最近幾年外牆保溫材料產品的更新換代可以說是十分迅速，每過一段時間就會有新的外牆保溫材料麵世，由於很多外牆保溫材料上市時間比較短，沒有相關的實際應用數據，今天外牆保溫材料廠花季传媒的网站就通過試驗研究來給大家講解赤泥輕質外牆保溫材料這款產品。

1 試驗原材料

赤泥：山東某鋁廠排放的赤泥，放射性測試分析表明，其天然放射性核素鐳－226，釷－232，鉀－40的放射性比活度均能夠滿足GB 6566—2010《建築材料放射性核素限量》中Ira≤1.0和Ir≤1.3的要求；粉煤灰：山東某熱電廠Ⅱ級粉煤灰；石英砂：經破碎、粉磨，過篩.赤泥、粉煤灰、石英砂的化學組成（質量分數）如表1所示.物理發泡劑：自製，使用時與水按一定比例混合，經發泡機發泡製成泡沫；成分調節原料：自製，其主要組成為膨潤土、高嶺土和鉀長石，經複合配製而成.

2 試驗

2.1 熱分析

赤泥的差示掃描量熱－熱重分析（DSC－TG）結果如圖1所示.從圖中可以看出，赤泥在250～300℃時，有1個較快的質量下降，且存在1個放熱峰.這是由於赤泥中含有一些結合水和有機物，水的蒸發和有機物的揮發會帶走熱量，同時赤泥中的部分元素發生氧化反應也會放出熱量.在300～610℃時表現為不明顯的連續質量損失，這意味著赤泥中有一部分含水礦物，而且其中的水在含水礦物中的結合狀態及牢固程度並不完全相同，隨著溫度的升高，這部分水分蒸發.在610～690℃時，存在另一個較小的質量下降.這是由於赤泥中的碳酸鹽開始分解，碳素和有機物的氧化以及鐵的硫化物和硫酸鹽分解氧，產生CO2，SO2等氣體造成的.在溫度高於700℃之後，赤泥質量基本不發生變化，表現在熱重曲線上為1條水平直線.因此，赤泥輕質外牆保溫材料在煆燒過程中，需要在280，630℃下保溫，以便於氣體的揮發.大量試驗表明，在280℃下保溫15min，630℃下保溫25min條件下製備的赤泥輕質外牆保溫材料質量較好.

圖1 赤泥的DSC－TG曲線

Fig.1 DSC－TG curve of red mud

2.2 坯體製備

本試驗坯體製備工藝流程為：選料→球磨→過篩→配料→混料→成型→幹燥.試驗步驟：按比例將赤泥、粉煤灰、石英砂混合在一起球磨，過100目（0.15mm）篩；將發泡劑與水按一定比例混合均勻，經發泡機發泡製成泡沫；然後將混合均勻的粉料、一定量的水攪拌均勻，並將泡沫緩慢倒入料漿內繼續攪拌，直到泡沫均勻分布在料漿中；最後將製得的發泡料漿注入40mm×40mm×160mm及200mm× 200mm×10mm成型模具中，經幹燥後脫模，得到坯體.前蘇聯學者Riley在研究黏土、頁岩燒結體係燒脹性時，發現在某溫度範圍內，當所用原料的化學組成處於某一範圍時，所得燒結體均具有良好的燒脹性.Riley相圖中適宜黏度的原料化學組成（質量分數）範圍為：SiO253%～79%，Al2O310%～25%，熔劑之和13%～26%.因此本試驗采用表2所示的原材料配比方案.

2.3 煆燒

在煆燒過程中，固體顆粒間的空間組成一係列毛細管，表麵張力使得顆粒以毛細管力的方式拉緊，即毛細管中的熔體起著把分散在其中的固態顆粒結合起來的作用.隨煆燒溫度的升高，首先會出現足夠量的液相，分散在液相中的固體顆粒在毛細管力作用下發生相對移動而重新排列，使其堆積更為緊密.其次，在一些顆粒接觸點上由於局部應力的作用導致塑性變形和蠕變，促使顆粒進一步重排.再次，由於較小的顆粒或顆粒接觸點處溶解，通過液相傳質而在較大顆粒或顆粒的自由表麵上沉積從而出現晶粒長大和晶粒形狀的變化，同時顆粒不斷進行重排而致密化.最後，分散剩餘的固體顆粒形成固體骨架，進行再結晶和晶粒長大，從而獲得致密的燒結體[4].對於加入物理泡沫的坯體，經上述煆燒過程形成的燒結多孔材料是由許多大小不等的氣孔和氣孔壁組成的結合體，氣孔是由物理泡沫進入坯體中形成的，並在煆燒過程中固定在燒結體中.氣孔壁係由燒結產物和氣孔壁內的缺陷孔組成，其示意圖見圖2.

