（材料学专业论文）b05级加气混凝土制备及其热工分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着能源形式的日益严峻，固体废弃物逐渐增多，环境保护与可持续发展 成为当今热点问题。同时建筑能耗的飞速增长，使得建筑节能显得日益重要。 墙体是建筑围护结构的重要组成部分，外墙的耗热量约占居住建筑总热量损耗 的3 5 4 5 ，国内的节能现状及资源特点，为自保温材料的开发和应用提供了 很好的机遇和巨大的发展空间。加气混凝土作为一种轻质墙体材料再一次受到 人们的关注。集高强、保温隔热、质轻、可加工性强等优点为一体的加气混凝 土，使得建筑过程更为有效、节能、环保。 本文研究了利用硅质固体废弃物( 石屑、尾矿) 制备b 0 5 级加气混凝土的 生产工艺参数，通过对硅质原材料细度、水料比、各主要组分掺量以及蒸压养 护制度的研究，分析它们对加气混凝土成品性能的影响，最终确定最优配合比， ( 水泥：硅质原材料：混灰：水) 石屑加气混凝土为：7 5 ：3 2 0 ：1 0 5 ：3 2 0 ；金 尾矿加气混凝土为：9 0 ：2 7 5 ：1 3 5 ：3 0 0 ；铅锌尾矿加气混凝土为：1 1 0 ：2 6 5 ： 1 2 5 ：2 7 5 。同时，对成品进行微观测试分析，结合测试结果，探讨了水化反应 过程及强度形成机理。研究表明：利用硅质固体废弃物( 石屑、尾矿) 在实验 室能制备出性能稳定的b 0 5 级加气混凝土，达到了国家标准要求。同一般砂加 气混凝土一样，其主要水化产物是水化硅酸钙、托贝莫来石和水石榴石，其孔 壁结构均匀密实，能够形成较好的加气混凝土结构体系。 最后，本文对加气混凝土产品热工性能指标进行探讨分析，说明加气混凝 土产品的热物理性能是外墙耗能计算的重要依据，以导热系数为核心的热物性 能，应同强度性能一样作为加气混凝土产品质量的重要指标。通过对各种墙体 保温体系的热性能与经济效益对比分析，得出加气混凝土墙体自保温材料是节 能、节土、利废的可持续发展的建筑材料，如对其进行推广，将具有显著的经 济效益和社会效益，其意义深远和重大。 关键词：建筑节能，硅质废弃物，加气混凝土，热工性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc o n s i d e r a t i o no ft h es e r i o u se n e r g y - u s i n gs i t u a t i o na n di n c r e a s i n gn u m b e ro f s o l i dw a s t e ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n th a sb e c o m eah o t i s s u et o d a y a tt h es a m et i m e ，t h er a p i dg r o w t hi nb u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n m a k e sb u i l d i n ge n e r g yc o n s e r v a t i o ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t b u i l d i n ge n v e l o p ew a l li s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee x t e r n a lr e s i d e n t i a lb u i l d i n g s w a l lc o n s t r u c t i o n i t s h e a tc o n s u m p t i o na c c o u n t sf o ra b o u t3 5 4 5 o ft h et o t a lh e a tl o s s c o m b i n e d w i t he n e r g y - s a v i n gf e a t u r e sa n dr e s o u r c e so fc h i n e s ec u r r e n ts t a t u s ，t h eb u i l d i n g e n v e l o p ew a l lp r o v i d e sav e r yg o o do p p o r t u n i t i e sa n dt r e m e n d o u ss p a c ef o rt h e d e v e l o p m e n to ft h e r m a li n s u l a t i o nm a t e r i a l s a e r a t e dc o n c r e t ea sal i g h tw a l lm a t e r i a l h a sa t t r a c t e do u ra t t e n t i o na g a i n w i t ha d v a n t a g e so fh i g h s t r e n g t h ，h e a ti