41、建筑材料创新：改性砖与乳化改性沥青的研究进展

最新推荐文章于 2025-09-26 09:22:37 发布

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建筑材料创新：改性砖与乳化改性沥青的研究进展

在建筑领域，材料的性能和特性对于建筑的质量和可持续性至关重要。本文将探讨两种具有创新性的建筑材料：添加蛋托材料的改性砖以及使用不同乳化剂的乳化改性沥青（EMB），并分析它们的性能特点和应用潜力。

改性砖：添加蛋托材料的新尝试

在建筑用砖方面，传统的水泥石灰砖一直占据主导地位。然而，研究人员开始探索使用蛋托作为添加剂来改善砖的性能。

砖的抗压强度分类

首先，我们来了解一下不同类型砖的抗压强度分类：
| 砖的类型 | 抗压强度（N/mm²） |
| — | — |
| 一等砖 | 10 |
| 二等砖 | 7 |
| 建筑用砖 | 3.5 |
| 晒干砖 | 1.5 - 2.5 |

蛋托添加剂对砖性能的影响

实验结果表明，在制砖过程中添加蛋托材料对砖的抗压强度有积极影响。与100%水泥制成的典型水泥石灰砖相比，含有不同比例蛋托的改性砖表现出更好的抗压强度。不过，随着时间推移，改性砖的抗压强度会逐渐下降，而普通砖的抗压强度则有所增加。尽管如此，改性砖的抗压强度仍然高于标准砖。

这可能是因为改性砖中的蛋托材料具有较高的孔隙率或透水性，这会导致砖随着时间的推移而逐渐损坏。此外，蛋托材料的加入也使得改性砖的吸水率增加，这可能是由于蛋托所用的物质比普通砖所用的水泥更具多孔性或透水性。

改性砖的优势与考虑因素

尽管存在一些问题，但改性砖仍然具有很大的潜力。它为建筑行业提供了一种持久且环保的替代品。添加蛋托材料不仅提高了改性砖的抗压强度，使其成为标准砖的有力竞争者，还提供了一种废物管理解决方案，减少了对具有较大碳足迹的水泥的需求。

然而，在选择适合建筑项目的砖时，需要考虑改性砖与普通砖相比增加的吸水率和较低的密度。为了进一步提高改性砖的性能，建议进行以下研究：
1. 详细研究改性砖较低的密度和较高的吸水率，在不牺牲抗压强度的前提下提高其质量。可以研究使用添加剂或不同的材料。
2. 评估改性砖的长期耐候性、耐久性以及承受极端温度、湿度和其他环境因素的能力。研究老化对其性能的影响，以确保其使用寿命和可持续性。
3. 研究高温烧制改性蛋托砖是否可以提高其抗压强度和吸水率。这种设计可用于轻质墙体，如围墙和联锁砖。

乳化改性沥青（EMB）：解决冷凝问题的新方案

在一些特定的建筑环境中，如医院手术室，表面温度低于环境空气温度会导致冷凝，从而促进霉菌和真菌的生长。为了解决这个问题，研究人员开发了乳化改性沥青（EMB），并使用三种不同的乳化剂（非离子型、阳离子型和阴离子型）来提供涂层和绝缘功能。

研究背景和目标

沥青是原油精炼过程中的副产品，具有粘性和黑色的特点。在常温下，沥青是半固态的，但加热后会变得柔软。由于沥青不溶于水，需要使用乳化剂将其分散在水中形成乳液。

本研究的目标是通过改变乳化剂的类型来制备EMB，并研究其对EMB涂层性能和组成的影响。具体来说，研究人员使用工业级沥青（60/70），并加入回收的废油，与三种不同类型的乳化剂结合，制备出三种不同配方的EMB（C、B和A）。

