基于废弃物利用的自保温墙体配套砂浆制备及性能研究

摘　要：采用淤泥陶砂、废弃加气混凝土结合传热系数小的玻化微珠为砂浆骨料，基于“复合化”思想，制备自保温墙体配套砂浆。采用正交实验探讨混掺砂浆的合理配比，控制４项参数：胶凝材料用量、陶砂（或废料）与玻化微珠体积比、硅灰取代量和胶粉掺量，以干容重、抗压强度、导热系数为考核指标，制备综合利废效果最佳的新型混掺复合保温砂浆。结果表明，陶砂玻化微珠复合砂浆导热系数0.16~0.29Ｗ／（ｍ·Ｋ），随着陶玻比增大而增大，因此陶砂体积含量增加有利于提高保温性能，加气废料玻化微珠复合砂浆的导热系数0.10～1.14Ｗ／（ｍ·Ｋ），与陶砂复合保温砂浆相比，有较大的降低。

关键词：陶砂；废弃加气混凝土；玻化微珠；保温砂浆；正交试验

随着建筑节能和环境保护要求的不断提高，世界各国对建筑节能技术给予了充分的重视。近30年来，各国在建筑设计和施工、新型建筑保温材料的开发和应用、建筑节能法规的制定和实施、建筑节能产品的认证和管理等方面做了很多的工作，不但节省了大量的能源，取得了可观的经济效益，同时改善了环境，降低了对大气臭氧层的破坏。建筑围护结构的保温是建筑节能的一个重要方面，并且其地位也日益得到加强。在建筑围护结构的保温中，又以外墙外保温的发展最为迅速。保温砂浆是一种最常用到的外墙外保温材料，一般是指由胶凝材料、轻骨料及其它多种化学外加剂等复合组成的能对建筑物墙体起到保温作用的砂浆，在国内外已经商业化应用很长一段时间，技术也相对比较成熟。目前采用的保温砂浆需要解决的问题主要是材料绿色化和复合功能化问题，推广应用废弃物无机陶粒等用作保温砂浆轻骨料，代替发泡聚苯乙烯颗粒、挤塑聚苯板和现场发泡聚氨酯，是一种很有前景的发展方向，可以在达到相同保温效果的基础上降低能源和资源的消耗，保护环境，提高材料的健康安全性。文中针对两种废弃物：陶砂和废弃加气混凝土，制备自保温墙体配套砂浆。废弃混凝土方面，目前国内外对其在节能减排中的应用进行了广泛研究，主要经过清洗、破碎、分级，使其形成再生骨料，将再生骨料部分或全部代替天然骨料配制成混凝土，称为再生骨料混凝土(RAC)。加气混凝土废料与常规建筑垃圾相比，具有孔隙率高、吸水率大、质轻、强度低等特点。目前针对加气混凝土废料制备建筑保温材料的研究尚无报道，因此研究此类建筑垃圾的再生技术是建筑材料行业发展应考虑的重要环节。陶粒保温砌块或混凝土，主要采用页岩陶粒、无砂粘土陶粒、珍珠岩陶粒等为主要轻质骨科，适量添加掺合料、增强纤维等，与胶凝材料及水，经一定加工艺制备成保温抹面砂浆或保温混凝土使用，导热系数一般为0.233～0.523Ｗ／(m·Ｋ)。保温性能来看，传统陶粒混凝土虽然具备一定的保温性能，但是还达不到我国要求的６５％节能标准。需要寻找一种方法，不损失太多强度基础上，降低混凝土的导热系数。因此，为满足我国对于保温材料高性能、节能减排、安全健康、绿色化的要求，研发新型无机保温材料，是建筑节能减排的当务之急。

作者采用淤泥陶砂、破拆废弃加气混凝土结合传热系数小的玻化微珠作为砂浆骨料，基于“复合化”思想，制备自保温墙体配套新型保温砂浆。研究采用正交实验探讨混掺保温砂浆的合理配比，控制４项参数：

胶凝材料用量、陶砂（或废料）与玻化微珠体积比、硅灰取代量和胶粉掺量，以干容重、抗压强度、导热系数为考核指标，设计制备出综合利废效果最佳的新型混掺复合保温砂浆，并重点考察骨料／胶结料比对于砂浆保温性能的影响。

