膨脹珍珠巖的復(fù)合改性工藝及其對混凝土性能的影響

韓金光，李珠，王亮，賈冠華

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西太原 030024）

膨脹珍珠巖的復(fù)合改性工藝及其對混凝土性能的影響

韓金光，李珠，王亮，賈冠華

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西太原 030024）

采用真空吸入工藝，利用有機(jī)硅乳液（BS1042）對膨脹珍珠巖進(jìn)行改性，當(dāng)有機(jī)硅乳液固含量為0.3%時(shí)，膨脹珍珠巖的吸水率大幅降低，筒壓強(qiáng)度略提高，導(dǎo)熱系數(shù)基本不變。而后利用醋酸乙烯-乙烯共聚乳液（VAE）對膨脹珍珠巖進(jìn)行二次改性，使其性能進(jìn)一步改善，當(dāng)VAE乳液固含量為20%時(shí)，膨脹珍珠巖的吸水率僅為10%，筒壓強(qiáng)度387.85 kPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.057 W/（m·K），綜合性能明顯優(yōu)于未改性膨脹珍珠巖。用改性膨脹珍珠巖制備的保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度優(yōu)于未改性膨脹珍珠巖保溫混凝土和?；⒅楸鼗炷?。

真空吸入；復(fù)合改性；改性膨脹珍珠巖；保溫混凝土

0　前言

隨著對建筑節(jié)能的重視，新型建筑節(jié)能保溫材料的需求越來越強(qiáng)烈。膨脹珍珠巖作為一種傳統(tǒng)的建筑保溫材料，有著輕質(zhì)多孔、保溫性能良好、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。但其為開孔結(jié)構(gòu)且結(jié)構(gòu)表面是強(qiáng)極性的官能團(tuán)，使其有極強(qiáng)的吸水性，吸水后導(dǎo)熱系數(shù)大幅度提高，同時(shí)強(qiáng)度低、容易破碎。其在混凝土中應(yīng)用時(shí)，優(yōu)良保溫性能難以體現(xiàn)，同時(shí)會降低混凝土強(qiáng)度[1]。為了克服膨脹珍珠巖的缺陷，促進(jìn)其作為建筑保溫材料的應(yīng)用，需對其進(jìn)行改性。目前對膨脹珍珠巖的改性主要有表面噴涂法或溶液浸漬法的表面憎水改性和有機(jī)乳液包膜改性[2-3]。但是這些改性方法沒能在保證膨脹珍珠巖隔熱性能的同時(shí)使其的改性從表面深入到孔隙內(nèi)部，因而使其吸水率降低有限，且不能降低其破碎后的吸水率，實(shí)際應(yīng)用中意義不大，而且不能有效提高膨脹珍珠巖的筒壓強(qiáng)度，減少其破碎率。

本文用有機(jī)硅BS1042乳液對膨脹珍珠巖進(jìn)行憎水改性，探討真空吸入工藝使膨脹珍珠巖的改性從表面深入到孔隙內(nèi)部對其性能的影響[4]。由于有機(jī)硅乳液對膨脹珍珠巖的憎水改性和VAE乳液對其的表面有機(jī)包膜改性原理不同且互不矛盾，探討利用VAE乳液對膨脹珍珠巖進(jìn)行二次改性，進(jìn)一步改善其綜合性能[5]。然后探討復(fù)合改性膨脹珍珠巖對混凝土性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料及儀器設(shè)備

膨脹珍珠巖：粒徑0.45～3.0 mm，密度70 kg/m3，吸水率258%，筒壓強(qiáng)度183.26 kPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.052 W/（m·K），信陽平橋珍珠巖廠產(chǎn)；有機(jī)硅乳液：WACKER BS 1042；醋酸乙烯-乙烯共聚乳液：VAE 707；玻化微珠，粒徑0.5～1.5 mm，密度100 kg/m3，筒壓強(qiáng)度210.60 kPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.045 W/（m·K）；P·O42.5水泥；石子，山西清徐天然碎石，粒徑5～20 mm，堆積密度1630 kg/m3；砂，山西晉城某砂石廠中砂，細(xì)度模數(shù)1.6～2.2，堆積密度1500 kg/m3；硅灰：平均粒徑180 nm，燒失量為1.94%，密度為450 kg/m3，比表面積為13000 m2/kg；外摻劑：自制的聚羧酸類高效減水劑。

真空泵：TW-1A型，天津華鑫儀器廠；真空桶；101A-3型恒溫干燥箱；導(dǎo)熱儀：DC-3000型，西安夏溪電子科技公司；Instron 5567型萬能材料試驗(yàn)機(jī)；WAW-1000KN型微機(jī)控制電液伺服萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)；DRP-5W型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀。

