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菱镁复合保温建筑墙板研究

来源 : www.sdsjky.com   发布时间 : 2012-11-06

菱镁复合保温建筑墙板研究

 张兴福 曹永敏 崔洪涛 李战发

山东省建筑科学研究院 山东济南 250031

摘要:主要研究了粉煤灰、锯粉、短纤维、、改性剂对菱镁复合保温建筑墙板性能的影响,通过正交试验,得到最优配方,研制的墙板力学性能、隔声、隔热、放射性、防火性等指标均达到和超过了JG/T169-2005标准的要求。

关键词:菱镁复合保温建筑墙板;粉煤灰;短纤维;发泡剂;改性剂;正交试验;面密度;抗吸潮性;耐水性;力学性能

1.         概述

国家墙体材料革新十五规划中明确指出:墙体材料革新是保护土地资源、节约能源、资源综合利用、改善环境的重要措施,也是可持续发展战略的重要内容研究、开发有利于改善建筑环境、提高施工效率、节能、节土、利废、保护环境的轻质、高强、多功能、复合型新型墙体材料的生产和应用技术”目前,新型墙体材料已被国家计委、国家科技部制定的《当前优先发展的高技术产业重点领域指南》列入高技术产业发展重点。 国家经贸委 2002 年发布建材行业近期导向:发展年产 15 万平方米以上的轻质板材生产线,开发采用农作物秸秆为主要原料生产环保型轻质板材的新技术、新工艺。

中国菱镁行业协会在中菱镁协字2006年第28号文《菱镁产业结构调整指导目录》中,将“优质环保节能新型菱镁装饰(防火)板,装饰工艺品,工农业用制品构件和墙体材料及生产中消纳工业、农业废弃物与资源化的关键技术与装备开发”列为鼓励类的产品,这为今后建材产品的发展指明了方向。

据资料介绍,目前发达国家墙板应用平均达到50%以上,而我国建筑墙板在墙体材料中仅占2 ~ 3%。现在我国房屋建筑竣工面积平均以23 ~ 26%的增长率递增,以此速度发展,到2010年房屋建筑竣工面积将超过20亿m2,其增长速度和发展空间都是相当巨大的。

2. 菱镁建筑隔墙板的性能特点

在无机胶凝材料中,菱镁水泥即镁质胶凝材料是其重要的分支之一,它主要应用于建筑工程、市政工程、公路交通、环保行业及农业生产中,其制品在代木、代钢等方面,显示出其优越性。菱镁胶凝材料的优点有以下几个方面:①是一种气硬性胶凝材料,即其终凝后只有在空气中才能继续凝结硬化,制品不需要潮湿养护,无需蒸养、干燥等热工设备,能耗大大降低。②常温生产环境下(环境温度在20℃以上),强度增长快,抗折、抗压强度高。其一天、七天的抗折、抗压强度能分别达到28天龄期强度的30%80%;③弱碱性、低腐蚀性。菱镁水泥浆体滤液的pH值在8~9之间,这样就可以使用价格适中的中碱玻璃纤维作为增强材料;④对有机和无机材料或纤维具有较好的胶结性,可以大量掺入废渣(如粉煤灰、矿渣等)、农业废弃物(刨花、锯粉、稻壳粉等),不但改善了墙板性能,而且降低了成本,减少废弃物对环境的污染;属绿色环保材料;菱镁材料属于不燃材料,耐火极限1小时以上。

现有的菱镁类墙板一般是以菱镁水泥为胶凝材料,填充锯末或珍珠岩粉或陶粒,并加入玻璃纤维布(或丝)来制成;这类墙板的主要特点是:强度高、隔声性能好、可加工性能好。但其缺点也是很明显的,①面密度较大,90mm厚的墙板重量为60~80kg/m2,增加了建筑荷载;②保温性能差,传热系数在1.2W/m2.K以上;③耐水性能差;有的存在吸潮返卤问题。因此,需要在面密度(重量)、保温隔热性、抗吸潮性以及耐水性上进行试验研究,以期得到更大的提高。

