典型硅铝酸盐煤基固废物相结构调控制备新型多孔墙体材料研究

The existing thermal insulation materials can not satisfy the requirements of zero energy green building due to complex wall structure, the difficulty of construction, high wall material resource consumption, et.al. The present project aims at preparing the novel porous thermal insulation materials with controllable performance properties using coal-based solid waste such as fly ash and coal gangue, through the fundamental study and innovation of technology. Then, the present project will try to reveal the coupling relationships among phase composition, structural characteristics, pore-forming agent and additives. Based on these studies, the project will determine the transformation rules of multi-component and multi-phases during the preparation processes, as well as the porous formation mechanism and transformation of multi-components. Then, a dynamic model of porous formation was constructed. The project was also aiming at constructing a random thermal conductivity model using numerical simulation method, which are able to predict the novel porous multi-component insulation materials. These investigations not only provides the new approaches for utilization of coal-based solid wastes,but also spread to the utilization of other inorganic solid wastes. Meanwhile, it may establish the theoretical foundation for zero energy building popularization.

现有建筑围护结构在构建零能耗绿色建筑时存在墙体结构复杂、施工难度较大、墙体材料资源消耗较高等问题，项目通过对煤基固废粉煤灰和煤矸石基础科学及创新工艺两方面进行研究，在热力学研究的基础上，通过物相调控和结构重构研制出性能可控的新型多孔墙体材料，揭示粉煤灰和煤矸石物相组成、结构特征、造孔剂和添加剂之间的耦合关系；确定新型多孔墙体材料制备过程中多组元、多物相间转化迁移规律，获得多孔形成机制，建立多孔形成的动力学模型；研究并建立适用新型多孔墙体材料随机热导率模型。 本项目不仅为煤基固废高值化利用提供新的思路，而且可以推广到多种无机非金属废弃物利用领域，同时为零能耗绿色建筑围护结构大规模推广奠定理论基础。

建筑业作为当今社会能耗的最主要行业之一，消耗了大量能源，并造成了全球重大污染，建筑节能势在必行。目前，有机保温材料在我国保温材料市场中占有90%，但易燃、寿命短等弊端严重限制了其应用。人们需要无机保温材料来消除这些弊端，但无机保温材料存在价格贵、表观密度大和保温性能差等问题需要解决，因此亟需研发新型保温材料。.基于以上问题，本项目以煤基固废为主要原料制备新型无机保温材料。研究探索各种原料及制作方法对样品性能的影响规律，从而获得优化材料各项性能的方法。项目首先系统研究了煤矸石和粉煤灰这两种典型煤基固废的化学组成、物相结构及热物理性质，其次研究了以煤矸石和粉煤灰为主要原料，以硫酸钙、碳化硅等为发泡剂，以黏土、钢渣、废玻璃、硼砂等为添加剂制备了多种多孔保温材料，系统研究了材料的各种物理化学性能与温度、添加剂和保温剂的关系。在此基础上，提出了一种新型导热随机模型，该模型可用于预测材料的有效导热系数。通过模拟计算，分析了保温材料中各个导热机制在有效导热中的组成情况，并揭示了多孔保温材料的保温机理。.系统研究了以粉煤灰和废玻璃为主要原料，采用添加剂造孔法，通过添加硼砂和碳酸钙作为助熔剂和造孔剂，在800℃的烧结温度下，制备出导热系数为0.36 W/(m•K)的泡沫陶瓷保温材料，其体积密度低至0.46g/cm3，抗压强度大于5 MPa。项目也实现了以粉煤灰和煤矸石为主要原料制备高性能纤维无机保温材料。研究结果表明本研究中纤维材料具有较低的表观密度和有效导热系数，同时还具有较高使用温度和较好的回弹性能，可用于建筑节能保温。实现模型有效预测材料的有效导热系数。此外，模型分析发现表观密度降低至一定区域后，辐射部分与有效导热系数的比值从15%迅速增加到44%，呈现出急剧升高的现象，因此有效导热系数呈现指数增加的趋势。