利用淤泥制备建筑陶瓷外墙自保温材料的研究

    况学成+陈宗玲+胡丽芳+李思乐+张明珠+殷敏

    摘 要：本实验选用来源广泛的河道淤泥取代常用的陶瓷原料粘土，利用发泡工艺制备新型烧结陶瓷自保温砖，此烧结陶瓷保温砖具有密度小、导热系数小、抗压强度大等特点。利用废料开发自保温体系承重和保温相结合的墙体材料，既做到废物利用又满足了节能要求。

    关键词：淤泥；保温材料；导热系数；抗压强度；发泡剂

    1 引言

    随着世界能源的逐渐紧缺，以及保护环境的日益重视，废物利用与节能将成为未来发展的主导，节约能源范围较广，其中建筑节能是节能减排的重要组成部分。开发新型的保温墙体砌砖，完全符合这一发展趋势。

    目前，我国建筑节能方面采用外墙外保温技术。但外墙外保温体系受材料的限制，其设计寿命一般不超过25年，难以实现与建筑物同寿命，外墙装饰也具有一定的局限性，此外，还需定期维护和维修。而外墙自保温技术则是将建筑主体和围护结构的隔热保温融为一体，与外墙外保温体系相比，具有造价低廉、维护费用低、外装饰多样化，与建筑主体同寿命等优势。

    传统的实心粘土砖由于质量重、大量消耗资源、保温性能差，将逐渐被新型的墙体保温材料所取代。外墙自保温体系由于其材料密度小，只有普通实心粘土砖的1/5～1/3重，保温隔热性能好、耐火性好，且施工技术成熟简单，很适合节能市场的需求。

    本试验选用来源广泛的河道淤泥取代常用的陶瓷原料粘土，通过高温发泡剂的发泡原理，在烧制过程中形成一定形状和大小的空洞，达到降低导热系数目的，从而获得建筑陶瓷外墙自保温材料。

    2 实验内容

    2.1 实验原料及设备

    佛山某河道淤泥、Na2CO3、CaCO3、Na2SiO3·5H2O， 数显抗压强度试验机，导热系数测试仪，电炉，手动压片机等。

    2.2 实验方法

    本课题选择用正交实验法，使用Na2CO3为助熔剂来调节淤泥的烧结温度。取淤泥、碳酸钠、碳酸钙和烧成温度为四个因素、选取三个水平，并以导热系数，抗压强度为测量考察指标，按配方设计表1进行实验。然后用Na2SiO3·5H2O取代最优配方E10里面的Na2CO3做助熔剂，按照表2进行实验。最后对助熔剂Na2SiO3·5H2O进行单因素实验，按照表3进行实验。

    2.3 性能测试

    本实验所测试的产品性能主要有真密度、体积密度、显气孔率、真气孔率以及闭口气孔率、导热系数、抗压强度，以及SEM扫描分析。

    3 实验结果与分析

    3.1 正交实验的结果与分析

    本文选取淤泥、碳酸钠、碳酸钙和烧成温度为正交实验的四个因素，并选取三个水平，以导热系数，抗压强度为测量考察指标，进行正交优化实验。实验结果如表4所示。 综合上面分析，得到材料的最优配方为：A3B3C2D2，即淤泥90 g、Na2CO3 15 g、CaCO3 10g，烧成温度为1050℃。所以我们定此优化配方编号为E10（淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%、烧成温度1050 ℃，此时导热系数为0.5352 W/m·k、抗压强度为20MPa。）。

    3.2 用五水硅酸钠取代碳酸钠

    从正交实验优化出最优配方为E10，为了进一步改善保温材料的性能，在此优化配方上，选用Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3来做助熔剂进行实验，实验结果如表5所示。

