乳膠粉和玻纖對(duì)?；⒅楸夭牧闲阅艿挠绊?/h1>
2014-03-31 10:59:34李小龍李國(guó)忠
建筑材料學(xué)報(bào) 2014年2期
李小龍， 李國(guó)忠
（濟(jì)南大學(xué)建筑材料制備與測(cè)試技術(shù)山東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南250022）
外墻保溫是建筑節(jié)能的重要組成部分，性能優(yōu)異的保溫材料是實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約的關(guān)鍵.傳統(tǒng)建筑保溫材料為聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料等有機(jī)保溫材料，雖然其保溫隔熱性能好，但存在防火性差的嚴(yán)重缺陷[1－3].?；⒅榘濉r棉板、膨脹珍珠巖板等無(wú)機(jī)保溫材料具有密度小、保溫隔熱性能好、不燃燒等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前較理想的保溫材料，但是其力學(xué)性能一般較差，吸水率較高[4－5].加入水泥可以改善其力學(xué)性能和防水性能，但水泥摻量的增加會(huì)使保溫板密度增大、導(dǎo)熱系數(shù)增高，導(dǎo)致其保溫效果較差，而通過(guò)摻加乳膠粉和纖維可減少水泥用量，提高保溫材料強(qiáng)度，降低材料吸水率，使制品輕質(zhì)高強(qiáng).
1 試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)原材料
?；⒅椋荷綎|創(chuàng)智新材料科技有限公司生產(chǎn)，其外觀形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的SEM（掃描電鏡）照片見(jiàn)圖1，2；水泥：某水泥廠生產(chǎn)的42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥；粉煤灰：山東某熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰，其性能符合GB／T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的各項(xiàng)要求；纖維：某玻纖公司生產(chǎn)的耐堿玻纖，具有良好的分散性，密度為2 500～2 700kg／m3，彈性模量為74GPa，抗拉強(qiáng)度為1 800MPa，抗拉極限延伸率為2.4%；可再分散乳膠粉：山東新大地工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的XDD－503膠粉，成分為乙烯／醋酸乙烯／叔碳酸乙烯的共聚產(chǎn)物，堆積密度為500～600kg／m3，pH值5～8，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（12± 2）%，不揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于98%，最低成膜溫度為0℃；苯丙乳液：某涂料公司生產(chǎn)的S400F型苯丙乳液.
圖1 ?；⒅橥庥^形貌Fig.1 External morphology of glazed hollow bead
圖2 玻化微珠內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of glazed hollow bead
1.2 耐堿玻纖表面處理
將耐堿玻纖置于苯丙乳液中浸泡20min后取出，擠壓盡殘余的苯丙乳液，在自然條件下干燥，將其均勻分散后待用.由于空氣中存在水分，玻纖表面常常牢固地吸附著一層水分子，并與玻纖組成中的堿金屬相互作用，在纖維表面形成硅羥基[6].經(jīng)苯丙乳液浸泡后，纖維表面的硅羥基通過(guò)范德華力與乳液大分子相互結(jié)合，從而在玻纖表面形成一層有機(jī)乳液包覆層.圖3是未經(jīng)表面處理和經(jīng)過(guò)表面處理的耐堿玻纖SEM照片.由圖3可以看出，未經(jīng)表面處理的耐堿玻纖表面光滑，而經(jīng)過(guò)表面處理的玻纖表面被大量苯丙乳液覆蓋包裹，明顯粗糙化，致使其比表面積增加，可以期望其在復(fù)合材料中具有更好的機(jī)械嚙合性，與水泥等膠凝物質(zhì)結(jié)合更牢固.