n s u l a t i o n ， l i g h tw e i g h ta n ds t r o n gm a c h i n a b i l i t y , i tm a k e st h e c o n s t r u c t i o np r o c e s sm o r e e f f i c i e n t ，e n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h ep r o d u c t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sb yw h i c hb 0 5 a e r a t e dc o n c r e t ew a sp r o d u c e df r o ms i l i c e o u ss o l i dw a s t e ( s t o n e ，m i n et a i l i n g s ) b y t h es t u d yo ft h ef i n e n e s so fs i l i c e o u sr a wm a t e r i a l s ，w a t e rr a t i o ，t h em a i nc o m p o n e n t c o n t e n ta sw e l la s a u t o c l a v i n gc o n s e r v a t i o ns y s t e m ， w ea n a l y z e dt h e i r f i l l i n g p r o p e r t i e s o fc o n c r e t ep r o d u c t s ，a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n e dt h eo p t i m a lm i x ( c e m e n t ：s i l i c e o u sm a t e d a l s ：m i x e da s h ：w a t e r ) t h er a t eo f s t o n ec h i p s - a e r a t e dc o n c r e t ei s 7 5 ：3 2 0 ：1 0 5 ：3 2 0 ；g o l dr a i l i n g s - a e r a t e d c o n c r e t ei s9 0 ：2 7 5 ：1 3 5 ：3 0 0a n dl e a d z i n c t a i l i n g s - a e r a t e dc o n c r e t ei s1 1 0 ：2 6 5 ：1 2 5 ：2 7 5 m e a n w h i l e ，w em a d em i c r o t e s ta n a l y s i s f o rt h ef i n i s h e dp r o d u c t c o m b i n i n gw i t ht h et e s tr e s u l t s ，w ed i s c u s s e dt h eh y d r a t i o n p r o c e s sa n ds w e n g t ho ft h e f o r m a t i o nm e c h a n i s m s t u d ys h o w st h a t ：t h eu s eo f s i l i c e o u ss o l i dw a s t e ( s t o n e ，t a i l i n g s ) c a l lb ep r e p a r e df o rt h eb 0 5 一c l a s sp e r f o r m a n c e a n ds t a b i l i t yo fa e r a t e dc o n c r e t ei nt h el a b o r a t o r y , a n di tr e a c h e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d r e q u i r e m e n t sa n df o r m e dah o m o g e n e o u sa n dd e n s i f i e dm i c r o s t r u c t u r eo fa e r a t e d c o n c r e t e l i k eo t h e rc o m m o ns a n da e r a t e dc o n c r e t e ，t h em a i nh y d r a t i o np r o d u c t sa r e c s h ( b ) ，t o b e r m o r i t ea n das m a l la m o u n to fg r a n u l a rh y d r o g a r n e t 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 f i n a l l y , w em a d ea n a l y s i s f