    从表5中可以得出，Na2SiO3·5H2O比Na2CO3做助熔剂效果更好，主要原因如下：（1） Na2O引入可以降低烧结温度，增加玻璃相，玻璃相的增加会使得气泡的溶解度增大，气孔率下降。Na2SiO3·5H2O和Na2CO3两者都引入了Na2O，但是后者引入Na2O的量更多，所以相同质量的Na2SiO3·5H2O和Na2CO3所起到的助熔效果不一样，明显Na2CO3的助熔效果更好，烧结温度更低，产生的玻璃相也更多，从而气泡被消除的比较多，气孔率比较低。（2） 相同量的Na2CO3和Na2SiO3·5H2O引入的Na+的量不同，Na2CO3引入的Na+比Na2SiO3·5H2O引入的Na+量多，所以Na2CO3的降粘作用更大。Na2SiO3·5H2O做助熔剂比Na2CO3做助熔剂的熔体粘度大，从而导致气体难以排出，提高气孔率。（3）气孔率的高低与导热系数的成反比的关系，气孔率越高的保温材料，导热系数也越低，Na2SiO3·5H2O做助熔剂时，气孔率明显比较高，而且多为闭口气孔，使得导热系数更低。（4）气孔率高的材料密度也比较小，Na2SiO3·5H2O做助熔剂时的气孔率更高，所以密度相应更小。（5）选Na2SiO3·5H2O做助熔剂时，不仅气孔率高，而且多为闭口气孔，所以材料的吸水率远远低于Na2CO3做助熔剂的吸水率。（6）气孔率越低的材料，抗压强度越大，Na2SiO3·5H2O做助熔剂时，气孔率比较高，相应的抗压强度本应该越小，但是Na2SiO3·5H2O做助熔剂时引入了大量的SiO2，使得反应CaCO3+SiO2→CaSiO3+CO2↑向右边移动，生成了大量强度比较大的CaSiO3晶体。因此，Na2SiO3·5H2O做助熔剂时的抗压强度大于Na2CO3做助熔剂的抗压强度。所以，Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3做助熔剂时，保温材料的各项性能更好。

    通过SEM扫描图（见图1）（E10和F1的扫描图）可以得出，用Na2SiO3·5H2O取代Na2CO3做助熔剂，并加入适当的量，气孔率较E10明显增多，气孔孔径也从10-20 μm增大到150 μm左右，气孔呈圆球状，且气孔大小较均匀。

    3.3 Na2SiO3·5H2O加入量的影响

    根据前面的对比结果，得出Na2SiO3·5H2O做助熔剂时，保温材料的各项性能更好。所以选用Na2SiO3·5H2O做助熔剂，然后考虑助熔剂不同加入量对各项性能的影响。各项性能的测试结果如表6所示。

    综合考虑保温材料的性能要求，从表6中可以看出，当Na2SiO3·5H2O加入量为30 g时，保温材料的总体性能比较好。优化配方为F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

    4 结论

    （1） 在淤泥、碳酸钠、碳酸钙、烧成温度的四因素三水平的实验中，通过分析四因素对两个性能指标导热系数和抗压强度的影响，得到最优配方为E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，烧成温度为1050 ℃。此时，导热系数为0.5352 W/ m·k、抗压强度为20 MPa。

    （2） 在本试验条件下，用NaSiO3·5H2O做助熔剂保温材料的各项性能明显好于Na2CO3做助熔剂保温材料。此时，导热系数为0.4986 W/ m·k、抗压强度为 25MPa。

    （3） 在NaSiO3·5H2O单因素实验结果中，得出最佳配方为F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此时，各项性能指标分别为：真气孔率为83%、密度为0.75 g/cm3、导热系数为0.1123 W/m·k、抗压强度为19MPa、吸水率为4.5%。

    参考文献

    [1] 赵毅，朱振峰等.多孔陶瓷材料的研究现状及应用.陶瓷.2008

    （11）：27～30.

    [2] 田杰谟，李信勇，张勇等.浸浆法制备生物多孔陶瓷[J ] .功能材

    料. 2002 ，33 （6） ：656～657.

    [3] 任雪潭，曾令可等.泡沫陶瓷制备工艺的探讨.材料科学与工程.

    2001 ，19 （1） ：102～103.

    [4] 王慧，曾令可，张海文等.多孔陶瓷- 绿色功能材料[J ] .中国陶

    瓷. 2002 ，38 （3） ：6～8.

    [6] Kin YW，Kim SH，Park CB. Processing of closedcell silicon

    oxycarbide foams from a preceramic polymer[J]. Jounal of Materials

    Science，2004，39（18）：p5647～5652

    [7] Colombo P，Scheffler M，ect.Conductive ceramic foams from a

    preceramic polymer[J].Journal of the American Ceramic Society，

    2001，84（10）：2265～2268.

    [8] Colombo P. Engineering porosity in polymer-derived ceramics[J].

    Journal of the European Ceramic Society，2008，28（7）：1389～1395 . [9] 艾凡荣.泡沫注凝法制备多孔陶瓷的研究[D].景德镇：景德镇陶

    瓷学院，2007.

    [10] 张晓飞.发泡一胶凝法制备多孔陶瓷小球的研究[D].长沙：中

    南大学，2006.

    [11] Ilker Bekir Topcu，Burak Islkdag，Manufacture of high heat con

    ductivity resistant clay bricks containing perlite[J]，Building and

    Environment，2007，42（10）.