圖3 耐堿玻纖表面微觀形貌Fig.3 Micromorphology on the surface of alkali－resistant glass fiber
1.3 試驗(yàn)方法
前期研究表明，玻化微珠保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)均隨水泥和粉煤灰摻量（本文所涉及的摻量均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的增加而增大，水泥摻量為40%，粉煤灰摻量為10%時(shí)，保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為278kg／m3，0.068W／（m·K），符合相關(guān)要求.本文試驗(yàn)中固定?；⒅椤⑺?、水泥、粉煤灰的摻量分別為100%，80%，40%，10%；外摻乳膠粉和耐堿玻纖，摻量均以其占?；⒅橘|(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示.試樣分成A組、R組和S組，其中A組試樣（A0～A5）的乳膠粉摻量分別為0%，1%，2%，3%，4%，5%；R組和S組是在乳膠粉摻量最優(yōu)的基礎(chǔ)上，分別摻加未經(jīng)表面處理和經(jīng)過(guò)表面處理玻纖的試樣：試樣R1～R4摻未經(jīng)處理的玻纖，其摻量分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%；試樣S1～S4摻經(jīng)過(guò)處理的玻纖，其摻量分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%.將干物料準(zhǔn)確計(jì)量、混合后，加水?dāng)嚢杈鶆?，置?00mm ×300mm×80mm模具中，模壓成型（成型壓力為0.48MPa），在室溫下靜置0.5h后脫模，得到尺寸為500mm×300mm×40mm的玻化微珠保溫板材.板材脫模后，在水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（20℃，相對(duì)濕度95%）中養(yǎng)護(hù)7d，再放入110℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重（2次稱(chēng)量試樣質(zhì)量變化率小于0.2%），然后移至干燥處冷卻至室溫，待用.
依照GB／T 5486—2008《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》和GB／T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 防護(hù)熱板法》，將材料加工成相應(yīng)尺寸，分別測(cè)試其干密度、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)；采用QUANTA FEG 250型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的斷口微觀形貌進(jìn)行觀察.
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 可再分散乳膠粉最佳摻量的確定
?；⒅楸夭牧系膶?dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度和吸水率隨乳膠粉摻量增加而變化的情況如表1和圖4所示.分析表1可得，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)隨乳膠粉摻量的增加變化不明顯.由圖4（a）可知，不同乳膠粉摻量使保溫材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度得到不同程度的提高；隨著乳膠粉摻量增加，材料抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)乳膠粉摻量超過(guò)4%之后，材料的抗壓強(qiáng)度降低，這是因?yàn)榫酆衔锬さ膹椥阅Ａ康陀谒a(chǎn)物，過(guò)多的聚合物膜在一定程度上可視為材料中的孔隙，使材料承受壓應(yīng)力的能力減弱[7－8]；隨著乳膠粉摻量增加，材料抗折強(qiáng)度呈逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)乳膠粉摻量超過(guò)4%之后，材料的抗折強(qiáng)度趨于穩(wěn)定.從圖4（b）可以看出，隨著乳膠粉摻量增加，材料的吸水率先減小后趨于穩(wěn)定，當(dāng)乳膠粉摻量達(dá)到4%之后，再增加其摻量對(duì)材料吸水率影響不明顯.由此，可再分散乳膠粉摻量選定為4%，此時(shí)試樣A4的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為0.58，0.37MPa，較空白試樣A0分別提高20.83%，48.00%；2，24h吸水率分別為16.2%和39.8%，較空白試樣A0分別降低71.37%和66.94%；材料干密度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為282kg／m3和0.067W／（m·K），符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.
表1 不同摻量乳膠粉對(duì)試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響Table 1 Effect of different contents of latex powder on thermal conductivity of samples
2.2 耐堿玻纖最佳摻量的確定
不同摻量的未經(jīng)表面處理玻纖對(duì)玻化微珠保溫材料性能影響的測(cè)試結(jié)果如表2所示.由表2可知，玻纖的摻加對(duì)材料干密度和導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)明顯影響；未經(jīng)表面處理玻纖的摻加對(duì)材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提高不十分明顯.
圖4 不同摻量乳膠粉對(duì)試樣強(qiáng)度和吸水率的影響Fig.4 Effect of different contents of latex powder on strength and water absorption of samples
表2 不同摻量的未經(jīng)處理玻纖對(duì)試樣性能的影響Table 2 Effect of different contents of untreated glass fiber on the performance of samples
圖5為不同摻量的經(jīng)過(guò)表面處理玻纖對(duì)?；⒅楸夭牧细擅芏群蛷?qiáng)度影響的測(cè)試結(jié)果.由圖5可知，玻纖摻量的不同對(duì)保溫材料干密度影響較小；隨著玻纖摻量增加，材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢(shì).玻纖的摻加增強(qiáng)了材料強(qiáng)度，當(dāng)玻纖摻量為1.0%時(shí)，試樣S3的抗壓強(qiáng)度峰值為0.65MPa，較摻加未經(jīng)表面處理玻纖的試樣R3提高了8.34%；試樣S3的抗折強(qiáng)度峰值為0.57MPa，較摻加未經(jīng)表面處理玻纖的試樣R3提高了35.71%.但當(dāng)玻纖摻量過(guò)大時(shí)，玻纖彼此纏繞，容易結(jié)團(tuán)成束，在材料內(nèi)部分布不均勻，從而使材料產(chǎn)生應(yīng)力集中，其抗折強(qiáng)度反而下降.對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，過(guò)多玻纖的摻入相當(dāng)于引入了孔隙缺陷，使材料容易發(fā)生破裂，反而對(duì)材料抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響.經(jīng)以上分析，經(jīng)過(guò)表面處理的玻纖摻量選定為1.0%，此時(shí)試樣S3的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為283kg／m3和0.068W／（m·K），均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.
