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1、大掺量粉煤灰隔热防水材料的开发应用倪文,董涛(北京科技大学,北京100083)摘要:探讨了掺加大量废旧泡沫塑料和粉煤灰制备屋面防水隔热材料的可行性及其经济意义。初步工程实验表明,以占体积 70%以上的废旧泡沫塑料和占重量 80%以上的粉煤灰可以制成良好的整体屋面防水隔热材料。该材料具有良好的隔热性、不渗漏性和耐久性,可取代传统的隔热层+防水层+保护层的三层结构,在保证各项性能均有大幅度提高的前提下,其总造价可下降10%30%。关键词:隔热防水材料;粉煤灰;废旧泡沫塑料中图分类号:T Q536.4文献标识码:A文章编号:1000-6532(2001)04-0035-05屋面渗漏给建筑物本身及室内
2、装修、家具、家电等带来巨大损失。随着人们对高质量生活条件的追求,高质量的屋面隔热、防水材料越来越受到重视。传统的以有机材料为主的防水层,特别是普通的沥青油毡结构已经被证实不具有长期的抗老化性。而水泥基的无机材料虽具有良好的耐久性,但开裂问题一直是困扰建筑业的一大难题。本项目研究利用微膨胀与预应力原理,通过掺加大量的废旧泡沫塑料和粉煤灰制成了性能良好的屋面隔热防水材料,经初步试用和检测显示出较大的发展潜力。1大掺量粉煤灰隔热防水材料的经济意义目前我国普通民用建筑及公共建筑正在渗漏和曾经渗漏过的达 60%以上,一般 510 年防水层就要翻修一次。有些经多次修补仍不能解决渗漏问题。随着我国居民生活水
3、平及室内装修档次的不断提高,由于屋顶渗漏问题给社会造成的损失大幅度上升。据有关资料估计,近 5 年来由于防水材料或施工不过关而未能达到不渗漏保证期,需要修补或翻修所造成的直接经济损失累积超过 260亿元。由于泡沫塑料在受压后具有较大的回弹能力,在隔热防水层受冻收缩时也不易产生张性裂隙。因此该材料无论是在水化硬化期还是在长期服役期间遭受室外较大的温度变化作用时,都始终处在微压应力状态下,都能有效地防止张性裂缝的产生。该材料施工后可分为粉煤灰泡沫塑料隔热防水主层和水泥砂浆防水保护层两个单元。可在一般新旧屋顶表面直接施工,包括旧建筑的沥青油毡等原有防水层或砂浆、混凝土保护层等均不用清除便可直接施工。
4、隔热防水层由占体积 70%的废泡沫塑料碎块、占体积 25%的粉煤灰和占体积 5%的胶凝材料及外加剂组成。硬化后具有极好的不透水性和良好的隔热性。水泥砂浆在搅拌过程中还可以加入占总重量千分之一的聚丙烯纤维配制成防水防裂砂浆。由于隔热防水层中掺收稿日期:2000-12-21作者简介:倪文(1961-),男,北京科技大学资源工程学院教授,副院长,博士,从事矿物材料的研究与教学工作。第 4 期2001年 8月 矿 产 综 合 利 用Multipurpose Utilization of Mineral ResourcesNo.4Aug.2001有大量的粉煤灰,在外加剂的作用下能够在2030 年的长时间
5、内缓慢发生反应,生成水化产物使基质的密实性和不透水性逐渐增加,同时由于长期微膨胀的作用使材料内部经常有微压应力。另外,内部基质部分密实性的不断增加也导致强度的不断增加,其抵抗开裂作用的能力也逐渐增加。从已有的 30m2实验来看,不会产生宏观裂纹。由于本材料大部分原料为固体废弃物,以施工 10cm 厚计算,级防水材料费总价为 1820 元/米2,再加上施工费 2025 元/米2,实际造价可以控制在 50 元/米2以下。而传统的“三油两毡”和“四油三毡”防水+保温隔热层总造价分别为 5560 元/米2和 6570 元/米2,因此本材料在价格上具有很强的竞争优势,极易推广。本材料中的胶凝材料部分均为
6、无机材料,且随着龄期的增长强度和密实性长期增长,因此使用本材料所做的级防水工程预计寿命可以超过 25 年,达到级防水效果。假设在 5 年后本材料可以每年在 1/10的新竣工屋面上推广,并将 1/50 现有屋面进行翻修,则每年有约 2 亿米2的施工面积。以每米2节约造价 10 元计算,可取得直接经济效益 20 亿元/年,由此而产生的保护室内装修、家具、电器以及良好的隔热效果所产生的节能效益预计可超过 100亿元/年。2大掺量粉煤灰隔热防水材料的社会意义粉煤灰是我国产量最大的工业固体废弃物之一。目前我国粉煤灰的累计堆存量已超过 20 亿t,直接占地 6.667 万公顷,相当于沿海地区一个大县的全部
