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粉煤灰聚苯乙烯新型保温建筑材料的制备实验研究

作　者: 徐子芳
导　师: 张明旭
学　校: 安徽理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 激发机理 NF-30合成新型建筑材料水化产物耐久性能
分类号: TU551
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着人们生活水平的提高、能源问题的日益严峻,人们对居住房屋的保温性要求相应提高,保温材料的研究与开发成为建筑材料领域的热点话题,同时利用废弃物开发研制新型保温材料又是热点中的重中之重。粉煤灰与废旧聚苯乙烯泡沫(EPS)是环境的两大杀手,如何将其合理利用,变废为宝是开发研制新型材料的新途径。将这两种废弃物应用于保温砌筑砂浆中,发挥其各自的优点,开发出一种新型节能保温墙体材料,达到变废为宝是本文的研究目的。粉煤灰的利用主要是对其活性的利用,特别是作为建筑材料-水泥混凝土的原材料,少用水泥做基础原料,减少了水泥用量,即等于减少了一次资源、能源的消耗,同时也减少了因生产水泥带来的环境污染；废弃聚苯乙烯泡沫塑料因质轻、体积大,在自然界条件下,一、二百年也不降解,造成严重的白色污染,破坏生态环境,但利用其质轻(0.01-0.05g/cm3)、无毒、低吸水性、耐酸碱、耐候、绝热、隔音等性能特点研制保温隔热材料是消除生活垃圾,变废为宝的新途径。本文利用石灰、石膏作为粉煤灰活性的激发剂,加入改性的聚苯乙烯泡沫研制出保温性能和耐久性能皆较为优良的粉煤灰聚苯乙烯保温砂浆及砌块,充分满足我国目前对建筑保温隔热砂浆及建筑保温砌块的要求,属于绿色节能建筑材料。保温砌筑砂浆及砌块所使用的添加剂NF-30主要合成原料采用煤焦化洗油的馏分-洗油,由于洗油与萘属于同类化合物,合成的添加剂不但性能优良而且又是所研制的保温砂浆原料中另一种废弃物的利用。全文对所研制的保温砂浆砌块的原料组成、实验思路、技术手段、水化、硬化等性能都进行了较为全面、系统的研究：(1)综合利用材料测试手段、有机化学、热力学、物相分析、材料物理性能等基础理论,从保温砂浆砌块所使用粉煤灰的物理性质、化学成分、石灰-石膏的物理化学性质及活化机理、废弃EPS的物理化学性质及改性途径,探讨了用粉煤灰和EPS研制保温砂浆及砌块的反应机理及开发自保温砂浆及砌块的可能性；(2)对石灰-石膏激发下的粉煤灰砂浆水化-硬化机理进行了系统研究,采用大量的基本物理性能测试手段分析了激发体系下的砂浆物理性能,用石灰-石膏激发粉煤灰潜在活性,砂浆中以20%-25%的粉煤灰掺量为最佳；(3)借助X衍射、TGA-DTA水化产物热机理分析及水化龄期产物扫描电镜SEM观察显示：石灰对粉煤灰活性激发效果应以CaO含量相等为条件,石膏在Ca(OH)2存在下,与粉煤灰中活性硅铝组分作用形成钙矾石,对粉煤灰水化起硫酸盐激发作用,这种作用会因新生二水石膏的高分散性与高表面活性而更加强烈。粉煤灰与无水石膏的水化相互促进,石灰-石膏对粉煤灰的激发效果早期微弱,后期Ca(OH)2、C-S-H、AFm等水化产物发育良好。石灰-石膏的加入对激发粉煤灰的潜在活性起到了很好的作用；28及60天水化产物形貌显示：一方面石灰-石膏激发了粉煤灰的活性,弥补了水泥砂浆强度损失,另一方面也说明粉煤灰的活性仍没有被完全激发,后期仍有少量活性弱的粉煤灰存在。石灰-石膏激发下的砂浆水化后期界面一定程度趋于规整,其耐候性提高,后期强度相对持久。揭示了研制开发石灰-石膏-粉煤灰砂浆砌块的可能性；(4)保温砌筑砂浆砌块所需外加剂NF-30的合成显示：产品PH值为7—9,磺化时间2.5h,缩合时间为5h,磺化温度160℃,磺化过程中添加氧化剂MO,添加30%洗油合成减水剂NF-30综合性能最佳。NF-30改性水泥混凝土性能显示：分散性好,水泥砂浆水化更快,水化产物更多,提高了早期强度。