圖5 不同摻量、經(jīng)過(guò)表面處理的玻纖對(duì)試樣干密度和強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of different contents of treated glass fiber on dry density and strength of samples
2.3 乳膠粉和玻纖對(duì)保溫材料作用機(jī)理分析
2.3.1 可再分散乳膠粉對(duì)保溫材料的作用機(jī)理
試樣A0和S3的斷面微觀形貌如圖6所示.由圖6（a）可見(jiàn)，未摻乳膠粉試樣A0的骨料－基體界面結(jié)合疏松，水化產(chǎn)物零星覆蓋粘結(jié)在骨料表面，結(jié)合界面存在大量孔隙；由圖6（b）可見(jiàn)，摻加乳膠粉試樣S3的骨料－基體界面結(jié)合緊密，界面處沒(méi)有明顯的孔隙和裂紋，原因是聚合物膜填充在界面間隙，減少了界面處孔隙，提高了結(jié)合界面密實(shí)程度，顯著增加了骨料與基體結(jié)合的牢固程度，并阻礙了界面處微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，宏觀表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度增加.
圖6 試樣A0和S3的斷面微觀形貌Fig.6 Micromorphology on the section of samples A0，S3
將水加入到物料中后，乳膠粉迅速與水相互作用形成聚合物乳液，并均勻分布在基體中.隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，乳液粒子逐漸失水形成高分子聚合物膜，覆蓋在骨料、水泥顆粒、玻纖等表面或填充于其孔隙中，同時(shí)與水泥、粉煤灰水化產(chǎn)物相互交聯(lián)，提高了保溫材料的防水性能和力學(xué)性能.為了進(jìn)一步說(shuō)明乳液對(duì)?；⒅楸夭牧系淖饔脵C(jī)理，構(gòu)造出保溫材料結(jié)構(gòu)形成模型示于圖7.結(jié)構(gòu)形成過(guò)程分為4個(gè)步驟：（a）基體中的乳液粒子分布到骨料、水泥顆粒、粉煤灰顆粒、水化產(chǎn)物凝膠體和玻纖表面或周?chē)唬╞）隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物增多，同時(shí)乳液粒子失水，開(kāi)始融合形成分散均勻的小面積高分子聚合物膜，初步形成了由水化產(chǎn)物和高分子聚合物膜組成的復(fù)合膠凝體系；（c）隨著水化過(guò)程持續(xù)進(jìn)行以及水分不斷散失，乳液粒子進(jìn)一步失水生成更多的聚合物膜，且聚合物膜彼此結(jié)合長(zhǎng)大，覆蓋或包裹骨料、水泥顆粒、粉煤灰顆粒、玻纖、水化產(chǎn)物，填充于骨料、水泥顆粒、玻纖之間的孔隙中，使各種物料的結(jié)合界面得到加強(qiáng)；（d）在水泥水化和表層蒸發(fā)的作用下，乳液失水形成的聚合物膜與水化產(chǎn)物之間協(xié)調(diào)發(fā)展，兩者相互穿插、交聯(lián)，并與骨料、玻纖結(jié)合為一個(gè)較為牢固的整體，形成貫穿于材料內(nèi)部的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而阻礙了材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，同時(shí)嵌入水泥水化產(chǎn)物內(nèi)部的聚合物膜彼此連接成為不規(guī)則聚合物薄膜網(wǎng)絡(luò)，具有“類(lèi)纖維”的增強(qiáng)作用，使保溫材料的抗折、抗壓強(qiáng)度和防水性能得到提高.
