书城科普低碳建筑:绿色城市的守望
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第28章 你都知道哪些节能材料?(2)

(2)膨胀蛭石及其制品

蛭石是一种复杂的铁、镁含水硅铝酸盐类矿物,呈薄片状结构,由两层层状的硅氧骨架,通过氢氧镁石层或氢氧铝石层结合而形成双层硅氧四面体,“双层”之间有水分子层。高温加热时,“双层”间的水分变为蒸汽产生压力,使“双层”分离、膨胀。蛭石在150℃以下时,水蒸气由层间自由排出,但由于其压力不足,蛭石难以膨胀。温度高于150℃,特别是在850~1000℃时,因硅酸盐层间间距减小,水蒸气排出受限,层间水蒸气压力增高,从而导致蛭石剧烈膨胀,其颗粒单片体积能膨胀20多倍,许多颗粒的总体积膨胀5~7倍。膨胀后的蛭石,细薄的叠片构成许多间隔层,层间充满空气,因而具有很小的密度和热导率,使之成为一种良好的绝热、绝冷和吸声材料。膨胀蛭石的膨胀倍数及性能,除与蛭石矿的水化程度、附着水含量有关外,还与原料的选矿、干燥、破碎方式、煅烧制度以及冷却措施有密切关系。

膨胀蛭石的密度一般为80~200kg/m3,密度的大小主要取决于蛭石的杂质含量、膨胀倍数以及颗粒组成等因素。热导率为0.046~0.069W/(m·K),在无机轻集料中仅次于膨胀珍珠岩及超细玻璃纤维。但膨胀蛭石及制品具有很多综合特点,加之原料丰富,加工工艺简单,价格低廉,目前仍广泛用于建筑保温材料及其他领域。

膨胀蛭石具有保温、隔热、吸声等特性,可以作为松散保温填料使用,也可与水泥、石膏等无机胶结料配制成膨胀蛭石保温干粉砂浆、混凝土及制品,广泛用手建筑、化工、冶金、电力等工程中。

膨胀蛭石砂浆、混凝土及其制品的保温性能与胶结料的用量、施工方法有密切关系,在使用中往往为了得到一定强度及施工和易性,而忽视密度相应增加,保温效果降低。为此,经过试验研究,确定在膨胀蛭石与胶结料等的混合物中添加少量的高分子聚合物及其他外加剂,改善砂浆强度及施工和易性,达到既能改善砂浆施工性能,又能在保证强度的前提下降低砂浆密度,减小热导率的目的。

(3)泡沫玻璃制品

泡沫玻璃是以碎玻璃(磨细玻璃粉)及各种富含玻璃相的物质为主要原料,在高温下掺入少量能产生大量气泡的发泡剂(如闭孔用炭黑、开孔用碳酸钙),混合后装模,在高温下熔融发泡,再经冷却后形成具有封闭气孔或开气孔的泡沫玻璃制品,最后再经切割等工序制成壳、砖、块、板等。按其不同的工艺和基础原料,可分为普通泡沫玻璃、石英泡沫玻璃、熔岩泡沫玻璃等,也可生产多种彩色独立闭孔的保温隔热泡沫玻璃和通孔的吸声泡沫玻璃。由于这种无机绝热材料具有防潮、防火、防腐的作用,加之玻璃材料具有长期使用性能不劣化的优点,使其在绝热、深冷、地下、露天、易燃、易潮以及有化学侵蚀等苛刻环境下能广泛应用。而且,生产泡沫玻璃砖的原料可以由回收利用废玻璃得来,既降低了生产成本,增加了经济效益,又节约了自然资源,为城市垃圾的回收利用开辟了一条新途径。

泡沫玻璃由于其独特的理化性能和良好的施工性能,可以作保温材料用于建筑节能;可以作吸声材料用于高架桥、会议室等减噪工程。由于泡沫玻璃强度高且防水隔湿,既可满足一定建筑抗压和环境需求,又保证了长期稳定的绝热效率。建筑保温隔热用泡沫玻璃,具有防火、防水、耐腐蚀、防蛀、无毒、不老化、强度高、尺寸稳定性好等特点,其化学成分99%以上是无机玻璃,是一种环境友好材料,不仅适合建筑外墙、地下室的保温,也适合屋面保温。

