發(fā)泡劑膠結(jié)EPS泡沫混凝土保溫隔熱性能研究

楊 甜

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，鄭州451100）

0 引言

隨著我國大力實(shí)施節(jié)能減排與墻體材料改革政策，國家對(duì)建筑節(jié)能材料越來越重視[1]，紛紛加大節(jié)能力度，致力于新型節(jié)能建材的研究與開發(fā)，特別是保溫材料在建筑中的應(yīng)用。

由于泡沫塑料質(zhì)輕、隔熱、吸音、減震等特性，其主要成分是發(fā)泡聚苯乙烯（EPS），相關(guān)學(xué)者嘗試將其應(yīng)用到混凝土的制備過程中。目前EPS混凝土已被廣泛運(yùn)用到了路基防凍、水上承臺(tái)、機(jī)場建設(shè)等領(lǐng)域[2-5]。為了更好地解決EPS混凝土成型不佳、膠凝材料粘結(jié)不牢等缺點(diǎn)，本研究嘗試在EPS混凝土制備過程中引入水泥發(fā)泡劑，發(fā)泡劑可產(chǎn)生類似滾珠的微小氣泡，融入到各種原材料之間，在增加混凝土流動(dòng)性的同時(shí)，可進(jìn)一步提高其保溫性能[6]。

本文以新結(jié)構(gòu)與新技術(shù)的結(jié)合為研究方向，基于使用需求，提出了一種新型的混凝土：添加發(fā)泡劑膠結(jié)EPS顆粒泡沫混凝土[7]。這種泡沫混凝土有容重小、保溫隔熱性能優(yōu)越的特點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保型泡沫混凝土。利用工業(yè)廢渣及塑料，變廢為寶，不僅可以降低成本，還可以節(jié)約資源從而實(shí)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境兩方面達(dá)到共贏的局面。

1 原材料與試樣制備

添加發(fā)泡劑膠結(jié)EPS顆粒泡沫混凝土是以水泥、EPS顆粒、粉煤灰為重要原料，再輔助一些功能性添加劑發(fā)泡劑、珍珠巖、膠粉等，經(jīng)攪拌、成型、養(yǎng)護(hù)制成的均質(zhì)材料。

1.1 試驗(yàn)用原料

本文采用的主要原材料有：粒徑2～5mm的廢棄EPS顆粒、42.5R普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級(jí)粉煤灰以及膠粉、膨脹珍珠巖、水泥發(fā)泡劑、水。除特別注明外，試驗(yàn)用水均采用自來水。

水泥發(fā)泡劑是一種表面活性物質(zhì)或表面活性劑，在機(jī)械作用下引入空氣，用其水溶液制備大量泡沫。本研究中選取植物性水泥發(fā)泡劑、動(dòng)物性水泥發(fā)泡劑、陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉發(fā)泡劑三種，如圖1所示。

圖1 選用的水泥發(fā)泡劑

1.2 試塊的制備

本研究中生產(chǎn)泡沫混凝土的方法采取預(yù)制泡沫混合法，因此將制備過程分為前期的泡沫發(fā)泡過程和后期的膠凝材料漿體加工兩個(gè)基本過程。

試塊制備前珍珠巖放在水里浸泡1個(gè)小時(shí)后晾干，讓其處于飽和狀態(tài)。將發(fā)泡劑和水以1:50的質(zhì)量比混合均勻，再用水泥發(fā)泡機(jī)進(jìn)行發(fā)泡；與此同時(shí)將膠粉和水混合，并使之完全溶解。之后將EPS顆粒、水泥、粉煤灰、珍珠巖依次放入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌，后加水、倒入所準(zhǔn)備的泡沫和膠粉溶液繼續(xù)攪拌，最后把制備的均勻漿體倒入抹有脫模劑的模具內(nèi)，人工搗實(shí)后，刮平頂面。

圖2 試驗(yàn)用發(fā)泡機(jī)及發(fā)泡產(chǎn)生的泡沫

圖3 CA砂漿程控?cái)嚢铏C(jī)和攪拌現(xiàn)場

本試驗(yàn)所制備的混凝土試塊的尺寸均為300mm×300mm×20mm。脫模前的混凝土試件如圖4所示。

圖4 脫模前的混凝土試樣

1.3 試塊的養(yǎng)護(hù)