    [12] 薛世浩，汪竹茂.利用淤泥制砖的半工业性试验.砖瓦，1999，

    （3）：21～25

    [13] 李彬，金玲巧等.发泡剂对钼渣多孔玻璃性能的影响.中国陶

    瓷，2009（45）：28～30.

    综合考虑保温材料的性能要求，从表6中可以看出，当Na2SiO3·5H2O加入量为30 g时，保温材料的总体性能比较好。优化配方为F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

    4 结论

    （1） 在淤泥、碳酸钠、碳酸钙、烧成温度的四因素三水平的实验中，通过分析四因素对两个性能指标导热系数和抗压强度的影响，得到最优配方为E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，烧成温度为1050 ℃。此时，导热系数为0.5352 W/ m·k、抗压强度为20 MPa。

    （2） 在本试验条件下，用NaSiO3·5H2O做助熔剂保温材料的各项性能明显好于Na2CO3做助熔剂保温材料。此时，导热系数为0.4986 W/ m·k、抗压强度为 25MPa。

    （3） 在NaSiO3·5H2O单因素实验结果中，得出最佳配方为F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此时，各项性能指标分别为：真气孔率为83%、密度为0.75 g/cm3、导热系数为0.1123 W/m·k、抗压强度为19MPa、吸水率为4.5%。

    参考文献

    [1] 赵毅，朱振峰等.多孔陶瓷材料的研究现状及应用.陶瓷.2008

    （11）：27～30.

    [2] 田杰谟，李信勇，张勇等.浸浆法制备生物多孔陶瓷[J ] .功能材

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    [3] 任雪潭，曾令可等.泡沫陶瓷制备工艺的探讨.材料科学与工程.

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    [4] 王慧，曾令可，张海文等.多孔陶瓷- 绿色功能材料[J ] .中国陶

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    瓷学院，2007.

    [10] 张晓飞.发泡一胶凝法制备多孔陶瓷小球的研究[D].长沙：中

    南大学，2006.

    [11] Ilker Bekir Topcu，Burak Islkdag，Manufacture of high heat con

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    Environment，2007，42（10）.

    [12] 薛世浩，汪竹茂.利用淤泥制砖的半工业性试验.砖瓦，1999，

    （3）：21～25

    [13] 李彬，金玲巧等.发泡剂对钼渣多孔玻璃性能的影响.中国陶

    瓷，2009（45）：28～30.

    综合考虑保温材料的性能要求，从表6中可以看出，当Na2SiO3·5H2O加入量为30 g时，保温材料的总体性能比较好。优化配方为F4：淤泥 69.2%、Na2SiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。

    4 结论

    （1） 在淤泥、碳酸钠、碳酸钙、烧成温度的四因素三水平的实验中，通过分析四因素对两个性能指标导热系数和抗压强度的影响，得到最优配方为E10：淤泥78%、Na2CO3 13%、CaCO3 9%，烧成温度为1050 ℃。此时，导热系数为0.5352 W/ m·k、抗压强度为20 MPa。

    （2） 在本试验条件下，用NaSiO3·5H2O做助熔剂保温材料的各项性能明显好于Na2CO3做助熔剂保温材料。此时，导热系数为0.4986 W/ m·k、抗压强度为 25MPa。

    （3） 在NaSiO3·5H2O单因素实验结果中，得出最佳配方为F4：淤泥 69.2%、NaSiO3·5H2O 23.1%、CaCO3 7.7%。此时，各项性能指标分别为：真气孔率为83%、密度为0.75 g/cm3、导热系数为0.1123 W/m·k、抗压强度为19MPa、吸水率为4.5%。

    参考文献

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    [3] 任雪潭，曾令可等.泡沫陶瓷制备工艺的探讨.材料科学与工程.

    2001 ，19 （1） ：102～103.

    [4] 王慧，曾令可，张海文等.多孔陶瓷- 绿色功能材料[J ] .中国陶

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    preceramic polymer[J].Journal of the American Ceramic Society，

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    [8] Colombo P. Engineering porosity in polymer-derived ceramics[J].

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    瓷学院，2007.

    [10] 张晓飞.发泡一胶凝法制备多孔陶瓷小球的研究[D].长沙：中

    南大学，2006.

    [11] Ilker Bekir Topcu，Burak Islkdag，Manufacture of high heat con

    ductivity resistant clay bricks containing perlite[J]，Building and

    Environment，2007，42（10）.

    [12] 薛世浩，汪竹茂.利用淤泥制砖的半工业性试验.砖瓦，1999，

    （3）：21～25

    [13] 李彬，金玲巧等.发泡剂对钼渣多孔玻璃性能的影响.中国陶

    瓷，2009（45）：28～30.