镁渣节能墙体材料的研究

镁渣节能墙体材料的研究
肖力光;雒锋;王思宇;李睿博;王衍祯
【摘要】The wall material prepared by using magnesium slag cementitious material obtained in the previous experiment as
binder,together with EPS super-light aggregate and other additives has good performance. The factors affecting the propefties of wall material have also been analyzed. The optimal proportion ratio is as follow:m (magnesium slag cementitious material)∶m (modified ermulsion) ∶m (PP fiber) ∶ m (air entraining agent) ∶ m (EPS particle) ∶ m (water) = 1 ∶
0.05 ∶ 0.0015 ∶ 0.0001 ∶ 0.02 ∶ 0.5. The compressive strength of this material was 65MPa. The water absorbing ratio of wall material was only 10％,thermal conductivity was 0.13W/(m-K).Under the conditions of the 25 freeze-thaw cycles,at temperature between -25 ℃ and 25 ℃,the mass loss was only less than 1％,the strength loss of material was more or less 10％.%利用前期实验所配制的镁渣胶凝材料作为胶结料,与EPS超轻集料及其它外加剂所制成的墙体材料具有优良的性能.研究了各种因素对墙体材料性能的影响.镁渣节能墙体材料的最佳配合比为:m(镁渣胶凝材料):m(改性乳液):m(PP纤维):m(引气剂):m(EPS颗粒):m(水)=1:0.05:0.0015:0.0001:0.02:0.5,其28 d抗压强度达6.5 MPa,吸水率10%,导热系数0.13 W/(m·K),在-5～25℃条件下25次冻融循环的质量损失小于1%、强度损失为10%.
【期刊名称】《新型建筑材料》
【年(卷),期】2011(000)007
【总页数】3页(P21-23)
【关键词】镁渣;胶凝材料;墙体材料;节能;EPS颗粒;改性乳液;PP纤维;引气剂
【作者】肖力光;雒锋;王思宇;李睿博;王衍祯
【作者单位】吉林建筑工程学院材料科学与工程学院,吉林,长春,130118;吉林建筑
工程学院材料科学与工程学院,吉林,长春,130118;吉林建筑工程学院材料科学与工
程学院,吉林,长春,130118;吉林建筑工程学院材料科学与工程学院,吉林,长
春,130118;北京城市学院,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】TU225
镁渣是金属镁厂在提炼金属镁时产生的一种固体废渣，镁厂排放的镁渣量非常大，通常根据镁矿的不同，生产1 t镁排放8～20 t镁渣[1-4]。

随着炼镁工业的发展，镁渣排放量逐年增加，然而镁渣的利用率却很低，在我国很多镁厂排出的镁渣都作为废弃物釆取填埋或堆置的方式处置，既污染环境，又造成资源浪费。

因此，如何合理地利用镁渣已经成为镁生产企业乃至全社会亟待解决的问题。

本研究以镁渣为主要原料，将经过陈化的镁渣、矿渣及少量熟料先按一定的比例进行物料混合，然后在球磨机中进行粉磨，再掺入碱性复合激发剂，配制出符合32.5级复合水泥标
准（实际强度达到42.4 MPa）的镁渣胶凝材料（废渣掺量70%左右），与EPS
超轻集料及各种改性剂和外加剂制成具有优良性能的节能墙体材料。

1 试验
1.1 原材料
（1）镁渣：取自吉林省临江市东峰有色金属股份公司，化学成分为：SiO231.78，
Al2O32.61%，Fe2O37.73%，TiO20.08%，CaO48.53%，MgO8.42%，无放射性。

（2）EPS颗粒：采用废弃EPS泡沫经专用破碎机破碎成粒径小于5 mm的颗粒，堆积密度为15 kg/m3左右。

（3）聚合物胶乳：采用自制的改性EVA-PVFM乳液，固含量25%。

（4）PP短纤维：采用东华大学研制的聚丙烯膜裂纤维（PP短纤维），直径 300 μm，密度 900 kg/m3，抗拉强度 400 MPa，弹性模量8 GPa，长度15 mm，
延伸率165%。

