大摻量粉煤灰泡沫混凝土的改性研究

初永杰，劉民榮

（山東和富工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

隨著我國(guó)建筑節(jié)能政策的實(shí)施，有機(jī)保溫建筑材料因其較好的熱工性能和施工性能得到廣泛應(yīng)用，但有機(jī)保溫材料易燃，導(dǎo)致各種火災(zāi)事故頻發(fā)，特別是由外墻外保溫材料引起的火災(zāi)造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，人們開(kāi)始重新定位有機(jī)保溫材料在建筑節(jié)能中的作用，防火性能較好的泡沫混凝土、泡沫玻璃等無(wú)機(jī)材料開(kāi)始引起人們的關(guān)注。泡沫混凝土因其較好的防火性能和施工性得到逐步推廣，但泡沫混凝土密度較大、導(dǎo)熱系數(shù)偏大等缺點(diǎn)限制了其在墻體節(jié)能中的使用[1-3]。為降低泡沫混凝土的生產(chǎn)成本，目前多采取在泡沫混凝土中摻加粉煤灰的方式。但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大摻量粉煤灰泡沫混凝土的研究多集中在高表觀干密度的制品[4-5]，對(duì)低表觀干密度、大摻量粉煤灰泡沫混凝土鮮有研究。在低表觀干密度泡沫混凝土中摻加大量粉煤灰雖然可以降低其生產(chǎn)成本和表觀干密度，但會(huì)造成塌模、早期強(qiáng)度較低、導(dǎo)熱系數(shù)偏高等不利影響[6-7]。

在泡沫混凝土中摻入大量粉煤灰后，其漿體塑性較大，易塌模，而苯丙乳液具有較好的黏性，與泡沫混凝土適應(yīng)性好，硬化后可在泡沫混凝土中形成具有較好柔韌性、延展性的聚合物膜，提高泡沫混凝土的韌性。本文利用苯丙乳液對(duì)大摻量粉煤灰泡沫混凝土進(jìn)行改性，對(duì)改性后泡沫混凝土的物理性能和不燃性進(jìn)行研究，并通過(guò)對(duì)泡沫混凝土硬化過(guò)程的分析來(lái)探討苯丙乳液的作用機(jī)理，從而更有效地推進(jìn)大摻量粉煤灰泡沫混凝土的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

水泥：由52.5R普通硅酸鹽水泥和42.5快硬硫鋁酸鹽水泥按質(zhì)量比1∶0.5混合而成，其化學(xué)組成見(jiàn)表1。

粉煤灰：濟(jì)南某電廠，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，采用化學(xué)+機(jī)械方式對(duì)粉煤灰進(jìn)行活化，將其與1%NaSO4、0.5%Na4SiO4、0.1%三乙醇胺混合球磨2h后待用。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成 %

發(fā)泡劑：復(fù)合型，由實(shí)驗(yàn)室研制，為微黃色透明中性液體，發(fā)泡倍數(shù)為30～35倍，穩(wěn)泡時(shí)間超過(guò)3h，固含量為35%左右，使用時(shí)稀釋倍數(shù)為50倍。

苯丙乳液：GK-102型，外觀為發(fā)藍(lán)的乳白色液體，固體含量 48%，粘度 1000～4000 mPa·s，平均粒徑 100 nm，最低成膜溫度16℃，殘余單體0.4%～0.6%，pH值為7～8。

其他材料：NaSO4、Na4SiO4、三乙醇胺均為工業(yè)級(jí)，市售。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)配比見(jiàn)表2，按固體份計(jì)算苯丙乳液的摻量，其摻量分別為粉料（水泥+粉煤灰）的0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%。

表2 試驗(yàn)配比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試樣制備

將水泥、水、苯丙乳液按比例進(jìn)行混合3 min后，加入一定體積由發(fā)泡劑制備的泡沫，攪拌2 min后倒入300 mm×300 mm×300mm模具中成型，其流程如圖1所示。

圖1 試樣制備流程

1.3.2 養(yǎng)護(hù)及測(cè)試方法

養(yǎng)護(hù)環(huán)境為：溫度（23±2）℃、相對(duì)濕度（50±5）%，養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)在泡沫混凝土漿體表面覆蓋一層塑料薄膜，養(yǎng)護(hù)期齡為7 d、28 d和56 d。依據(jù)JG/T 266—2011《泡沫混凝土》和GB/T 5464—2010《建筑材料不燃性試驗(yàn)方法》對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，干密度、導(dǎo)熱系數(shù)和不燃性均為養(yǎng)護(hù)56d后的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 苯丙乳液對(duì)泡沫混凝土物理性能的影響

由表3可見(jiàn)：

（1）在泡沫摻量一定的情況下，隨苯丙乳液摻量的增加，泡沫混凝土的干密度逐步下降，當(dāng)摻量達(dá)到3.5%后，趨于平緩。摻加3.5%苯丙乳液的P7試樣干密度為254 kg/m3，與未摻加的P0試樣相比，降低了31%，較好地降低了泡沫混凝土的自重。隨苯丙乳液摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度呈先提高后降低的趨勢(shì)，摻量為2.5%時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，在此摻量下，養(yǎng)護(hù)56 d時(shí)，試樣P5與空白試樣P0相比，抗壓強(qiáng)度提高了178%。

（2）在泡沫摻量一定的情況下，隨苯丙乳液摻量的增加，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐步下降，隔熱性能提高，當(dāng)摻量由2.5%增加到3.0%時(shí)，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降幅較大，由0.069W/（m·K）降低到0.058W/（m·K），當(dāng)苯丙乳液摻量達(dá)到5%時(shí)，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較未摻加的試樣降低了51%，達(dá)到0.046W/（m·K）。

