聚合物增強煤矸石泡沫混凝土性能研究

劉寧

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

0 前言

泡沫混凝土作為一種低投入、高產(chǎn)出、保溫性好、防火性強的輕質(zhì)保溫隔熱材料，被市場廣泛認(rèn)可，不僅被應(yīng)用于房屋建筑，在景觀、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域也發(fā)揮著重大作用，具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

煤矸石作為一種礦業(yè)廢料，污染環(huán)境，還易產(chǎn)生自燃，帶來火災(zāi)隱患，將其應(yīng)用于泡沫混凝土的制備中，利用煤矸石所含的SiO2、Al2O3等活性組分,在堿性環(huán)境與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，既節(jié)約水泥、解決了水泥水化熱高引起的易開裂現(xiàn)象，又做到了廢物利用[3]。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗原材料

水泥：秦嶺牌42.5普通硅酸鹽水泥。

煤矸石：產(chǎn)自陜西省銅川市，具體成分見表1。

發(fā)泡劑：市售動物蛋白發(fā)泡劑，棕褐色液體，發(fā)氣量 500 ml/g。

減水劑：普通奈系減水劑。

PVA（聚乙烯醇）：絮狀，（80~90） ℃水中可溶解至粘稠液體。

EVA乳液：乳白色粘稠液體。

表1 試驗所用煤矸石主要成分

1.2 試驗配比

本試驗以800 kg/m3為設(shè)計干密度，水泥與煤矸石的質(zhì)量比為 1∶1，水料比為 0.45，PVA、EVA 乳液兩種聚合物作為增強劑，每種聚合物的用量以水泥質(zhì)量為計算基礎(chǔ)，分別取水泥質(zhì)量的1%、2%、3%，具體配比如表2。

表2 試驗配比

2 試驗過程

2.1 試驗方法

（1）泡沫的制備：按照表2的用量稱取發(fā)泡劑和水，以2.5%的濃度制成發(fā)泡劑溶液，用高速攪拌機攪拌15 min，制得均勻的泡沫。

（2）煤矸石水泥凈漿的制備：稱取一定量的水泥、煤矸石加入膠砂攪拌機，慢速攪拌1 min，再加入水、減水劑高速攪拌2 min，然后停止攪拌，用鏝刀將攪拌鍋壁粘有的漿體刮下，再向攪拌鍋內(nèi)加入聚合物，高速攪拌1 min，制得聚合物-煤矸石水泥凈漿（注：PVA實驗中，需預(yù)先將絮狀PVA用80℃以上的水融化后才能加入）。

（3）煤矸石泡沫混凝土的制備：將已制備好的泡沫加入煤矸石水泥凈漿中，再次開啟膠砂攪拌機，中速攪拌1.5 min，使泡沫和漿體充分拌合，澆筑至40 mm×40 mm×160 mm的標(biāo)準(zhǔn)試模中，輕微震動后，在試模表面覆蓋塑料薄膜，以減少水分蒸發(fā)，靜置24 h后脫模，脫模后試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。

（4）達(dá)到28 d齡期后，對試件進(jìn)行干密度、抗壓強度、抗折強度、導(dǎo)熱系數(shù)的測定。

2.2 試驗配比調(diào)整

在試驗中發(fā)現(xiàn)，5、6組試件均出現(xiàn)漿體大量流出現(xiàn)象，7組試件出現(xiàn)輕微塌模現(xiàn)象。

聚合物的加入會對水泥有緩凝作用，塌模的發(fā)生，說明EVA的緩凝作用大于對水泥的增稠作用。因此采取增大EVA乳液用量的方式，將EVA乳液的用量增大至水泥質(zhì)量的3%、5%、7%，具體配比見表3。

表3 試驗配比

2.3 試驗結(jié)果及分析

配比調(diào)整后的試驗結(jié)果如表4。

2.3.1 聚合物對煤矸石泡沫混凝土干密度的影響，見圖1。

由圖1可以看出，PVA和EVA乳液的加入都可以降低煤矸石泡沫混凝土的密度。隨著聚合物的加入，煤矸石泡沫混凝土的密度先降低后增大。其中，PVA的加入量為水泥質(zhì)量的2%時，密度最低，比不加聚合物時降低38.8%，EVA乳液的加入量為水泥質(zhì)量的5%時，密度最低，比不加聚合物時降低39.6%。

表4 試驗結(jié)果

圖1 聚合物對于密度的影響

出現(xiàn)上述變化趨勢的原因主要是聚合物的加入量較小時，可以增大煤矸石水泥漿體的稠度，降低泡沫的排液速率，抑制液膜變薄而破碎，提高泡沫的穩(wěn)定性[4]。但隨著聚合物的加入量進(jìn)一步增大，漿體稠度也隨之增大，從而降低煤矸石泡沫混凝土的流動性，破壞已形成的泡沫，而且聚合物用量的增大，緩凝作用愈加明顯，初凝時間變長，部分泡沫在水泥初凝前已破碎，導(dǎo)致孔隙率變小，密度增大。