1.2改性膨脹珍珠巖的制備及性能測試

1.2.1有機(jī)硅乳液改性膨脹珍珠巖

（1）將有機(jī)硅乳液稀釋成固含量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的稀釋改性液；將干燥膨脹珍珠巖分別放到不吸水的尼龍網(wǎng)袋中，并分別浸入到上面的稀釋改性液中，保證液面淹沒膨脹珍珠巖。再將上述浸沒膨脹珍珠巖的改性液放進(jìn)真空桶，并抽真空40 min，使改性液吸入膨脹珍珠巖中。同時(shí)設(shè)置對照組，將浸沒膨脹珍珠巖的改性液置于常壓下40 min，進(jìn)行改性液吸入。將膨脹珍珠巖從改性液中濾出，并稱量。然后將膨脹珍珠巖樣品放到恒溫干燥箱中在105℃下進(jìn)行干燥，直到恒重。

由于膨脹珍珠巖性能的測試標(biāo)準(zhǔn)不完善，而膨脹珍珠巖與膨脹?；⒅閷儆谕愝p質(zhì)保溫材料，故依據(jù)JCT 1042—2007《膨脹?；⒅椤窚y試以上每組改性膨脹珍珠巖樣品的吸水率、筒壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)。

（2）用壓力機(jī)將上述改性膨脹珍珠巖樣品進(jìn)行同等程度的破碎，使其體積損失率均為40%，分別測試吸水率。

1.2.2VAE乳液二次復(fù)合改性膨脹珍珠巖

選取上述經(jīng)最佳固含量有機(jī)硅乳液改性的膨脹珍珠巖，分別浸入到固含量為10%、20%、30%、40%、50%的VAE乳液稀釋液中40 min，進(jìn)行二次改性。將膨脹珍珠巖從改性液中濾出，并稱量，然后放到恒溫干燥箱中在105℃下進(jìn)行干燥，直到恒重。

測試每組樣品第2次改性干燥前吸入VAE改性液的量、最后干燥后的吸水率、筒壓強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3改性膨脹珍珠巖混凝土的制備及性能測試

配制普通C35混凝土，并按文獻(xiàn)[6]配制C35?；⒅楸鼗炷?，然后將配方中的?；⒅榉謩e用未經(jīng)改性的膨脹珍珠巖和經(jīng)過復(fù)合改性的膨脹珍珠巖等體積替代，配制膨脹珍珠巖保溫混凝土和改性膨脹珍珠巖保溫混凝土。測試各種混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1膨脹珍珠巖改性工藝對其性能的影響

2.1.1真空吸入工藝對有機(jī)硅乳液改性膨脹

珍珠巖性能的影響（見表1）

表1　真空吸入工藝對有機(jī)硅改性膨脹珍珠巖性能的影響

由表1可以看出：

（1）采用常壓吸入法用有機(jī)硅乳液對膨脹珍珠巖進(jìn)行改性時(shí)，隨著乳液從0.1%增加到0.6%，膨脹珍珠巖樣品的吸水率為從75%下降到43%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未改性膨脹珍珠巖的吸水率（285%）。且乳液固含量從0.1%增加到0.4%時(shí)，吸水率降低比較顯著；當(dāng)乳液固含量從0.4%增加到0.6%時(shí)，吸水率降低并不明顯。采用真空吸入法進(jìn)行膨脹珍珠巖改性時(shí)，隨著固含量從0.1%增加到0.6%，膨脹珍珠巖樣品的吸水率從39%下降到21%。且當(dāng)乳液從0.1%增加到0.3%時(shí)，吸水率降低比較顯著；當(dāng)乳液固含量從0.3%增加到0.6%時(shí)，吸水率基本不變?？傮w來看，真空吸入改性工藝與常壓吸入工藝相比，膨脹珍珠巖樣品的吸水率下降約50%。

這是因?yàn)橛袡C(jī)硅乳液BS1042通過使其中有反應(yīng)活性的硅氧烷與膨脹珍珠巖表面的強(qiáng)極性羥基、鈉、鉀離子相互結(jié)合形成氫鍵或者化學(xué)鍵，從而使膨脹珍珠巖表面由強(qiáng)極性官能團(tuán)替換為有機(jī)硅中憎水性的官能團(tuán)，使膨脹珍珠巖具有憎水性，吸水率降低[7]。膨脹珍珠巖真空吸入改性法與常壓吸入改性相比，有效改性成分能全面覆蓋珍珠巖表面，同時(shí)更能深入到膨脹珍珠巖孔隙內(nèi)部，因而使膨脹珍珠巖的憎水改性由表面深入到內(nèi)部，其改性效果更好，使吸水率更低。在真空吸入情況下乳液固含量達(dá)到0.3%時(shí)，膨脹珍珠巖表面及內(nèi)部孔隙表面基本被充分改性，濃度繼續(xù)增大對提高改性效果、降低吸水率作用不大。