o ra e r a t e dc o n c r e t e p r o d u c t so ft h et h e r m a l p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s w ec o n c l u d e dt h a tt h et h e r r n o p h y s i c a lp r o p e r t yo fa e r a t e d c o n c r e t ep r o d u c ti st h ei m p o r t a n tb a s i sf o rt h ec a l c u l a t i o no fe x t e r n a lw a l l so ft h e r m a l e n e r g y t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya tt h ec o r eo ft h et h e r m a lp r o p e r t i e ss h o u l db eu s e da s a l li m p o r t a n ti n d i c a t o ro fp r o d u c tq u a l i t ya st h ei n t e n s i t yo fa e r a t e dc o n c r e t e b y c o m p a r i n gav a r i e t yo fw a l li n s u l a t i o ns y s t e mw i t ht h et h e r m a lp e r f o r m a n c ea n dt h e c o s t e f f e c t i v e n e s sa n a l y s i so fa e r a t e dc o n c r e t ew a l l ，w eb e l i e v et h a tt h ea e r a t e d c o n c r e t ew a l li n s u l a t i o nm a t e r i a l sa le e n e r g y - s a v i n g ,e a r t h s a v i n g a n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i n g 豳d e v e l o p m e n t a l l y - s u s t a i n a b l eb u i l d i n gm a t e r i a l s i fw e 矿o m o t ei t ，i tw i l lb r i n gu ss i g n i f i c a n ta n df a r - r e a c h i n ge c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：e n e r g ys a v i n gi nb u l i d i n g ，s i l i c e o u sw a s t e ，a e r a t e dc o n c r e t e ，t h e r m a l p e r f o r m a n c e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 雠) 敞新雠严醐掣玎 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 能源、废弃物问题 第1 章绪论 什么是能源? 能源是指煤炭、石油、天然气、生物能源、电力、热力以及 其它直接或者通过加工、转化而取得有用能的各种资源。能源是人类社会赖以 生存和发展的重要物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类文明的每一次重 大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发利用极大地推进了世界经济和 人类社会的发展。 过去1 0 0 多年里，发达国家先后完成了工业化，消耗了地球上大量的自然 资源，特别是能源资源。当前，一些发展中国家正在步入工业化阶段，能源消 费增加是经济社会发展的客观必然。我国也正进入这一阶段，成为目前世界上 第二位能源生产国和消费国。2 0 0 7 年下半年，台湾陈水扁疯狂推动“入联公投 ， 鼓吹“台独分裂言论，大陆国台办发言人在例行新闻发布会上严厉指出：这 是赤裸裸的“台独分裂行径，如果陈水扁执迷不悟，一意孤行制造“台独” 事变，那“台独就是战争。在台湾局势全面剑拔弩张之际，美国五角大楼预 测，如果台湾战争爆发，大陆方面若1 5 日之内不能攻取台湾，战争结果就会发 生逆转。美国五角大楼预测的依据就是大陆的石油储备只能坚持打1 1 天，这一 预测不管其真实性有多大，但也从一个侧面反映了我国能源问题面临的严峻性 i l 】 0 固体废弃物也称固体废物，指人们在生产过程中和生活活动中产生的固体 和泥状物质。按其来源不同，主要分为工业废物、矿业废物、农业废物、城市 垃圾、放射性废物和传染性的废物等几大类。