EPS顆粒-粉煤灰復合屋面保溫材料的研究與應用
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合保溫材料，具有保溫性能好、性價比高、生產施工方便等特點，廣泛應用于屋面保溫工程。本文介紹了該保溫材料的生產原料、生產與施工工藝、工程應用。
【關鍵詞】屋面保溫材料；粉煤灰、再生EPS顆粒；循環(huán)經濟
0 前言
屋面熱損失約占建筑物全部熱損失的9%，且對居住環(huán)境舒適度造成不良影響。因此必須提高屋面的保溫性能。在屋面結構中增加保溫層，并選用保溫性能好、性價比高的保溫材料是實現該目標的主要技術措施。
再生EPS顆粒-粉煤灰復合屋面保溫材料(簡稱復合屋面保溫材料)是基于建筑節(jié)能和發(fā)展循環(huán)經濟而開發(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合增粘劑提高漿體結構穩(wěn)定性與均勻性，從而獲得良好的物理力學性能和熱工性能。復合屋面保溫材料可以先制成屋面保溫塊再鋪裝，也可以在屋面結構層上直接現澆，目前已在北京、西安、黃山、運城、徐州、威海等地的屋面保溫工程中應用10多萬平方米，取得了顯著的技術經濟效益和社會效益。
1 原材料
復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)性聚苯乙烯珠粒經過預發(fā)泡形成，主要特征為：密度特別低、絕熱性好、封閉結構防止水分吸收和球形結構，其中球形結構對提高復合材料壓縮強度有利。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強度；單一顆粒級配不利于形成緊密堆積結構，對水泥基漿體需求量大，將影響復合保溫材料的保溫性能。此外，原生EPS顆粒價格相對較高。
(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，即質輕、導熱系數小、吸水率低。但其形狀、表面狀態(tài)和級配均發(fā)生了變化。再生EPS顆粒外形為準球型或碎石型，表面粗糙且部分表面開口，水泥漿體易進入孔隙，有利于與水泥基體粘結。再生EPS顆粒由多種粒徑顆粒組成，具有一定級配，可以形成緊密堆積結構，對漿體需求量少。這些特性賦予了復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合屋面保溫材料，而再生EPS顆粒更為經濟、合理?；拘阅芤螅鹤畲罅叫∮?mm，堆積密度小于20kg/m3。
1.2 水泥
選用強度等級為42.5的R型硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。根據工程實際要求，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，提高復合屋面保溫材料后期強度，選用Ⅲ級以上粉煤灰，干濕均可。粉煤灰性能應滿足GB6566-2001《建筑材料放射性核素限量》標準要求。
1.4 增粘劑
在復合屋面保溫材料中，增粘劑可增加漿體粘度和結構穩(wěn)定性、優(yōu)化漿體孔結構、改善外觀質量和均勻性、提高漿體保水性。由中國建筑材料科學研究院研制，型號為WWX-Ⅰ。
1.5 其它
根據設計和施工需要，通過添加早強劑、增強劑、防水劑、礦物纖維等可進一步改善復合屋面保溫材料的使用性能和施工性能。
2 生產與施工
復合屋面保溫材料應用有兩種方式：一種是在施工現場直接將復合屋面保溫材料漿料攤抹在屋面結構層上，形成屋面整體保溫層，對于坡屋面和平屋面均能夠方便施工；另一種是在工廠預制成屋面保溫塊，然后再鋪裝于屋面上。該法生產率高，保溫材料質量和相對含水率易控，可減少現場濕作業(yè)，但造價偏高。屋面保溫層現澆是發(fā)展趨勢，本文主要介紹復合屋面保溫材料屋面整體現澆的生產施工工藝。[Page]
2.1 工藝流程
復合屋面保溫材料生產施工工藝流程見圖1。
2.2 施工要點
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混均勻，然后加水攪拌3~5min，再加入再生EPS顆粒后攪拌1~3min，制成粘稠的復合屋面保溫材料漿體。再生EPS顆粒采用體積計量，其它組分按重量計量。
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合屋面保溫材料組成可在工廠預混合，形成復合膠凝材料，然后與再生EPS顆粒按比例供應。現場施工時，直接加水攪拌即可。如此除能保證產品質量，而且可減少現場粉塵。
2.2.2 屋面基層處理
對于平屋面只需按作業(yè)條件，清理干凈即可施工，施工前適當澆水濕潤基層。對于坡度大于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力。
2.2.3 彈線
按設計厚度及規(guī)范要求，在周邊墻面彈好厚度、坡度標準線、注意排水坡向。
2.2.4 設計保溫層厚度標志線
在屋面適當位置設置厚度標準灰餅或沖筋，間距1~1.5m。
2.2.5 鋪抹復合屋面保溫材料漿料
將拌制好的復合屋面保溫材料漿料按比標準厚度稍高的高度均勻攤鋪在屋面上，用鐵鍬、木抹拍實，用木杠刮平即可。周邊、陰角、管根等連接部位需仔細拍填實抹平。平屋面的找坡層、找平層和保溫層全部使用復合屋面保溫材料漿料，合三為一，不但簡化施工工序。而且造價降低。復合屋面保溫材料漿料隨攪隨用，一般應在2h內用完。漿料保溫層一般應晾置5~7天，待完全干燥后方可進行抗裂砂漿層和防水層施工。
2.3 配合比