（5）引气剂：采用同济大学与常山县绿圣生物科技有限责任公司研制的SJ型引
气剂，系从天然野生植物皂荚中提炼出的一种表面活性剂，其主要成份为有机物三暗皂戒。

1.2 制备工艺
节能墙体材料的制备工艺为：镁渣胶凝材料、胶乳、PP纤维、引气剂、EPS颗粒、水混合搅拌→成型→预养护→养护→成品堆放→检验→产品出厂。

2 试验结果与分析
2.1 EPS掺量对墙体材料性能的影响
EPS具有较低的表观密度和导热系数，其掺量是影响墙体材料性能的主要因素，其对墙体材料导热系数的影响见表1[基准配合比为：m（镁渣胶凝材料）∶m（改性乳液）∶m（水）=1∶0.05∶0.5]，对强度的影响见图1，密度与吸水率的关系见
图2。

表1 EPS掺量对墙体材料导热系数的影响EPS掺量/% 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0导热系
数/[W/（m·K）]0.1800.1680.1480.1360.123
从表1、图1和图2可以看出，随着EPS掺量的增加，墙体材料的导热系数与强
度逐渐降低，而吸水率随密度降低逐渐增大。

究其原因在于保温材料的强度主要来自于镁渣胶凝材料，镁渣胶凝材料经过水化反应生成Ca（OH）2、C-S-H、AFt
等水化产物，充填骨料间的空隙，并将骨料和其它材料胶结在一起，从而形成强度。

镁渣墙体材料中采用了孔隙率极高的EPS颗粒，自身强度很小，基本上起不到“骨架”作用，材料的强度主要由硬化的水泥石来提供。

EPS掺量越大，包裹EPS 颗粒所用的胶凝材料量就越大，在内部所形成的胶凝材料骨架结构的量就越少，在骨料与胶凝材料之间所形成的薄弱环节就越多，孔隙率增大，导致强度降低，吸水率上升，另一方面EPS掺量越多，则其密度和导热系数越小。

2.2 乳液掺量对墙体材料性能的影响
前期实验结果表明，在未掺乳液时所制备的墙体材料容易出现分层不均情况，严重影响墙体材料的性能，乳液对EPS颗粒进行表面改性后可以克服上述缺点，基准
配合比为：m（镁渣胶凝材料）∶m（EPS 颗粒）∶m（水）=1∶0.02∶0.5。

乳
液掺量对墙体材料强度的影响见图3。

从图3可看出，乳液的加入不同程度地提高了材料的抗折强度和抗压强度。

这是
因为EPS颗粒表面为憎水性，与水泥等无机胶凝材料不浸润，所以在EPS颗粒与
胶凝材料界面的粘结效果很差，极易出现分层，严重影响制品性能。

用乳液对EPS 颗粒进行表面改性后，由于乳液为带有极性基团的高分子聚合物，当乳液和EPS
颗粒拌合时，乳液主链中的非极性链段会与EPS颗粒的非极性表面发生物理吸附
作用，而聚合物中极性基团就会在EPS颗粒表面定向排列，使EPS颗粒由憎水性
变为亲水性。

这样加入水泥拌合时，EPS颗粒表面吸附的极性基团就与水泥相互作用而紧密结合，使EPS颗粒很容易被水泥浆润湿，分层现象消失，两者之间的结
合力大大提高。

另一方面，一部分乳液会在EPS颗粒和水泥浆之间的过渡区干燥
成膜，使两者之间的界面结合更密实、更牢固；还有一部分乳胶粒子分散到水泥浆体中，随着水泥的水化进行，水泥浆体的水分不断的消耗，水化产物增多，乳胶粒子逐渐聚集在毛细孔中，并在水泥水化物表面成紧密堆积，从而改善硬化水泥浆体的结构。

2.3 PP纤维对墙体材料性能的影响
当基准配合比为：m（镁渣胶凝材料）∶m（改性乳液）∶m（EPS颗粒）∶m （水）=1∶0.05∶0.02∶0.5 时，PP 纤维对墙体材料强度的影响见图4。

从图4可以看出，PP纤维掺量在0～0.2%内随着掺量的增加，强度呈现上升的趋势。

究其原因在于：PP纤维的加入改善了轻集料混凝土的脆性，提高了水泥浆体
之间的界面粘结强度，充分发挥了纤维的增强增韧作用。

在抗折试块开裂的过程中，可以清晰的看到试块断面存在拉断的纤维。

事实上，纤维的掺入还能有效地抑制早期（塑性期和硬化初期）水泥基材料由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展，减小原生裂隙的数量和尺寸，既减小了粘结面的拉应力，又使硬化后水泥基材料愈加密实，所以水泥基材料的力学性能大大提高。

