EPS顆粒-粉煤灰復(fù)合屋面保溫材料的研究與應(yīng)用
2009-02-19 00:00
【摘要】以工業(yè)廢棄物粉煤灰和再生EPS顆粒為主要原料制備的新型復(fù)合保溫材料，具有保溫性能好、性價(jià)比高、生產(chǎn)施工方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于屋面保溫工程。本文介紹了該保溫材料的生產(chǎn)原料、生產(chǎn)與施工工藝、工程應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】屋面保溫材料；粉煤灰、再生EPS顆粒；循環(huán)經(jīng)濟(jì)
0 前言
屋面熱損失約占建筑物全部熱損失的9%，且對(duì)居住環(huán)境舒適度造成不良影響。因此必須提高屋面的保溫性能。在屋面結(jié)構(gòu)中增加保溫層，并選用保溫性能好、性價(jià)比高的保溫材料是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的主要技術(shù)措施。
再生EPS顆粒-粉煤灰復(fù)合屋面保溫材料(簡(jiǎn)稱復(fù)合屋面保溫材料)是基于建筑節(jié)能和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)而開發(fā)的，以再生EPS顆粒為輕骨料和保溫主體，以水泥為膠凝材料，通過添加粉煤灰和復(fù)合增粘劑提高漿體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與均勻性，從而獲得良好的物理力學(xué)性能和熱工性能。復(fù)合屋面保溫材料可以先制成屋面保溫塊再鋪裝，也可以在屋面結(jié)構(gòu)層上直接現(xiàn)澆，目前已在北京、西安、黃山、運(yùn)城、徐州、威海等地的屋面保溫工程中應(yīng)用10多萬平方米，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
1 原材料
復(fù)合屋面保溫材料主要原料包括超輕骨料EPS顆粒、水泥、粉煤灰、增粘劑、水等。
1.1 超輕骨料
(1) 原生EPS顆粒
原生EPS顆粒系采用可發(fā)性聚苯乙烯珠粒經(jīng)過預(yù)發(fā)泡形成，主要特征為：密度特別低、絕熱性好、封閉結(jié)構(gòu)防止水分吸收和球形結(jié)構(gòu)，其中球形結(jié)構(gòu)對(duì)提高復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度有利。但是，原生EPS顆粒光滑的表面將影響水泥基體與顆粒間的粘結(jié)強(qiáng)度；單一顆粒級(jí)配不利于形成緊密堆積結(jié)構(gòu)，對(duì)水泥基漿體需求量大，將影響復(fù)合保溫材料的保溫性能。此外，原生EPS顆粒價(jià)格相對(duì)較高。
(2) 再生EPS顆粒
再生EPS顆粒是由回收的廢棄包裝材料加工制成，基本保持了原生EPS顆粒的特征，即質(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低。但其形狀、表面狀態(tài)和級(jí)配均發(fā)生了變化。再生EPS顆粒外形為準(zhǔn)球型或碎石型，表面粗糙且部分表面開口，水泥漿體易進(jìn)入孔隙，有利于與水泥基體粘結(jié)。再生EPS顆粒由多種粒徑顆粒組成，具有一定級(jí)配，可以形成緊密堆積結(jié)構(gòu)，對(duì)漿體需求量少。這些特性賦予了復(fù)合屋面保溫材料良好的使用性能和施工性能。
原生EPS顆粒和再生EPS顆粒均可用于制備復(fù)合屋面保溫材料，而再生EPS顆粒更為經(jīng)濟(jì)、合理?；拘阅芤螅鹤畲罅叫∮?mm，堆積密度小于20kg/m3。
1.2 水泥
選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的R型硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。根據(jù)工程實(shí)際要求，可考慮使用硫(鐵)鋁酸鹽水泥和白色硅酸鹽水泥。
1.3 粉煤灰
為改善漿體稠度和穩(wěn)定性，提高復(fù)合屋面保溫材料后期強(qiáng)度，選用Ⅲ級(jí)以上粉煤灰，干濕均可。粉煤灰性能應(yīng)滿足GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》標(biāo)準(zhǔn)要求。