自制添加剂NF-30与纯萘减水剂性能相当,而原料成本大大降低,开辟了焦化洗油废弃物的利用新途径；(5)对一定级配的粉煤灰-EPS砂浆制作揭示了采用0.16--2.0mm的EPS级配,粉煤灰掺入量为20%,EPS掺量2.0%-2.5%时,保温砂浆的综合工作性能最好；(6)无石灰-石膏的粉煤灰EPS保温砌筑砂浆水化产物TGA-DTA热机理分析和X衍射分析显示：龄期水化过程相对基准砂浆样迟缓,强度较低,但物理性能优于外掺其它保温材料。综合耐久、耐候性能良好,保温性能好[0.455(W/m.K)],揭示了利用粉煤灰和EPS研制保温砂浆砌块的可能性和采用石灰-石膏激发粉煤灰活性的必要性；(7)以石灰-石膏激发粉煤灰潜在活性为前提,利用EPS的保温性,研制综合体系下的多种废弃物同时利用的新型功能材料,配制的保温砂浆最佳粉煤灰和EPS掺量为20%和2.5%,导热系数为0.531W/(m.K),远远低于空白砂浆的导热系数0.938W/(m·K),保温性能优良,完全满足两淮流域地区节能标准规定的传热系数不高于1.5W/(m·K)的要求,同时证实外掺石灰-石膏激发作用下可使保温砂浆砌块结构致密,导热系数略大于无石灰-石膏激发的保温砂浆砌块体系,但综合性能最佳；(8)激发剂作用下的粉煤灰-EPS新型保温砂浆砌块后期强度持久,具有良好的耐酸性、抗冻性,吸湿率低,吸水率小,软化系数较高,属于耐水性材料,具有良好的耐久性能。生产1m3的保温砂浆将消耗掉环境污染物粉煤灰117kg、聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)颗粒14.6kg,脱硫石膏29.3 kg,达到了室温条件下同时利用多种废弃物,变废为宝的目的；(9)粉煤灰聚苯乙烯新型自保温砌筑砂浆水化产物X衍射分析显示：早期水化产物种类较多数量较少,尺寸小,发育不完善,水化产物主要是水化铝酸钙(C4AH13)水化硅酸钙(C-S-H)和氢氧化钙(CH)；28天的主要水化产物是水化硅酸钙(C-S-H),水化铝酸钙(C4AH13)、钙矾石(AFt)和氢氧化钙(CH),同时水化石榴石(C3ASH4)和托勃莫来石(Ca(Si5O18H2)-4H2O)增多,晶体发育趋于完善；60天龄期出现数量较多的水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)、氢氧化钙(CH)、水化石榴石(C3ASH4)和托勃莫来石(Ca(Si5O18H2)-4H2O)等水化产物,且随龄期的延长,水化产物数量增多,尺寸变大,晶型稳定。进一步说明：石灰、石膏对粉煤灰的激发作用在早期不明显,后期激发作用显著。从微观上验证了用石灰和石膏激发粉煤灰的活性可以弥补由于加入粉煤灰和EPS废弃物引起的强度损失,提高保温砂浆砌块的使用可能性；(10)粉煤灰聚苯乙烯新型保温砂浆SEM扫描分析显示：水化早期(3天),形成了较多的水化铝酸钙、C-S-H凝胶和Ca(OH)2等水化产物,但是它们尺寸较小,发育不完整,以片状结构和纤维状结构为主,空隙率较大。28天水化产物数量增多,不断长大,发育良好,箔片状水化硅酸钙有包裹其它水化产物的趋势,空隙率降低,结构变得致密。水化后期(60天),水泥熟料和粉煤灰均大部分水化,水化反应趋于完全,水化产物数量、尺寸和形态均发展良好,结构致密,孔隙减少,表面变得较为平坦,和宏观物理实验结果一致；(11)粉煤灰聚苯乙烯新型保温砂浆砌块属于新型环保、利废、节能自保温材料,它能很好地适应夏热冬冷地区的气候条件,满足建筑节能的要求。针对两淮地区的气候特点,粉煤灰-EPS保温砂浆砌块出现结露的可能性小,热阻大,热桥现象小于普通承重作用混凝土部分,建筑能耗损失相对少,属于节能墙体材料；(12)粉煤灰聚苯乙烯新型保温砂浆砌块施工工艺属于一次性完成,安全性高,便于推广上述研究工作对进一步综合利用粉煤灰、电场脱硫石膏和生活垃圾废弃聚苯乙烯泡沫奠定了基础,并可为新型节能墙体材料的开发开辟了新途径、新思路,从而可获得显著的经济和社会效益。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-22
第1章绪论  22-42
  1.1 开展粉煤灰做砂浆掺料研究的动因  22-23
  1.2 论文选用粉煤灰做掺料的意义及作用  23-24
