利用玄武岩纤维废料的墙体材料热工性能研究
Study on thermal performance of wall material with basalt fiber wastes
刘国强1 张贞强1 刘开明1 邹山梅1 王建林1 杜红山2
（1甘肃能源化工职业学院；2甘肃鸿盛岩棉科技有限公司，甘肃 兰州 730000）
摘要：对玄武岩纤维废料的组成成分、形态进行了微观分析，探讨其在轻质墙材中的应用。在总结前期实验结果的
基础上，对添加玄武岩纤维废料及其他轻质骨料的不同配比的混凝土进行了强度、密度、导热系数分析。结果表明，玄武岩纤维废料化学组成类似于硅酸盐水泥，含有大量未结晶玻璃体，也存在少量结晶物质。掺入玄武岩纤维废料及陶粒、膨胀珍珠岩的轻质混凝土，其强度降低约50%，导热系数降低约60%，密度降低约25%。扫描电镜分析表明，材料微观结构合理，玄武岩纤维废料具备作为制备轻质墙体材料的可行性。关键词：玄武岩纤维废料；墙体材料；轻集料；导热系数；密度
Abstract: In this paper, the composition and morphological characteristics of basalt fiber waste are micro analyzed, and its application to lightweight wall materials is discussed. On the basis of summarizing the previous experimental results, the strength, density and thermal conductivity of concrete with different proportions of basalt fiber waste and other lightweight aggregates were analyzed. The results show that the chemical composition of basalt fiber waste is similar to Portland cement, which contains a large amount of uncrystallized vitreous and small amount of crystalline material. The strength of lightweight concrete that mixed with basalt fiber waste, ceramsite and expanded perlite is reduced by about 50%, the thermal conductivity is reduced by about 60%, and the density is reduced by about 25%. The SEM analysis shows that basalt fiber waste can be used as a kind of lightweight wall material because of the reasonable microstructure.Keywords: basalt fiber wastes; wall material; lightweight aggregate; thermal conductivity; density中图分类号：TU55+1.3 文献标识码：B 文章编号：1003-8965（2019）06-0023-04
0 引言
我国建筑能耗接近全社会总能耗的40%，而城镇建筑中节能建筑的比重还不足25%。兰州属于寒冷地区，建筑围护结构外墙传热系数至少应≤0.60，建筑节能应达到65%。现阶段兰州乃至甘肃地区为了达到此规定，普遍采用外墙保温技术，墙体结构与墙体保温分步施工。此法除增加建筑成本外，由于寒暑温差导致的热应力、风荷载、雨雪影响、高温照射等原因，使得外保温材料的耐候性普遍比较差。建筑物设计使用年限一般为50年，而保温层仅为25年，无法实现保温与建筑墙体同寿命。
轻集料自保温砌块是自身能够满足建筑节能设计标准要求的一种建筑保温与结构一体化技术产品，具有自重轻、保温隔热和耐火性能好、保温与建筑墙体同寿命等特点。
本项目拟利用岩棉废料生产轻集料砌块。岩棉作为A级阻燃型外墙保温材料，在发达国家产量很高，在欧洲外
[1]
墙保温材料市场占有率高达60%。岩棉废料包括废岩棉和炉底渣，这些废料由于容重轻、难降解，污染环境，大部分被倾倒掩埋。我国岩棉2016年产量为252.50万吨，2017
[2][3]
年269.70万吨，2018年320万吨，岩棉废料的量约占岩棉板总产量的20%～25%，倾倒掩埋不仅浪费人力、运力，
而且对环境造成破坏，填埋后的土壤则失去使用价值。有
研究表明，将岩棉作为混凝土组分添加，可以改善混凝土
这为绿色处理岩棉废料提供了良好的思路。性能[4]，
1 实验方法
本项目研究所用材料PO42.5级水泥，普通建筑用砂，
细度模数为2.9，碎石，最大粒径31.5mm,膨胀珍珠岩，表观
3
密度399kg/m，经过改性后的循环流化床燃煤产生的高钙
[5]
粉煤灰，还有玄武岩纤维废料（废岩棉+炉底渣）。
图1 废岩棉XRD图谱
表1 玄武岩纤维废料的成分
CaO
废岩棉炉底渣
33.633.0
SiO233.432.7
Fe2O36.2310.3
Al2O311.48.53
MgO8.867.15
SO30.5340.824