固体废物的管理主要是指控制其 污染和实行资源化 2 1 。 随着制造业的迅速发展，我国工业固体废弃物产生量也日益增多，2 0 0 6 年的 产生量已经达到1 5 4 亿吨，成为经济和社会可持续发展的严峻挑战。它已成为 世界公认的一大公害。 同时我国迅猛的基础设施建设需要大量的胶凝材料，大多数工业固体废弃 武汉理工大学硕士学位论文 物的化学成分与胶凝材料相近，而且大多处于介稳态，具有定的胶凝活性和潜 在胶凝性，工业固体废弃物在胶凝材料领域应用不仅消纳了大量的工业废渣也 节省大量的人造胶凝材料。工业固体废弃物在胶凝材料中的水化反应是其应用 的基础，其反应热力学决定了其反应产物以及其胶凝性能。通过对工业固体废弃 物的化学特性的研究，将工业固体废弃物分为6 类，通过6 类工业固体废弃物的 有效组配形式将其分为6 种工业固体废弃物胶凝材料体系：石膏系、石灰系、 石灰一火山灰系、水硬体系、水泥一火山灰系、石灰一火山灰一石膏系【3 】。 1 1 2 可持续发展，利用固体废弃物生产建材 能源和资源的枯竭，以及减轻固体废弃物占地和环境污染的需要，使利用 固体废弃物生产建筑材料在近几十年来逐渐成为时尚。国家和地方也专门制定 了优惠政策。例如：针对我国当前新型建材发展和应用中存在的问题，概括起 来，对生产企业的优惠政策有：( 1 ) 发展新型墙体材料的基建、扩建、技改项 目，实行固定资产投资方向调节税税率为0 9 6 的政策：( 2 ) 发展新型墙体材料的 项目，可列入国家开发银行的基本建设政策性投资项目，可享受政策性贷款；( 3 ) 发展新型墙体材料项目，引进国外先进设备，免征进口设备关税和进口产品增 值税；( 4 ) 凡企业利用本企业外的大宗固体废物作主要原料，生产建材产品的 所得，从生产经营之日起，免征所得税5 年；( 5 ) 对企业生产的原料中掺有不 少于3 0 的煤矸石、粉煤灰、炉渣及其它废渣的建材产品，免征产品增值税；( 6 ) 各地政府要从技术改造资金中划拨一定比例用于墙材企业技术改造；( 7 ) 排渣 单位不准以任何名义对生产新型墙体材料的废渣收费或变相收费，对利用废渣 生产新型墙材的企业，排渣单位应积极给予支持，有条件的还可以给予补贴；( 8 ) 大中城市对节能建筑和新型墙材建筑，可根据当地情况，适当减免城市设施配 套费用；( 9 ) 对使用实心粘土砖的项目，征收一定费用，建立发展新型墙体材 料专项基金，用于墙材企业技术改造和建筑应用技术研究，做到专项专用，加 强管理；( 1o ) 将发展节能建筑和新型墙材建筑纳入城市建设总体规划，确保新 型墙材建筑每年按一定比例增长【4 1 。 到目前为止，固体废弃物中的很多种类如粉煤灰、高炉矿渣、尾矿、煤矸 石、农作物秸杆等已经大量在建材工业中使用。相关的研究项目、论文、专利 在近年大量涌现，专门学术会议也在不同的行业协会陆续举行。 经过多年的科学研究和生产实践，很多种类的固体废弃物已经成功用在了 2 武汉理工大学硕士学位论文 建材生产中。工业固体废物如粉煤灰、矿渣和矿业废物如尾矿、煤矸石等由于 量大、占地多、便于利用( 颗粒小、便于加工、有些还有活性) 等特点，已经 在建材工业中大量使用。粉煤灰的年排放量已经超过亿吨综合利用率已经达到 4 0 ，粉煤灰广泛应用于路基路面材料、混凝土掺合料、粉煤灰水泥、墙体材料 ( 粉煤灰砖或砌块) 和沙浆材料等；矿渣以高炉矿渣为代表，被广泛用于生产 矿渣水泥、轻质混凝土、各种砖和砌块等；煤矸石主要用于生产砖和砌块等墙 体材料和陶粒。尾矿也在近年用于建材生产：利用冶炼锌铅湿废渣替代2 0 的黏 土及5 0 的铁粉原料生产优质普通硅酸盐水泥；利用金属镁厂提炼镁时排出的镁 渣，将其直接磨细后与一定比例的磨细矿渣混合，在复合激发剂作用下配制胶 结料生产各种新型墙体材料；唐山地区高硅铁尾矿用于生产水泥、免烧砖和空 心砌块的应用研究；利用钽铌尾矿研制低温节能陶瓷和利用铅锌尾矿生产高标 号硅酸盐水泥p j 。 1 1 3 可持续发展，建筑节能的提出 当前我国节能减排任务十分艰巨，而建筑行业占全部能耗的4 5 左右，节能 任务很重。但建筑节能工作目前推进效果并不理想，节能水平很低，在全国的 3 2 0 亿m 2 存量建筑中只有1 的节能建筑，2 0 0 3 年后统计的每年2 0 亿i n 2 新建建筑 中有5 的节能建筑。尽管各地都制订了推进建筑节能的政策，如北京要求新建 建筑必须达到节能6 5 的标准，但这些政策并没有产生实效。2 0 0 5 年，北京市建 委对北京市的建筑节能做调研，结果发现新建建筑非但没有达n 6 5 的节能目 标，相反能耗还增加了标煤0 1 k g j m 2 。针对建筑节能工作目前存在的问题，笔者 认为，建筑节能工作需要从政策、技术等方面全面解决一系列复杂问题，才能 取得满意的成果【6 j 。自2 0 0 8 年4 月起，涉及建筑节能的一项新的国家法规节 约能源法正式生效执行。其中，法规第三十四条明确规定：“国务院建设主管 部门负责全国建筑节能的监督管理工作。 法规要求，建筑工程的建设、设计、 施工和监理单位应当遵守建筑节能标准。不符合建筑节能标准的建筑工程，建 设主管部门不得批准开工建设；已经开工建设的，应当责令停止施工、限期改 正；已经建成的，不得销售或者使用。 