此外,在国外对泡沫玻璃的应用中,还有用泡沫玻璃作为轻质填充材料应用在市政建设上,用泡沫玻璃作为轻质混凝土骨料等技术,既可以提高各种建筑物外围护结构的隔热性能,又有利于环保。

(4)泡沫水泥制品

泡沫水泥是在水泥浆体中加入发泡剂及水等经搅拌、成型、养护而成的一种多孔、质轻、绝热的混凝土材料。其结构性能和加气混凝土相似,但生产投资少,工艺简单,施工操作方便。在现浇混凝土建筑和装配式混凝土建筑中,需要大量轻质混凝土,泡沫混凝土就是一种理想的选择。

目前应用中,通常将粉煤灰、矿粉等辅助胶凝材料与水泥按一定比例掺和后制成浆体,在达到使用要求的条件下,实现利废、节约材料成本和改善性能的目的。原材料组分主要包括:泡沫剂;胶凝材料,常用早强型硅酸盐水泥;干排粉煤灰;复合外加剂,具有减水和促凝功能。混合料制备方法是:用高速搅拌机制泡,将制成的泡沫置于搅拌机中,加入水泥和粉煤灰(外加剂已预混于其中),搅拌至均匀为止。

由于泡沫剂的使用,在高速制泡时将产生均匀分布的微细闭合气泡,制品的密度较低,一般在1000kg/m3以下,粉煤灰泡沫水泥为多孔轻质材料,含有的气孔数量多,气孔直径小,热导率低,比加气混凝土有更好的保温性能。

粉煤灰泡沫水泥密度低,热导率小,强度高,可用于生产轻质隔墙板、复合外墙板、现浇屋面保温层和楼面隔声板等。近年来,我国科研部门采用AC引发剂,在常温常压下即可生产出粉煤灰水泥发泡保温材料。

(5)泡沫石棉制品

泡沫石棉是一种成本低廉、综合性能优异的轻质保温材料,其造价和隔热性能接近于轻质聚氨酯泡沫塑料,但其耐低温和耐高温性能(600℃)良好,是有机绝热材料无法比拟的,而且其生产过程属低能耗过程。

由于石棉具有致癌性,一般选择蛇纹石石棉作原料,生产工艺一般分为浸泡松解、打浆浇注、定型烘干、切割等工序。

研究结果表明,蛇纹石石棉经松解后已无致癌作用。因此,泡沫石棉在国内外工程建筑上的应用将越来越受到重视。据有关专利报道,在石棉分散液中加入一定量的玻璃丝或岩棉可以使产品效果更佳,其比例最高可达1:2。

(6)硅酸钙保温材料

硅酸钙(微孔硅酸钙)保温材料是以二氧化硅粉状材料(石英砂粉、硅藻土等)、氧化钙(也有用消石灰、电渣等)和增强纤维材料(如玻璃纤维、石棉等)为主要原料,再加入水、助剂等材料,经搅拌、加热、凝胶、成型、蒸压硬化、干燥等工序制作而成。硅酸钙的主体材料是活性高的硅藻土和石灰,在高温高压下,发生水热反应,与用于增强的纤维类以及助凝材料成型而得的保温材料。因所用原料、配合比或生产工艺条件的不同,所得产品的化学组成和物理性能也不相同,用于保温材料的硅酸钙有两种不同的晶体构造:一种是雪硅酸石,称为托贝莫来石,耐热温度为650℃,主要用于一般建筑、管道等保温;另一种是硬硅酸钙石,耐热温度为1000℃,主要用于高温窑炉等。

目前,我国生产硅酸钙保温材料主要采用压制法成型工艺,使产品的内在质量和外观质量都有较大改进和提高,密度降到250kg/m3以内,而且通过研制硅酸钙绝热制品专用耐温抹面材料及高温黏结剂,解决了硅酸钙制品用普通抹面材料抹不上的问题。