  1.3 提高粉煤灰活性的意义与方法  24-30
    1.3.1 提高粉煤灰活性的意义  24-25
    1.3.2 粉煤灰活性激发方法及优缺点分析  25-28
    1.3.3 用石灰、石膏激发粉煤灰活性的意义  28-30
  1.4 我国建筑保温材料的研究背景、进展及存在问题  30-32
  1.5 废旧聚苯乙烯泡沫(EPS)塑料及其利用概况  32-35
    1.5.1 EPS的污染  32-33
    1.5.2 EPS的物理、化学特性  33
    1.5.3 EPS的作用  33-34
    1.5.4 EPS用于保温砌筑砂浆中的技术难题  34-35
  1.6 论文研制产品要解决的问题  35-37
  1.7 外加剂NF-30的作用机理及使用意义  37-39
    1.7.1 外加剂对水泥砂浆性能的作用机理  37-39
    1.7.2 自制NF-30添加剂的必要性  39
  1.8 论文的研究内容  39-41
  1.9 论文展望及讨论  41-42
第2章石灰-石膏-粉煤灰水泥胶凝材料水化硬化性能分析  42-72
  2.1 石灰-石膏-粉煤灰水泥基材料水化硬化机理研究现状  42-43
  2.2 石灰原料简介  43-45
  2.3 脱硫石膏简介  45-47
    2.3.1 石膏的作用机理  45-47
  2.4 粉煤灰胶凝机理研究现状  47-49
  2.5 粉煤灰-石灰-石膏-水泥浆体胶凝性能分析  49-60
    2.5.1 实验原料  49-50
    2.5.2 粉煤灰最佳配比的确定  50
    2.5.3 试样制作和基本物理性能测试  50-53
    2.5.4 试样龄期水化热测定  53-54
    2.5.5 普通硅酸盐水泥水化硬化过程  54-60
  2.6 试样龄期水化产物形成机理研究  60-68
    2.6.1 石灰-石膏粉煤灰水泥胶凝材料28天龄期TGA-DTA水化热机理分析  60-63
    2.6.2 石灰-石膏-粉煤灰水泥胶凝材料28天龄期XRD物相分析  63-65
    2.6.3 石灰-石膏-粉煤灰水泥胶凝材料SEM水化产物龄期形貌分析  65-68
  2.7 煤矸石代替粉煤灰水泥胶凝材料水化性能分析  68-70
    2.7.1 石灰-石膏-煤矸石水泥胶凝材料水化硬化性能分析  68-70
  2.8 本章小结  70-72
第3章外加剂NF-30的合成性能表征及粉煤灰-EPS砂浆性能分析  72-93
  3.1 外加剂NF-30的合成  72-76
    3.1.1 外加剂NF-30的合成实验  72
    3.1.2 主要原料  72-73
    3.1.3 主要实验装置  73
    3.1.4 合成方法  73
    3.1.5 搅拌速度  73
    3.1.6 磺化温度对净浆流动度的影响  73-74
    3.1.7 磺化时间对净浆流动度的影响  74-75
    3.1.8 缩合时间对净浆流动度的影响  75
    3.1.9 洗油添加量对水泥净浆流动度的影响  75-76
    3.1.10 氧化剂MO对磺化过程中酸性气体的影响  76
  3.2 外加剂NF-30对水泥的缓凝作用研究  76-77
  3.3 外加剂NF-30表面张力的测定  77-78
  3.4 NF-30红外光谱分析  78-79
  3.5 外加剂NF-30改性混凝土龄期强度研究  79-81
    3.5.1 试验方法及原料配合比  79
    3.5.2 龄期强度检测  79-80
    3.5.3 NF-30和NF减水剂改性混凝土七天水化龄期的SEM形貌对比分析  80-81
  3.6 废弃聚苯乙烯泡沫(EPS)改性理论及改性剂的选择  81-82
  3.7 废旧聚苯乙烯泡沫(EPS)改性粉煤灰水泥砂浆性能分析  82-91
    3.7.1 实验原料  82-83
    3.7.2 实验方法  83-84
