新型輕質(zhì)隔音保溫復(fù)合墻板制備及性能研究

謝 竺

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830002）

伴隨著現(xiàn)代社會(huì)能耗的增高，如何降低建筑能耗成為當(dāng)前學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。作為建筑能耗消耗中較大的墻體材料，更是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。目前，作為建筑能耗消耗的墻體材料，主要包括EPS、XPS，這些墻體材料一般應(yīng)用在建筑物的外圍，但應(yīng)用發(fā)現(xiàn)這些墻體材料存在防火性能差、隔音效果低的問題。因此，盡快制備和合成一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、隔音、防火優(yōu)良的建筑墻體材料成為重點(diǎn)。

目前，從學(xué)術(shù)研究上，朱效甲等提出以金屬鎂為基礎(chǔ)，制備一種復(fù)合夾芯的輕質(zhì)墻板。結(jié)果表明，該復(fù)合墻板具有輕質(zhì)、隔音的效果［1］；陳長林則嘗試用輕鋼與混凝土結(jié)合，制備一種新型外掛墻板，結(jié)果表明，該材料可減少墻體材料消耗，且提高墻體的抗壓和抗折強(qiáng)度［2］。

以上研究都嘗試通過新材料，或者是替代的方式減少墻體材料消耗，因此為本研究提供了新的思路。本研究嘗試用木質(zhì)素纖維、再生骨料和水泥作為基礎(chǔ)材料，以常用的木質(zhì)素纖維等作為輔料對(duì)傳統(tǒng)墻體材料進(jìn)行改進(jìn)，從而制備一種更為節(jié)能、輕質(zhì)和隔音的保溫復(fù)合墻板，為新型墻板材料的發(fā)展提供試驗(yàn)借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試驗(yàn)試劑：再生混凝土（廊坊優(yōu)丁節(jié)能科技有限公司，篩孔平均直徑 1.18mm）、P.O4.25（河南澤達(dá)建材有限公司，工業(yè)級(jí)）、木質(zhì)素纖維（鄭州市金水區(qū)銘宇化工，優(yōu)級(jí)品）、輕質(zhì)氧化鎂（營口盛旺能源化工有限公司，工業(yè)級(jí)）、硅烷偶聯(lián)劑（濟(jì)南榮廣化工有限公司，工業(yè)級(jí)）、雙氧水（河北天坡化工有限公司，工業(yè)級(jí)）、氧化鋁（南京天行新材料有限公司，工業(yè)級(jí)）、速凝劑（重慶浚治科技有限公司，工業(yè)級(jí)）。

試驗(yàn)儀器：混凝土攪拌機(jī)（昆明金馬機(jī)械設(shè)備有限公司，JDC350）、數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)（濟(jì)南普業(yè)機(jī)電技術(shù)有限公司，YES-300）、電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)（山東奧萊機(jī)械有限公司，AL-281）、混凝土烘箱（滄州森眾試驗(yàn)儀器有限公司，101-3 型）、高溫爐（深圳市三莉科技有限公司，SX2-10-24）。

1.2 復(fù)合墻板制備流程

（1）將P.O4.25 硅酸鹽水泥、木質(zhì)素纖維、再生混凝土按一定比例加入JDC350 攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為15min。

（2）待物料混合均勻后，靜置2min。加入速凝劑、輕質(zhì)氧化鎂、氧化鋁繼續(xù)攪拌15min。

（3）緩慢加入硅烷偶聯(lián)劑繼續(xù)攪拌5min。待形成粘性混合物后，慢慢加入H2O2繼續(xù)攪拌3min，從而得到發(fā)泡的水泥漿體。

（4）將混合物倒入墻板模具中振搗，待表面抹平后，放置在陰涼處靜置14d 拆模，拆模后自然養(yǎng)護(hù)28d，得到輕質(zhì)隔音保溫復(fù)合墻板。

1.3 復(fù)合墻板性能測試

1.3.1 抗壓強(qiáng)度測試

（1）參照《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)［3-5］，將復(fù)合墻板制備成40mm×40mm×160mm 大小的試件，養(yǎng)護(hù)28d 后取出，擦拭掉表面水分，平穩(wěn)放到數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)上。

（2）打開壓力試驗(yàn)機(jī)，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)球座，使試件上表面與壓力試驗(yàn)機(jī)上壓板均勻接觸。以0.3～0.5 kN/s 的速率連續(xù)均勻施加荷載。

（3）在試件即將趨于破壞時(shí)，停止增加荷載。在試件破壞的瞬間立刻關(guān)閉壓力試驗(yàn)機(jī)開關(guān)，記錄試件破壞時(shí)的荷載。

1.3.2 抗折強(qiáng)度測試

將上述制備的40mm×40mm×160mm 大小試件的上下底面和前面按標(biāo)準(zhǔn)貼好應(yīng)變片后放置于電動(dòng)抗折機(jī)，以0.1～0.3 kN/s 的加載速率均勻連續(xù)的對(duì)試件施加壓力，直至試件破壞。停止加載后，記錄試件破壞時(shí)荷載大小及試件破壞位置。

