于泡沫混凝土早期抗压强度发展具有较大贡献,而粉煤灰的掺入对于泡沫混凝;(3)泡沫混凝土抗压强度随泡沫掺量的增大呈近线形减小.对于给定泡沫掺量的泡沫混凝土,微硅粉的掺加能较大幅度地提高其抗压强度,最高可以达到25%.土长期抗压强度的获得具有贡献;(4)聚丙烯纤维能显著提高泡沫混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度;(5)泡沫混凝土具有较高的干缩特性。
3.3实验研究3
——在水相体系中,碱性条件下低温氧化木质素,有效地与苯酚甲醛发生加成缩聚反应,实现木质素在酚醛泡沫领域的高效利用。
[实验内容详见参考文献9]
建筑物的围护结构采取保温隔热措施以提高热工性能,是最重要的节能手段之一。
目前在市场上占主导地位的有机泡沫阻燃材料,如聚苯乙烯泡沫,聚氯乙烯泡沫,聚氨酯泡沫等,其耐热温度低,燃烧后放出大量热量,产生大量烟毒气,既造成环境污染,也成为火灾中造成人员伤亡的主要因素之一。
酚醛泡沫是一种具有自阻燃性的新型隔热保温材料,传统的酚醛泡沫塑料由化石基甲阶酚醛树脂和发泡剂、表面活性剂和酸固化剂共混,在一定温度下发泡制备。
采用可再生的、价格便宜的木质素(木质素是生物质资源中重要的可再生酚类化合物)替代苯酚制备酚醛泡沫保温材料。
通过对玉米秸秆碱木质素、木质素磺酸钙和Indulin碱木质素三种木质素进行进行官能团定性定量分析和热力学性能分析;采用双氧水作氧化剂,水相环境中低温条件下氧化木质素得到多种酚类小分子化合物,提高了木质素的反应活性;采用一种新的方法将木质素应用到甲阶酚醛树脂和酚醛泡沫中。
试验结果表明,当摩尔比1.5:
1和1.7:
1,木质素替代量10%-30%三种密度的泡沫均达到GB/T20974-2007要求。
[参考文献9.P39.P119-P121]
3.4实验研究4
——以快硬硫铝酸盐水泥为原料,采用化学发泡的方法制备发泡水泥保温材料,研究了有机类与无机类防水剂对发泡水泥吸水率、力学强度以及软化系数的影响。
[实验内容详见参考文献10]
试验结果结果表明:
掺加防水剂能够降低吸水率,提高力学强度及软化系数,改善其耐水性;相同掺量下,有机类防水剂对发泡水泥吸水率的降低效果明显优于无机类防水剂;当苯丙乳液防水剂掺量为2.5%(水泥质量分数)时,发泡水泥的吸水率为26.7%,较基准试样降低了59.8%;软化系数为0.88,较基准试样增加了44.3%。
3.5实验研究5
——一种以动物蹄角为主要原料生产发泡剂的工艺[实验内容详见参考文献11]
研究了一种以动物蹄角为主要原料生产发泡剂的新工艺,得到蹄角蛋白的最佳水解温度为110°C,水解时间10h。
此外,选择与其他的不同试剂进行复合配比,并对其性能及制得的泡沫水泥制品进行研究,得出最佳复合配比为1:
5。
3.6实验研究6
——试验中利用改性后的普通水泥为胶凝材料,同时掺加一定量的粉煤灰掺和料、加入一种液态高效发泡剂、适宜的外加剂,采用混合搅拌法,即料浆的搅拌与发泡同时进行的方法制备出一种新型超轻泡沫混凝土。
[实验内容详见参考文献12]
实验结论:
①试验了铝酸钠、碳酸锂、KW母料以及无水硫酸钠四种调凝剂对水泥胶浆凝结时间及抗压强度、抗折强度的影响,结果表明:
碳酸锂的综合效果最好。
②通过对超轻泡沫混凝土的原材料进行研究,确定了制备超轻泡沫混凝土的最佳原料配比为:
水泥:
粉煤灰为1:
0.4,水料比为0.54、掺加水泥质量0.30%的稳泡剂WH、4.8%-5.1%的发泡剂FP。
③通过对超轻泡沫混凝土的制备工艺进行研究,确定了制备超轻泡沫混凝土的最佳工艺条件为:
料浆温度控制在27℃-29℃范围内、搅拌机转速为2500r/min。
④试验了聚丙烯纤维对超轻泡沫混凝土的改性作用,结果表明:
当聚丙烯纤维掺量为1.2%时,可以对超轻泡沫混凝土起到较好的改性作用,制品的孔隙率变大、抗压强度值提高、平均孔径变小、开裂现象得以改善。
⑤在水泥:
粉煤灰为0.4、水料比为0.54、掺加水泥质量0.30%的WH、5.0%FP和0.34%碳酸锂、同时掺加水泥质量1.2%的聚丙烯纤维,以及料浆温度为28℃、搅拌机转速2500r/min的条件下制备了超轻泡沫混凝土,其主要性能指标为:
容重279kg/m3、28天抗压强度0.51MPa、导热系数0.068W/(m.K);对比试验结果表明,其综合性能优于市场同类产品;说明采用普通水泥可以制备出性能优异的超轻泡沫混凝土保温材料。
⑥研究结果表明:
超轻泡沫混凝土的气孔结构对其性能有较大程度的影响,最佳孔结构应为孔径细小、均匀且封闭的圆形孔;影响气孔结构的因素较多,发气剂掺量、料浆温度和搅拌速率是主要影响因素。
3.7实验研究7
——新型涂敷保温材料。
[实验内容详见参考文献13]
新型涂敷保温材料是在传统硅酸盐复合绝热涂料基础上发展而成的新型保温材料,传统硅酸盐复合绝热涂料的原料组成一般由骨料、纤维材料、填充料、粘接剂和少量添加剂组成,新型涂敷保温材料也不例外,为了增强抗裂效果,还需要加入保水成份。
本实验得出,在传统硅酸盐复合绝热涂料基础上研制的新型涂敷保温材料满足使用功能的适宜原料有膨胀珍珠岩、破碎型聚苯颗粒、特种胶凝材料JT、胶凝材料BS、无机环保纤维、短切维尼纶纤维、疏化轻质填料、调凝剂、聚合物胶粉、防腐剂、渗透剂、憎水剂等,膨胀珍珠岩、破碎型聚苯颗粒做为保温骨料,特种胶凝材料JT、胶凝材料BS、调凝剂组成复合胶凝材料,纤维材料由无机环保纤维、短切维尼纶纤维组成,增稠填料为工业废弃疏化轻质填料,聚合物胶粉用于增加粘聚性、保水性和提高粘接性能。
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