1.4 增粘劑
在復(fù)合屋面保溫材料中，增粘劑可增加漿體粘度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、優(yōu)化漿體孔結(jié)構(gòu)、改善外觀質(zhì)量和均勻性、提高漿體保水性。由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院研制，型號(hào)為WWX-Ⅰ。
1.5 其它
根據(jù)設(shè)計(jì)和施工需要，通過添加早強(qiáng)劑、增強(qiáng)劑、防水劑、礦物纖維等可進(jìn)一步改善復(fù)合屋面保溫材料的使用性能和施工性能。
2 生產(chǎn)與施工
復(fù)合屋面保溫材料應(yīng)用有兩種方式：一種是在施工現(xiàn)場(chǎng)直接將復(fù)合屋面保溫材料漿料攤抹在屋面結(jié)構(gòu)層上，形成屋面整體保溫層，對(duì)于坡屋面和平屋面均能夠方便施工；另一種是在工廠預(yù)制成屋面保溫塊，然后再鋪裝于屋面上。該法生產(chǎn)率高，保溫材料質(zhì)量和相對(duì)含水率易控，可減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，但造價(jià)偏高。屋面保溫層現(xiàn)澆是發(fā)展趨勢(shì)，本文主要介紹復(fù)合屋面保溫材料屋面整體現(xiàn)澆的生產(chǎn)施工工藝。[Page]
2.1 工藝流程
復(fù)合屋面保溫材料生產(chǎn)施工工藝流程見圖1。
2.2 施工要點(diǎn)
2.2.1 漿體制備
先將水泥、粉煤灰、增粘劑、其它添加劑等粉料預(yù)混均勻，然后加水?dāng)嚢?~5min，再加入再生EPS顆粒后攪拌1~3min，制成粘稠的復(fù)合屋面保溫材料漿體。再生EPS顆粒采用體積計(jì)量，其它組分按重量計(jì)量。
隨著建筑砂漿的商品化和干粉化，除再生EPS顆粒外，水泥、粉煤灰(干)、增粘劑和其它添加劑等復(fù)合屋面保溫材料組成可在工廠預(yù)混合，形成復(fù)合膠凝材料，然后與再生EPS顆粒按比例供應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，直接加水?dāng)嚢杓纯?。如此除能保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且可減少現(xiàn)場(chǎng)粉塵。
2.2.2 屋面基層處理
對(duì)于平屋面只需按作業(yè)條件，清理干凈即可施工，施工前適當(dāng)澆水濕潤(rùn)基層。對(duì)于坡度大于30°的混凝土斜屋面需涂刷界面劑，以提高保溫層與基層的粘結(jié)力。
2.2.3 彈線
按設(shè)計(jì)厚度及規(guī)范要求，在周邊墻面彈好厚度、坡度標(biāo)準(zhǔn)線、注意排水坡向。
2.2.4 設(shè)計(jì)保溫層厚度標(biāo)志線
在屋面適當(dāng)位置設(shè)置厚度標(biāo)準(zhǔn)灰餅或沖筋，間距1~1.5m。
2.2.5 鋪抹復(fù)合屋面保溫材料漿料
將拌制好的復(fù)合屋面保溫材料漿料按比標(biāo)準(zhǔn)厚度稍高的高度均勻攤鋪在屋面上，用鐵鍬、木抹拍實(shí)，用木杠刮平即可。周邊、陰角、管根等連接部位需仔細(xì)拍填實(shí)抹平。平屋面的找坡層、找平層和保溫層全部使用復(fù)合屋面保溫材料漿料，合三為一，不但簡(jiǎn)化施工工序。而且造價(jià)降低。復(fù)合屋面保溫材料漿料隨攪隨用，一般應(yīng)在2h內(nèi)用完。漿料保溫層一般應(yīng)晾置5~7天，待完全干燥后方可進(jìn)行抗裂砂漿層和防水層施工。
2.3 配合比
密度為300kg/m3的復(fù)合屋面保溫材料，其配合比組成如下：
普通硅酸鹽水泥：150~250 kg
再生EPS顆粒：1.0~1.4 m3
粉煤灰(干灰或濕排灰)：50~150 kg
增粘劑：1.0 kg
其它：適宜
3 復(fù)合屋面保溫材料性能
3.1 熱工性能