2.4 性能測試

利用YE－30液壓式壓力試驗機、KZJ－6電動抗折試驗機分別測定試樣的抗壓、抗折強度；利用S－2500型掃描電鏡對試樣進行微觀形貌分析；根據GB／T 1966—1996《多孔陶瓷顯氣孔率、容量試驗方法》中的真空法測定試樣的孔隙率（體積分數，下同）；利用DRH－Ⅲ導熱係數測試儀（護熱平板法）測定試樣的導熱係數.

3 試驗結果與討論

3.1 煆燒溫度對試樣性能的影響

赤泥輕質外牆保溫材料在煆燒過程中，將發生一係列複雜的物理化學變化.隨著溫度的升高，煆燒體係逐漸達到穩定狀態，煆燒溫度的高低決定了燒結是否充分和燒結的快慢.因此適宜的煆燒溫度對材料的燒成非常重要.在前期大量試驗的基礎上，選取950～1 200℃為煆燒溫度範圍，梯度為50℃，進行煆燒試驗.性能測試結果如表3所示.

由表3數據可知，隨著煆燒溫度的升高，試樣的堆積密度、收縮率不斷增加，抗壓、抗折強度逐漸增大；且經觀察可知，製品的外觀顏色不斷加深.這是因為在煆燒過程中，隨著溫度的升高，赤泥、粉煤灰、石英砂中的一些物質互相反應而產生了新的結晶相和玻璃相.隨著溫度的不斷升高，固體顆粒表麵出現了熔融現象，液相增多並填充一些顆粒間的孔隙，提高了顆粒與顆粒之間的結合程度，致密化程度增加.當溫度進一步提高時，小晶粒間相互黏結形成較大的晶粒，同時粒界進一步擴大、移動，缺陷孔隨之變小、變形並形成孤立的閉孔或移到粒界上消失，最後缺陷孔的數量和尺寸不斷減小，進一步提高了試樣的致密化程度，使其抗折、抗壓強度增大.試樣的收縮率在前半階段增加較快，而在高溫階段變化不明顯，這是因為隨著煆燒溫度的升高，包裹在顆粒表麵的黏結劑在高溫下熔融，顆粒處於潤濕狀態，顆粒間的缺陷孔成為毛細管，毛細管的巨大壓力使顆粒發生位移和重新排列，但當溫度達到一定程度時，該過程已基本完成，致使其收縮率在高溫階段變化不明顯[5].試樣的導熱係數隨著煆燒溫度的升高總體呈現增大的趨勢.達到1 200℃時，經觀察發現試樣出現過燒的現象，試樣收縮嚴重，表麵出現硫化痕跡.此時試樣的堆積密度、抗折強度及抗壓強度、導熱係數及收縮率都出現了突變的現象.綜上，可判定試樣的最佳煆燒溫度為1 150℃.

3.2 升溫速率對試樣孔隙率的影響

對於輕質外牆保溫材料來說，孔隙率是一個重要的衡量指標，而不同的升溫速率對孔隙率有一定的影響.選取煆燒溫度1 150℃，升溫速率選用2，4，6，8，10℃／min，對應的試樣編號為Q1～Q5，考察升溫速率對試樣孔隙率的影響，結

Fig.3 Influence of heating rate on porosity of sample

由圖3可知，隨著升溫速率的增大，試樣的孔隙率隨之增大.升溫速率從2℃／min增大到10℃／min時，孔隙率從27.38%增大到38.64%，這可以結合試樣的微觀形貌（見圖4）來解釋.由圖4可以看出，孔隙的形成有2種：一種是成型時加入物理泡沫所形成的氣孔，其形狀較均一，呈圓形或橢圓形，分布較均勻；另一種是氣孔壁在煆燒過程中形成的缺陷孔，其孔徑大小分布不均勻，形狀不規則.增大升溫速率可使氣孔壁中物料反應的充分程度降低.這一方麵將使產生的新結晶相減少，晶粒長大不充分，晶粒間缺陷孔增多，另一方麵會使赤泥中的氧化物成分與SiO2反應生成的玻璃相減少，而玻璃相正是在毛細管力和表麵張力的作用下填補顆粒間缺陷孔、黏結顆粒使其形成網狀結構的，所以玻璃相的減少會使得顆粒間缺陷孔增多，且孔徑大小及形狀不均一.雖然增大升溫速率有助於孔隙率的提高，但是對於輕質外牆保溫材料來說，孔隙的形狀和類型是很關鍵的.試樣Q5的升溫速率為10℃／min，其孔隙率達到最大值38.64%，但從圖4（a）可以看到，其孔徑大小分布極不均勻，形狀不規則，因而難以實現保溫隔熱功效.這可能是因為試樣在煆燒過程中，新生成並逐漸變大的結晶相對坯體中缺陷孔的位置和大小產生了一定的影響，部分泡沫合並連通，使得小孔變大孔，導致缺陷孔的形狀不規則，孔徑大小分布不均勻.試樣Q3的孔隙率達到33.61%，與試樣Q5相比降幅不大，且從圖4（b）中可以看出其孔徑大小分布較均勻，形狀較規則.綜合考慮，升溫速率為6℃／min最為適宜.