圖7 保溫材料結(jié)構(gòu)形成模型Fig.7 Models of structure formation of insulation material
2.3.2 經(jīng)過(guò)表面處理的耐堿玻纖對(duì)保溫材料的作用機(jī)理
玻纖具有彈性模量大、抗拉強(qiáng)度高的特性，適量經(jīng)過(guò)表面處理的耐堿玻纖在材料中均勻亂向分布，可形成三維空間網(wǎng)狀的支撐結(jié)構(gòu).當(dāng)材料受到抗折破壞時(shí)，外力在材料表面產(chǎn)生微裂紋，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中致使裂紋擴(kuò)展，其擴(kuò)展將受到纖維的阻礙和攔截，削弱外力的破壞作用，并緩解裂紋尖端應(yīng)力集中；玻纖具有微筋絡(luò)作用，其抗彎矩和抗拉能力強(qiáng)，當(dāng)其拉伸甚至拉斷時(shí)會(huì)消耗大量的能量，特別是經(jīng)過(guò)處理后的玻纖，其表面粗糙度較高，與聚合物膜和水化產(chǎn)物結(jié)合較好，當(dāng)其從材料內(nèi)部拔出時(shí)，需要克服更大的界面黏結(jié)力和摩擦力，表現(xiàn)在宏觀上即為材料抗折強(qiáng)度增加；當(dāng)材料受到抗壓破壞時(shí)，材料主要依靠其基體材料強(qiáng)度來(lái)抵抗壓力破壞，而玻纖只能承擔(dān)有限的壓力載荷，所以玻纖對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用明顯弱于其對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用.
試樣S3斷口處的玻纖微觀形貌見(jiàn)圖8.試樣斷口中拔出的玻纖表面被大量膠凝物質(zhì)覆蓋，玻纖拔出斷面發(fā)生在基體內(nèi)，說(shuō)明玻纖與膠凝物質(zhì)之間存在較為牢固的界面層，使玻纖與膠凝物質(zhì)之間緊密黏結(jié)，從而在試樣內(nèi)部形成密實(shí)的“玻纖－膠凝材料－骨料”結(jié)構(gòu).圖8中1點(diǎn)處的C，O元素含量較高，說(shuō)明玻纖－基體界面層上含有大量有機(jī)聚合物；且1點(diǎn)處含有Al，Ca元素，說(shuō)明界面處含有水泥水化產(chǎn)物，因此得出玻纖與基體的界面層由水化產(chǎn)物和聚合物膜交織構(gòu)成的結(jié)論.良好的結(jié)合界面層提高了玻纖與基體的黏結(jié)強(qiáng)度，其黏結(jié)強(qiáng)度越高，玻纖對(duì)材料的增強(qiáng)作用就越好.一方面，玻纖可跨接裂紋，通過(guò)良好的界面層將裂紋分離的部分橋接起來(lái)，當(dāng)材料受到外界應(yīng)力作用時(shí)，外力沿著三維空間分布的玻纖傳遞，并通過(guò)玻纖－基體之間的牢固界面層繼續(xù)傳遞到基體，可以有效分散應(yīng)力，控制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，且在此傳遞過(guò)程中消耗外力能量，使材料的強(qiáng)度得到大幅提高；另一方面，結(jié)合界面層上同時(shí)存在具有良好韌性的苯丙聚合物膜和膠粉聚合物膜，可緩沖外部作用力，鈍化保溫材料裂紋尖端的應(yīng)力集中，并有效抑制界面處裂紋的擴(kuò)展，從而提高材料強(qiáng)度.
圖8 試樣S3斷口處的玻纖微觀形貌Fig.8 Micromorphology of glass fiber on the fracture of the sample S3
3 結(jié)論
（1）摻加可再分散乳膠粉可以明顯改善?；⒅楸夭牧系牧W(xué)性能和耐水性能.在乳膠粉摻量為4%時(shí)，保溫材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度較空白試樣分別提高了48.00%，20.83%；2，24h吸水率較空白試樣則分別降低了71.37%和66.94%.
（2）經(jīng)苯丙乳液表面處理后的玻纖與基體的結(jié)合界面層由水化產(chǎn)物和聚合物膜交織構(gòu)成，能有效抑制裂紋的擴(kuò)展和增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度，顯著提高材料的力學(xué)性能.當(dāng)經(jīng)過(guò)表面處理的玻纖摻量為1.0%時(shí)，材料抗折強(qiáng)度較摻加未經(jīng)表面處理玻纖試樣提高了35.71%，抗壓強(qiáng)度提高了8.34%.