实验材料和方法

原材料 ：使用来自Kemaman Bitumen Corporation的工业级沥青（60/70）和来自Pentas Flora Sdn. Bhd.的回收油制备改性沥青（MB）。然后将改性沥青与水 - 乳化剂混合物混合，制成最终的EMB产品。使用的乳化剂包括来自Aladdin的非离子型乳化剂（聚乙二醇）、来自Macklin的阳离子型乳化剂（二十二烷基二甲基溴化铵）和来自Langchem的阴离子型乳化剂（2 - 溴硬脂酸）。同时，将三种EMB配方（EMB A、EMB B和EMB C）与工业沥青乳液（Atlaskote）以及未添加水 - 乳化剂混合物的改性沥青对照样品进行比较。
制备方法 ：
1. 将室温下为半固态的沥青60/70加热至160°C，持续30分钟使其变为液态。
2. 使用带有三个叶片的机械搅拌器（IKA C - MAG HS 7），将180 g加热后的沥青与120 g回收废油混合。在450 rpm的搅拌速度和190°C的温度下，经过90分钟制成改性沥青。
3. 将改性沥青的温度降至100°C。
4. 使用40%重量的改性沥青样品，将其加热至75°C并以450 rpm的速度搅拌。将3 g乳化剂用60 ml去离子水稀释，并在搅拌和加热改性沥青的同时以200 rpm的速度搅拌30分钟。
5. 将水 - 乳化剂溶液加入改性沥青中，并搅拌60分钟，制成EMB。对每种可能的乳化剂（EMB A、EMB B和EMB C）重复此过程。

材料表征和性能测试

原材料表征 ：
- 针入度测试 ：根据美国标准测试方法ASTM D5 - 06进行，用于测量沥青材料的稠度。针入度值越高，材料越软。
- 软化点测试 ：使用ASTM D36 - 95标准，通过特定的实验装置测量沥青的软化点。
- 闪点测试 ：根据ASTM D93 - 02a标准，确定原材料的闪点，即物质能够蒸发并与空气形成可燃混合物，在火焰存在下能瞬间点燃的最低温度。
配方EMB的表征 ：
- 粘度测试 ：使用旋转粘度计，在50 rpm的转速和1 mm的板几何形状下测量样品的粘度。
- 振荡测试 ：使用控制剪切应力流变仪，在0 - 50°C的温度范围内进行，以研究材料的相转变和粘弹性特性。
- 闪点测试 ：采用与原材料表征中闪点分析类似的技术。
EMB配方的性能测试 ：
- 乳液稳定性测试 ：从每个配方中取100 ml样品，在室温下通过重力测试其稳定性。三天后，使用玻璃量筒测量并记录从乳液中分离出的水量。分离效率（e）的计算公式为：$e = \frac{分离出的水的体积（ml）}{原始水的体积（ml）}×100\%$
- 干燥时间测试 ：根据ASTM D1640 - 95标准，分析EMB配方涂层在干墙上的干燥时间，包括触干时间和无粉尘时间。
- 粘附性测试 ：使用胶带测试ASTM D3359 - 09标准，评估涂层材料在基材上的粘附性。

EMB配方的性能结果与分析

原材料特性 ：
| 材料 | 闪点（°C） | 25°C时的针入度 | 软化点 |
| — | — | — | — |
| 沥青（60/70） | 262 | 60 - 70 | 45 - 52 |
| 回收废油 | 65 | N.A | N.A |

从表中可以看出，回收废油由于处于完全流体状态，没有针入度和软化点，而沥青（60/70）由于其半固态性质，需要通过针入度测试来评估其稠度。

EMB配方的性能比较 ：
- 粘度：
  | 配方类型 | 粘度（cP） |
  | — | — |
  | EMB A（阴离子型） | 47,980.68 |
  | EMB B（阳离子型） | 41,433.72 |
  | EMB C（非离子型） | 46,138.06 |
  | 对照样品（无乳液） | 63,346.29 |
  | Atlaskote | 367.75 |

研究表明，较低的粘度有利于涂层应用。在三种EMB配方中，EMB B的粘度最低，但与Atlaskote标准工业沥青乳液相比，其粘度仍然显著较高。较高的粘度会导致涂层应用困难，尤其是在喷涂应用中，可能会导致涂层不均匀。为了提高EMB配方作为涂层的适用性，需要添加额外的溶剂来降低其粘度。

