EPS顆粒-粉煤灰復(fù)合屋面保溫材料的研究與應(yīng)用

  【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、性價比高、生產(chǎn)施工方便等特點,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
 
  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(jié)構(gòu)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(xiàn)該目標的主要技術(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)濟效益和社會效益。
 
  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)對提高復(fù)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(jié)強度;單一顆粒級配不利于形成緊密堆積結(jié)構(gòu),對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(zhì)輕、導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)。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(jié)構(gòu),對漿體需求量少。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、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(jù)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(fù)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(yīng)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(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。由中國建筑材料科學(xué)研究院研制,型號為WWX-Ⅰ。
 
  1.5  其它
 
  根據(jù)設(shè)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(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)量和相對含水率易控,可減少現(xiàn)場濕作業(yè),但造價偏高。屋面保溫層現(xiàn)澆是發(fā)展趨勢,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
 
  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(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)。現(xiàn)場施工時,直接加水?dāng)嚢杓纯伞H绱顺鼙WC產(chǎn)品質(zhì)量,而且可減少現(xiàn)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(dāng)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(jié)力。

  2.2.3  彈線

  按設(shè)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(shè)計保溫層厚度標志線
  在屋面適當(dāng)位置設(shè)置厚度標準灰餅或沖筋,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(fù)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(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,其熱工性能同時決定于再生EPS顆粒和硬化體的導(dǎo)熱系數(shù)。具有密實結(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,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(fù)合屋面保溫材料中的孔隙率。經(jīng)檢測,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,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)達到設(shè)計要求。

  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顆粒制備密度等級在300kg/m3以下的復(fù)合屋面保溫材料,壓縮強度偏低,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,制備密度等級小于300kg/m3、壓縮強度在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,最大特點是外觀質(zhì)量好、內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻、強度高、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。試驗表明,超輕屋面保溫材料的軟化系數(shù)(壓縮強度)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,這樣即使實施激烈的振動密實,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

  4.1.1  復(fù)合屋面保溫材料保溫層厚度按下式計算:

  δxx(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(shè)計標準》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—— 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)按下式計算:
  R=δ1122+···δnn                             (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···λ ——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)計規(guī)范》(GB50176-93)附表4.1。
[Page]
  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)計標準(采暖居住建筑部分)》(JGJ26-95)確定,并符合國家有關(guān)節(jié)能標準的規(guī)定。

  4.2  應(yīng)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(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)國家建筑材料工業(yè)房建材料質(zhì)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(dǎo)熱系數(shù)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(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,復(fù)合屋面保溫材料絕干密度為290kg/m3,壓縮強度達到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(zhì)量的環(huán)保型材料,市場前景良好。

  2.密度小于300kg/m3的復(fù)合屋面保溫材料,壓縮強度大于 500kPa,導(dǎo)熱系數(shù)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(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
                    (中國建筑材料科學(xué)研究總院,100024)

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