（3）體系中乳膠粉失水可形成聚合物膜，嵌入水化產(chǎn)物內(nèi)部，連接成不規(guī)則薄膜網(wǎng)絡(luò)，使材料強(qiáng)度和防水性能得到提高.玻纖的存在可形成空間網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，有效緩解應(yīng)力集中，阻擋裂紋擴(kuò)展.當(dāng)玻纖經(jīng)苯丙乳液處理后，玻纖－基體間可形成較為牢固的界面層，通過(guò)界面層將外力傳遞、分散到基體，且界面層上存在韌性的聚合物膜，能有效緩沖外部作用力，從而提高材料強(qiáng)度.
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1 試驗(yàn)
1.1 試驗(yàn)原材料
?；⒅椋荷綎|創(chuàng)智新材料科技有限公司生產(chǎn)，其外觀形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的SEM（掃描電鏡）照片見(jiàn)圖1，2；水泥：某水泥廠生產(chǎn)的42.5R快硬硫鋁酸鹽水泥；粉煤灰：山東某熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰，其性能符合GB／T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的各項(xiàng)要求；纖維：某玻纖公司生產(chǎn)的耐堿玻纖，具有良好的分散性，密度為2 500～2 700kg／m3，彈性模量為74GPa，抗拉強(qiáng)度為1 800MPa，抗拉極限延伸率為2.4%；可再分散乳膠粉：山東新大地工貿(mào)有限公司生產(chǎn)的XDD－503膠粉，成分為乙烯／醋酸乙烯／叔碳酸乙烯的共聚產(chǎn)物，堆積密度為500～600kg／m3，pH值5～8，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（12± 2）%，不揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于98%，最低成膜溫度為0℃；苯丙乳液：某涂料公司生產(chǎn)的S400F型苯丙乳液.
圖1 ?；⒅橥庥^形貌Fig.1 External morphology of glazed hollow bead
圖2 玻化微珠內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Internal structure of glazed hollow bead
1.2 耐堿玻纖表面處理
將耐堿玻纖置于苯丙乳液中浸泡20min后取出，擠壓盡殘余的苯丙乳液，在自然條件下干燥，將其均勻分散后待用.由于空氣中存在水分，玻纖表面常常牢固地吸附著一層水分子，并與玻纖組成中的堿金屬相互作用，在纖維表面形成硅羥基[6].經(jīng)苯丙乳液浸泡后，纖維表面的硅羥基通過(guò)范德華力與乳液大分子相互結(jié)合，從而在玻纖表面形成一層有機(jī)乳液包覆層.圖3是未經(jīng)表面處理和經(jīng)過(guò)表面處理的耐堿玻纖SEM照片.由圖3可以看出，未經(jīng)表面處理的耐堿玻纖表面光滑，而經(jīng)過(guò)表面處理的玻纖表面被大量苯丙乳液覆蓋包裹，明顯粗糙化，致使其比表面積增加，可以期望其在復(fù)合材料中具有更好的機(jī)械嚙合性，與水泥等膠凝物質(zhì)結(jié)合更牢固.
圖3 耐堿玻纖表面微觀形貌Fig.3 Micromorphology on the surface of alkali－resistant glass fiber
1.3 試驗(yàn)方法
前期研究表明，玻化微珠保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)均隨水泥和粉煤灰摻量（本文所涉及的摻量均指質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的增加而增大，水泥摻量為40%，粉煤灰摻量為10%時(shí)，保溫材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為278kg／m3，0.068W／（m·K），符合相關(guān)要求.本文試驗(yàn)中固定?；⒅椤⑺?、水泥、粉煤灰的摻量分別為100%，80%，40%，10%；外摻乳膠粉和耐堿玻纖，摻量均以其占?；⒅橘|(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示.試樣分成A組、R組和S組，其中A組試樣（A0～A5）的乳膠粉摻量分別為0%，1%，2%，3%，4%，5%；R組和S組是在乳膠粉摻量最優(yōu)的基礎(chǔ)上，分別摻加未經(jīng)表面處理和經(jīng)過(guò)表面處理玻纖的試樣：試樣R1～R4摻未經(jīng)處理的玻纖，其摻量分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%；試樣S1～S4摻經(jīng)過(guò)處理的玻纖，其摻量分別為0.6%，0.8%，1.0%，1.2%.將干物料準(zhǔn)確計(jì)量、混合后，加水?dāng)嚢杈鶆?，置?00mm ×300mm×80mm模具中，模壓成型（成型壓力為0.48MPa），在室溫下靜置0.5h后脫模，得到尺寸為500mm×300mm×40mm的玻化微珠保溫板材.板材脫模后，在水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（20℃，相對(duì)濕度95%）中養(yǎng)護(hù)7d，再放入110℃電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中烘干至恒重（2次稱(chēng)量試樣質(zhì)量變化率小于0.2%），然后移至干燥處冷卻至室溫，待用.