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保溫性能優(yōu)劣主要決定于材料的導(dǎo)熱系數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫性能越好。導(dǎo)熱系數(shù)與材料的分子結(jié)構(gòu)、表觀密度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、傳熱時(shí)的平均溫度和熱流方向、含水率等有關(guān)。一般而言，表觀密度越輕，導(dǎo)熱系數(shù)越小。在材料成分、表觀密度、平均溫度、含水率完全相同的條件下，多孔材料單位體積中氣孔數(shù)量越多，導(dǎo)熱系數(shù)越小。在孔隙率相同的條件下，孔隙尺寸愈大，導(dǎo)熱系數(shù)就愈大；孔隙相互連通比封閉而不連通的導(dǎo)熱系數(shù)要高。
復(fù)合屋面保溫材料由再生EPS顆粒和復(fù)合膠凝材料組成，其熱工性能同時(shí)決定于再生EPS顆粒和硬化體的導(dǎo)熱系數(shù)。具有密實(shí)結(jié)構(gòu)的復(fù)合膠凝材料硬化體熱工性能較差，導(dǎo)熱系數(shù)較高。采用物理成孔技術(shù)降低復(fù)合膠凝材料硬化體密實(shí)度，可顯著改善其保溫性能，降低導(dǎo)熱系數(shù)。在制備復(fù)合屋面保溫材料漿料時(shí)，摻加由WWX-Ⅰ型增粘劑，引入微細(xì)球形氣泡(直徑在0.3mm以下)，提高復(fù)合屋面保溫材料中的孔隙率。經(jīng)檢測(cè)，絕干密度小于300kg/m3的復(fù)合屋面保溫材料，導(dǎo)熱系數(shù)均小于0.070W/(m×K)。
研究表明，在原料體系和生產(chǎn)工藝不變時(shí)，復(fù)合屋面保溫材料的密度與導(dǎo)熱系數(shù)之間存在相關(guān)性。在實(shí)際施工中，通過控制漿體濕密度可保證復(fù)合屋面保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
3.2 力學(xué)性能
建筑物屋面通常要承受一定荷載(如雨雪、風(fēng)荷載等)，因此保溫層應(yīng)有足夠的承載能力，否則保溫層和防水層破壞，不但影響屋面保溫效果，甚至?xí)绊懳菝娼Y(jié)構(gòu)的正常使用。屋面保溫材料的壓縮強(qiáng)度通常應(yīng)大于500kPa。
研究表明，直接用水泥與再生EPS顆粒制備密度等級(jí)在300kg/m3以下的復(fù)合屋面保溫材料，壓縮強(qiáng)度偏低，吸水率較高，試塊外觀質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性極差。采用粉煤灰取代部分水泥和摻加增粘劑，可顯著改善復(fù)合屋面保溫材料的漿體性能和硬化體性能，制備密度等級(jí)小于300kg/m3、壓縮強(qiáng)度在500kPa以上的復(fù)合屋面保溫材料完全可行。與現(xiàn)有的水泥聚苯板相比，最大特點(diǎn)是外觀質(zhì)量好、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、強(qiáng)度高、熱工性能更佳。
復(fù)合屋面保溫材料還具有良好的耐水性能。試驗(yàn)表明，超輕屋面保溫材料的軟化系數(shù)(壓縮強(qiáng)度)均大于0.85。
3.3 施工性能
在復(fù)合屋面保溫材料漿料中含有增粘組分，顯著改善了漿體的穩(wěn)定性和粘度。增粘劑換降低了復(fù)合膠凝材料漿體密度，使水泥基漿體和再生EPS顆粒間的密度差減小，使混合料具有塑性和粘性稠度，這樣即使實(shí)施激烈的振動(dòng)密實(shí)，也可以阻礙EPS顆粒上浮。復(fù)合屋面保溫材料與膨脹珍珠巖類保溫材料相比，最顯著的特征是漿體體積穩(wěn)定性好。
4 應(yīng)用
4.1 保溫層厚度設(shè)計(jì)
4.1.1 復(fù)合屋面保溫材料保溫層厚度按下式計(jì)算：
δx=λx(R0,min-Ri-R-Re) (1)
式中：δx —— 保溫層厚度，m；
λx —— 復(fù)合屋面保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；
R0,min— 屋面系統(tǒng)的最小傳熱阻，(m2·K)/W。R0,min=1/K，不同地區(qū)民用建筑屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K值的限值見JGJ26《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》中表4.21和JGJ134《夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中表4.08。