3. 试验原材料及试验条件

3.1试验所用原材料

轻烧氧化镁

 轻烧氧化镁是用菱镁矿经反射窑煅烧,再经磨细而成外观呈白色粉末,氧化镁是主要材料,要求其活性要适中,fCa0等杂质含量低。欠火或过火的氧化镁都会造成水化缓慢、制品变形翘曲,所以上述成分尽量少。试验用辽宁省海城产轻烧氧化镁粉的化学成份见表1                            

1   试验用轻烧氧化镁的化学成份

项目

MgO

fMgO

fCaO

n.n.n

细 度

含量,%

85.23

60.80

1.75

6.60

180目筛筛余3.60%

②工业氯化镁

工业氯化镁即水氯镁石(MgCl2·6H2O),分为海产和青海盐湖产两种,它加入一定比例的水即配成氯化镁溶液(卤水)。试验用工业氯化镁为山东海化集团生产,主要化学成分见表2

2   试验用工业氯化镁的化学成份

项目

MgCl2

KCl

NaCl

CaCl2

含量,%

46.12

0.36

0.52

0.28

③粉煤灰

Ⅱ级灰,主要成分见表3

3    试验用粉煤灰的化学成份

项目

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

SO3

K2O

Na2O

n.n.n

含量%

48.45

31.26

6.93

2.50

2.07

1.05

0.67

0.31

6.26

④有机填料——秸秆粉或锯粉

主要降低制品容重,增加韧性,试验使用的是通过10目筛的细粉。

⑤增强纤维

增强材料用中碱玻璃纤维绞织布,短纤维选用长6~15mm,中碱玻璃纤维。

⑥改性剂

抗返卤剂、缓凝剂、耐水剂、发泡剂,均为我院研制生产。

3.2 试验基本条件

实验室温度为20±2℃,卤水密度为1.22g/cm3,采用4cm×4cm×16cm三联模成型,脱模后在标准养护温度下养护至规定龄期,分别进行抗折、抗压、耐水性试验。所用仪器主要有JJ-5水泥胶砂搅拌机、YAW-300B型微机控制水泥压力试验机、HWS-270型恒温恒湿养护箱等。

4试验结果与讨论

4.1粉煤灰对力学性能的影响

4.1.1粉煤灰基本性能

粉煤灰是燃烧煤的发电厂将煤磨成100微米以下的煤粉,用预热空气喷入炉膛成悬浮状态燃烧,产生混杂有大量不燃物的高温烟气,经集尘装置捕集就得到的粉状材料。粉煤灰是一种具有活性的火山灰样物质,颗粒很细,其颗粒一般呈球形,表面光滑,呈灰色,比重为1.9~2.4g/cm3,松散容重为550~800kg/m3,比表面积为2700~3500cm2/g80μm孔筛的筛余率为10~30%,空隙率为55~75%

粉煤灰的活性主要取决于活性Si02Al2O3的含量。粉煤灰作为掺合料,不仅可以取代部分氧化镁,降低产品的生产成本,保护环境,而且能与氧化镁互补短长,改善菱镁制品的一系列性能。所以,粉煤灰已逐渐成为菱镁胶凝材料中一种重要的无机填充材料。

4.1.2 试验结果及分析

粉煤灰对菱镁胶凝材料抗折、抗压及软化系数的影响见表4

     粉煤灰对强度的影响

在菱镁水泥中掺入粉煤灰后,从表4看出,随着粉煤灰掺量的增加,菱镁水泥抗压强度逐渐下降,但抗折强度下降的幅度比抗压强度要小,而且先下降,然后又有升高。当粉煤灰/MgO90%以内时,抗折强度下降幅度在10~20%;当粉煤灰/MgO60%以内时,抗压强度下降幅度在10~35%,粉煤灰再增加,抗压强度下降幅度更大。