依照GB／T 5486—2008《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》和GB／T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定 防護(hù)熱板法》，將材料加工成相應(yīng)尺寸，分別測(cè)試其干密度、抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)；采用QUANTA FEG 250型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣的斷口微觀形貌進(jìn)行觀察.
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 可再分散乳膠粉最佳摻量的確定
?；⒅楸夭牧系膶?dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度和吸水率隨乳膠粉摻量增加而變化的情況如表1和圖4所示.分析表1可得，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)隨乳膠粉摻量的增加變化不明顯.由圖4（a）可知，不同乳膠粉摻量使保溫材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度得到不同程度的提高；隨著乳膠粉摻量增加，材料抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)乳膠粉摻量超過(guò)4%之后，材料的抗壓強(qiáng)度降低，這是因?yàn)榫酆衔锬さ膹椥阅Ａ康陀谒a(chǎn)物，過(guò)多的聚合物膜在一定程度上可視為材料中的孔隙，使材料承受壓應(yīng)力的能力減弱[7－8]；隨著乳膠粉摻量增加，材料抗折強(qiáng)度呈逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)乳膠粉摻量超過(guò)4%之后，材料的抗折強(qiáng)度趨于穩(wěn)定.從圖4（b）可以看出，隨著乳膠粉摻量增加，材料的吸水率先減小后趨于穩(wěn)定，當(dāng)乳膠粉摻量達(dá)到4%之后，再增加其摻量對(duì)材料吸水率影響不明顯.由此，可再分散乳膠粉摻量選定為4%，此時(shí)試樣A4的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度分別為0.58，0.37MPa，較空白試樣A0分別提高20.83%，48.00%；2，24h吸水率分別為16.2%和39.8%，較空白試樣A0分別降低71.37%和66.94%；材料干密度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為282kg／m3和0.067W／（m·K），符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.
表1 不同摻量乳膠粉對(duì)試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響Table 1 Effect of different contents of latex powder on thermal conductivity of samples
2.2 耐堿玻纖最佳摻量的確定
不同摻量的未經(jīng)表面處理玻纖對(duì)玻化微珠保溫材料性能影響的測(cè)試結(jié)果如表2所示.由表2可知，玻纖的摻加對(duì)材料干密度和導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)明顯影響；未經(jīng)表面處理玻纖的摻加對(duì)材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提高不十分明顯.
圖4 不同摻量乳膠粉對(duì)試樣強(qiáng)度和吸水率的影響Fig.4 Effect of different contents of latex powder on strength and water absorption of samples
表2 不同摻量的未經(jīng)處理玻纖對(duì)試樣性能的影響Table 2 Effect of different contents of untreated glass fiber on the performance of samples
圖5為不同摻量的經(jīng)過(guò)表面處理玻纖對(duì)?；⒅楸夭牧细擅芏群蛷?qiáng)度影響的測(cè)試結(jié)果.由圖5可知，玻纖摻量的不同對(duì)保溫材料干密度影響較小；隨著玻纖摻量增加，材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢(shì).玻纖的摻加增強(qiáng)了材料強(qiáng)度，當(dāng)玻纖摻量為1.0%時(shí)，試樣S3的抗壓強(qiáng)度峰值為0.65MPa，較摻加未經(jīng)表面處理玻纖的試樣R3提高了8.34%；試樣S3的抗折強(qiáng)度峰值為0.57MPa，較摻加未經(jīng)表面處理玻纖的試樣R3提高了35.71%.但當(dāng)玻纖摻量過(guò)大時(shí)，玻纖彼此纏繞，容易結(jié)團(tuán)成束，在材料內(nèi)部分布不均勻，從而使材料產(chǎn)生應(yīng)力集中，其抗折強(qiáng)度反而下降.對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，過(guò)多玻纖的摻入相當(dāng)于引入了孔隙缺陷，使材料容易發(fā)生破裂，反而對(duì)材料抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響.經(jīng)以上分析，經(jīng)過(guò)表面處理的玻纖摻量選定為1.0%，此時(shí)試樣S3的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為283kg／m3和0.068W／（m·K），均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求.