2.4 引气剂掺量对墙体材料性能的影响
当基准配合比为：m（镁渣胶凝材料）∶m（改性乳液）∶m（EPS 颗粒）∶m （水）=1∶0.05∶0.02∶0.5 时，引气剂掺量对墙体材料强度和导热系数的影响分别见图5、图6。

从图5、图6可见，随着引气剂掺量的增加，无论是抗折强度还是抗压强度都呈现下降的趋势，而导热系数呈大幅度降低趋势。

究其原因在于：引气剂的掺入会在胶凝材料中引入很多微小封闭气泡，这些气泡均匀分布在材料中，既降低材料的导热
系数，也会降低材料强度。

综合各方面因素，引气剂的掺量宜为0.010%～
0.035%。

2.5 正交试验
前面试验结果表明，改性材料对墙体材料的性能有着较大的影响，PP纤维与改性
乳液不同程度地提高了墙体材料抗压强度，而引气剂却大幅度降低墙体材料的导热系数。

配制出既有较好的力学性能又有较好保温性能的墙体材料是最终的目标。

以改性乳液、PP纤维、引气剂为变量进行正交试验，考察三者对墙体材料性能的影
响并确定最佳配合比。

最佳配合比为：m（镁渣胶凝材料）∶m（胶乳）∶m（PP 纤维）∶m（引气剂）∶m（EPS 颗粒）∶m（水）
=1∶0.05∶0.0015∶0.0001∶0.02∶0.5。

试验结果表明，利用镁渣胶凝材料与EPS可制成28d抗压强度达6.5 MPa、吸水率10%、导热系数0.13 W/（m·K）、-25～25℃条件下25次冻融循环后质量损失0.9%及强度损失为10%的节能墙体
材料，表明该墙体材料既有优异的力学性能、保温性能，又有很好的耐久性。

3 结论
（1）改性乳液的加入可以克服EPS颗粒与镁渣胶凝材料浆体分层的现象，增强了EPS颗粒与其间界面的作用力，有利于提高墙体材料的强度；引气剂的加入进一步降低了墙体材料的导热系数，提高墙体材料保温性能；PP纤维的加入提高了墙体
材料的抗压强度及抗折强度，可有效抑制早期由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展；改性乳液、PP纤维、引气剂复掺对墙体材料整体性能提
高起到了重要的作用，使墙体材料既有较好的保温性能，又有良好的力学性能。

（2）利用镁渣胶凝材料与EPS制成墙体材料的最佳配合比为：m（镁渣胶凝材料）∶m（胶乳）∶m（PP 纤维）∶m（引气剂）∶m（EPS 颗粒）∶m（水）
=1∶0.05∶0.0015∶0.0001∶0.02∶0.5，此时其 28 d抗压强度达6.5 MPa，吸
水率10%，导热系数0.13 W/（m·K），-25～25℃条件下25次冻融循环后质量
损失小于1%，强度损失为10%，这说明该墙体材料轻质、高强、耐久性好。

【相关文献】
[1] Carlos A S Oliveira，Adriana G Gumieri，Abdias M Gomes，et al.Characterization of magnesium slag aiming the utilization as mineral admixture in mortar[C].International RILEM Conference on the Use of Recycled Materials in Buildings and Structures.Spain：Barcelona，2004（11）：8-11.
[2] 黄从运，何劲松，张明飞，等.镁渣替代石灰石配料烧制硅酸盐水泥熟料[J].新世纪水泥导报，2005（5）：27-28.
[3] 昝和平，赵海晋，高建荣，等.镁渣配料煅烧熟料形成过程的试验研究[J].水泥，2007（7）：26-28.
[4] 肖力光，王思宇，雒锋.镁渣等工业废渣应用现状的研究及前景分析[J].吉林建筑工程学院学报，2008（1）：1-4. 蒉。