3.3 燒結機理探討

本試驗利用的赤泥，其SiO2質量分數達到47.47%.粉煤灰和石英砂的摻加提高了材料中Al2O3和SiO2的質量分數，使其生成的細長針狀的莫來石增多，這在一定程度上提高了材料的韌性.鈣長石和鈣鐵榴石是赤泥與石英砂反應的產物，對材料強度的提高也起到一定作用.SiO2在高溫下與鈉、鈣、鋁形成了鈣鋁榴石（Ca3Al2Si3O12），矽酸鈣（Ca2SiO4），鈉長石（NaAlSi3O8）等新的晶相，其中鈉長石能增加強度，而鈣鋁榴石結構致密、硬度高，具有一定柔韌性，也有利於強度的提高.赤泥中含有一定量的NaO，CaO和Fe2O3成分，它們容易在高溫下與石英反應生成玻璃相，並且溫度越高，產生的玻璃相越多，而玻璃相會在毛細管力和表麵張力的作用下填補缺陷孔，黏結顆粒並形成網狀結構[5－6].在上述共同作用下，赤泥輕質外牆保溫材料的燒成收縮率不斷增加，堆積密度不斷增大，強度不斷提高.

本試驗中煆燒溫度選在950℃以上，此時SiO2已由α－石英轉變為α－鱗石英（轉變溫度870℃）. α－鱗石英的反應活性比α－石英高，活性越高就越容易產生矽酸鹽複合物.試樣中熔融狀態的堿性鈉、鉀鹽會加速矽酸鹽的生成反應，即玻璃固化（玻化）反應的進行，形成不同種類的矽酸鹽.原材料中R2O（Na2O，K2O）的熔點較低，在煆燒初期便充分熔化成液相，在700～900℃範圍內還能夠與Al2O3，SiO2，CaO，Fe2O3等結合生成共融化合物，冷卻後便固結在化合物中.CaO，MgO在450～600℃時，能夠與Fe2O3發生化學反應生成鐵酸鈣，鎂、鐵鋁酸鈣等[7].新生成的礦物質地緊密，抗壓強度遠高於煆燒之前.繼續升高煆燒溫度，坯體中所含的金屬氧化物與矽化合生成液相，不斷填充顆粒間的缺陷孔，同時某些顆粒被少量的液體粘結收縮，從而達到提高其強度的目的.

4 結論

（1）赤泥輕質外牆保溫材料在煆燒過程中，於280，630℃下分別保溫15，25min將有利於提高該溫度下物料間化學反應的充分程度，便於晶粒的充分長大和玻璃相填充缺陷孔，提高氣孔壁的致密度，增加材料強度.

（2）在燒結過程中，氣孔壁中的赤泥、粉煤灰、石英砂中的SiO2與鈉、鈣、鋁、鐵及其氧化物等互相反應產生新的結晶相和玻璃相.一方麵玻璃相填充一些缺陷孔，使顆粒與顆粒之間的結合程度提高，提高了其致密化程度；另一方麵新晶相的小晶粒相互粘結形成較大晶粒，同時粒界進一步擴大、移動，使缺陷孔逐漸變小、變形並形成孤立的閉孔或移到粒界上消失，使得缺陷孔的數量和尺寸不斷減小，氣孔壁致密化程度提高.本試驗確定煆燒溫度為1 150℃時赤泥輕質外牆保溫材料的各項性能較好.

（3）升溫速率對於物料間化學反應的充分程度有很大影響，增大升溫速率可使氣孔壁中形成的缺陷孔增多，從而提高赤泥輕質外牆保溫材料的孔隙率.升溫速率從2℃／min增至10℃／min時，試樣的孔隙率由27.38%增至38.64%.結合孔隙的孔徑大小及其形狀分布，本試驗確定升溫速率為6℃／min時較為適宜.

（4）在煆燒溫度為1 150℃，升溫速率為6℃／min的試驗條件下，所製備的赤泥輕質外牆保溫材料堆積密度為527kg／m3，收縮率為5.7%，抗壓、抗折強度分別為3.4MPa和2.2MPa，導熱係數為0.105W／（m·K），孔隙率為33.61%.

（5）赤泥輕質外牆保溫材料與傳統粉煤灰加氣混凝土相比，一方麵綜合利用了赤泥、粉煤灰工業廢渣及低品位石英砂，降低了原材料成本，且有利於節約資源、保護環境，另一方麵該外牆保溫材料經高溫燒製而成，具有良好的熱穩定性。

此次試驗對赤泥輕質外牆保溫材料的應用得出的重要的數據理論基礎，為我國以後的外牆保溫材料行業發展留下濃墨重彩的一筆，期待這款產品在未來有更好的發展吧！