7、耕地。到2020 年我国粉煤灰的总产量将是现在的 3 倍左右,达到45 亿 t/a。如果不大幅度提高粉煤灰的利用率,特别是湿粉煤灰的利用率,届时粉煤灰的积存将成为我国环境、生态和社会的沉重负担。此外,电厂脱硫技术的普及使传统的许多利用粉煤灰的技术又遇到了新的挑战,如水泥和混凝土这两大粉煤灰用户现在还不能大量利用脱硫粉煤灰。而本屋面隔热防水材料可以大量利用湿粉煤灰和劣质粉煤灰。脱硫粉煤灰由于含有大量CaSO4和游离CaO 不适于生产水泥和制备混凝土,但用来作为“大掺量粉煤灰隔热防水材料”不但不会引起不良后果,还能提高性能和降低造价。以每平方米使用 40kg 粉煤灰计算,本项目在全国 1/10 的
8、新竣工屋面和 1/50 的旧屋面上推广应用,则每年可消耗粉煤灰 800 万 t,可望成为劣等粉煤灰和脱硫粉煤灰最重要的应用领域。按上述粉煤灰消耗量计算,每年可减少占地 270 公顷,减少严重污染面积 800 公顷,节省管理费用 0.8 亿元,并在保护环境、维护生态平衡等方面具有重要意义。除了每年可利用 800 万 t 粉煤灰外,还可以利用废旧泡沫塑料 2000 万米3,对于消灭白色污染,保护环境具有重要意义。3大掺量粉煤灰隔热防水材料的隔热原理泡沫塑料是目前常见固体材料中导热系数最低的材料,其中挤压法生产的泡沫塑料的导热系数一般都小于 0.035W/mK。在废旧泡沫塑料回收过程中所获得的原料9
9、5%以上是用于包装的挤压法泡沫塑料,且以聚苯乙烯泡沫塑料为主。挤压法泡沫塑料由于气孔均为闭口气孔,尺寸多为微米级和亚微米级,因此基本不吸水,水浸泡后体积基本不变,因而无论在潮湿还是在干燥的环境中均具有良好的隔热性。粉煤灰中存在大量的空心微珠及蜂窝状体,且空心微珠在常温下多为负压,处于半真空状态,因此粉煤灰与其他无机材料相比,也具有很低的导热系数。4大掺量粉煤灰隔热防水材料的防水原理36矿产综合利用2001 年4.1无直通毛细孔该材料隔热防水主层以废旧泡沫塑料碎块为骨料,以含 80%以上粉煤灰的复合粉体作为胶凝材料,采用基本无流动性的半干混凝土,并采用减水剂以减少水的用量,捣打振动成型。材料成型
10、后能在较短时间内凝结硬化,无泌水现象,因而不存在直通毛细孔。4.2高密实性胶凝材料部分由于用水量低,强力振捣成型,同时又含有大量的圆球形微粒粉煤灰中的玻璃微珠,因而成型后的基质部分具有很高的密实度和低的气孔率。此外,在胶凝材料中配有能够缓慢发生反应的膨胀密实剂。在这种膨胀密实剂的作用下,材料中的自由水被转变为结晶水,新生成的水化晶体及凝胶体不断地充填在材料的微孔隙中,使材料基质部分的密实度不断提高,同时产生微量膨胀。还由于大量粉煤灰的存在,能够很快地消 耗掉 由 水泥 水化 而 产生 的 大部 分Ca(OH)2,避免 Ca(OH)2晶体的生成,也避免了 Ca(OH)2晶体再与水接触时溶解后留下
11、的孔隙。4.3薄膜隔水与憎水性所加入的特殊减水剂在胶凝材料硬化干燥过程中会逐渐形成弥散的薄膜,这些薄膜能够堵塞大量的微米及亚微米孔隙使基质不透水性增强。对于较大的十几微米至几百微米的孔隙,薄膜则沿孔隙壁分布。薄膜的存在会使孔隙壁的润湿角大幅度增大,使一般微米级孔隙常见的对水的毛细作用大大减小,从而使水不能进入这些毛细管道。这样可以使材料在任意一个切面上都具有憎水性。4.4骨料及边界的不透水性本材料所有粗细骨料都是由机器破碎的挤压泡沫塑料的大大小小的碎块组成的。由于挤压泡沫塑料的闭气孔结构,使得这些骨料具有不吸水性和不透水性。又因为基质部分在硬化干燥过程中以及在长期服役过程中都处于不断的微膨胀状