②粉煤灰对耐水性的影响

掺入粉煤灰的试件与不掺的相比较,浸水后的抗折强度反而提高,抗压强度先提高(粉煤灰掺量在30%以内)后下降(粉煤灰掺量30%以上),说明粉煤灰对菱镁制品的耐水性有明显的改善。粉煤灰中含有很多活性的Si02Al2O3Fe2O3,在体系中反应能够生成MgSiO3Fe(OH)3Al(OH)3等凝胶和絮凝物,堵塞内部毛细通道,而硅酸镁凝胶水稳定性好,不容

4  粉煤灰对菱镁制品力学性能的影响

序号

粉煤灰/MgO%

14d强度,MPa

浸水72hMPa

抗折

抗压

抗折

软化系数

抗压

软化系数

1

0

12.2

89.0

3.1

0.25

32.3

0.36

2

10

11.6

87.0

3.7

0.32

41.4

0.48

3

20

10.4

72.3

3.4

0.33

37.9

0.52

4

30

9.8

70.3

3.5

0.36

32.8

0.47

5

40

10.0

64.3

4.5

0.45

30.4

0.47

6

50

9.8

57.1

4.6

0.47

30.0

0.53

7

60

9.8

59.3

5.0

0.51

29.1

0.49

8

70

10.3

52.2

4.9

0.48

25.9

0.50

9

80

10.5

51.8

4.5

0.43

26.1

0.50

10

90

11.1

48.0

5.0

0.45

24.7

0.51

11

100

9.2

47.2

4.3

0.47

23.1

0.49

易被水破坏,从而提高了耐水性。

     粉煤灰对体积稳定性的影响

菱镁水泥体积变形大的2个主要原历因是:(1)水化反应是体积膨胀的过程;(2)反应过程中的热变形。掺入粉煤灰后,菱镁水泥的反应放热速率降低,反应加速期到来的时间推迟,早期放热量降低,这样,有利于改善制品的体积稳定性,减少制品的热变形。

4.2有机填料及短纤维对力学性能影响

4.2.1 正交试验

(一)因素与位级,见表5

 

 

 

 5 正交试验的因素与位级

因素

粉煤灰

有机填料

短纤维

位级

0.5

0.2

0.005

0.6

0.3

0.01

0.7

0.4

0.015

(二)正交试验结果,见6

(三)正交试验结果分析

①因素—粉煤灰

50~70%的粉煤灰对菱镁制品的性能影响都不大,唯一的是随着用量的增加,抗压强度值略有降低,这进一步证明了大掺量的粉煤灰可以应用于菱镁制品中。

②因素—有机填料

有机填料对菱镁制品的影响最大,随着用量的增加,制品密度降低,抗折强度提高,这样有利于降低产品重量,提高产品韧性;但随之也带来了抗压强度及抗压耐水性的降低,因此,对有机填料的使用量,一定要在保证力学性能的条件下适量选用。

③因素—短纤维

短纤维的使用,提高了浸水后抗折强度,因此,在满足生产工艺的前提下,尽可能地多使用短纤维。

试验总结

通过表6总结出,14天抗折强度最高,应选择粉煤灰0.5,有机填料0.4,短纤维0.015

14天抗压强度最高,应选择粉煤灰0.5,有机填料0.2,短纤维0.015;浸水72h抗折强度最高,应选择粉煤灰0.7,有机填料0.3,短纤维0.01514天抗压强度最高,应选择粉煤灰0.6,有机填料0.2,短纤维0.01

6  正交试验结果

序号

粉煤灰

有机填料

短纤维

密度

14d强度,MPa

浸水72h强度,MPa

抗折

抗压

抗折

抗压

1

0.5

0.2

0.005

1.76

11.3

57.4

5.6

30.4

2

0.5

0.3

0.01

1.71

12.7

52.1

7.3

31.8

3

0.5

0.4

0.015

1.57

13.9

38.7

8.1

25.9

4

0.6

0.2

0.01

1.75

10.4

55.2

6.6

42.7

5

0.6

0.3

0.015

1.69

11.7

49.4

8.0

30.2

6

0.6

0.4

0.005

1.58

13.5

34.6

6.9

25.0

7

0.7

0.2

0.015

1.74

11.7

52.5

8.1

31.1

8

0.7

0.3

0.005

1.70

12.2

43.9

7.1

26.4

9

0.7

0.4

0.01

1.54

12.8

31.1

6.4

21.6

14d

抗折

抗压

抗折

抗压

抗折

抗压

 