硅酸钙制品按矿物组成和使用温度,可分为托贝莫来石型(低温型,650℃)、硬硅酸钙石(高温型,1000℃)和混合型;按抗压强度,也可将其分为低强型(0.29MPa)、普通型(0.29~1.0MPa)、高强型(1.0~5.0MPa)和超高强型(8.0MPa);按表观密度,将其分为超轻型(70~130kg/m3)、轻型(130~200kg/m3)、普通型(200~250kg/m3)、重型(250~400kg/m3)和超重型(400~1000kg/m3)。

硅酸钙制品轻而柔软,强度高,热导率低,使用温度高,质量稳定。隔声、不燃、防火、无腐蚀,高温使用不排放有毒气体。具有耐热性和热稳定性,耐水性良好,经久耐用。

按硅酸钙各类型生产工艺的区别和物理性能的不同,有不同的用途,如低表观密度的制品,适宜作房屋建筑的内墙、外墙、平顶的防火覆盖材料和保温材料;中等表观密度的制品,主要作墙壁材料和耐火覆盖材料;高密度制品,主要作墙壁材料、地面材料或绝缘材料等。

(7)轻质保温砌块

轻质保温砌块具有自重轻、施工快、保温效果好等特点。特别是利用粉煤灰等工业废渣生产的砌块,不但降低了生产成本,使废物得到有效利用,并且减少了对环境的污染。随着框架结构建筑的普遍采用,使其共同构成外保温复合夹芯墙体,轻质保温砌块的生产与应用得到迅猛发展。

我国现有常见的轻质保温砌块材料有以下几种。

①加气混凝土砌块加气混凝土砌块是用钙质材料(水泥、石灰)、硅质材料(石英砂、粉煤灰、高炉矿渣等)和发气剂(铝粉、锌粉)等原料,经磨细、配料、搅拌、浇筑、发气、静停、切割、压蒸等工序生产而成的轻质混凝土材料。加气混凝土具有体积密度小、比强度较高、热导率小、易于加工筹优点。作为轻质墙体,可作普通钢筋混凝土框架结构的填充材料和自承重轻质隔墙;作为保温材料,可作一些工业厂房和特殊建筑的保温材料。

加气混凝土按原材料分有水泥—矿渣—砂加气混凝土、水泥—石灰—砂加气混凝土和水泥—石灰—粉煤灰加气混凝土;按产品分有加气混凝土砌块和加气混凝土加筋条板、墙板。

②混凝土小型空心砌块普通混凝土小型空心砌块是以水泥为胶结材料,砂、碎石或卵石、煤矸石、炉渣为骨料,加水搅拌,经振动、振动加压或冲压成型,并经养护而制成的小型且具有一定空心率的墙体材料。具体要求参见《普通混凝土小型空心砌块》(GB8239—1997)。混凝土小砌块的基本材性有抗压强度、抗折强度、体积密度、吸水率、抗渗性、干缩率和抗冻性等。

砌块的生产方法,除20世纪60年代的平模振动成型和蒸汽养护机组流水法以外,近年来发展了多种砌块成型机,形成了以移动式小型砌块成型机为主体的台座法生产线,即固定式成型机和隧道窑养护的机组流水或流水传送生产线。

轻集料混凝土空心砌块是用轻质粗骨料、轻质细骨料(或普通砂)、胶凝材料和水配制而成的混凝土,经砌块成型机成型、养护制成的一种轻质墙体材料,其干密度不大于1950kg/m3,空心率等于或大于25%,表观密度一般为700~1000kg/m3。轻集料混凝土空心砌块以其轻质、高强、保温隔热性能好、抗震性能好等特点,在各种建筑墙体中得到广泛应用,特别是常用于保温隔热要求高的围护结构中。常见的种类有黏土陶粒无砂大孔混凝土空心砌块、粉煤灰陶粒混凝土空心砌块等。

