粉煤灰—水泥基发泡保温材料研究及应用
时间：2021-01-09 04:00:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：介绍了水泥基發泡保温材料制备过程中水泥品种的选择，评述了粉煤灰对水泥基发泡保温材料性能的影响，讨论了粉煤灰-水泥基发泡材料在建筑保温方面的应用。分析了目前研究和应用中存在的主要问题，并探究了这种保温材料在装配式建筑过程中的应用前景。
关键词：保温材料；粉煤灰；发泡；研究
中图分类号：TU521
文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0164-05
1 引言
20世纪80年代中国就曾经制定了积极的建筑节能政策，但到2010年仍然未能达到社会要求[1]。“十二五”规划再次指出：促进环境友好型建筑材料的使用，降低建筑能耗，发展节能型建筑。调查显示，加上建筑材料生产过程的能耗，我国建筑能耗约占社会总能耗的46.7%。其中，采暖和空调能耗比例高达20%[2]。由此可见，提高建筑的保温性能，减少建筑的热散失，是降低建筑能耗最直接、有效的途径。
保温材料按照材料类型可分为3类：有机材质类、无机材质类和复合材质类。目前，有机材质类保温材料市场应用最广。但近几年因使用有机保温材料引发的火灾给人类造成了较大损失。因此，推动了学者对不燃型无机保温材料的研究[3～5]。2013年12月相继立项公示的《保温装饰复合板外墙保温构造》、《水泥发泡无机保温板应用技术规程》等政策，以及四川省住房和城乡建设厅于2016年发布最新政策文件均指出，全面禁止保温砂浆类保温材料的使用，取而代之的将是水泥基发泡保温板。
国家“十二五”规划指出“加强煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、磷石膏、化工废渣、冶炼废渣等大宗工业固体废物的综合利用”。日前，“十三五”规划再次强调：“大力发展以尾矿、工业固体废弃物为原料生产各种混凝土及制品”。粉煤渣是火力发电过程中煤燃烧后排出的固体废弃物，若排入江河湖海，将会造成水体污染，大量堆放则会造成大气、土壤的污染。近几十年来，我国的电力工业得到了迅速发展，导致粉煤灰渣的堆积量不断增加。据不完全统计，我国1995年因燃煤产生的粉煤灰总量达1.25亿t，2011年约5.4亿t，2015年约5.6亿t[6]。可见，粉煤灰渣亟待处理。
粉煤灰渣可作为良好的辅助性胶凝材料部分替代水泥，用以制备水泥基发泡保温材料，既促进了水泥基发泡保温材料的发展，又解决了粉煤灰渣堆积的难题。国内外学者已对此进行了广泛研究，本文对粉煤灰-水泥基发泡保温材料的制备、应用及研究现状进行了总结，对热点问题进行了分析，并提出了其未来可能的发展方向。
2 水泥品种的选择
水泥基发泡保温材料有着质量轻、强度高、耐燃性好、保温性优、可现浇可预制等优势。它是由水泥、发泡剂、掺和料、增强纤维及外加剂，经发泡制成的轻质多孔材料[7]。其性能优劣受原材料、施工工艺、养护措施的影响较大。水泥是发泡无机保温材料的主要胶凝材料，种类有普通硅酸盐水泥、铁铝酸水泥、镁水泥和硫铝酸盐水泥等。
镁水泥具有防火性能好、弹性、硬化快、强度高的优点，可制备防火性能较好的泡沫材料，但其后期容易出现泛白霜、变形等不良现象。铁铝酸盐和硫铝酸盐水泥具有早强特点，可较好地稳定湿泡沫，减少浆体塌模的概率。目前国内应用较多，但这两种水泥产量小、产地少、价格贵，限制了其应用[8]。朱蓉[9]通过对比实验发现，快硬硫铝酸盐水泥凝结硬化速度与湿泡沫稳定性匹配性较好，制备的泡沫水泥材料在表观密度为343 kg/m3时抗压强度达0.89MPa，满足制备轻质高强泡沫材料的要求，但是成本较高。杜传伟等人[10]对快硬硫铝酸盐泡沫水泥材料的耐水性进行了研究，发现这种水泥与有机防水剂的相容性更好。
普通硅酸盐水泥制备泡沫材料时因凝结时间较长，需要严格控制浆体凝结硬化时间与湿泡沫稳定时间，使得两者充分匹配。否则，将导致泡沫浆体注模后塌陷，制备出不均匀的泡沫水泥材料，也得不到较好的保温性能。但是可以通过添加早强剂，调整水泥细度和优化配比等方式改善[7]。张文[11]通过对比硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥发泡保温板的性能，发现与硫铝酸盐水泥相比，硅酸盐水泥发泡保温板的强度更高、吸水率更低、碳化系数更高。并且，碳化对硫铝酸盐水泥发泡保温板的强度劣化影响程度更高。
可见，综合成本、性能考虑，普通硅酸盐水泥是制备水泥发泡无机保温材料的首选胶凝材料。下文均以普通硅酸盐水泥体系为对象，探究粉煤灰（普通硅酸盐）水泥发泡无机保温材料的相关研究和应用。
3 粉煤灰对水泥基发泡保温材料性能的影响
水泥基发泡保温材料多以固体废弃物为掺和料，如工业废渣（矿渣粉、废石粉、粉煤灰渣等）、秸秆粉、锯末等。其中，粉煤灰渣因性能优异、堆积量大被广泛应用[12]。粉煤灰因具有孔洞结构、密度低、表面活性高、比表面积大等优点，适用于保温材料[13]。
3.1 粉煤灰对水泥基发泡保温材料强度的影响
水泥基泡沫混凝土作为保温材料使用时，其密度较低，强度不高（保温板要求不小于0.4MPa，JC/T 2200-2013《水泥基泡沫保温板》），但必须满足建筑施工。长期研究发现，粉煤灰的掺入对水泥基超轻泡沫混凝土的力学性能有影响。
当粉煤灰较少（不大于30%）掺量水泥基发泡混凝土体系时，其改善流动性、填充孔隙的作用突出。此时，试样28d前的强度不会降低。当浆体水灰比较低时，掺入粉煤灰，试样28d前强度甚至明显提高。随着粉煤灰掺量的进一步提高，浆体反应速率减小，胶凝作用减弱，孔径增大，早期强度降低[14，15]。
粉煤灰掺量超过30%后，试样28 d前的抗压强度明显降低，但28 d后的强度迅速增长，并逐步超过纯水泥体系[14～17]。E P Kearsley和P J Wainwright[14]对导致这一现象的原因进行了探究，结果表明随着时间的延续，粉煤灰的掺入不断消耗基体中的氢氧化钙，生成更多水化产物，降低孔隙率，增强体系密实度。粉煤灰取代水泥的量增加至67%时，仍不会降低试样的后期强度。如图1，郎营[17]进一步研究粉煤灰对水泥基发泡混凝土的抗拉强度，发现粉煤灰对提高体系后期抗拉强度有积极贡献。另外，研究还发现粉煤灰对水泥基发泡混凝土抗压强度的影响作用大于发泡剂和水灰比。