1.3.3 表觀密度測試

（1）參照《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)》要求［6］，制備底面直徑為96mm、高為10mm 的復(fù)合墻板試件，養(yǎng)護(hù)28d后取出。

（2）將取出后的復(fù)合墻板試件平穩(wěn)放置在烘箱內(nèi)，放置時(shí)要注意試件排列整齊且保持一定距離，確保每一塊試件都能完全烘干。

（3）將烘箱溫度設(shè)置為100℃對(duì)試件進(jìn)行烘干，在烘干過程中，每隔1h 對(duì)復(fù)合墻板試件進(jìn)行稱量，直至復(fù)合墻板試件質(zhì)量恒定。

（4）將烘干后的混凝土試件從烘箱中拿出，擦干表面水分后放置于電子天平上稱量，其質(zhì)量記為M；用游標(biāo)卡尺測量試件長寬高，以此計(jì)算出試件體積，體積記為V。

(5) 重復(fù)步驟(4)3 次，用3 次測量結(jié)果的平均值作為復(fù)合墻板試件的質(zhì)量和體積，利用公式（1）計(jì)算復(fù)合墻板試件的表觀密度［7-8］。

式(1) 中：ρ 表示復(fù)合墻板的表觀密度，單位為kg/m3；V 表示復(fù)合墻板試件的體積，單位為m3；M 表示復(fù)合墻板試件的干質(zhì)量，單位為kg。

1.3.4 高溫煅燒測試

（1）制備 40mm×40mm×160mm 的復(fù)合墻板試件。將試件整齊、均勻放置在高溫爐膛內(nèi)加熱。

（2）將爐膛內(nèi)溫度提升至600℃。

（3）升溫結(jié)束后，自動(dòng)降溫。待冷卻至常溫后，將試件取出，并測試其質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率。質(zhì)量損失率由公式（2）計(jì)算，強(qiáng)度損失率由公式（3）計(jì)算［9］。

式（2）中， Gm表示混凝土試件質(zhì)量損失率；M0、M1分別表示混凝土試件經(jīng)高溫煅燒前后的強(qiáng)度。

式（3）中，mP 表示混凝土試件強(qiáng)度損失率；0P 、分別表示混凝土試件經(jīng)高溫煅燒前后的強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同摻量下的復(fù)合墻板力學(xué)性能

2.1.1 不同木質(zhì)素纖維摻量對(duì)復(fù)合墻板的影響

圖1 為不同木質(zhì)素纖維摻量下復(fù)合墻板的力學(xué)性能測試結(jié)果。從圖1 可看出，隨著木質(zhì)素纖維摻量的增加，復(fù)合墻板的抗壓、抗折性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是因?yàn)槔w維的摻加，橋接了復(fù)合墻板內(nèi)部的微裂縫，分散了內(nèi)部的集中應(yīng)力，進(jìn)而抑制了復(fù)合墻板表面裂縫的產(chǎn)生［10］。但纖維摻量超過了界限，使得墻板內(nèi)部的粘接力降低，力學(xué)性能也隨之降低。此現(xiàn)象說明合理摻加木質(zhì)素纖維，可約束復(fù)合墻板的變形，減少內(nèi)部的微裂縫，使得墻板具有較好的耐久性能。根據(jù)圖1 看出，當(dāng)木質(zhì)素纖維摻量為6% 時(shí)，復(fù)合墻板的抗壓和抗折強(qiáng)度達(dá)到最高，故6%是木質(zhì)素纖維的最佳摻量。

圖1 不同木質(zhì)素纖維摻量下復(fù)合墻板的抗壓抗折測試結(jié)果Fig. 1 Compression and bending test results of specimens with different lignin fiber content

2.1.2 不同水灰比對(duì)復(fù)合墻板的影響

圖2 為不同水灰比下復(fù)合墻板的抗壓抗折強(qiáng)度結(jié)果。從圖2 看出，復(fù)合墻板的力學(xué)性能隨水灰比變化呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢。其中，當(dāng)水灰比在25% 時(shí)，試件的抗壓和抗折性能最優(yōu)，當(dāng)水灰比大于25% 時(shí)，抗壓和抗折性能表現(xiàn)為直線下降趨勢。如水灰比過低，會(huì)導(dǎo)致水泥水化不充分，進(jìn)而降低復(fù)合墻板各組分間的粘接力。因此在選擇水灰比時(shí)，應(yīng)綜合考慮。在本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，選擇水灰比為25%為最佳。

圖2 不同水灰比的復(fù)合墻板的抗壓抗折強(qiáng)度結(jié)果Fig.2 Results of compressive and flexural strength of concrete specimens with different water cement ratios