圖5 不同摻量、經(jīng)過(guò)表面處理的玻纖對(duì)試樣干密度和強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of different contents of treated glass fiber on dry density and strength of samples
2.3 乳膠粉和玻纖對(duì)保溫材料作用機(jī)理分析
2.3.1 可再分散乳膠粉對(duì)保溫材料的作用機(jī)理
試樣A0和S3的斷面微觀形貌如圖6所示.由圖6（a）可見(jiàn)，未摻乳膠粉試樣A0的骨料－基體界面結(jié)合疏松，水化產(chǎn)物零星覆蓋粘結(jié)在骨料表面，結(jié)合界面存在大量孔隙；由圖6（b）可見(jiàn)，摻加乳膠粉試樣S3的骨料－基體界面結(jié)合緊密，界面處沒(méi)有明顯的孔隙和裂紋，原因是聚合物膜填充在界面間隙，減少了界面處孔隙，提高了結(jié)合界面密實(shí)程度，顯著增加了骨料與基體結(jié)合的牢固程度，并阻礙了界面處微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，宏觀表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度增加.
圖6 試樣A0和S3的斷面微觀形貌Fig.6 Micromorphology on the section of samples A0，S3
將水加入到物料中后，乳膠粉迅速與水相互作用形成聚合物乳液，并均勻分布在基體中.隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，乳液粒子逐漸失水形成高分子聚合物膜，覆蓋在骨料、水泥顆粒、玻纖等表面或填充于其孔隙中，同時(shí)與水泥、粉煤灰水化產(chǎn)物相互交聯(lián)，提高了保溫材料的防水性能和力學(xué)性能.為了進(jìn)一步說(shuō)明乳液對(duì)?；⒅楸夭牧系淖饔脵C(jī)理，構(gòu)造出保溫材料結(jié)構(gòu)形成模型示于圖7.結(jié)構(gòu)形成過(guò)程分為4個(gè)步驟：（a）基體中的乳液粒子分布到骨料、水泥顆粒、粉煤灰顆粒、水化產(chǎn)物凝膠體和玻纖表面或周?chē)唬╞）隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物增多，同時(shí)乳液粒子失水，開(kāi)始融合形成分散均勻的小面積高分子聚合物膜，初步形成了由水化產(chǎn)物和高分子聚合物膜組成的復(fù)合膠凝體系；（c）隨著水化過(guò)程持續(xù)進(jìn)行以及水分不斷散失，乳液粒子進(jìn)一步失水生成更多的聚合物膜，且聚合物膜彼此結(jié)合長(zhǎng)大，覆蓋或包裹骨料、水泥顆粒、粉煤灰顆粒、玻纖、水化產(chǎn)物，填充于骨料、水泥顆粒、玻纖之間的孔隙中，使各種物料的結(jié)合界面得到加強(qiáng)；（d）在水泥水化和表層蒸發(fā)的作用下，乳液失水形成的聚合物膜與水化產(chǎn)物之間協(xié)調(diào)發(fā)展，兩者相互穿插、交聯(lián)，并與骨料、玻纖結(jié)合為一個(gè)較為牢固的整體，形成貫穿于材料內(nèi)部的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而阻礙了材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，同時(shí)嵌入水泥水化產(chǎn)物內(nèi)部的聚合物膜彼此連接成為不規(guī)則聚合物薄膜網(wǎng)絡(luò)，具有“類(lèi)纖維”的增強(qiáng)作用，使保溫材料的抗折、抗壓強(qiáng)度和防水性能得到提高.
圖7 保溫材料結(jié)構(gòu)形成模型Fig.7 Models of structure formation of insulation material
2.3.2 經(jīng)過(guò)表面處理的耐堿玻纖對(duì)保溫材料的作用機(jī)理
玻纖具有彈性模量大、抗拉強(qiáng)度高的特性，適量經(jīng)過(guò)表面處理的耐堿玻纖在材料中均勻亂向分布，可形成三維空間網(wǎng)狀的支撐結(jié)構(gòu).當(dāng)材料受到抗折破壞時(shí)，外力在材料表面產(chǎn)生微裂紋，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中致使裂紋擴(kuò)展，其擴(kuò)展將受到纖維的阻礙和攔截，削弱外力的破壞作用，并緩解裂紋尖端應(yīng)力集中；玻纖具有微筋絡(luò)作用，其抗彎矩和抗拉能力強(qiáng)，當(dāng)其拉伸甚至拉斷時(shí)會(huì)消耗大量的能量，特別是經(jīng)過(guò)處理后的玻纖，其表面粗糙度較高，與聚合物膜和水化產(chǎn)物結(jié)合較好，當(dāng)其從材料內(nèi)部拔出時(shí)，需要克服更大的界面黏結(jié)力和摩擦力，表現(xiàn)在宏觀上即為材料抗折強(qiáng)度增加；當(dāng)材料受到抗壓破壞時(shí)，材料主要依靠其基體材料強(qiáng)度來(lái)抵抗壓力破壞，而玻纖只能承擔(dān)有限的壓力載荷，所以玻纖對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)作用明顯弱于其對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)作用.