Na2O+K2O2.132.69
TiO22.392.81
其他1.4551.933
基金项目：甘肃省高等学校科研项目（2018A-201）
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节能与环保
通过对废料进行XRF分析可知，废料中含有大量Ca、Si的氧化物和少量的Al、Fe、Mg,其组成物质与硅酸盐水泥相同，可知其对混凝土无害，可作为制备混凝土的原材料。
通过图1可以看出，废岩棉在16°～39°之间出现一个明显的弥散衍射峰，可知岩棉废料具备近程无序，远程有序的非晶态玻璃体形态，结晶程度低，潜在活性高。
图2 炉底渣XRD图谱
图2表明，炉底渣在形成过程中冷却速度稍慢，结晶程度比废岩棉要高，但仍含有大量的玻璃体，其结晶矿物也具备对混凝土无害的特征。从以上分析可知，玄武岩纤维废料不但对混凝土无害，且因其含有大量玻璃体，在适当激发的前提下，还可能对混凝土产生积极的影响。
本项目采用JGJ51-2002《轻骨料混凝土技术规程》进行配合比设计，并考察了各添加成分对材料力学性能的影响[6]
。从所有64组配比中，
综合抗压强度和密度两项因素，选取性能良好的4组配比进行了热工性能测试。所选取4组配合比如下表所示。
表2 C30基准配合比（单位：Kg/m）3
序号水灰比水水泥石子砂砂率10.3315547012075680.322
0.43
155
360
1282
603
0.32
表3 C50基准配合比（单位：Kg/m3）
序号水灰比水水泥石子砂砂率30.3317051510985170.324
0.43
170
395
1180
555
0.32
表4 测定导热系数时用的配合比（单位：Kg/m3）
编
水灰号比水水泥石子砂粉煤灰岩棉陶粒珍珠
岩R00.3315547012075680000R10.33155282101755118818.319017.3R20.43155216108058514436.620218.3R30.3317041292548510318.317331.6R4
0.43
170
316
994
538
79
36.6
186
17
2 实验结果
经试配并严格养护后的试块，利用稳态平板高精度导
24
热系数测定仪进行了导热系数的测定，结果如下表所示。
表5 导热系数及容重测定结果
编号28天抗压强度（MPa)导热系数（W/（K·m)）密度（Kg/m3）R040.80.83972485R121.660.34341844R226.150.30151826R318.100.21041815R4
22.67
0.2666
1885
图3 各因素之间的相关性
从图3可以看出，添加各辅助成分后，材料抗压强度都
有大幅度下降，同时导热系数及密度也相应下降，与实验目标一致。原因是，陶粒与膨胀珍珠岩都具有较大孔洞，其本身导热性差，密度低，致使实验配制材料导热系数约可降至原来的1/3，密度可降低25%。其中，R3配比强度最低，导热系数及密度也最小，因其中添加的膨胀珍珠岩比例最高。但这个配比是按C50标号为基准配比，强度损失达到65%，因其水泥添加量大，故而不经济。R2配比强度损失最小，因其中添加岩棉废料最多，纤维状岩棉起到增加各部分连接作用，对提高强度有利。虽然导热系数较高，但仍较基准配比降低了60%左右，密度降低程度与其他配比相当。
除检测导热系数和密度之外，项目还对试配混凝土进行了扫描电镜分析。
从图4可以看出，水化产物与膨胀珍珠岩界面接触紧密，无明显裂纹，水化产物包裹珍珠岩生长。从图5可以看出，试样中由于添加膨胀珍珠岩，形成孔洞较多，有利于降低试块密度，降低材料导热性能。从图6可以看出，实验所用的经过处理的循环流化床高钙粉煤灰规则球形颗粒占大多数，体系中的粉煤灰分布均匀。从图7可以清楚看到，纤维状岩棉，水化产物诸如钙矾石、氢氧化钙等聚集在岩棉末端或贯穿岩棉纤维之间，有利于提高混凝土的强度。
图4 试样1000倍SEM照片
节能与环保
图5 试样100倍SEM照片图7 试样5000倍SEM照片
3 几点思考
新型墙体材料的使用极大地促进了建筑节能，减轻房屋自重，对于建筑物结构设计和提高建筑经济性具有非常重要的意义。非承重构件仅起保温、隔热、隔声、隔气的作用，因此对非承重构件更应大力推广应用轻质材料。
通过项目组大量的实验研究，将岩棉废料以及改性后的循环流化床燃煤产生的高钙粉煤灰，配合陶粒、膨胀珍
（下转第96页）
图6 试样2000倍SEM照片
（上接第20页）
图1 甲烷标准气体浓度
图4 甲烷稀释气体浓度
由图可知，稀释后甲烷最终浓度0.727ppm，不在上述区间内，因此，该动态气体校准仪流量计的流量与最终输出的甲烷稀释气浓度之间并没有呈现上述公式所示的关系。
3 结语
动态气体校准仪稀释后的标气浓度与其流量计的流量
在未确认稀释后存在不符合公式Cf=Ci×G/(G+A)的风险，
标气实际浓度时，不建议将校准仪应用于大气监测设备的量值溯源过程。
参考文献
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[2]傅东旭.多参数动态气体校准仪的设计与实现[J].机电工程，2010（10）：43-50.
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[4]兴安.大气自动监测系统动态校准仪臭氧浓度的复现性测试[J].农业与生态环境，2018（1）：96-98.
[5]鲍雷.空气质量自动监测中气体标准物质浓度的选择技巧[J].重庆环境科学，2003（12）：145-148.