- **水分含量**：

样品	水分含量（%）
EMB A	21.88
EMB B	21.88
EMB C	21.22
对照样品	14.81
Atlaskote	40

研究发现，水分含量与粘度呈负相关。Atlaskote样品的水分含量最高，粘度最低；对照样品的水分含量最低，粘度最高。为了改善EMB配方，需要增加水分含量，以确保其粘度保持在较低水平，从而便于涂层应用。

- **闪点**：

样品	闪点（°C）
EMB A（阴离子型）	200.2
EMB B（阳离子型）	208.1
EMB C（非离子型）	202.0
对照样品（无乳液）	250.0
Atlaskote	267.3

所有样品的闪点都超过200°C，其中EMB B的闪点最高。高闪点对于在标准室温条件下的室内涂层应用以及正常大气条件下的室外涂层应用至关重要。

- **干燥时间**：干燥过程是涂层应用中的关键环节。根据流变测试结果，EMB B（阳离子型）乳化剂表现出最高的变形程度，因此干燥速度最快。Atlaskote样品涂层的干燥速度也明显快于其他样品，这可能是因为它的水分含量最高，水分含量高导致粘度低，从而促进了更快的干燥过程。
- **粘附性**：根据ASTM D3359 - 09标准对粘附性测试结果进行分类。工业级沥青乳液（Atlas）被分类为3B，表明去除的总面积在5% - 15%之间。EMB C、EMB B和EMB A在粘附性方面具有相似的特点。

结论与展望

综上所述，添加蛋托材料的改性砖和使用不同乳化剂的乳化改性沥青（EMB）都为建筑领域带来了新的可能性。改性砖在抗压强度方面表现出优势，同时具有环保和废物利用的特点，但需要进一步研究解决其吸水率和耐久性问题。而EMB则为解决特定建筑环境中的冷凝问题提供了有效的解决方案，不同类型的乳化剂对EMB的性能有显著影响。阳离子型乳化剂（EMB B）更适合用于涂层应用，而阴离子型乳化剂（EMB A）则能显著提高乳液的稳定性。

未来的研究可以进一步优化这些材料的性能，探索更多的应用场景，并加强对其长期性能和环境影响的研究，以推动建筑行业朝着更加可持续和高效的方向发展。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(制备改性沥青):::process --> B(制备水 - 乳化剂溶液):::process
    B --> C(混合制成EMB):::process
    C --> D(原材料表征):::process
    C --> E(配方EMB表征):::process
    C --> F(EMB配方性能测试):::process
    D --> G(针入度测试):::process
    D --> H(软化点测试):::process
    D --> I(闪点测试):::process
    E --> J(粘度测试):::process
    E --> K(振荡测试):::process
    E --> L(闪点测试):::process
    F --> M(乳液稳定性测试):::process
    F --> N(干燥时间测试):::process
    F --> O(粘附性测试):::process

这个流程图展示了乳化改性沥青（EMB）的制备、表征和性能测试的主要步骤，有助于读者更清晰地理解整个研究过程。

建筑材料创新：改性砖与乳化改性沥青的研究进展

改性砖与 EMB 的综合对比及潜在应用拓展

在前面我们分别探讨了改性砖和乳化改性沥青（EMB）的特性与性能，接下来我们从多个维度对它们进行综合对比，并探讨它们在建筑领域更广泛的潜在应用。

性能对比

性能指标	改性砖	乳化改性沥青（EMB）
抗压强度	初始抗压强度优于普通砖，但随时间可能下降	主要用于涂层和绝缘，不涉及抗压强度指标
吸水率	高于普通砖，可能影响耐久性	主要关注乳液稳定性、干燥时间和粘附性，吸水率非关键指标
环保性	利用蛋托材料，减少水泥使用，环保且利于废物管理	使用回收废油，减少对初级材料依赖，降低工业废物
应用场景	适用于轻质墙体，如围墙和联锁砖	适用于医院手术室等需解决冷凝问题的室内表面涂层和绝缘