当今社会，发达国家都空前地重视节能问题，我国目前的单位建筑面积采 暖用能耗相当于气候条件相近的发达国家的3 倍4 倍，中国是一个能源比较贫 瘠的国家，因此合理利用能源，提高能源利用率是我国社会发展的根本大计。 3 武汉理工大学硕士学位论文 我国建筑节能的核心就是对建筑物围护结构和采暖系统进行革新，其中墙 体保温施工技术在建筑节能中发挥着越来越重要的作用。而建筑物外墙围护结 构节能技术的改进，保温材料的更新对社会及建筑能耗的降低具有极其重大的 意义【7 1 。 1 2 国内外节能研究现状 在上个世纪7 0 年代爆发了能源危机，导致了世界经济的大衰退，世界各国 开始关注自身的能源使用状况，开始意识到节约能源的重要性。尤其是对于发 达国家而言，由于大都属于石油进口国，所以能源危机对他们的经济发展和社 会生活产生了很大的冲击。由于建筑能耗在社会总能耗中的所占的重大比例， 建筑节能成为世界节能浪潮的主流之一【s 】。 1 2 1 国外节能研究状况 在发达国家，建筑节能经历了三个发展阶段：第一阶段：e n e r g ys a v i n gi n b u i l d i n g s 即在建筑中节约能源，就是我们常说的建筑节能；第二阶段：e n e r g y c o n s e r v a t i o ni nb u i l d i n g s 即在建筑中保持能源，减少能源损失；第三阶段：e n e r g y e f f i c i e n c yi nb u i l d i n g s 即提高建筑中的能源利用率，是积极意义上的节能。 发达国家一般采用高效节能的保温材料复合而成的墙和屋面，使用保温和 密封性能好的多层窗。发达国家一般限定围护结构的传热系数，以此达到建筑 节能的目的。根据日本节能实践证明：每使用1 吨绝热材料，可节约标准煤3 吨年，其节能效益是材料生产成本的1 0 倍。因此，一些国家将保温材料看作 是继煤炭、石油、天然气、核能之后的第五大“能源 ；2 0 0 2 年生效的德国能 源节约法规定了消费者在购买商品房时，开发商必须出具“能源消耗证明 。 不同国家根据各自处于的采暖地区，围护结构传热系数的规定值也不尽相同。 建筑围护结构( 墙体、门窗、屋面) 是建筑和与其共生环境之间发生热交 换的直接途径，因此成为节能设计研究热点。根据有关技术统计，围护结构各 部位散热热损失比例为：墙体结构的传热热损失约占6 0 - 7 0 ；门窗的传热热 损失约占2 0 - - 3 0 ；屋面的传热热损失约占1 0 ，由图1 1 可以看出墙体结构 的传热损失所占比例最大【7 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 门窗的传热热损失 屋面的传热热损失 图1 - 1 建筑维护结构热损失比例 国外对复合墙体结构研究很多，复合墙体结构技术能大大增加墙体保温隔 热性能，目前主要有外保温、内保温、夹芯保温等三种形式，合理的选取保温 层厚度对加强建筑节能的节能效果。m a r c e l oi z q u i e r d o 对马德里三种面积( 8 0 m 2 、 1 5 0 m 2 、3 0 0 m 2 ) 住宅保温层厚度进行实验研究，发现最优的保温层厚度与其物理 特性、成本及建筑物寿命期和用户有很大关系。根据1 0 年计量结果，通过模拟 仿真发现：当建筑寿命期为5 0 年时，三种不同住宅保温层厚度分别为4 c m 、l o c m 、 l o c m ；当寿命期为7 5 年时，其值为5 c m 、l o c m 、1 2 c m t 9 1 。此外还可通过改变墙 体自身材料【l o 】、填充相变材料1 1 1 、使用保温隔热性能高的材料【1 2 】来加强提高围 护结构的保温隔热性能。 如在英国贝丁顿零能耗发展项目( b e d z e d ) 中，为了减少建筑能耗，墙体采 用夹芯保温结构，保温层填充空腔3 0 0 m m ，两侧用防水砖或防水木，外面用不 锈钢固定，能够有效地隔热和吸收太阳能。英国在传统的砌块墙体上钻眼，向 空气间层内喷入轻质散状保温材料，如聚苯颗粒或岩棉等，来提高改善墙体保 温效能。上海交通大学制冷与低温工程研究所的贾春霞，利用静态热箱实验台， 以既有住宅的墙体为原形，将聚苯板用粘结胶粘在4 9 粘土砖墙上，饰面层为水 泥砂浆( 1 ：3 ) 刷涂料( 含玻纤网) ，进行既有住宅墙体节能改造研刭1 3 】。 1 2 2 国内节能现状及政策 我国的建筑节能工作开始较西方发达国家要晚，最初的工作主要是针对北 5 武汉理工大学硕士学位论文 方地区的气候条件开展的采暖建筑保温工作，1 9 8 6 年发布试行的国家第一部民 用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ( j g j 2 6 8 6 ) 标志我国建筑节能工作正 式启动。我国建筑节能大致经历了两个阶段1 8 j ：第一阶段，从1 9 8 6 年起，要求 节能率在1 9 8 0 年当地通用设计能耗水平的基础上节能3 0 ，由于经济发展和人 民生方式决定了当时建筑节能工作的重心是加强北方地区采暖建筑的节能。进 入2 0 世纪9 0 年代，经过努力，全国节能建筑己达5 0 0 0 万m 2 ，主要集中在北方 地区城市，其中约有一半建在北京、天津、唐山地区，建筑面积仅占全国城市 建筑面积的2 1 。