（2）在常壓吸入改性時(shí)，隨著乳液固含量從0.1%增大到0.5%，膨脹珍珠巖的筒壓強(qiáng)度從192.16kPa增加到216.68 kPa。當(dāng)采用真空吸入改性時(shí)，膨脹珍珠巖的筒壓強(qiáng)度從212.52 kPa增加到240.18 kPa；且乳液從0.1%增加到0.3%時(shí)，筒壓強(qiáng)度增加較快；改性液濃度從0.3%增加到0.6%時(shí)，筒壓強(qiáng)度增加緩慢?？傮w來說，真空吸入改性工藝與常壓吸入改性工藝相比，膨脹珍珠巖筒壓強(qiáng)度提高10%左右。

這是由于乳液中活性硅氧烷與膨脹珍珠巖表面官能團(tuán)形成氫鍵或者化學(xué)鍵結(jié)合，這種結(jié)合使乳液有效成分對膨脹珍珠巖孔隙壁有一定程度的支撐作用，從而提高了膨脹珍珠巖的筒壓強(qiáng)度。膨脹珍珠巖真空吸入改性工藝與常壓吸入工藝相比，可使乳液有效成分更深入膨脹珍珠巖內(nèi)部微孔隙。但是當(dāng)改性液的濃度達(dá)到0.3%時(shí)，這種化學(xué)結(jié)合形成的支撐作用已經(jīng)比較充分，濃度的繼續(xù)增大，對提高筒壓強(qiáng)度效果不大。

（3）采用真空吸入改性工藝，用有機(jī)硅乳液對膨脹珍珠巖改性時(shí)，膨脹珍珠巖的導(dǎo)熱系數(shù)隨著乳液固含量的增大而略有增大。

（4）在體積損失同為40%時(shí)，經(jīng)真空吸入工藝改性的膨脹珍珠巖隨著乳液固含量從0.1%增大到0.6%，吸水率從69%降低到29%，約為常壓吸入改性工藝的1/3，約為真空吸入改性工藝不破碎時(shí)吸水率的1.57倍。說明采用真空吸入工藝時(shí)，有機(jī)硅BS1042改性劑對膨脹珍珠巖的改性是由表面深入到孔隙內(nèi)部的，在破碎的情況下吸水率僅比不破碎提高57%。

采用真空吸入工藝時(shí)，當(dāng)有機(jī)硅乳液固含量為0.3%時(shí)，膨脹珍珠巖吸水率為22%，為不改性的膨脹珍珠巖吸水率的7.7%，同時(shí)其破碎后吸水率為32%，僅提高45%倍；其筒壓強(qiáng)度為232.45 kPa，為不改性膨脹珍珠巖的1.27倍；且其導(dǎo)熱系數(shù)基本不變。因而采用真空吸入改性工藝時(shí)，有機(jī)硅BS1042改性劑的最佳濃度為0.3%。

2.1.2復(fù)合改性工藝對膨脹珍珠巖性能的影響

在采用真空吸入改性工藝，以固含量0.3%的有機(jī)硅乳液對膨脹珍珠巖進(jìn)行改性基礎(chǔ)上，使用浸泡法利用VAE乳液進(jìn)行表面包覆二次改性，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，先采用真空吸入工藝用固含量0.3%的有機(jī)硅乳液對膨脹珍珠巖進(jìn)行憎水改性，再用固含量20%的VAE乳液對膨脹珍珠巖進(jìn)行表面包覆改性，復(fù)合改性膨脹珍珠巖性能優(yōu)良。其吸水率為10%，比單利用有機(jī)硅乳液采用真空吸入工藝的一步改性吸水率降低55%；其筒壓強(qiáng)度為387.85 kPa，比一步改性時(shí)提高67%；而其導(dǎo)熱系數(shù)為0.057W/（m·K），比一步改性時(shí)增大不多。

2.2改性膨脹珍珠巖混凝土性能分析

膨脹珍珠巖經(jīng)二次改性后綜合性能得到提升，按1.3的方法對其在混凝土中的應(yīng)用效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究[8]，結(jié)果如表3所示。

表2　復(fù)合改性工藝對膨脹珍珠巖性能的影響

表3　幾類混凝土性能對比分析

從表3可以看到，復(fù)合改性膨脹珍珠巖保溫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.40 W/（m·K），僅為普通混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的26%，低于膨脹珍珠巖保溫混凝土和?；⒅楸鼗炷?，保溫性能優(yōu)良。因?yàn)榻?jīng)過復(fù)合改性后膨脹珍珠巖的吸水率遠(yuǎn)低于未改性的膨脹珍珠巖，且其筒壓強(qiáng)度大于未改性膨脹珍珠巖，在攪拌中更不容易破碎，使其配制的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低于未改性膨脹珍珠巖保溫混凝土。同時(shí)復(fù)合改性膨脹珍珠巖的筒壓強(qiáng)度為玻化微珠的1.84倍，其在制備混凝土?xí)r比?；⒅楦蝗菀灼扑?，且其破碎后的吸水率提高不多；而?；⒅槭潜砻娌；]孔的，破碎后吸水率增大很多；使其配制的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)低于?；⒅楸鼗炷痢?/p>