2.3.2 聚合物對煤矸石泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，見圖2。

圖2 聚合物對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖2可以看出，加入聚合物后，泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢與干密度的變化趨勢相同，隨著聚合物加入量的增大，出現(xiàn)先降低后增大的趨勢。當(dāng)PVA加入量為水泥質(zhì)量的2%時，導(dǎo)熱系數(shù)最低，比不加聚合物時降低了19.7%，當(dāng)EVA乳液加入量為水泥質(zhì)量的5%時，導(dǎo)熱系數(shù)最低，比不加聚合物時降低了19.15%。出現(xiàn)這種變化趨勢主要與熱傳遞的原理有關(guān)，泡沫混凝土之所以能夠起到保溫隔熱的作用，主要與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙有關(guān)，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)低于水泥混凝土，所以孔隙率越大，導(dǎo)熱系數(shù)越低。在本試驗中，第3組和第6組的干密度較小，說明孔隙率較大，因此導(dǎo)熱系數(shù)較低。

2.3.3 聚合物對煤矸石泡沫混凝土28d抗壓強度的影響，見圖3。

圖3 聚合物對28 d抗壓強度的影響

由圖3可以看出，加入聚合物以后，煤矸石泡沫混凝土的28 d抗壓強度有所降低，這主要是因為聚合物的加入提高了對泡沫的保護(hù)作用，孔隙率增大，因此對抗壓強度有一定的影響，但隨著聚合物用量的增大，28 d抗壓強度逐漸提高。這主要有兩方面原因：一是隨著聚合物的增加，泡沫的穩(wěn)定性較強，氣孔結(jié)構(gòu)更加均勻，減小應(yīng)力集中，抗壓強度增大；二是聚合物的粘結(jié)性較強，在泡沫混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對泡沫混凝土的強度具有增強作用，因此強度會增大。

2.3.4 聚合物對煤矸石泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)的影響，見圖4。

圖4 聚合物對氣孔結(jié)構(gòu)的影響

由圖 4 （a）（b）（c） 三張圖片可以看出，（b）和（c）圖的氣孔分布比（a）圖更均勻，尤其在試件底部，（a）圖的底部孔隙率非常低，主要是因為漿體稠度較小，泡沫的排液速率較高，在水泥初凝前，泡沫不斷上升甚至破碎，而聚合物的加入可以使?jié){體稠度增大，減小泡沫的消泡率，使泡沫更加穩(wěn)定，硬化后氣孔更加均勻，孔隙率變大，因此干密度和導(dǎo)熱系數(shù)較小。

利用Nano Measurer軟件對三張圖片的孔徑進(jìn)行粗略測量，（a）圖中試件平均孔徑1.0 mm，（b）圖中試件平均孔徑0.7 mm，（c）圖中試件平均孔徑1.5 mm。由此可以看出，雖然PVA和EVA乳液都可以使泡沫更加穩(wěn)定，但加入PVA后，泡沫混凝土的孔徑更小，這種氣孔結(jié)構(gòu)更利于強度的形成[5]，因此加入PVA的試件28 d抗壓強度更高。

3 最佳配比的確定

據(jù)了解，800 kg/m3的泡沫混凝土一般作為房屋建筑的輕質(zhì)隔墻材料使用，因此要求具有一定的強度，且具有輕質(zhì)的特點和保溫隔熱、隔音的作用。但一般情況下，抗壓強度往往會隨著密度的降低而降低，因此在選擇最佳用量時參考“價值工程”的概念，引入28 d抗壓強度／干密度、28 d抗壓強度／導(dǎo)熱系數(shù)兩個參數(shù)，28 d抗壓強度／干密度、28d抗壓強度／導(dǎo)熱系數(shù)較大者為優(yōu)。

計算結(jié)果如表5，加入PVA時，PVA用量為水泥質(zhì)量的3%時，28 d抗壓強度／干密度、28 d抗壓強度／導(dǎo)熱系數(shù)的值最大，因此，選擇水泥質(zhì)量的3%為PVA的最佳用量；加入EVA乳液時，EVA用量為水泥質(zhì)量的5%時，28d抗壓強度／干密度的值最大、而EVA乳液用量為水泥質(zhì)量的7%時，28 d抗壓強度／導(dǎo)熱系數(shù)的值最大，這就需要根據(jù)實際應(yīng)用綜合考慮后確定。由于當(dāng)EVA乳液用量為水泥質(zhì)量的7%時，雖然28 d抗壓強度／干密度的值小于用量為5%時，但此時強度最高，且密度仍然滿足小于800 kg/m3的要求，因此，經(jīng)過定量和定性分析，EVA乳液的最佳用量為水泥質(zhì)量的7%。

表5 計算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）聚合物可以提高泡沫混凝土漿體稠度，降低液膜的排液速率，推遲泡沫的破碎時間，改善氣孔結(jié)構(gòu)，從而改善泡沫混凝土的各項性能。

（2）PVA的最佳用量為水泥質(zhì)量的3%，EVA乳液的最佳用量為水泥質(zhì)量的7%。

（3）加入PVA與加入EVA乳液相比，泡沫混凝土的氣孔小而密，28 d抗壓強度較高，但密度和導(dǎo)熱系數(shù)也較大，導(dǎo)致保溫性能有所削弱。在實際應(yīng)用中，要根據(jù)所用材料的具體作用妥善選擇，如果所用材料的作用側(cè)重于承重，則選擇PVA為增強聚合物；如果所用材料主要用于保溫隔熱，則選擇EVA乳液為增強聚合物。