    3.7.3 EPS的颗粒级配及保温砂浆的物理性能分析  84-87
    3.7.4 粉煤灰-EPS保温砂浆砌块的早期水化过程热机理分析  87-89
    3.7.5 粉煤灰-EPS保温砂浆砌块水化早期物相成分分析  89-90
    3.7.6 粉煤灰-EPS保温砂浆砌块的施工及导热性能  90-91
  3.8 本章小结  91-93
第4章石灰-石膏激发下的粉煤灰-EPS保温砂浆砌块的研制  93-108
  4.1 石灰-石膏激发下的粉煤灰-EPS保温砂浆砌块的研制背景  93
  4.2 石灰-石膏激发下的粉煤灰-EPS保温砂浆砌块实验与耐久性能分析  93-103
    4.2.1 试验原料  93-94
    4.2.2 实验配比方案  94-95
    4.2.3 试验样品制备和耐久性能检测  95-99
    4.2.4 保温砂浆砌块龄期强度的测试与分析  99-100
    4.2.5 保温砂浆砌块的保温性能测试与分析  100-103
  4.3 保温砂浆砌块基本配比的确定  103-104
  4.4 保温砂浆砌块的耐候性能检测  104-106
    4.4.1 耐候性检测意义  104
    4.4.2 耐候性检测结果与分析  104-106
  4.5 石灰-石膏-粉煤灰-EPS保温砂浆砌块中各原料的用量计算  106
  4.6 本章小结  106-108
第5章石灰-石膏激发下的保温砂浆砌块水化、硬化产物微观结构分析  108-125
  5.1 石灰-石膏激发下的粉煤灰-EPS保温砂浆砌块X射线衍射(XRD)分析  108-117
    5.1.1 3天砂浆砌块的XRD图谱分析  108-111
    5.1.2 28天砂浆砌块的XRD图谱分析  111-114
    5.1.3 60天砂浆砌块的XRD图谱分析  114-116
    5.1.4 不同龄期的EPS保温砂浆砌块的XRD图谱分析  116-117
  5.2 砂浆砌块的扫描电镜(SEM)分析  117-119
    5.2.1 水化产物的SEM形貌  117-119
    5.2.2 粉煤灰的SEM形貌  119
    5.2.3 水泥熟料矿物SEM形貌  119
  5.3 保温砂浆砌块的扫描电镜(SEM)分析  119-123
    5.3.1 3天砂浆砌块的SEM图对比分析  121-122
    5.3.2 28天砂浆砌块的SEM图对比分析  122-123
    5.3.3 60天砂浆砌块的SEM图对比分析  123
    5.3.4 不同龄期的保温砂浆砌块的SEM对比分析  123
  5.4 本章小结  123-125
第6章保温砂浆砌块节能应用研究与探讨  125-135
  6.1 粉煤灰-EPS保温砂浆砌块目前主要使用领域的需求量和未来市场预测  125
  6.2 框架结构粉煤灰-EPS保温砂浆砌块填充墙体热工计算  125-127
    6.2.1 计算依据  125-126
    6.2.2 基本数据  126
    6.2.3 墙体构造  126-127
  6.3 粉煤灰-EPS保温砂浆砌块的应用研究  127-131
    6.3.1 结露现象研究  127
    6.3.2 结露可能性分析  127-130
    6.3.3 热桥问题研究  130
    6.3.4 热桥的处理措施  130-131
  6.4 节能环保型粉煤灰-EPS保温砂浆砌块施工技术  131
  6.5 节能环保型粉煤灰-EPS保温砂浆砌块环保测试  131-133
  6.6 节能环保型粉煤灰-EPS保温砂浆砌块市场经济效益分析  133-134
  6.7 本章小结  134-135
结论与创新点  135-138
参考文献  138-148
附录  148-149
致谢  149-150
作者简介及读研期间主要科研成果  150-151

粉煤灰聚苯乙烯新型保温建筑材料的制备实验研究

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