密度為300kg/m3的復合屋面保溫材料，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熱系數。導熱系數越小，保溫性能越好。導熱系數與材料的分子結構、表觀密度、內部結構、傳熱時的平均溫度和熱流方向、含水率等有關。一般而言，表觀密度越輕，導熱系數越小。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量越多，導熱系數越小。在孔隙率相同的條件下，孔隙尺寸愈大，導熱系數就愈大；孔隙相互連通比封閉而不連通的導熱系數要高。
復合屋面保溫材料由再生EPS顆粒和復合膠凝材料組成，其熱工性能同時決定于再生EPS顆粒和硬化體的導熱系數。具有密實結構的復合膠凝材料硬化體熱工性能較差，導熱系數較高。采用物理成孔技術降低復合膠凝材料硬化體密實度，可顯著改善其保溫性能，降低導熱系數。在制備復合屋面保溫材料漿料時，摻加由WWX-Ⅰ型增粘劑，引入微細球形氣泡(直徑在0.3mm以下)，提高復合屋面保溫材料中的孔隙率。經檢測，絕干密度小于300kg/m3的復合屋面保溫材料，導熱系數均小于0.070W/(m×K)。
研究表明，在原料體系和生產工藝不變時，復合屋面保溫材料的密度與導熱系數之間存在相關性。在實際施工中，通過控制漿體濕密度可保證復合屋面保溫材料的導熱系數達到設計要求。
3.2 力學性能
建筑物屋面通常要承受一定荷載(如雨雪、風荷載等)，因此保溫層應有足夠的承載能力，否則保溫層和防水層破壞，不但影響屋面保溫效果，甚至會影響屋面結構的正常使用。屋面保溫材料的壓縮強度通常應大于500kPa。
研究表明，直接用水泥與再生EPS顆粒制備密度等級在300kg/m3以下的復合屋面保溫材料，壓縮強度偏低，吸水率較高，試塊外觀質量和內部結構均勻性極差。采用粉煤灰取代部分水泥和摻加增粘劑，可顯著改善復合屋面保溫材料的漿體性能和硬化體性能，制備密度等級小于300kg/m3、壓縮強度在500kPa以上的復合屋面保溫材料完全可行。與現有的水泥聚苯板相比，最大特點是外觀質量好、內部結構均勻、強度高、熱工性能更佳。
復合屋面保溫材料還具有良好的耐水性能。試驗表明，超輕屋面保溫材料的軟化系數(壓縮強度)均大于0.85。
3.3 施工性能
在復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，這樣即使實施激烈的振動密實，也可以阻礙EPS顆粒上浮。復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 應用
4.1 保溫層厚度設計
4.1.1 復合屋面保溫材料保溫層厚度按下式計算：
δx=λx(R0,min-Ri-R-Re) (1)
式中：δx —— 保溫層厚度，m；
λx —— 復合屋面保溫材料導熱系數，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)鳠嵯禂礙值的限值見JGJ26《民用建筑節(jié)能設計標準(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)能設計標準》中表4.08。
Ri ——內表面換熱阻，(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應按下式計算：
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 ——各層材料的導熱系數，W/(m·K)。
4.1.3 各層材料的導熱系數參見《民用建筑熱工設計規(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，應按《民用建筑節(jié)能設計標準(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-95)確定，并符合國家有關節(jié)能標準的規(guī)定。
4.2 應用實例
4.2.1 屋面保溫塊
運城市佳旺新型建筑材料有限公司將復合屋面保溫材料制成屋面保溫塊，規(guī)格尺寸為600mm×300mm×80mm。經國家建筑材料工業(yè)房建材料質量監(jiān)督檢驗測試中心檢測，干密度為285kg/m3的屋面保溫塊，壓縮強度達到570kPa，導熱系數為0.068W/(m.K)。目前用量達到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，采用現澆工藝施工，用量近10000m2，見圖2。經檢測，復合屋面保溫材料絕干密度為290kg/m3，壓縮強度達到600kPa，導熱系數為0.069W/(m.K)。
4.2.3 平屋面保溫工程
江蘇宿遷某公司將復合屋面保溫材料用于地稅局大樓平屋面保溫工程，采用現澆工藝施工，找平層、找坡層和保溫層均采用復合屋面保溫材料，用量近500m3，見圖3。
5 結論
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合屋面保溫材料具有密度低、壓縮強度高、保溫性能好、造價便宜、方便施工等特點，是改善屋面熱工性能和頂層居住環(huán)境質量的環(huán)保型材料，市場前景良好。
2．密度小于300kg/m3的復合屋面保溫材料，壓縮強度大于 500kPa，導熱系數小于0.070W/(m×K)。使用時即可以先制成屋面保溫塊再鋪裝，也可以在屋面結構層上直接現澆，提高屋面保溫性能。
3．復合屋面保溫材料的核心技術是物理成孔技術和增粘技術。
王武祥
(中國建筑材料科學研究總院,100024)
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