劉國強(qiáng) 張貞強(qiáng) 劉開明 鄒山梅 王建林 杜紅山

（1甘肅能源化工職業(yè)學(xué)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(zhèn)建筑中節(jié)能建筑的比重還不足25%。蘭州屬于寒冷地區(qū)，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外墻傳熱系數(shù)至少應(yīng)≤0.60，建筑節(jié)能應(yīng)達(dá)到65%?，F(xiàn)階段蘭州乃至甘肅地區(qū)為了達(dá)到此規(guī)定，普遍采用外墻保溫技術(shù)，墻體結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的熱應(yīng)力、風(fēng)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(shè)計(jì)使用年限一般為50年，而保溫層僅為25年，無法實(shí)現(xiàn)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(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的一種建筑保溫與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)產(chǎn)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(diǎn)。

本項(xiàng)目擬利用巖棉廢料生產(chǎn)輕集料砌塊。巖棉作為A級阻燃型外墻保溫材料，在發(fā)達(dá)國家產(chǎn)量很高，在歐洲外墻保溫材料市場占有率高達(dá)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(huán)境，大部分被傾倒掩埋。我國巖棉2016年產(chǎn)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(chǎn)量的20%～25%，傾倒掩埋不僅浪費(fèi)人力、運(yùn)力，而且對環(huán)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(shí)驗(yàn)方法

本項(xiàng)目研究所用材料PO42.5級水泥，普通建筑用砂，細(xì)度模數(shù)為2.9，碎石，最大粒徑31.5mm,膨脹珍珠巖，表觀密度399kg/m3，經(jīng)過改性后的循環(huán)流化床燃煤產(chǎn)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(jìn)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(zhì)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(xiàn)一個明顯的彌散衍射峰，可知巖棉廢料具備近程無序，遠(yuǎn)程有序的非晶態(tài)玻璃體形態(tài)，結(jié)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(jié)晶程度比廢巖棉要高，但仍含有大量的玻璃體，其結(jié)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(dāng)激發(fā)的前提下，還可能對混凝土產(chǎn)生積極的影響。

本項(xiàng)目采用JGJ51-2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并考察了各添加成分對材料力學(xué)性能的影響[6]。從所有64組配比中，綜合抗壓強(qiáng)度和密度兩項(xiàng)因素，選取性能良好的4組配比進(jìn)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(zhǔn)配合比（單位：Kg/m3）

表3 C50基準(zhǔn)配合比（單位：Kg/m3）

表4 測定導(dǎo)熱系數(shù)時用的配合比（單位：Kg/m3）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試配并嚴(yán)格養(yǎng)護(hù)后的試塊，利用穩(wěn)態(tài)平板高精度導(dǎo)熱系數(shù)測定儀進(jìn)行了導(dǎo)熱系數(shù)的測定，結(jié)果如下表所示。

表5 導(dǎo)熱系數(shù)及容重測定結(jié)果

圖3 各因素之間的相關(guān)性

從圖3可以看出，添加各輔助成分后，材料抗壓強(qiáng)度都有大幅度下降，同時導(dǎo)熱系數(shù)及密度也相應(yīng)下降，與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)一致。原因是，陶粒與膨脹珍珠巖都具有較大孔洞，其本身導(dǎo)熱性差，密度低，致使實(shí)驗(yàn)配制材料導(dǎo)熱系數(shù)約可降至原來的1/3，密度可降低25%。其中，R3配比強(qiáng)度最低，導(dǎo)熱系數(shù)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(biāo)號為基準(zhǔn)配比，強(qiáng)度損失達(dá)到65%，因其水泥添加量大，故而不經(jīng)濟(jì)。R2配比強(qiáng)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(qiáng)度有利。雖然導(dǎo)熱系數(shù)較高，但仍較基準(zhǔn)配比降低了60%左右，密度降低程度與其他配比相當(dāng)。

除檢測導(dǎo)熱系數(shù)和密度之外，項(xiàng)目還對試配混凝土進(jìn)行了掃描電鏡分析。

從圖4可以看出，水化產(chǎn)物與膨脹珍珠巖界面接觸緊密，無明顯裂紋，水化產(chǎn)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(dǎo)熱性能。從圖6可以看出，實(shí)驗(yàn)所用的經(jīng)過處理的循環(huán)流化床高鈣粉煤灰規(guī)則球形顆粒占大多數(shù)，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(chǎn)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(qiáng)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(diǎn)思考

新型墻體材料的使用極大地促進(jìn)了建筑節(jié)能，減輕房屋自重，對于建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高建筑經(jīng)濟(jì)性具有非常重要的意義。非承重構(gòu)件僅起保溫、隔熱、隔聲、隔氣的作用，因此對非承重構(gòu)件更應(yīng)大力推廣應(yīng)用輕質(zhì)材料。

通過項(xiàng)目組大量的實(shí)驗(yàn)研究，將巖棉廢料以及改性后的循環(huán)流化床燃煤產(chǎn)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(xiàng)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(dǎo)熱系數(shù)小，保溫性好的優(yōu)點(diǎn)。編號R2的配比，密度1826kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.3015（W/（K·m)，如果將它做成空心砌塊，按經(jīng)驗(yàn)[7]可得強(qiáng)度等級MU10級、密度1100kg/m3的砌塊，它的應(yīng)用將使結(jié)構(gòu)構(gòu)件從斷面尺寸到單位容重等參數(shù)都大大優(yōu)化，不僅減輕建筑物自重，還能夠完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高建筑經(jīng)濟(jì)性，具備良好的經(jīng)濟(jì)效果。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，此項(xiàng)目仍有深入研究的空間，按照R2配合比試配的結(jié)果，在混凝土立方體試塊強(qiáng)度達(dá)到26MP的時候，密度降低為1800kg/m3，如果繼續(xù)增加輕骨料比例，則在滿足強(qiáng)度要求的情況下，密度可以繼續(xù)降低，導(dǎo)熱系數(shù)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(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)對其分散性的研究，以使其纖維增強(qiáng)發(fā)揮更高的作用。