試樣S3斷口處的玻纖微觀形貌見(jiàn)圖8.試樣斷口中拔出的玻纖表面被大量膠凝物質(zhì)覆蓋，玻纖拔出斷面發(fā)生在基體內(nèi)，說(shuō)明玻纖與膠凝物質(zhì)之間存在較為牢固的界面層，使玻纖與膠凝物質(zhì)之間緊密黏結(jié)，從而在試樣內(nèi)部形成密實(shí)的“玻纖－膠凝材料－骨料”結(jié)構(gòu).圖8中1點(diǎn)處的C，O元素含量較高，說(shuō)明玻纖－基體界面層上含有大量有機(jī)聚合物；且1點(diǎn)處含有Al，Ca元素，說(shuō)明界面處含有水泥水化產(chǎn)物，因此得出玻纖與基體的界面層由水化產(chǎn)物和聚合物膜交織構(gòu)成的結(jié)論.良好的結(jié)合界面層提高了玻纖與基體的黏結(jié)強(qiáng)度，其黏結(jié)強(qiáng)度越高，玻纖對(duì)材料的增強(qiáng)作用就越好.一方面，玻纖可跨接裂紋，通過(guò)良好的界面層將裂紋分離的部分橋接起來(lái)，當(dāng)材料受到外界應(yīng)力作用時(shí)，外力沿著三維空間分布的玻纖傳遞，并通過(guò)玻纖－基體之間的牢固界面層繼續(xù)傳遞到基體，可以有效分散應(yīng)力，控制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，且在此傳遞過(guò)程中消耗外力能量，使材料的強(qiáng)度得到大幅提高；另一方面，結(jié)合界面層上同時(shí)存在具有良好韌性的苯丙聚合物膜和膠粉聚合物膜，可緩沖外部作用力，鈍化保溫材料裂紋尖端的應(yīng)力集中，并有效抑制界面處裂紋的擴(kuò)展，從而提高材料強(qiáng)度.
圖8 試樣S3斷口處的玻纖微觀形貌Fig.8 Micromorphology of glass fiber on the fracture of the sample S3
3 結(jié)論
（1）摻加可再分散乳膠粉可以明顯改善?；⒅楸夭牧系牧W(xué)性能和耐水性能.在乳膠粉摻量為4%時(shí)，保溫材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度較空白試樣分別提高了48.00%，20.83%；2，24h吸水率較空白試樣則分別降低了71.37%和66.94%.
（2）經(jīng)苯丙乳液表面處理后的玻纖與基體的結(jié)合界面層由水化產(chǎn)物和聚合物膜交織構(gòu)成，能有效抑制裂紋的擴(kuò)展和增強(qiáng)界面結(jié)合強(qiáng)度，顯著提高材料的力學(xué)性能.當(dāng)經(jīng)過(guò)表面處理的玻纖摻量為1.0%時(shí)，材料抗折強(qiáng)度較摻加未經(jīng)表面處理玻纖試樣提高了35.71%，抗壓強(qiáng)度提高了8.34%.
（3）體系中乳膠粉失水可形成聚合物膜，嵌入水化產(chǎn)物內(nèi)部，連接成不規(guī)則薄膜網(wǎng)絡(luò)，使材料強(qiáng)度和防水性能得到提高.玻纖的存在可形成空間網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，有效緩解應(yīng)力集中，阻擋裂紋擴(kuò)展.當(dāng)玻纖經(jīng)苯丙乳液處理后，玻纖－基體間可形成較為牢固的界面層，通過(guò)界面層將外力傳遞、分散到基體，且界面層上存在韌性的聚合物膜，能有效緩沖外部作用力，從而提高材料強(qiáng)度.
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