試件在48小時(shí)后脫模，最后放在溫度為20±2℃、濕度為90%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28天。

2 試驗(yàn)方案

保溫和隔熱問題是建筑節(jié)能材料急需關(guān)注的問題[8]。用于衡量材料熱工性能的指標(biāo)比較多，在土木建筑領(lǐng)域，通常選用導(dǎo)熱系數(shù)、熱阻、蓄熱系數(shù)以及熱惰性等[9]。其中導(dǎo)熱在保溫隔熱中起主導(dǎo)作用，因此導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)價(jià)泡沫混凝土性能的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)。測量導(dǎo)熱系數(shù)的普遍方法主要采用穩(wěn)態(tài)法測試，這種方法精度高且簡單[8]，因此本研究中也采用穩(wěn)態(tài)法測試。

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)測試

混凝土試塊標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，烘干后冷卻到室溫，使用中國建筑科學(xué)研究院研制的JW-III型建筑材料熱流計(jì)導(dǎo)熱儀進(jìn)行試塊的導(dǎo)熱系數(shù)測定工作。測定導(dǎo)熱系數(shù)需所的水必須是純凈水。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)測試現(xiàn)場

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在添加發(fā)泡劑膠結(jié)EPS顆粒泡沫混凝土成型的基礎(chǔ)上，首先研究發(fā)泡劑種類、數(shù)量對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，然后基于正交試驗(yàn)理念尋求混凝土的最優(yōu)配合比。

3 試驗(yàn)結(jié)果及試驗(yàn)分析

3.1 發(fā)泡劑種類單一因素試驗(yàn)

現(xiàn)階段不同品種的發(fā)泡劑非常多，質(zhì)量層次也不同。選用優(yōu)質(zhì)且經(jīng)濟(jì)的發(fā)泡劑已經(jīng)迫在眉睫[10]。本試驗(yàn)選用植物性水泥發(fā)泡劑、動(dòng)物性水泥發(fā)泡劑、陰離子表面活性劑類發(fā)泡劑三種發(fā)泡劑，分別簡稱為A發(fā)泡劑、B發(fā)泡劑和C發(fā)泡劑。通過試驗(yàn)檢測它們的導(dǎo)熱系數(shù)見表1。并繪出了不同條件下導(dǎo)熱系數(shù)的折線，具體如圖6所示。

表1 不同種類發(fā)泡劑下的試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖6 不同種類發(fā)泡劑下導(dǎo)熱系數(shù)柱形圖

由圖6可以看出，導(dǎo)熱系數(shù)值從小到大依次是：動(dòng)物性水泥發(fā)泡劑＜植物性水泥發(fā)泡劑＜陰離子表面活性劑類發(fā)泡劑。綜合來看，動(dòng)物性水泥發(fā)泡劑和植物性水泥發(fā)泡劑的效果最好。由于陰離子表面活性劑類發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性差，在短時(shí)間內(nèi)易破裂合成大氣泡，并很快消失，發(fā)泡劑效果差。動(dòng)物性水泥發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫穩(wěn)定性非常好，隔熱性能好，但是成本太高，且有刺激氣味。植物性水泥發(fā)泡劑成本低，質(zhì)量也穩(wěn)定，所以選用植物性水泥發(fā)泡劑。

3.2 發(fā)泡劑摻入量單一因素試驗(yàn)

發(fā)泡劑發(fā)泡后產(chǎn)生的微小氣泡，均勻分布在混凝土內(nèi)部可以加強(qiáng)物料間的潤滑作用，使內(nèi)部封閉孔變多，阻礙空氣的流通，增強(qiáng)隔熱性能。本試驗(yàn)中選取植物性水泥發(fā)泡劑，通過控制發(fā)泡劑摻入量的不同，制備出不同發(fā)泡劑摻量的試塊，具體配比見表2。圖7為不同A發(fā)泡劑摻入量下的導(dǎo)熱系數(shù)變化。

表2 不同發(fā)泡劑摻入量下試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖7 不同A發(fā)泡劑摻入量下的導(dǎo)熱系數(shù)變化圖