復(fù)合改性膨脹珍珠巖?；⒅榛炷恋目箟簭?qiáng)度為33.6 MPa，高于膨脹珍珠巖保溫混凝土和?；⒅楸鼗炷恋膹?qiáng)度。這是因?yàn)閺?fù)合改性膨脹珍珠巖輕骨料本身筒壓強(qiáng)度高于膨脹珍珠巖和?；⒅?，同時(shí)其在混凝土中實(shí)際應(yīng)用時(shí)吸收率低于后兩者，使在同樣的水灰比下，混凝土中膠凝材料水化反應(yīng)更充分，故其制備的混凝土強(qiáng)度更高。

總體來說，復(fù)合改性膨脹珍珠巖保溫混凝土的保溫性能和強(qiáng)度優(yōu)于未改性膨脹珍珠巖保溫混凝土和玻化微珠保溫混凝土，綜合性能良好。

3　結(jié)論

利用真空吸入改性工藝用有機(jī)硅乳液對膨脹珍珠巖進(jìn)行憎水改性，再利用VAE乳液進(jìn)行表面有機(jī)包覆二次改性，獲得性能優(yōu)良的復(fù)合改性膨脹珍珠巖。利用該膨脹珍珠巖制備的保溫混凝土綜合性能較好。

（1）采用真空吸入改性工藝，以有機(jī)硅乳液對膨脹珍珠巖進(jìn)行憎水改性，與常壓吸入改性工藝相比，使膨脹珍珠巖的改性從表面深入到孔隙內(nèi)部。因而制備的改性膨脹珍珠巖與常壓改性相比吸水率低、筒壓強(qiáng)度高、破碎吸水率也降低，且改性后的膨脹珍珠巖導(dǎo)熱系數(shù)與未改性的基本相當(dāng)。當(dāng)有機(jī)硅乳液固含量為0.3%時(shí)，制得改性膨脹珍珠巖的綜合性能相對較好。

（2）復(fù)合改性工藝，即在有機(jī)硅BS1042對膨脹珍珠巖一步改性的基礎(chǔ)上進(jìn)行VAE乳液二次改性的方法，能進(jìn)一步提高膨脹珍珠巖的綜合性能。由于VAE乳液在膨脹珍珠巖表面形成的有機(jī)包膜的阻水作用、彈性抗裂作用，當(dāng)其固含量為20%時(shí)，能使膨脹珍珠巖的吸水率降至10%，為未改性膨脹珍珠巖的3.5%；筒壓強(qiáng)度為387.85 kPa，為未改性膨脹珍珠巖的2.12倍；導(dǎo)熱系數(shù)為0.057 W/（m·K），比未改性膨脹珍珠巖增大不多，保溫性能得到保證。

（3）復(fù)合改性膨脹珍珠巖制備的保溫混凝土，克服了膨脹珍珠巖混凝土導(dǎo)熱系數(shù)高、立方體抗壓強(qiáng)度低的缺陷。其導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓強(qiáng)度優(yōu)于玻化微珠保溫混凝土，具有優(yōu)良的綜合性能。

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Compound modification process of expanded perlite and its influence to the concrete properties

HAN Jinguang，LI Zhu，WANG Liang，JIA Guanhua
（College of Architecture and Civil Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The method of vacuum suction was used in the process of preparing expanded perlite modified by organic silicone emulsion（BS1042）.When the mass ratio of organic silicone emulsion is 0.3%，the water absorption of expanded perlite reduces vastly，the cylinder compressive strength rises a little and thermal conductivity stays almost the same.In order to further improve the properties of expanded perlite，then VAE emulsion was used for the second modification of expanded perlite.When the mass ratio of VAE emulsion is 20%，the water absorption of expanded perlite is merely 10%，the cylinder compressive strength can reach up to 387.85 kPa and the thermal conductivity is 0.057 W/（m·K），the overall properties of it is obvious better than expanded perlite without modification.The thermal insulation concrete prepared by the compound modification expanded perlite has better thermal conductivity and compressive strength than that of expanded perlite thermal insulation concrete and glazed hollow beads thermal insulation concrete.

vacuum suction method，compound modification，modified expanded perlite，insulation concrete

TU55+1.34

A

1001-702X（2016）10-0098-04

2016-04-04

韓金光，男，1990年生，河南項(xiàng)城人，碩士研究生。