１实 验

基于淤泥陶砂、加气混凝土废料作为砂浆骨料利废程度高、强度较高的特点、结合玻化微珠集料传热系数小的优势：1)采用陶砂玻化微珠集料混掺进行研究，从胶凝材料用量、陶砂玻化微珠体积比、硅灰取代量和胶粉掺量４个主要因素出发，以干容重、抗压强度、导

热系数为考核指标，采用正交方法进行试验探讨陶砂玻化微珠集料混掺保温砂浆的配比，研发新型陶砂玻化微珠混掺复合保温砂浆。２）采用破拆废弃加气混凝土结合玻化微珠作为集料混掺进行研究，从胶凝材料用量、玻化微珠／加气废料体积比、硅灰取代量和胶粉掺量４个主要因素出发，以干容重、抗压强度、导热系数为考核指标，采用正交方法进行试验探讨加气废料玻化微珠集料混掺保温砂浆的配比，研发新型加气废料玻化微珠混掺复合保温砂浆。实验流程见图１。

1.1 原材料组成及各原料特性

１）淤泥陶砂　陶砂系温州陶粒场生产，其主要物理性能指标见表１。

表１淤泥陶砂的物理性能

粒度 d/mm	筒压强度 p/MPa	松散堆积密度 (kg·m-3)	吸水率/%
			1h	3h
0.05~4.75	2.5	770	20	45

２）加气废料　采用温州市房屋改造废弃加气混凝土废料。

表２ 玻化微珠的物理性能

堆积密度/(kg·m-3)	筒压强度p/kPa	体积吸水率/%	体积漂浮率/%	表面玻化闭孔率/%
0.05~2.5	250	17	96	90

３）玻化微珠　采用河南信阳生产的玻化微珠，其性能指标见表２。

表３32.5级普通硅酸盐水泥的物理力学性能指标

细度	标准稠度用水量/%	安定性	凝结时间/min		抗折强度/MPa		抗压强度/MPa
			初凝	终凝	3d	28d	3d	28d
2.9	25.0	17	150	190	4.6	7.8	21	39

４）水泥　水泥采用浙江虎山生产的32.5普通硅酸盐水泥，其性能指标见表３。

５）可再分散胶粉　采用美国国民淀粉公司生产的可再分散胶粉。

 

 

1.2 陶砂玻化微珠集料混掺保温砂浆的正交试验设计

通过正交表合理地安排实验，确定因素的主次，找到较好的配料范围。根据大量的资料文献和课题试验思路，考虑把胶凝材料总量、陶砂玻化微珠体积比、硅灰水泥取代量和胶粉掺量作为因素考虑。其中，胶凝材料取300kg/ｍ3、350kg/ｍ3、280kg/ｍ3这３个水平；陶砂玻化微珠体积比取５:５、４:６、３:７这３个水平；硅灰取代量取５％、８％、１０％这３个水平；胶粉掺量取０.５％、１％、１.５％这３个水平。根据试验因素及水平个数，选取正交表 Ｌ9(34)来安排试验(见表４)。

表４陶砂玻化微珠集料混掺保温砂浆L9(34)试验方案和试验结果

编号	正交表				考核指标
	胶凝材料/（kg·cm-3）	陶玻比（体积比）	硅灰取代量/%	胶粉	28d抗压强度/MPa	绝干容重/（kg·m-3）	导热系数/（W·（m·K）-1）
1	300（1）	3:7（1）	5（1）	0.5（1）	3.88	853	0.186
2	300（1）	4:6（2）	8（2）	1（2）	2.46	852	0.175
3	300（1）	5:5（3）	10（3）	1.5（3）	3.12	924	0.188
4	350（2）	3:7（1）	8（2）	1.5（3）	7.40	1041	0.284
5	350（2）	4:6（2）	10（3）	0.5（1）	3.28	934	0.184
6	350（2）	5:5（3）	5（1）	1（2）	4.23	955	0.179
7	280（3）	3:7（1）	10（3）	1（2）	6.46	1079	0.238
8	280（3）	4:6（2）	5（1）	1.5（3）	3.89	776	0.161
9	280（3）	5:5（3）	8（2）	0.5（1）	4.40	848	0.182