第二阶段，从1 9 9 6 年起到2 0 1 0 年，为实现“建筑节能九五 计划和2 0 1 0 规划，在达到第一阶段节能要求的基础上实现节能5 0 的目标。 随着经济的发展、人民生活水平的提高以及城镇化进程的加快，建筑节能的重 心开始逐渐从北方地区向南方地区，从民用建筑向公共建筑偏移，形成“南北 共重，城乡并举”的建筑节能工作开展的新重心。表1 1 是我国建筑节能工作相 关的标准、法规和文件，从中可以看出我国建筑节能工作发展的历程以及变化 【1 4 】 o 表1 1 国务院有关部门建筑节能文件 时间文件 1 9 8 6 1 9 9 5 2 0 0 1 2 0 0 5 2 0 0 5 2 0 0 5 2 0 0 7 民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ，提出了节能3 0 的目标 民用建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) ，对围护结构提出了节能 5 0 的目标 夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准 公共建筑节能设计标准，提出节能建筑全年暖通空调及照明总能耗要 减少5 0 的要求 国务院办公厅关于进一步推进墙体材料革新与推广节能的通知，提出 要限期禁止生产销售使用实心粘土砖，凡财政拨款或补贴的行政机关 办公用房、公共建筑、经济适用房、建筑小区都要执行建筑节能设计 标准，采用新型墙体材料，所有新建建筑要强制执行国家已颁布的建 筑节能设计标准 民用建筑节能管理规定，( 建设部令第1 4 3 号) 中华人民共和国国家标准建筑节能工程施工质量验收规范 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 3 新型墙体材料推广的可行性和必然性 随着我国节能减排国策的实施，建筑节能越来越得到人们的高度重视。如 今我国全面展开了建筑节能，迄今为止全国都已展开节能5 0 以上的强制性标准 和要求。按照国家节能发展规划到2 0 2 0 年全面实行节能7 5 的标准。因而，对 建筑围护结构墙材的节能要求越来越高。粘土砖作为建筑业使用最为广泛的建 筑材料，它以其原材料分布广、材料强度高、和砂浆粘结力好、易于砍砌施工 等优点曾在我国建筑墙体材料中占据绝对主导地位。但是，由于粘土砖对土质 的要求很高，大量采挖会破坏大面积的耕地和植被，对生态环境影响极其严重。 我国生产粘土砖每年耗用粘土资源达1 0 多亿立方米，约相当于毁田5 0 万亩， 同时，我国每年生产粘土砖消耗7 0 0 0 多万吨标准煤。如果实心粘土砖产量继续 增长，不仅增加墙体材料的生产能耗，而且导致新建建筑的采暖和空调能耗大 幅度增加，将严重加剧能源供需矛盾。对此国家建材局、建设部、农业部、国 土资源部墙体材料革新建筑节能办公室于2 0 0 0 年联合发布文件，规定各大中城 市“在住宅建设中限时禁止使用实心粘土砖”【1 5 1 。近些年来，在国家政策和相 关政府部门大力支持下，特别是2 0 0 3 年6 月3 0 日前全国1 7 0 个大中城市禁止 使用实心粘土红砖的政策出台，新型墙体材料以节能、节土、利废、环保、功 能性为发展方向，得到了迅猛发展。我国“十五 期间，新型墙体材料年产量 2 0 0 0 亿块以上，年均增长速度达到8 ，每年累计节约土地1 1 0 万亩，节能8 0 0 0 万t 标准煤【lo i 。 1 3 课题研究目的、意义以及主要研究内容 1 3 1 目的 随着我国节能减排国策的实施，建筑节能越来越得到人们的高度重视，对 建筑围护结构墙材的节能要求越来越高。随着新型墙体材料的发展，新品种墙 材生产过程中的节能技术大大提高，但许多新品种墙材本身的传热系数较大， 墙体易出现裂缝等问题，使建筑围护结构保温隔热效果差，仍然不能实现建筑 节能提高达到预期效果的目的。因而，给墙体穿上外衣的外保温系统目前在我 国得到了空前发展，但经过近些年的实施和应用，效果及长期有效性差，因而 给墙体穿外衣的节能做法，从根本上并没有解决建筑墙体围护结构的节能问题。 7 武汉理工大学硕士学位论文 代表新型墙材发展方向的白节能墙材及其体系越来越得到人们的认可。 1 3 2 意义 资源、能源、环境、经济与性能是材料科学特别是建筑材料工业发展应综 合考虑的问题。自然资源是有限的，人类已开始面临自然资源日渐枯竭的威胁， 而对自然资源的过量消耗和废弃已造成了生态系统的破坏和环境污染等问题。 如何保护有限的自然资源，对保护人类的生存环境有着直接的联系。墙体材料 是长线产品，要保障墙体材料有源源不断的原材料供给，必须注意对自然资源 的节约使用，对固体废弃物的综合利用，实现资源的重复循环。 墙体材料大量为无机材料，其组成主要是骨料和胶结料，具有这种特征的 固体废弃物均可考虑作为墙体材料的原料加以利用。这些废弃物可分为矿业废 弃物、工业废弃物、城市废弃物、农业废弃物【1 7 】。 国内外利用地方丰富的工业废渣粉煤灰或河砂作为硅质材料和石灰钙质材 料通过水热合成反应制备硅酸盐混凝土制品是当地发展新型墙材的主要思路之 一。但河砂在我国是宝贵的天然资源，有限河沙资源主要用于建筑工程结构材 料混凝土中的细集料。因而目前占我国新型墙材比例3 0 左右的硅酸盐混凝土 制品主要是利用燃煤电厂粉煤灰作为主要原材料生产的。