12.63

49.4

11.13

55.03

12.33

45.3

11.87

46.4

12.2

48.47

11.97

46.13

12.23

42.5

13.4

34.8

12.43

46.87

R

0.76

6.9

2.3

20.2

0.46

1.57

72h

抗折

抗压

抗折

抗压

抗折

抗压

7.0

29.37

6.77

34.73

6.53

27.27

7.17

32.63

7.47

29.47

6.77

32.03

7.2

26.37

7.13

24.17

8.07

29.07

R

0.2

6.26

0.7

10.56

1.54

4.76

3.3.3不同掺量短纤维试验结果。

不同的纤维作用不同,有的具有提高强度的作用,有的能提高软化系数,有的可以提高韧性,生产中应根据试验结果适量选用,试验结果见表7

7不同纤维试验

编号

纤维掺量,%

密度,g/cm3

28天强度,MPa

浸水3天强度,MPa

软化系数

1

0

1.65

10.3

39.8

9.4

29.5

0.91

0.74

2

纤维A  0.5

1.63

10.1

40.2

8.7

29.9

0.86

0.74

3

纤维B  0.5

1.65

11.4

37.3

10.2

31.8

0.89

0.85

4

纤维C  0.5

1.64

9.8

38.8

10.0

30.8

1.02

0.79

5

纤维D  0.5

1.63

10.0

40.4

9.7

29.3

0.97

0.73

6

纤维E  1.0

1.67

11.4

39.4

8.8

317

0.77

0.80

4.3发泡剂对密度及强度的影响

  锯粉的大量使用容易造成卤水用量过大,带来了吸潮返卤的可能性,同时可能带来干缩过大,采用发泡剂来降低密度,可以解决这些问题,具体结果见表8

8 发泡剂试验结果

编号

发泡剂,%

密度比

脱模

密度

28天强度,MPa

浸水3天强度,MPa

1

0

-

1.94

17.3

71.0

6.0

36.7

2

0.4

82

1.59

9.0

26.6

3.5

17.4

3

0.5

81

1.58

8.6

32.7

3.1

16.9

4

0.6

76

1.47

7.0

26.9

2.5

11.6

     从上表中看出,发泡剂掺入降低密度效果相当明显,相应的强度也降低。市场上水泥发泡剂品种很多,如树脂类、蛋白质类、高分子表面活性剂等,并不是所有水泥发泡剂在菱镁制品中都能获得很好的效果,要经过选择,找到适合的发泡剂。

4.4耐水性和抗返卤性的试验

4.4.1 耐水性

为了改善菱镁水泥的抗水性,在原有组分中加入少量的一种或几种添剂,使菱镁水泥硬化浆体中形成一些溶解度低的水化产物,一般采用磷酸盐、有机酸、水溶性高聚物、硫酸盐、铁盐、铝盐、活性废渣等作为抗水剂,本研究采用无机和有机复合型防水外加剂,效果更好。

耐水性,表示制品在潮湿环境中长期使用性能,一般用软化系数来表示。软化系数越高,表示制品浸水后强度损失越小,其耐水性和耐久性就越好。按行业标准JG/T169-2005“建筑隔墙用轻质条板的要求,将按要求切下的墙板浸水72h的抗压强度与浸水前的同组板的抗压强度之比即为软化系数。复合墙板软化系数检测结果见表9

9 复合墙板抗压软化系数

 

  