1.3 加气废料玻化微珠集料混掺保温砂浆的正交试验设计

采用同样的方法，根据试验因素及水平个数，选取正交表L9(34) 来安排试验。根据大量的资料文献和课题的试验思路，考虑把胶凝材料总量、加气废料／玻化微珠体积比、硅灰取代量和胶粉掺量作为因素考虑。其中，胶凝材料取300 kg/m3、320 kg/m3、260 kg/m3这3个水平；加气废料/玻化微珠体积比取5:5、4:6、3:7这3个水平；硅灰水泥取代量取5%、8%、10%这3个水平；胶粉掺量取0.5%、1%、1.5%这3个水平（见表5）。

表5 加气废料玻化微珠集料混掺保温砂浆L9(34)试验方案和试验结果

编号	正交表				考核指标
	胶凝材料/（kg·cm-3）	废料/玻化微珠（体积比）	硅灰取代量/%	胶粉	28d抗压强度/MPa	绝干容重/（kg·m-3）	导热系数/（W·（m·K）-1）
1	260（1）	3:7（1）	5（1）	0.5（1）	3.47	825	0.134
2	260（1）	4:6（2）	8（2）	1（2）	2.76	784	0.123
3	260（1）	5:5（3）	10（3）	1.5（3）	2.81	700	0.127
4	300（2）	3:7（1）	8（2）	1.5（3）	3.65	807	0.134
5	300（2）	4:6（2）	10（3）	0.5（1）	4.35	807	0.144
6	300（2）	5:5（3）	5（1）	1（2）	2.22	662	0.107
7	320（3）	3:7（1）	10（3）	1（2）	3.33	790	0.130
8	320（3）	4:6（2）	5（1）	1.5（3）	3.17	716	0.123
9	320（3）	5:5（3）	8（2）	0.5（1）	3.83	749	0.134

1.4 试验设备及实验标准

３０ｋＮ智能万能试验机，容重筒，导热系数仪，实验参照 GB/T20473-2006建筑保温砂浆，JG/T283-2010膨胀玻化微珠轻质砂浆。

2结果与讨论

2.1 陶砂与玻化微珠混掺复合保温砂浆

基于试验测试结果，运用极差分析得到各因素的影响程度。由表６分析可知对抗压强度的影响顺序为：Ｂ→Ａ→Ｃ→Ｄ，即陶玻比影响最大，胶凝材料次之，硅胶比较小，胶粉掺量最小。对于考核指标为干容重来说，胶凝材料为280kg/m3,陶玻比为4:6，硅灰为5%，胶粉为1.5%时最小，此时的最优配比为Ａ3Ｂ2Ｃ1Ｄ3，根据极差Ｒ的大小，对干容重的影响顺序为：Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｄ，即玻陶比影响最大，硅胶比次之，胶凝材料用量最小。对考核指标为导热系数时，胶凝材料为280kg/m3，陶玻比为4:6，硅灰为5%，胶粉为1.5%时最小，此时的最优配比为A3B2C1D3，根据极差R的大小，对于容重的影响顺序为：Ｂ→Ｃ→Ａ→Ｄ，即玻陶比影响最大，硅胶比次之，胶凝材料用量较小，胶粉掺量最小。

表6 L9(34)正交试验结果的极差分析

考核指标	因素	K1	K2	K3	R1	R2	R3	R4
28d抗压强度/MPa	A水泥用量	9.46	14.91	14.75	3.15	4.97	4.91	1.82
	B玻陶比(体积比)	17.74	9.63	11.75	5.91	3.21	3.92	2.7
	C硅灰比	12	14.26	12..86	4	4.75	4.29	0.75
	D胶粉掺量	11.56	13.15	14.41	3.85	4.38	4.80	0.42
干容重/（kg·m-3）	A水泥用量	2629	2930	2703	876.33	976.67	901	100.34
	B玻陶比(体积比)	2973	2526	2727	991	854	909	137
	C硅灰比	2584	2741	2937	861.33	913.67	979	117.67
	D胶粉掺量	2635	2886	2741	878.33	962	913.67	83.67
导热系数/（W·（m·K）-1）	A水泥用量	0.473	0.573	0.526	0.205	0.248	0.228	0.043
	B玻陶比(体积比)	0.662	0.460	0.485	0.287	0.199	0.210	0.088
	C硅灰比	0.478	0.516	0.540	0.207	0.224	0.234	0.027
	D胶粉掺量	0.488	0.512	0.572	0.212	0.222	0.248	0.036