由圖7可以看出，伴隨著發(fā)泡劑摻量的不斷增多，添加發(fā)泡劑膠結(jié)EPS顆粒泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)先降低后上升。當(dāng)發(fā)泡劑摻量在40～60g時(shí)，由于混凝土內(nèi)部的小孔洞分布均勻且數(shù)量多，密度減小，導(dǎo)熱系數(shù)降低。當(dāng)發(fā)泡劑摻量超過60g后，含氣量進(jìn)一步增大，氣泡會(huì)逐漸變大，最后連通為一條孔徑，容易產(chǎn)生熱對(duì)流，因此導(dǎo)熱系數(shù)變大。因此，隨著發(fā)泡劑含量增多，混凝土的保溫隔熱性能先升高再降低。

3.3 正交試驗(yàn)

通過正交試驗(yàn)的思想，綜合考查珍珠巖摻入量（因素D）、發(fā)泡劑的摻入量（因素E）和發(fā)泡劑種類（因素F）這3個(gè)因素對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，獲得性能最佳的配合比。在EPS:水泥:粉煤灰:膠粉:水=140:1600:660:40:1800的配合比基礎(chǔ)上，通過摻入不同質(zhì)量的珍珠巖、發(fā)泡劑和不同類型的發(fā)泡劑，制備混凝土試樣。因素D、因素E和因素F各設(shè)三個(gè)水平，因素和水平設(shè)置的具體情況如表3所示。

表3 因素水平表

參照正交方法設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)。正交試驗(yàn)表及測得的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果列入表4中。

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，R是該因素在它的取值范圍里的試驗(yàn)指標(biāo)的變化程度。R的數(shù)據(jù)越小，意味著這個(gè)因素的改變對(duì)試驗(yàn)的影響效果越小，分析結(jié)果見表5。

由此可得，主次影響因素為：發(fā)泡劑種類＞發(fā)泡劑摻入量＞珍珠巖摻入量。發(fā)泡劑種類對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)值影響最大。陰離子表面活性劑類發(fā)泡劑產(chǎn)生的泡沫的穩(wěn)定性非常差，在短時(shí)間內(nèi)小的泡沫會(huì)迅速破裂，然后合并成大的氣泡，并可能在很短的時(shí)間內(nèi)就消失。另外兩種具有很強(qiáng)的起泡力，產(chǎn)生的泡沫非常穩(wěn)定。由每個(gè)因素每個(gè)水平的試驗(yàn)指標(biāo)可以斷定不同水平對(duì)此因素的影響強(qiáng)弱，并得此試驗(yàn)的最好的組合是D3、E2、F2，即珍珠巖摻量：發(fā)泡劑摻量：發(fā)泡劑種類=300：60：植物性水泥發(fā)泡劑。

表4 正交試驗(yàn)表及結(jié)果

表5 試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

4 結(jié)論

在EPS混凝土的基礎(chǔ)上摻加發(fā)泡劑，以此來減小它的密度，進(jìn)而減小其導(dǎo)熱系數(shù)，再加入珍珠巖來增加它的保溫隔熱特性。通過正交試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

1）發(fā)泡劑的種類對(duì)添加發(fā)泡劑膠結(jié)EPS顆粒泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)有很大的關(guān)系。加入發(fā)泡劑后，導(dǎo)熱系數(shù)下降，但是蛋白質(zhì)類水泥發(fā)泡劑的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于陰離子型表面活性劑。

2）由正交試驗(yàn)分析可得，添加發(fā)泡劑膠結(jié)EPS顆粒泡沫混凝土的最優(yōu)配比為EPS:水泥:粉煤灰:膠粉:水:發(fā)泡劑:珍珠巖=140:1 600:660:40:1 800:60:300。

3）EPS顆粒泡沫混凝土?xí)r最優(yōu)配合比時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.052W/(m·K)。加入了發(fā)泡劑和珍珠巖制成添加發(fā)泡劑膠結(jié)EPS顆粒泡沫混凝土最優(yōu)配比為 EPS:水泥:粉煤灰:膠粉:水:發(fā)泡劑:珍珠巖=140:1 600:660:40:1 800:60:300，此時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了0.032 W/(m·K)。由此可得，發(fā)泡劑和珍珠巖的加入提高了試塊的保溫隔熱性能。