基于回收玻璃与稻壳灰的可持续玻璃泡沫：用于吊顶的热绝缘性能研究

《International Journal of Applied Glass Science》：Sustainable Glass Foams From Recycled Glass and Rice Husk Ash: Thermal Insulation Performance for Ceiling Applications

　　

研究人员针对建筑业天然资源过度开采与废弃物激增的环境压力，开展了以回收玻璃与稻壳灰（RHA）为原料、碳酸钙（CaCO3）为发泡剂的可持续玻璃泡沫制备及吊顶热绝缘应用研究。实验采用80%回收玻璃与20% RHA的基础配比，调控CaCO3掺量（0%–5%）并在950–1030°C区间烧结以优化工艺参数。结果表明，1000°C下掺2% CaCO3的样品综合性能最优：表观密度0.29 g/cm3、抗压强度0.81 MPa、孔隙率88.1%、热导率0.1195 W/(m·K) ± 0.007，符合商用玻璃泡沫标准且与文献报道性能相当。为验证实际热工效能，研究人员将20 mm厚泡沫板作为石膏吊顶衬层安装于缩尺砌体模型，并与无保温对照组进行对比。为期8天的温度监测显示，泡沫衬层吊顶在太阳辐射峰值时段形成更大温差，有效抑制热量传递。该研究证实利用回收玻璃与RHA制备建筑保温材料在技术可行性与环境效益上的双重优势，为降低建筑运行能耗提供了废弃物资源化解决方案。

研究背景与意义

全球建筑业正面临天然资源枯竭与固体废弃物堆积的双重环境挑战。据统计，巴西建筑业消耗全国20%–50%的天然资源，并产生50%–70%的城市固体废物，传统石油基保温材料（如膨胀聚苯乙烯EPS）更依赖不可再生资源。在此背景下，开发兼具废弃物增值利用与高性能的建筑保温材料成为实现行业可持续发展的关键路径。玻璃泡沫（Glass Foams）因其多孔轻质结构与低热导率被视为理想候选材料，而引入农业废弃物稻壳灰（RHA）作为硅质添加剂，可进一步降低环境足迹并调控熔融黏度。本研究由研究人员发表于《International Journal of Applied Glass Science》，旨在通过回收玻璃与RHA协同制备玻璃泡沫，验证其作为吊顶保温材料的实际应用效能。

关键技术方法

研究人员选用粒径小于300 μm的回收钠钙玻璃粉与同粒径RHA（含SiO₂约89.45 wt%）为原料，以分析纯CaCO₃为发泡剂。基础配比为80%玻璃+20% RHA，设置CaCO₃掺量梯度（0%、2%、2.5%、5%），经湿法混合、15吨单轴压制成型后，于马弗炉中以5°C/min升温至目标温度（950°C、1000°C、1030°C）并保温30分钟，随炉冷却。通过表观密度、抗压强度、孔隙率、热导率及X射线衍射（XRD）表征材料性能，最终选取最优配方制作1.5×1.5 m样板，安装于南里奥格兰德州阿莱格雷特市的缩尺砌体模型（1.5×1.5×1.1 m）石膏吊顶内侧，采用LM35传感器以30分钟间隔连续采集8天（2025年4月5–14日）的吊顶上下表面温度数据，结合当地气象站数据评估热工性能。

研究结果

3.1 原料表征

粒度分析显示两种原料均小于300 μm，玻璃粉细颗粒占比更高。XRF分析证实RHA以SiO₂为主（89.45 wt%），含5.06 wt%残余碳；回收玻璃为典型钠钙玻璃成分（SiO₂75.8 wt%，CaO 11.1 wt%，Na₂O 11.4 wt%）。二者化学相容性及RHA的残碳特性使其适合作为玻璃泡沫的硅源与辅助气体释放源。

3.2 优化玻璃泡沫的确定

形态学观察表明：950°C烧结时仅无发泡剂组（C0%）发生体积膨胀；1000°C时所有含CaCO₃组均形成孔隙结构，而C0%则完全玻化；1030°C时含CaCO₃组孔隙增大但结构脆化。XRD分析揭示所有样品均保持非晶态基体特征，同时析出方石英（Cristobalite）、失透石（Devitrite, Na₂Ca₃Si₆O₁₆）及硅灰石（Wollastonite, CaSiO₃）等晶相，且晶相含量随CaCO₃增加而升高。性能测试显示，1000°C烧结的C2%组达到最佳平衡：表观密度0.29±0.05 g/cm³，抗压强度0.81±0.14 MPa，优于商用标准（密度0.1–0.3 g/cm³，强度0.4–6 MPa）。相较而言，C5%组虽密度更低（0.27 g/cm³），但强度骤降至0.59 MPa，且需更高烧结温度与发泡剂用量，成本效益不足。

3.3 优化玻璃泡沫的表征

3.3.1 孔隙率与平均孔径

ImageJ图像分析显示C2%泡沫孔径呈非对称分布，中位数直径1.7 mm（平均1.827±0.749 mm）。依据理论密度计算的总孔隙率达88.1%，处于商用玻璃泡沫推荐范围（85%–95%），与同类废弃物基材料相当。

3.3.2 热导率

FOX 200热导仪测得C2%泡沫在10–35°C与35–60°C区间的热导率分别为0.119 W/(m·K)与0.127 W/(m·K)，低于0.25 W/(m·K)的保温材料阈值。横向对比显示该值优于多数废弃物基玻璃泡沫（如铝渣体系0.17 W/(m·K)、蛋壳体系0.121 W/(m·K)），仅低于添加碳黑/氧化锰的复杂体系（0.042–0.053 W/(m·K)）。较高热导率归因于较大孔径、连通孔结构及单一CaCO₃发泡机制的限制。

3.4 优化玻璃泡沫的热绝缘能力应用与分析

现场测试表明，泡沫衬层显著阻隔热量传递：无保温对照组的吊顶上下表面温差峰值仅为3.1°C，而泡沫组达5.6–6.0°C，增幅最高达114%。基于每降温1°C可减少4.6%制冷能耗的模型推算，该材料在峰值时段可实现约18%的理论节能潜力。按巴西2025年平均电价（0.885雷亚尔/kWh）及100 W/m²热通量估算，单户年节电费可观。

讨论与结论翻译

本研究证实了利用回收玻璃与RHA制备可持续玻璃泡沫并应用于建筑吊顶保温的技术与环境可行性。含2% CaCO₃且在1000°C烧结的配方综合性能最优，其低表观密度（0.29 g/cm³）、充足抗压强度（0.81 MPa）、高孔隙率（88.1%）及低热导率（0.1195–0.1270 W/(m·K)）均符合商用标准。缩尺模型验证显示，该泡沫作为吊顶衬层可使上下表面温差较无保温工况提升最高114%，有效延缓热量传递。除技术性能外，该材料兼具成本效益与工艺简便性，为提升建筑热工性能、促进建筑业能源效率提供了环境友好型解决方案，契合当代可持续发展的迫切需求。