从实验结果可以看出，关于干容重和导热系数的最优配合比是完全一致的，这表明正交设计的结果和保温砂浆的实际结构是相符的，即砂浆孔隙率越大，干容重越小，其导热系数越小，保温性能越好，图２给出的是砂浆导热系数与干容重的关系。该变化趋势可用指数函数表示。

图2 导热系数与砂浆干容重关系（A1=1.6×10-4，t=0.158，λ0=0.166）	图3 导热系数与砂浆立方抗压强度关系（A0=8.4×10-4，t=0.146，λ0=0.196）

2.2 陶砂与玻化微珠混掺复合保温砂浆导热性能分析

从正交实验结果中可知，陶玻比对砂浆结构和性能影响最大，实验可将影响因素分为胶凝材料（水泥用量+硅灰+胶粉）和集料（陶砂与玻化微珠）两部分，因为集料对于保温砂浆的影响大，如保持胶结料不变，考察陶砂与玻化微珠对于导热性能的影响，见图４，砂浆的导热系数随着陶玻比的增大而降低，说明陶砂体积含量的增加有利于提高保温砂浆整体的绝热性能，陶砂玻化微珠复合砂浆的导热系数介于0.16~0.29Ｗ/（ｍ·Ｋ），低于标准规定保温材料的导热系数。

2.3 加气废料与玻化微珠混掺复合保温砂浆

基于试验测试结果，运用极差分析得到各因素的影响程度。由表7分析可知对抗压强度，最优配比为A2B2C3D1，根据极差的影响顺序为：Ａ→Ｄ→Ｂ→Ｃ，即胶凝材料用量影响最大，胶粉掺量次之，废料/玻化比影响较小，硅灰最小。对于考核指标为绝干容重来说，最优配比为A2B3C1D2，根据极差Ｒ的大小，对软化系数的影响基本没有大的变化，顺序为：Ｂ→Ａ→Ｄ→Ｃ，这时废料／玻化比对于砂浆的性能影响最大，胶凝材料用量和胶粉掺量影响相对次之，硅灰最低。对考核指标为导热系数时，此时的最优配比为Ａ2Ｂ3Ｃ1Ｄ2，根据极差Ｒ的大小，对干容重的影响顺序为：Ａ→Ｄ→Ｂ→Ｃ，即胶凝材料用量影响最大，胶粉掺量次之，废料/玻化比影响较小，硅灰最小。

表７Ｌ9(34)正交试验结果的极差分析

考核指标	因素	K1	K2	K3	R1	R2	R3	R4
28d抗压强度/MPa	A水泥用量	9.04	10.22	10.33	3.88	2.77	3.21	1.11
	B玻陶比(体积比)	10.45	10.28	8.86	3.48	3.43	2.95	0.53
	C硅灰比	8.86	10.24	9.86	3.01	3.41	3.44	0.43
	D胶粉掺量	18.81	8.31	9.63	2.95	3.41	3.50	0.54
干容重/（kg·m-3）	A水泥用量	2309	2276	2255	793.67	745.33	741.00	52.67
	B玻陶比(体积比)	2422	2307	2111	807.33	769.00	703.67	103.67
	C硅灰比	2203	2340	2297	769.67	758.67	751.67	18.00
	D胶粉掺量	2381	2236	2223	734.33	780.00	765.67	45.67
导热系数/（W·（m·K）-1）	A水泥用量	0.384	0.385	0.387	0.137	0.120	0.128	0.017
	B玻陶比(体积比)	0.398	0.390	0.368	0.133	0.130	0.123	0.010
	C硅灰比	0.364	0.391	0.401	0.128	0.128	0.129	0.001
	D胶粉掺量	0.412	0.360	0.384	0.121	0.130	0.134	0.013