2.2 苯丙乳液對(duì)泡沫混凝土不燃性的影響

從表3可以看出，不燃性項(xiàng)目中的爐內(nèi)溫升隨苯丙乳液摻量的增加而增大，但質(zhì)量損失率基本一致，當(dāng)苯丙乳液摻量為4%時(shí)，泡沫混凝土內(nèi)的有機(jī)物含量達(dá)到燃燒條件，開(kāi)始出現(xiàn)持續(xù)燃燒的火焰，并隨摻量增加而延長(zhǎng)。

GB8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級(jí)》中規(guī)定，燃燒性能等級(jí)達(dá)到A1級(jí)的建筑材料其不燃性必須滿(mǎn)足：爐內(nèi)溫升≤30℃、質(zhì)量損失率≤50%、持續(xù)燃燒時(shí)間為0 s。從表3可以看出，當(dāng)苯丙乳液摻量小于4%時(shí)，泡沫混凝土的不燃性符合燃燒性能等級(jí)A1級(jí)的要求。

綜上所述，泡沫混凝土中苯丙乳液的最佳摻量為3.5%，在此摻量下，養(yǎng)護(hù)56 d后的泡沫混凝土干密度為254 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為0.97 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.054 W/（m·K），符合GB 8624—2012中燃燒性能等級(jí)A1級(jí)的不燃性要求。

2.3 機(jī)理分析

泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)56 d后，未摻加苯丙乳液的試樣P0和摻加3.5%苯丙乳液的試樣P7的SEM照片如圖2、圖3所示。

對(duì)比圖2、圖3可以看出，試樣P0中的氣泡表面粗糙，泡徑較大，泡沫混凝土基體不夠致密，較為松散。試樣P7中的氣泡表面較為光滑，泡徑略小，泡沫混凝土基體較為致密。由此可見(jiàn)，苯丙乳液可使泡沫在泡沫混凝土中的更加完整，分布更為均勻，同時(shí)使泡沫混凝土基體更為致密，提高了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖2 試樣P0的SEM照片

圖3 試樣P7的SEM照片

分析泡沫混凝土的硬化模型如圖4所示。因粉煤灰摻量較大，在固化初期，泡沫混凝土漿體塑性較大，顆粒之間吸附力較小，氣泡會(huì)在泡沫混凝土漿體中，因?yàn)槠渥陨肀砻鎻埩Φ淖饔?，?huì)逐漸變大。另外，粉煤灰自身為球形，在漿體中產(chǎn)生一定的滾珠效應(yīng)，進(jìn)一步加劇氣泡在漿體中的擴(kuò)張[8]。這樣一方面會(huì)造成泡沫混凝土中相鄰氣泡的貫通，另一方面，氣泡在擴(kuò)張過(guò)程中隨著泡沫混凝土漿體的硬化，其中的氣體會(huì)部分楔入水泥基體中，當(dāng)泡沫混凝土硬化后，其表面會(huì)形成大量毛細(xì)孔，當(dāng)受到外力作用時(shí)，這些毛細(xì)孔首先成為破壞點(diǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)張成微裂紋，使泡沫混凝土較易破壞，強(qiáng)度較低。苯丙乳液具有一定的粘性和保水性，摻入泡沫混凝土漿體后，增加了泡沫混凝土漿體的粘性，抑制了氣泡在其表面張力下的擴(kuò)張，使氣泡在泡沫混凝土漿體中分布更為均勻，同時(shí)減少了氣泡在泡沫混凝土漿體中因擴(kuò)散而產(chǎn)生的毛細(xì)孔的數(shù)量；另一方面，在泡沫混凝土漿體硬化時(shí)，各物質(zhì)間的水化反應(yīng)及水分的蒸發(fā)，使?jié){體中的水減少，苯丙乳液形成聚合物膜，阻止水分因蒸發(fā)而流失，使水泥漿體水化更完全，從而提高泡沫混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)受到外力時(shí)，貫穿在漿體中的聚合物膜，會(huì)阻礙微裂紋的擴(kuò)展，從而使混凝土強(qiáng)度進(jìn)一步提高。

圖4 泡沫混凝土的硬化模型

隨苯丙乳液摻量的增加，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，主要是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的熱量傳遞主要分為熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射傳熱3種形式，并以前2種傳熱方式為主。未摻加苯丙乳液泡沫混凝土中的泡孔多是連通的，熱量在泡孔之間傳遞時(shí)，較易形成對(duì)流換熱，使熱量傳遞加快。采用苯丙乳液改性后的泡沫混凝土中，泡孔之間相互獨(dú)立且分布均勻，在一定程度上降低了泡孔間的對(duì)流換熱，導(dǎo)熱系數(shù)較低，保溫性能較好。

3 結(jié)論

（1）在泡沫摻量一定的情況下，隨苯丙乳液摻量的增加，泡沫混凝土的干密度和導(dǎo)熱系數(shù)呈降低趨勢(shì)，降低幅度逐步減小。

（2）泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨苯丙乳液摻量的增加呈先提高后降低的趨勢(shì)，當(dāng)摻量（折固）為2.5%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，養(yǎng)護(hù)56d后，較未摻加苯丙乳液的試樣提高了178%。

（3）在泡沫混凝土中摻入苯丙乳液，可使硬化后的泡孔分布均勻，提高水泥基體的水化程度，使泡孔表面光滑完整，從而提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)摻量（折固）達(dá)到4%時(shí)，其燃燒性能下降較為明顯。

（4）苯丙乳液的最佳摻量（折固）為3.5%，此時(shí)養(yǎng)護(hù)56d后的泡沫混凝土干密度為254 kg/m3，抗壓強(qiáng)度為0.97 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.054 W/（m·K），符合GB 8624—2012中燃燒性能等級(jí)A1級(jí)的不燃性要求。