Ri ——內(nèi)表面換熱阻，(m2·K)/W，取0.11(m2·K)/W；
R —— 除保溫層外，屋面系統(tǒng)材料層熱阻，(m2·K)/W；
R —— 除保溫層外，屋面系統(tǒng)材料層熱阻，(m2·K)/W；
Re —— 外表面換熱阻，取0.04(m2·K)/W。
4.1.2 除保溫層外，屋面各層材料熱阻之和R應(yīng)按下式計(jì)算：
R=δ1/λ1+δ2/λ2+···δn/λn (2)
式中：R —— 除保溫層外，屋面系統(tǒng)材料熱阻，(m2·K)/W；
δ1、δ2···δn ——各層材料的厚度，m；
δ1、δ2···δn ——各層材料的厚度，m；
λ1、λ2···λn ——各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。
4.1.3 各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)參見《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176-93)附表4.1。
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4.1.4 屋面系統(tǒng)的最小傳熱阻取值，應(yīng)按《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-95)確定，并符合國(guó)家有關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
4.2 應(yīng)用實(shí)例
4.2.1 屋面保溫塊
運(yùn)城市佳旺新型建筑材料有限公司將復(fù)合屋面保溫材料制成屋面保溫塊，規(guī)格尺寸為600mm×300mm×80mm。經(jīng)國(guó)家建筑材料工業(yè)房建材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心檢測(cè)，干密度為285kg/m3的屋面保溫塊，壓縮強(qiáng)度達(dá)到570kPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.068W/(m.K)。目前用量達(dá)到20000m2。
4.2.2 坡屋面保溫工程
山東榮成市德信防水工程有限公司將復(fù)合屋面保溫材料用于某高檔住宅小區(qū)的坡屋面保溫工程，采用現(xiàn)澆工藝施工，用量近10000m2，見圖2。經(jīng)檢測(cè)，復(fù)合屋面保溫材料絕干密度為290kg/m3，壓縮強(qiáng)度達(dá)到600kPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.069W/(m.K)。
4.2.3 平屋面保溫工程
江蘇宿遷某公司將復(fù)合屋面保溫材料用于地稅局大樓平屋面保溫工程，采用現(xiàn)澆工藝施工，找平層、找坡層和保溫層均采用復(fù)合屋面保溫材料，用量近500m3，見圖3。
5 結(jié)論
1．以工業(yè)廢棄物粉煤灰和再生EPS顆粒為主要原料制備的復(fù)合屋面保溫材料具有密度低、壓縮強(qiáng)度高、保溫性能好、造價(jià)便宜、方便施工等特點(diǎn)，是改善屋面熱工性能和頂層居住環(huán)境質(zhì)量的環(huán)保型材料，市場(chǎng)前景良好。
2．密度小于300kg/m3的復(fù)合屋面保溫材料，壓縮強(qiáng)度大于 500kPa，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.070W/(m×K)。使用時(shí)即可以先制成屋面保溫塊再鋪裝，也可以在屋面結(jié)構(gòu)層上直接現(xiàn)澆，提高屋面保溫性能。
3．復(fù)合屋面保溫材料的核心技術(shù)是物理成孔技術(shù)和增粘技術(shù)。
王武祥
(中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院,100024)
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