从表７分析实验结果，干容重和导热系数的最优配合比是完全一致的为A2B3C1D2，说明砂浆孔隙率越大，干容重越小，其导热系数越小，保温性能越好，因此正交实验结果和和保温砂浆的实际结构相符。通过极差分析，废料/玻化比对于砂浆的结构影响比较明显，从而由于加气废料的加入影响了加气废料玻化微珠保温砂浆的整体性能。而不同组分变化对抗压强度和导热系数影响，通过极差分析是相同的，在加气废料玻化微珠掺混的砂浆中，加气废料/玻化微珠比例对于整体的性能影响没有胶凝材料明显，但是可以通过影响结构来促使性能的变化。图５为砂浆导热系数与干容重的关系，图中可知随着干容重的增加，系统的导热系数随之增大，呈简单线性关系。由图５可知，样品的干容重与导热系数关系的离散性较大，说明该研究的自保温砂浆，其导热系数随材料容重和表观密度增长的关系不明显，表明虽然胶凝材料导致重量及强度较高，但多孔废料及玻化微珠优良的保温性使得材料的保温与重量关系不大。图６给出的砂浆导热系数与强度的关系，该变化趋势也呈线性关系。砂浆导热系数和抗压强度呈简单线性增长关系，随着砂浆体系强度的增大，整体的密实度增加，由于孔隙的阻碍的降低，温度对流随之增大，因此对应于导热系数增大。

图5 导热系数与干容重关系（A2=0.14,B2=0.02）	图6 导热系数与砂浆立方抗压强度的关系（A1=0.016，B1=0.078）

2.4 加气废料与玻化微珠混掺复合保温砂浆导热性能分析

从正交实验结果中可知，加气废料／玻化微珠比对砂浆结构影响最大，而对性能的影响稍弱，将影响因素分为胶凝材料（水泥用量＋硅灰＋胶粉）和集料（加气废料与玻化微珠）两部分，保持胶结料不变，考察加气废料与玻化微珠对于导热性能的影响，见图７。

 

图7 废料/玻化比对砂浆导热性能的影响

砂浆的导热系数随着废料／玻化比的增大呈现出不同的趋势，但是总体趋于降低。结果与上述正交实验一致，说明加气废料体积含量的增加对于保温砂浆绝热性能的影响有波动性，加气废料玻化微珠复合砂浆的导热系数介于0.10~0.14Ｗ／（ｍ·Ｋ），与陶砂与玻化微珠混掺复合保温砂浆相变，有较大的降低，试验中采用相同的配比，因此可见加气废料的含量虽然对于体系性能影响有扰动，但是对砂浆保温体系的保温效果是起到了很大的作用，可以较大幅度地提高砂浆的保温性能。

３结论

ａ．陶砂／玻化微珠体积比对保温砂浆的抗压强度、导热系数、干容重的影响最大；砂浆导热系数随干容重的变化呈现指数函数变化趋势；砂浆导热系数与其抗压强度的关系可用指数函数加以描述。整体来看，淤泥陶砂的掺入对于保温砂浆的性能影响较大，而且是属于正面的影响，陶砂玻化微珠复合砂浆的导热系数介于0.16~0.29 Ｗ/（ｍ·Ｋ），砂浆的导热系数随着陶玻比的增大而增大，因此陶砂体积含量的增加有利于提高保温砂浆整体的绝热性能，总体上来看，陶砂玻化微珠复合砂浆低于标准规定保温材料的导热系数，而且材料自身的环保利废效果也是显而易见的，因此，这是一种很有前景的自保温砂浆体系。

ｂ. 加气废料/玻化微珠体积比对保温砂浆结构的影响很明显，但对整体性能的影响没有胶凝材料显著，但是可以通过影响结构来促使性能的改变。随着干容重的增加，系统的导热系数随之增大，呈线性关系，但离散性较大，说明本课题研究的自保温砂浆，其导热系数随材料容重和表观密度增长的关系不明显，表明虽然胶凝材料导致重量及强度较高，但多孔废料及玻化微珠优良的保温性使得材料的保温与干容重关联度不高。保持胶结料不变，考察加气废料与玻化微珠对于导热性能的影响，砂浆的导热系数随着加气废料/玻化微珠比的增大呈现出不同的趋势，但是总体趋于降低。加气废料玻化微珠复合砂浆的导热系数介于0.10~0.14 Ｗ／(ｍ·Ｋ)，与陶砂与玻化微珠混掺复合保温砂浆相比，有较大的降低。

 

 

 

-------------摘自《武汉理工大学学报》34卷3期