12、态,因此始终能够在骨料与基质的边界保持微小的压应力状态,从而不会发生沿缝隙面的渗水现象。4.5无宏观裂纹由于隔热防水主层长期处于微压应力状态,因此不会产生宏观裂纹。即使是局部应力复杂部位也只能产生微米级的微观裂纹。实验表明,由于材料的整体憎水性,任何截面方向上的微观裂纹都不会被水润湿,因此也就不会发生渗漏现象,上覆砂浆层由于有一层或多层玻璃网布的增强作用和分散的聚丙烯纤维的增强作用也不会产生宏观裂纹。5大掺量粉煤灰隔热防水材料水化硬化原理大掺量粉煤灰隔热防水材料的隔热防水主层使用 80%(wt)以上的粉煤灰作为胶凝材料。在一般混凝土及水泥构件中,掺加如此大量的粉煤灰后会使强度大大降低,凝结硬化
13、速度大大下降。而本材料的特点恰恰 是不需要有太高的早期强度,但需要有较高的后期强度(如 90d 强度、一年期强度等)以使材料具有较强的抵御下伏基层和上覆砂浆层变形应力的能力,同时使施用了本材料的屋面可以长期经受较剧烈的人员活动。本材料还使用粉煤灰高效复合激发剂来增大粉煤灰的反应活性,使材料具有尽可能高的早期强度。在粉煤灰高效复合激发剂的作用下,粉煤灰可以快速地消耗由水泥水化而产生的 Ca(OH)2,生成 C-S-H 凝胶及针状的钙矾石类矿物。结果虽然只加入约 15%的硅酸盐水泥,而通过与粉煤灰发生水化反应使其 28d 以前的强度增长率可以达到不加激发剂时加入 30%40%硅酸盐水泥的强度增长率
14、。同时本材料能够保持较大的后期强度增长率。此外本材料在施工后采用塑料薄膜覆盖养护,在我国大部分地区施工时,4 月至 11月的气候条件下,由于太阳幅射的温室效应,可使屋面温度达到 50以上,很多情况下可37第 4 期倪文等:大掺量粉煤灰隔热防水材料的开发应用以达到 70以上。这种较高温度下的湿热养护可以使粉煤灰的反应活性比常温下提高 23倍,使材料的强度增长率进一步提高。6大掺量粉煤灰隔热防水材料基本性能及实验基础该材料的基本性能指标如下:抗压强度(MPa):1.6抗折强度(MPa):1.2体积密度(kg/m3):727导热系数(W/mk):0.103硬化干燥线变化率0.01%不燃性:不燃抗冻性
15、(冻融 15次):无裂纹、脱皮、剥落等破坏现象不渗水性(6cm 厚):顶面饱和浸泡 7d 底面不渗水不潮湿耐冷热变化:-2080循环 1000 次强度损失率20%(干燥状态,恒温 5h)质量稳定性:浸水 168h(25)再烘干质量变化率0.01%体积稳定性:浸水 168h(25)再烘干体积变化率0.01%实验基础:目前已完成 30 米2工程试验。该试验于2000 年 5月 12 日施工,经过多个连续一周以上的阴雨天考验无开裂无渗漏。施工厚度:隔热防水主层 8cm,砂浆保护层 2cm。晴天下午 14 时测量室外气温为36,顶面温度为 72,室内温度为(空调)26,屋面板底面温度为 28。该建筑为
16、柳州市银行职员私人三层楼房,改造之前为 T 字水泥板隔热,三油两毡防水。改造后使用相同空调(海尔 3200W 分体式空调)同样维持室内气温 26,比未改造前可节电约 1/3。7结论大掺量粉煤灰隔热防水材料集屋面防水与隔热为一体。该材料以占体积 70%以上的废旧泡沫塑料为主要隔热组份,以占重量80%的粉煤灰为主要胶凝材料,使工程造价比传统的隔热层+防水层+保护层三层结构下降 10%30%,而其防水、隔热性能大幅度提高。实验室机理研究和小面积工程实践初步显示了该材料具有良好的耐久性和工程可操作性。进一步的工程性实验可将其发展为具有高效隔热功能的永不渗漏型屋面材料。参考文献:1李兰编.建筑材料科学M
17、.北京:中国建筑工业出版社,1995,81.2倪文,宋存义,刘凤梅.材料研究与制备过程中的几个矿物学岩石学问题J.矿物岩石地球化学通报,1999,18(4),290294.3覃维组.利用粉煤灰开发高性能混凝土若干问题探讨J.建筑材料学报,1999,2(2),151158.4杨国忠,高景曦,蒋先觉,高强轻质免烧免蒸粉煤灰砖的研制J.河南大学学报,1998,28(3),7072.Materials for Thermal Insulating and Water Proofing ofBuilding Roofs Containing Large Amount of Fly AshNI Wen,D