从这个对比表格中可以清晰地看到，改性砖和 EMB 在性能和应用场景上有明显的差异。改性砖侧重于结构方面的应用，而 EMB 则更专注于功能性的涂层和绝缘。

潜在应用拓展

改性砖 ：除了轻质墙体，改性砖还可以考虑应用于一些对强度要求不是特别高，但对环保性和隔热性有一定需求的建筑部位，如临时建筑、景观建筑等。此外，可以尝试将改性砖与其他建筑材料进行复合，进一步提升其性能。
EMB ：除了医院手术室，EMB 还可以应用于地下室、冷库等容易出现冷凝问题的场所。同时，可以探索将 EMB 与其他防水材料结合使用，提高防水和防潮效果。

实际应用案例分析

为了更好地理解改性砖和 EMB 在实际中的应用效果，我们来看两个实际案例。

改性砖应用案例

某小型景观建筑项目中，采用了添加蛋托材料的改性砖来建造围墙。在施工过程中，发现改性砖由于密度较低，搬运和安装更加方便，节省了一定的人力成本。在使用一段时间后，经过检测，围墙的抗压强度仍然能够满足设计要求。然而，由于当地气候较为潮湿，改性砖的吸水率问题逐渐显现，部分区域出现了轻微的损坏。针对这个问题，施工方采取了表面防水处理的措施，有效地延长了围墙的使用寿命。

EMB 应用案例

某医院手术室改造项目中，使用了阳离子型乳化剂的 EMB（EMB B）作为室内表面涂层。施工完成后，经过一段时间的监测，发现手术室的冷凝问题得到了显著改善，霉菌和真菌的生长得到了有效控制。同时，EMB B 的快速干燥和良好的粘附性，使得施工周期缩短，对医院的正常运营影响较小。

未来发展趋势与挑战

随着建筑行业对可持续性和功能性要求的不断提高，改性砖和 EMB 作为创新材料，具有广阔的发展前景。但同时，它们也面临着一些挑战。

发展趋势

材料性能优化 ：未来的研究将继续致力于提高改性砖的耐久性和降低吸水率，以及优化 EMB 的性能，如进一步提高乳液稳定性和降低粘度。
应用领域拓展 ：除了现有的应用场景，改性砖和 EMB 有望在更多的建筑领域得到应用，如绿色建筑、智能建筑等。
与其他材料的复合应用 ：将改性砖和 EMB 与其他新型建筑材料进行复合，创造出具有更优异性能的复合材料。

挑战

成本问题 ：目前，改性砖和 EMB 的生产成本相对较高，限制了它们的大规模应用。需要通过技术创新和规模化生产来降低成本。
标准和规范缺失 ：由于这两种材料是新型材料，相关的标准和规范还不够完善，需要加快制定和完善相关标准，以确保其质量和安全性。
公众认知度低 ：公众对改性砖和 EMB 的了解还比较有限，需要加强宣传和推广，提高公众的认知度和接受度。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;

    A(建筑行业需求):::process --> B(改性砖发展):::process
    A --> C(EMB 发展):::process
    B --> D(性能优化):::process
    B --> E(应用拓展):::process
    B --> F(复合应用):::process
    C --> G(性能优化):::process
    C --> H(应用拓展):::process
    C --> I(复合应用):::process
    D --> J(降低吸水率):::process
    D --> K(提高耐久性):::process
    G --> L(提高乳液稳定性):::process
    G --> M(降低粘度):::process
    E --> N(临时建筑):::process
    E --> O(景观建筑):::process
    H --> P(地下室):::process
    H --> Q(冷库):::process

这个流程图展示了建筑行业需求推动下，改性砖和 EMB 的发展方向，包括性能优化、应用拓展和复合应用等方面，有助于我们更清晰地了解它们的未来发展趋势。

总结

改性砖和乳化改性沥青（EMB）作为建筑领域的创新材料，为解决传统建筑材料的一些问题提供了新的思路和方法。它们在性能、环保性和应用潜力方面都具有独特的优势，但也面临着一些挑战。未来，通过不断的研究和创新，相信这两种材料将在建筑行业发挥更大的作用，推动建筑行业朝着更加可持续和高效的方向发展。在实际应用中，我们需要根据具体的项目需求和环境条件，合理选择和使用这两种材料，并采取相应的措施来解决可能出现的问题。