但现实情况是，在发 达地区，粉煤灰已成为紧俏的资源，不久将来，预计粉煤灰资源在全国更多地 区十分短缺，最主要原因是粉煤灰提高了利用价值，主要用作水泥与混凝土中 的活性矿物掺和料；另一方面随着西气东输，许多燃煤电厂将改燃气发电。因 而，粉煤灰作为生产蒸压硅酸盐混凝土制品的原材料将越来越少。为此，国内 外研究者正在探索利用其它类固体废弃物作为主要原材料生产硅酸盐混凝土墙 材。众所周知，我国很多矿山开采后留下的含硅质尾矿砂石废弃物及由于建筑 工程、道路工程等需要石料而开采的硅质岩石后留下的石屑废弃物堆积如山。 若利用这些固体废弃物生产硅酸盐混凝土新型墙材，使之得到资源化利用，不 仅利废、环保、节约自然资源，且能够生产大量蒸压砖或加气混凝土砌块，满 足城市建设的需求，具有显著的经济、环保和社会效益。 1 3 3 主要研究内容 本课题采用固体废弃物含泥硅质石屑、尾矿等制备b 0 5 级加气混凝土， 8 武汉理工大学硕士学位论文 为使用含硅质砂石( 尾矿砂石、风化砂、石屑等) 原材料生产新型墙体材料提 供理论依据和实践指导。这对合理利用资源、保护环境、促进社会和经济的可 持续发展，具有积极作用。同时，对墙体材料的热工性能进行探讨研究，分析 了砖产品的热工性能是建筑节能设计的基础，建筑节能热工计算应运用围护结 构材料实际的热物理性能为参数，加气混凝土产品应以自身真实的热工性能供 建筑节能热工计算运用。因此，本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对原材料掺量、主要工艺流程参数、养护制度对b 0 5 级加气混凝土制 品的影响进行研究，针对不同原材料，确定最优配合比。测试分析b 0 5 级加气混凝土产品的物理性能，并结合x r d 、s e m 等测试手段，对 砌块进行微观分析，弄清反应过程与强度形成机理。 ( 2 ) 对b 0 5 级加气混凝土的热工性能：导热系数、热阻、蓄热系数、围护 结构的热惰性指标的分析，比较分析b 0 5 级加气混凝土与其他墙体材 料产品的热工性能，对不同节能墙体体系节能效果与经济效益对比分 析。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章试验原材料、试验仪器 2 1 主要原材料 2 1 1 硅质固体废弃物 ( 1 ) 石屑 武汉蔡甸地区含泥5 ( 质量分数) 以下的石屑a 样及含泥1 5 左右的石 屑b 样，其化学成分及含泥量检测结果示于表2 1 ： 表2 1石屑化学成分及含泥量检测结果 w ( 2 ) 尾矿 浙江遂昌金矿有限公司的选矿尾矿，有金尾矿c 和铅锌尾矿d 两种，其主要 化学成分见表2 2 ： 表2 2 尾矿化学成分分析结果w 由于上述材料主要含s i 0 2 、a 1 2 0 3 ，它可以与料浆中的c a ( o h ) 2 在水热反应 中生成水化硅酸钙产物，从而使制品达到一定的强度。从硅质材料主要作用是 提供s i 0 2 的意义上说，其含s i 0 2 越多越好。硅质材料中的s i 0 2 一部分以石英状 态存在，一部分以长石和其它矿物成分存在。无论是石英态的s i 0 2 还是化合态 的s i 0 2 ，在常温下都具有稳定的晶体结构，呈化学惰性。石英态s i 0 2 在常温水 中的溶解度仅0 0 0 6 9 l ，可以认为是基本不溶解物质，因而也不可能有效地参与 c a o 的反应，当温度升高到1 7 5 时，s i 0 2 的溶解量大大增加，其溶解度为 o 18 l ，继续提高温度，溶解度及溶解速度都将进一步增加。因此，生成水化 硅酸钙的反应速度和反应产物也会相应增加。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 其他常用材料 ( 1 ) 石灰石膏 石灰石膏为武汉晨建新型墙体材料有限公司提供，为生产线库中原料，磨 细至0 0 8m i l l 筛筛余1 3 。其中石灰有效氧化钙含量为7 0 ，消化时间1 0 2 0 m i n 为中速消化石灰。石灰在加气混凝土中，主要是向加气混凝土提供有效氧化钙。 石灰在水化后生成的氢氧化钙，在加热条件下与硅质材料中的s i 0 2 、a 1 2 0 3 作用， 生成水化硅酸钙、水化铝酸钙，从而使制品获得强度。另外石灰也是铝粉发气 的促进剂。铝粉发气需要碱性环境，料浆中石灰遇水消化生成c a ( o h ) 2 ，提高了 料浆碱度，提供铝粉的发气条件。石灰遇水消化时还放出一定的热量，它可以 使温度上升8 0 - 9 0 ，这给坯体中的水泥提供了快速水化条件，促使坯体硬 化，缩短坯体静停时间。例如：采用单一水泥作为钙质材料时，坯体静停时间 要6h - - 一8h ，而采用石灰水混合钙质材料时仅仅需要2h 3h ，这样可以加快模 具的周转，减少车间面积，减少模具用量。除此之外，石灰自身消解时也发生 体积膨胀，具有水化凝结性能，可以促使料浆的稠化凝结【1 8 】。 对石灰的要求：c a o 含量7 5 ，其中有效c a o 含量6 5 ；m g o 含量 5 ；消解温度7 5 ；符合j c 厂r 6 2 1 9 6 中速石灰要求。 在加气混凝土中，掺入少量石膏作为调节剂，它参与水泥的水化反应，调 节水泥的凝结时间；可以抑制石灰的消化速度，有利于料浆浇注的稳定性；提 高坯体和制品强度，减少收缩量，石膏在静停过程中的坯体内参与生成水化硫 铝酸钙和c s h 凝胶，使坯体强度提高。