18、ONG T ao(Beijing University of Science and T echnology,Beijing,China)Abstract:T he possibility of making materials of thermal insulating and water proofing forbuilding roofs by using fly ash and abandoned plastic foams is discussed.The economicsignificance and social benefits is also demonstrated.T
19、he preliminary engineering tests showthat thermal insulating and water proofing materials for building roofs with good properties38矿产综合利用2001 年利废工艺改性工业废渣在长效氮肥生产中的应用邓跃全1,金成昌1,田永清2,向先明2,张思林2(1.西南科技大学,四川绵阳621002)(2.绵阳市农业局土肥站,四川绵阳621002)摘要:将改性工业废渣(粉煤灰、磷石膏等)与普通碳铵及尿素,在特制外加剂作用下,通过一定工艺制成长效碳铵和长效尿素。研究表明其肥效释放缓
20、慢,符合作物生长对氮的需求平衡,大大减少了氮肥损失。田间试验结果表明,长效碳铵使作物的增产率为(%):玉米 712,水稻 1015;长效尿素使作物的增产率为(%):玉米 4.87,水稻 7.7。关键词:长效碳铵;长效尿素;玉米;水稻;田间试验中图分类号:T Q536.4文献标识码:A文章编号:1000-6532(2001)04-0039-031前言我国人口众多,人均耕地只有 0.08hm2(为世界平均水平的 30%),由于城乡建设和自然灾害,近年我国耕地以近 20.1万 hm2/a速度减少 1,如何改良土壤,提高单产,增加农业资源的后劲永远是我们需要研究的课题。一些工业废渣如粉煤灰、磷石膏等在
21、土壤改良和作物增产方面的应用研究已有报道 24,这些废渣中富含硅、钙,并有少量的钼、硼、铜、锰、锌和稀土元素,能被作物吸收,补充矿物质;同时能改良土壤结构,如增强土壤孔隙度、透气透水性、导热性,提高表土温度。这些废渣由于具有吸附性还能增强土壤保水保肥能力。酸性磷石膏对碱性土壤、碱性粉煤灰对酸性土壤都有良好矫正作用。目前粉煤灰已累积近 10 亿 t,每年排放 1.6 亿 t,占地数万hm2。这些废渣的综合利用,对环境保护和资源利用意义十分重要。然而目前粉煤灰及磷石膏在农业上的实际应用还较少,原因是虽然需求量大,但迫切需要改性以激活其肥效;更为重要的是废渣的农用改性can be produced.
22、The materials contain more than 70%in volume abandoned plastic foamsand more than 80%in weight fly ash.The material has good properties in thermalinsulating,waterproofing and weathering resistance.It has 10%30%lower costs than thetraditional thermal insulating layer+water proofing layer+protecting layer roofs,but hasmuch better properties.Key words:T hermal insulating and water proofing materials;Fly ash;Abandoned plasticfoams收稿日期:2001-01-15基金项目:绵阳市科委基金资助项目作者简介:邓跃全(1965-),男,讲师,研究生,从事化学、材料及环境学科教学科研。第 4 期2001年 8月 矿 产 综 合 利 用Multipurpose Utilization of Mineral ResourcesNo.4Aug.2001