2.1.3 再生混凝土替代水泥摻量對(duì)力學(xué)性能影響

圖3 為再生混凝土替代水泥摻量的復(fù)合墻板抗壓抗折試驗(yàn)結(jié)果。從圖3 看出，隨著再生混凝土替代水泥摻量的增加，復(fù)合墻板的抗壓、抗折強(qiáng)度整體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因，是因?yàn)樵偕炷凉橇现饕揽克嗨a(chǎn)物產(chǎn)生粘結(jié)力。隨再生混凝土替代水泥摻量的增加，水泥水化產(chǎn)物的結(jié)晶度和穿插密實(shí)度會(huì)受到一定損害，進(jìn)而影響混凝土試件的力學(xué)性能。因此，合理摻加再生混凝土替代水泥，不僅能減少復(fù)合墻板的水泥用量，降低生產(chǎn)成本，還能提高復(fù)合墻板的耐久性能。而根據(jù)圖3 的結(jié)果計(jì)算得出，當(dāng)再生混凝土替代水泥摻量為45% 時(shí)，混凝土試件的抗壓、抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖3 再生混凝土替代水泥摻量試件抗壓抗折結(jié)果Fig.3 Compressive and flexural test results of recycled concrete with cement content

2.2 高溫煅燒下不同摻量對(duì)復(fù)合墻板性能的影響

2.2.1 不同木質(zhì)素纖維摻量下的高溫煅燒強(qiáng)度

表1 和表2 分別為在高溫煅燒下，不同木質(zhì)素纖維摻量下復(fù)合墻板的抗壓抗折強(qiáng)度和質(zhì)量強(qiáng)度損失率等結(jié)果。結(jié)果表明，隨木質(zhì)素纖維摻量的增加，復(fù)合墻板的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率都有所降低，說明在混凝土中摻入一定的木質(zhì)素纖維，可降低混凝土墻板在高溫煅燒下的質(zhì)量和強(qiáng)度損失率，提高混凝土墻板的耐高溫性能。

表1 混凝土試件經(jīng)高溫煅燒后抗壓抗折強(qiáng)度及損失率Table 1 Compressive and flexural strength results of concrete specimens calcined at high temperature

在經(jīng)過高溫煅燒后，復(fù)合墻板的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有所降低，但與圖2 的未經(jīng)過高溫煅燒的結(jié)果相比，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度同樣在木質(zhì)素纖維摻量為6% 時(shí)達(dá)到最大，且煅燒前后的強(qiáng)度變化不大。

2.2.2 不同再生混凝土替代水泥摻量對(duì)復(fù)合墻板的影響

由表2 可知，再生混凝土耐高溫性能受再生混凝土替代水泥摻量的影響。再生混凝土替代水泥摻量0%～8%范圍內(nèi)，未摻加再生混凝土的墻板，質(zhì)量損失率和抗壓抗折強(qiáng)度損失率明顯低于摻加再生混凝土的墻板。當(dāng)再生混凝土替代水泥摻量為2% 時(shí)，質(zhì)量損失率和抗壓抗折強(qiáng)度損失率高于再生混凝土替代水泥其它摻量的墻板，這就說明適量的摻加再生混凝土替代水泥能夠一定程度的提高高溫煅燒下的質(zhì)量和強(qiáng)度損失率，即提高混凝土牽絆的耐高溫性能。

表2 復(fù)合墻板高溫煅燒后強(qiáng)度及損失率Table 2 Strength and loss rate of composite wallboard after high temperature calcination

2.2.3 高溫煅燒下不同水灰比對(duì)復(fù)合墻板的影響

由表3 可知，混凝土墻板的耐高溫性能受水灰比影響，在水灰比25%～45% 范圍內(nèi)，水灰比為45% 時(shí)的混凝土墻板質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率均低于水灰比為25%的混凝土墻板。這就說明在制備混凝土墻板的過程中，適量的增加水灰比能有效降低混凝土墻板在高溫煅燒下的質(zhì)量和強(qiáng)度損失率，即有效提高混凝土牽絆的耐高溫性能。

表3 不同水灰比下復(fù)合墻板高溫煅燒強(qiáng)度Table 3 High temperature calcination strength of composite wallboard under different water cement ratio

3 結(jié)論

（1）隨木質(zhì)素纖維的增加，復(fù)合墻板的抗壓抗折強(qiáng)度皆表現(xiàn)出先上升后下降趨勢，在6%時(shí)達(dá)到最大。因此，復(fù)合墻板木質(zhì)素纖維最佳摻量為6%。

（2）隨再生混凝土替代水泥摻量的增加，混凝土試件的抗壓抗折強(qiáng)度同樣表現(xiàn)出先上升后下降趨勢。當(dāng)再生混凝土替代摻量在45% 時(shí)達(dá)到最高。因此，在制備復(fù)合墻板時(shí)，再生混凝土替代水泥摻量應(yīng)控制在45%左右。

（3）隨水灰比的增加，混凝土試件的抗壓抗折強(qiáng)度直線下降。因此，在制備復(fù)合墻板時(shí)，水灰比應(yīng)不超過25%。

（4）對(duì)混凝土試件進(jìn)行高溫煅燒，并對(duì)煅燒后的復(fù)合墻板進(jìn)行力學(xué)性能檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明，適量控制以上因素的摻量能有效降低混凝土試件的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率，即能有效提高復(fù)合墻板的耐高溫性能。