复合保温墙板

泡水72h

1#

2#

3#

1#

2#

3#

总长,mm

99.3

99.7

94.7

93.5

97.0

97.0

总宽,mm

89.0

89.0

89.0

90.0

90.0

90.0

抗压力,kN

73.42

72.82

75.86

62.40

62.60

62.21

抗压强度,MPa

8.3

8.2

9.0

7.4

7.2

7.1

平均抗压强度,MPa

8.5

7.2

软化系数

-

0.85

 4.4.2抗返卤性

     制品吸潮返卤的外观特征

    按现有菱镁制品吸潮返卤的检测方法,将制品按要求切块后放入温度30-35,相对湿度90%以上的养护箱中或放在自然环境中,分别在24h 48h后用肉眼来观察表面,是否有水珠或表面变湿,表面出现水珠即为返卤,表面潮湿为吸潮,表示抗吸潮返卤性一般,表面干燥即为不吸潮返卤。

  制品吸潮返卤的机理分析

    从构成制品的主要原料来分析,轻烧氧化镁的拌和剂溶液-卤水中含有一定的杂质,主要是NaClKCl等,具有吸湿性,它们和轻烧氧化镁拌和后,与氧化镁之间不产生反应,仍以游离状态存在,菱镁制品是一种多孔性材料,这些杂质易于游离到制品表面,使制品吸潮返卤。杂质含量越多,吸潮返卤现象就越严重。

     从制品的生产工艺来分析,因操作工艺的需要,卤水的加入量一般偏多,必然存在过量的MgCl2,而MgCl2是强吸潮剂。当制品内部的水分向表面迁移后,水分蒸发到空气中,而所溶解的MgCl2就会在制品表面的毛细孔、缝隙及表面结晶下来。当空气湿度变大(阴雨天)或将制品放到湿度大的地方(如地下室),这些结晶的MgCl2又会吸收空气中的水分,制品表面变潮湿进而结水珠,严重时水流淌,产生吸潮返卤。如果空气湿度变低,硬化体表面水分蒸发,留下了白色结晶。所以,含有游离MgCl2的镁水泥硬化体在使用和存放过程中,会随着环境湿度的不同发生吸潮返卤干燥的周期变化,影响使用效果。

解决吸潮返卤的措施

a.选用符合标准要求的原材料,MgO/MgCl2摩尔比在6-9之间。

b.掺入改性剂,改变制品的表面性能,使制品原来具有的强烈吸潮性的表面变成憎水性很强的表面,从而增强制品的抗吸潮返卤能力。

c.掺入的改性剂中具有较强的减水功能(见表10),能降低卤水用量,减少游离MgCl2产生的可能性,这样就降低了制品吸潮返卤的机会。

10    抗返卤剂对菱镁料浆流动性的影响              

MgO/MgCl2

改性剂加入量

流动度mm

流动度提高率  %

7.26

       1%

120

0

抗返卤剂   1%

135

12.5

4.5中间保温层

该产品的保温层选用了聚苯乙烯泡沫塑料(EPS),它具有优良的绝热性能,抗腐蚀、防水、重量轻等优点,因此被广泛的应用于保温、隔热等用途。EPS保温板的物理力学及机械性能要符合GB/T10801.1-2002的要求。

4.6增强纤维

众所周知,在玻璃纤维制造技术相同的情况下,无碱比中碱的强度高15-25%,中碱比高碱的强度高10-15%,而抗碱介于无碱和中碱之间,抗碱和无碱玻璃纤维价格较高,高碱玻璃纤维强度低且不耐腐蚀,所以中碱玻璃纤维布用于镁质保温墙板的加筋材料较合适。

5 生产成型工艺

 我们试验研究成功自动化配料、机械化生产的菱镁复合保温墙板,其生产工艺流程如图1所示:

轻烧镁粉、卤水、粉煤灰、有机填料、改性剂等 自动计量配料 机械搅拌 铺玻纤布铺底浆 铺设EPS保温板 铺设加强肋 铺设面浆   铺玻纤布压平养护16~24h 脱模养护715d 切割检验出厂