在蒸压过程中，石膏可以促进水热反 应的进行，使c s h ( b ) 向托贝莫来石转化。同时，可以抑制水石榴石的生成， 从而使游离的铝离子掺杂到c s h ( b ) 中去，而灿2 0 3 本身也能促进c s h ( b ) 向托贝莫来石转化，而又阻止其向硬硅钙石转化，因而强度提高，收缩值降低 1 9 - 2 6 o 对石膏的要求：c a o 含量l o ：c a s 0 4 2 h 2 0 含量 1 8 0 ；s 0 3 含量3 5 ： 结晶水1 0 。 ( 2 ) 水泥 水泥水化时，除了能生成大量的水化硅酸钙、水化铝酸钙等水化物外，还 能析出大量的c a ( o h ) 2 ，在水泥熟料的四种矿物组成中，硅酸三钙是氢氧化钙的 主要提供者，而硅酸三钙和铝酸三钙水化反应进行得最快，决定着水泥的水化、 武汉理工大学硕士学位论文 凝结速度和早期强度。在蒸压条件下，这些游离的c a ( o h ) 2 与含硅材料中的s i 0 2 和舢2 0 3 作用，以水热合成方式生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。两种方式所产生 的水化矿物质同时提高制品的强度。由于水泥中c a o 的含量约为6 0 ，而其中 只有2 0 左右经过水化析出游离的c a ( o h ) 2 。因此，从提高蒸压加气混凝土的强 度来看，采用石灰水泥混合钙质体系更为有利【2 7 】。当水泥与石灰混合使用时， 如果水泥用量与石灰相比只占很小的l l ：歹d ，石灰仍然是c a o 的主要提供者，水 泥的作用主要是保证浇注稳定并可加速坯体的硬化，改善坯体的性能。当水泥 用量大而石灰用量较小时，水泥将在浇注蒸养各阶段发挥主要的作用。而石灰 主要是发挥其能够大量提供c a o 的特点，补充水泥在这方面的不足。 本试验采用华新堡垒牌4 2 5 普通硅酸盐水泥，化学成分见表2 3 。水泥是生 产硅酸盐混凝土的重要钙质材料之一。其在加气混凝土中的主要作用是：水泥 水化使料浆逐渐稠化，保证浇注稳定性，随后加速坯体硬化，使其具有初始强 度，便于切割和入釜养护。 表2 - 3 水泥化学成分w 对制备加气混凝土制品的水泥要求如下：3 2 5 ( 或4 2 5 ) 普通硅酸盐水泥； 安定性合格，细度o 0 8 m m 筛筛余量1 0 ； 初凝1 3 小时，终凝3 - 6 小时。 ( 3 ) 铝粉 铝粉是目前生产中使用最广泛、最成熟的发气剂，铝粉在碱性介质中的发 气反应： 2 a 1 + 6 h 2 0 2 a 1 ( o h ) 3 + 3 h 2f 2 a i + 3 c a ( o h ) 2 + 6 h 2 0 - + 3 c a o a 1 2 0 3 6 h 2 0 + 3 h 2 f 因为铝粉的活性很强，在空气中会生成致密的氧化物，阻挠反应继续进行。 加气混凝土料浆中的水泥和石灰，呈较强的碱性，在水的作用下发生首先会发 生下列发应： a 1 2 0 3 + 2 n a o h = 2 n a a l 0 2 + h 2 0 a i ( o h ) 3 + n a o h = n a a l 0 2 + 2 h 2 0 可以看出，发气剂的主要作用是在料浆中进行化学反应，放出气体形成细 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 小而均匀的气泡，使加气混凝土具有多孔状结构达到轻质的目的。 对铝粉膏的要求：固体分6 5 ；固体分中活性铝9 0 ；细度0 0 8 m m 筛 筛余量3 ：发气率为发气时间4 、1 6 、3 0 分钟时对应的发气量( ) 是4 5 、 7 5 、9 5 。 ( 4 ) 其它外加剂 减水剂：水泥基材料常用外加剂。 铝膏脱脂剂：铝粉为了安全保存一般有硬脂酸保护层，使用时需进行脱脂 处理，用化学脱脂法处理安全且效果好。 稳泡剂：在发气过程中为了让气泡有比较好的稳定性。 2 2 试验设备仪器与试验流程 2 2 1 实验主要设备 ( 1 ) 球磨机 本研究主要用于非金属固体矿石粉磨到需要的颗粒细度。 型号：s m ，5 0 0 x 5 0 0 毫米；规格：中5 0 0 5 0 0 毫米。 ( 2 ) 电子天平 本研究主要用于精确称量各种粉料。 型号：e s 2 1 0 0 a 型。 ( 3 ) 水泥净浆搅拌机 本研究主要用于物料的混合、浆体的制备。 型号：n j 一1 6 0 ( 4 ) 恒温干燥箱 本研究主要用于加气混凝土制品在浇注静停阶段的中温养护和蒸压后测量 绝干容重加热烘干。 型号：1 0 1 2 型。 ( 5 ) 标准恒温恒湿养护箱 本研究用于切割后、蒸养前试块的常温养护。 型号：y h 4 0 b 型。 ( 6 ) 其他工具 武汉理工大学硕士学位论文 温度计、烧杯、模具等。 2 2 2 材料的结构表征和组成测试仪器 ( 1 ) x 射线衍射分析( x r d ) x r a y 衍射分析广泛地应用于矿物的定性、定量物相分析。本研究中要用 于分析原料及水化产物的矿物成分。 所用仪器为日本理学公司生产的r i g a k ud m a x i i i a 型x - r a y 衍射仪。实 验条件为：铜靶c u k a