图2 甲烷标准气体浓度
图3 甲烷稀释气体浓度
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综 述
将产品的绿色性作为产品的重要特性纳入企业现有管理体系（质量、环境、职业健康安全、能源管理体系等）中，改进企业管理体系。具体措施包括：
1）在管理体系中增加绿色性目标，机构设置、人员配备及培训满足产品绿色设计要求；
2）在产品设计、过程控制、采购过程、文件管理、管理评审等程序文件中补充和完善绿色设计相关要求；
3）在资源管理系统中增加绿色设计数据库。2.8.2 技术文件在产品设计文件（设计任务书、说明书、计算书等）中增加有关产品绿色材料、绿色性指标及特殊工艺要求等内容。在产品说明书或随机文件中增加的内容包括：
1）给出产品材料毒性及最终处置说明；2）给出再生材料和再制造件使用声明；3）给出产品拆解、材料回收利用及可再制造性说明；4）对于大型和复杂产品，提供详细的拆解信息文件；5）对于使用不当可能对环境或人身安全造成危害的产品，有详细的操作说明，必要时在产品明显位置给出警示标识。
2.8.3 数据库
数据库是实施产品绿色设计的重要技术支撑和保障，企业建立并不断更新、完善绿色设计数据库。数据库的主要内容包括：
1）与企业产品和生产过程相关的绿色制造政策、法规、标准；
2）绿色设计及评价理论、知识、方法；3）产品材料及能源的环境特性；4）工艺过程能耗、排放数据；5）工艺设备能效、安全信息，产品绿色供应链信息及企业绿色设计经验数据。（上接第25页）
珠岩等原材料配制的轻集料混凝土，可以用于制备小型空心砌块。本项目试配的利用玄武岩纤维废料轻集料混凝土，具有密度小，导热系数小，保温性好的优点。编号R2
3
导热系数0.3015（W/（K·m)，如果的配比，密度1826kg/m，[7]
将它做成空心砌块，按经验可得强度等级MU10级、密度
3
1100kg/m的砌块，它的应用将使结构构件从断面尺寸到单位容重等参数都大大优化，不仅减轻建筑物自重，还能够完善结构设计，提高建筑经济性，具备良好的经济效果。
从实验结果来看，此项目仍有深入研究的空间，按照R2配合比试配的结果，在混凝土立方体试块强度达到26MP的时候，密度降低为1800kg/m3，如果继续增加轻骨料比例，则在满足强度要求的情况下，密度可以继续降低，导热系数也可以降低。此外，通过图7可以看出，废岩棉并未完全分散，应继续加强对其分散性的研究，以使其纤维增强发挥更高的作用。
参考文献
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[2]智研咨询.2017年我国岩棉产品产销态势及需求
前景分析[EB/OL].（2018-08-22）.http://www.chyxx.com/industry/201808/669753.html.
[3]襄阳银达银通.2018中国绝热节能材料行业经济运行分析[EB/OL].（2019-02-18）.http://www.sohu.com/a/295413594_120088207.
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[5]阚丽虹，张贞强，刘国强.火力发电产生的高钙粉煤灰的改性研究[J].中国建材科技，2019，28（03）：30-31.
[6]张贞强，刘国强，刘开明，邹山梅，王建林，杜红山.利用玄武岩纤维废料的墙体材料母材试配及力学性能研究[J].中国建材科技，2019，28（03）：77-78.
[7]单维升，陈素华.普通混凝土小型空心砌块配合比设计[J].砖瓦，2005（05）：80-84.
3 展望
卫生陶瓷作为重要的终端消费品之一，影响着人类家居生活品质。通过采用绿色设计的理念，尤其是在全生命周期理论的指导下，产品开发设计人员可以更加系统地考虑产品整个生命周期中对环境产生的不利因素，从而最大限度地减少对环境的污染，实现卫生陶瓷产业的绿色化发展。
此外，通过践行绿色设计理念，还将会为企业或社会带来许多潜在的利益，如：
1）提高员工的工作动力和产品知识，促进产品革新和创新，增强竞争力；
2）改善产品功能，满足或超越消费者的期望，提升品牌形象；
3）通过减少对环境的负面影响，改善与执法者的关系；4）改进内外信息交流，密切与供应链的关系，保障产品质量，降低风险；提高投资方的信任度等。
绿色设计虽然好处很多，但是作为一个产品来说，不能仅仅考虑产品的绿色性，应综合考虑经济性、功能性和企业的实际情况。此外，本文仅仅给出了卫生陶瓷产品的绿色设计方法，并未涉及绿色产品的绿色评价。绿色设计的产品是否真绿色，还应从资源能源消耗、环境污染、生物特性、健康安全和产品品质等多方面进行评价。
此外，基于全生命周期的设计理论仅为产品绿色设计的方法之一，其他设计方法如模块化设计理论和再制造设计理论等，均可作为产品绿色设计的依据，这些方法理论可单独或组合使用。
参考文献
[1]打赢蓝天保卫战三年行动计划[Z].
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