1 菱镁复合保温墙板生产工艺流程图

工艺技术方案如下:采用改性菱镁胶凝材料和聚苯乙烯泡沫板(EPS)复合制作而成的轻质复合保温墙板,两边的保护层是用改性菱镁胶凝材料来制作,用中碱玻璃纤维布增强,以提高制品的抗弯破坏荷载和抗冲击性能;胶凝材料中掺有我院研制的菱镁系列改性剂,以提高制品的耐水性、提高制品抗吸潮返卤的能力,调节料浆的凝结时间等。

6. 镁复合保温建筑墙板的综合性能

按照建筑工业行业标准JG/T169-2005要求,建筑隔墙用轻质条板的质量指标见表13,我们研制生产的菱镁复合保温墙板在国家建筑材料测试中心、国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心的检测数据见表11

从表11中看出,抗弯破坏荷载/板自重倍数是标准要求的4倍多,抗压强度是标准要求的2倍多,面密度只有标准要求的37.6%,所以该复合墙板具有强度高、重量轻、保温隔热、无污染、无辐射、不吸潮返卤、防火、防水、隔音效果好等特点;可以实现自动化配料、机械化成型;可以大掺量地使用粉煤灰,具有环保利废的功能。我们研制生产的该产品已获得国家专利。

11菱镁复合建筑墙板物理力学性能指标

序号

    

标准要求性能指标

实测值

(未注厚度均为90mm

板厚60mm

板厚90mm

板厚120mm

1

抗冲击性能/

≥5

≥5

≥5

5次冲击,无贯通裂缝

2

抗弯破坏荷载/板自重倍数

≥1.5

≥1.5

≥1.5

7.1

3

抗压强度/MPa

≥3.5

≥3.5

≥3.5

7.2

4

软化系数

≥0.8

≥0.8

≥0.8

0.8

5

面密度/kg/m2

≤70

≤90

≤110

33.8

6

含水率/%

12/10/8

1.9

7

干燥收缩值/mm/m

≤0.6

≤0.6

≤0.6

0.51

8

吊挂力/N

≥1000

≥1000

≥1000

板面无裂缝与破坏

9

空气声隔声量/dB

≥30

≥35

≥40

39

10

耐火极限/h

≥1

≥1

≥1

1.12

11

传热系数/W/m2.K

/

/

≤2.0

0.33(厚120mm

12

放射性核素限量

IRa(内照射指数)

≤1.0

0.1

Ir(外照射指数)

≤1.0

0.1

   

7. 产品推广应用情况

20074月,我院与石家庄某公司进行合作,从配料工艺到机械成型,从材料的配比到制品的各种性能,都进行了大规模的试验研究,效果良好。生产的90mm120mm厚的复合保温墙板,经国家建筑材料测试中心、国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心的检测,其力学性能、隔声、隔热、放射性、防火性等指标均达到和超过了JG/T169-2005标准的要求,取得了令人满意的效果;两年多来,该公司的产品已销往石家庄、天津等地,以性能优良、安装快捷得到工程方的好评。

8. 结语

1我们研制开发的菱镁复合保温建筑墙板可以大量地利用粉煤灰等工业废渣以及锯粉等废弃材料,符合国家产业发展方向,符合山东省新型墙材建筑节能技术产品的要求,有利于资源综合利用,节约土地,改善环境,是一种节能型新型墙材。

2本项目20096月通过山东省科学技术厅组织的技术成果鉴定,达到国际领先水平

3)该复合墙板力学性能、隔声、隔热、放射性、防火性等指标均达到和超过了JG/T169-2005标准的要求

4)菱镁复合墙板是一种无毒、无污染的环保型“绿色”产品,是实现“绿色建筑”的一种重要材料,是工业及民用建筑理想的内隔墙材料

 

 

 

 

 

 

作者简介:张兴福 山东烟台人,19653月出生,研究员,从事菱镁胶凝材料改性剂及配套技术研究,电话:158666370350531-85595365

 

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