③石膏空心砌块石膏空心砌块由定量石膏、轻质骨料、活性掺和料以及化学外加剂、水按比例混合,经强制搅拌、浇注成型、脱模干燥而制成,是轻微孔隙发育的石膏与轻质多孔的轻集料胶结而成的堆聚结构。适当比例的掺和料和化学外加剂可进一步改善石膏晶体的结构和吸水性能,不等径的孔洞结构可有效地吸收噪声。这种结构特征使石膏空心砌块具有许多优越的建筑物理机械性能,适用于建筑物的内墙墙体材料。石膏空心砌块的强度与建筑石膏的强度、轻集料的筒压强度、水灰比和干燥条件有密切关系。

物体的毛细孔隙尺寸对热导率影响较大,石膏空心砌块是建筑石膏与膨胀珍珠岩混拌、浇注制成,制品中毛细孔隙率很高,孔隙中充满气体,不会形成明显的对流作用和孔壁间的辐射换热。砌体中的柱状孔洞起到很好的保温作用,这些结构特征赋予了石膏空心砌块良好的保温隔热性能。石膏空心砌块的热导率一般为0.18~0.21W/(m·K),保温隔热性明显要好于一般黏土砖,一般80mm厚石膏空心砌块墙体相当于240mm厚实心砖墙体的保温隔热能力。此外,石膏空心砌块墙体的吸声、防火和防震性能优势也十分明显。

目前石膏空心砌块是采用精密模具工厂化生产,符合JC/T698—1998标准要求,砌筑时只需在端面涂抹黏结材料,把砌块间的榫槽缝嵌合,无须抹灰找平,即可贴瓷砖、壁纸、刮腻子,无抹灰湿作业。施工时间缩短,而且不受季节限制,为施工单位降低了成本。

三、复合节能墙体材料

1.GRC复合保温墙板

GRC(玻璃纤维增强水泥混凝土)的发展大体上可以分为三个阶段:第一阶段在20世纪50年代,采用中碱玻璃纤维(A玻璃纤维)或无碱玻璃纤维(E玻璃纤维)作为增强材料,胶结材料用的是硅酸盐水泥。硅酸盐水泥的水化产物对玻璃纤维有强烈的侵蚀作用,使玻璃纤维很快丧失了强度,GRC的耐久性很差,这是第一代GRC;第二阶段在20世纪70年代,采用含铬的耐碱玻璃纤维增强硅酸盐水泥,使基材强度有所提高,但GRC的抗弯强度与韧性下降很多,强度保留率只有40%~60%,把耐碱玻璃纤维增强硅酸盐水泥的GRC称为第二代GRC;第三阶段在20世纪70年代中期,我国的科学技术人员成功地用耐碱玻璃纤维与硫铝酸盐型低碱度水泥匹配制备出GRC,其耐久性最好,抗弯强度的半衰期可超过100年,称为第三代GRC。通过不同的成型工艺,可将GRC制成各种板材。

GRC复合保温墙板是以GRC作面层,以保温材料作夹芯层,根据需要适当加肋的预制构件。它可分为外墙内保温板和外墙外保温板两类。将GRC复合保温墙板与承重材料进行复合,组成的复合墙体不但可以克服单一材料墙体热导率大、保温隔热性能差的缺点,而且还避免了墙体厚度过厚,实现建筑节能30%~50%。由于GRC复合保温墙板的夹芯层通常为聚苯乙烯泡沫塑料,其热导率低于0.05W/(m·K),为高效保温材料,使整个墙板的热导率较低,保温性能增强。

(1)GRC外墙内保温板

GRC外墙内保温板是以GRC作面层,以聚苯乙烯泡沫塑料板为芯层的夹芯式复合保温墙板。将该种板材置于外墙主体结构内侧的墙板称为GRC外墙内保温板。

经实践应用,60mm厚板与200mm厚混凝土外墙复合,达到节能50%的要求,保温效果优于620mm厚的黏土墙。而且,GRC外墙外保温板重量轻、强度高、防水、防火性能好,具有较高的抗折与抗冲击性和很好的热工性能。

生产GRC外墙外保温板的生产工艺有铺网抹浆法、喷射一真空脱水法和立模挂网振动浇注法等。

(2)GRC外墙外保温板