粉煤灰/聚氨酯復合泡沫的力學響應

張冰冰，李 軒，劉 洋

（太原工業(yè)學院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008）

粉煤灰是電廠燃煤燃燒過程中排出的微小、中空、輕質(zhì)固體顆粒，屬于危險廢物[1]。隨著全球?qū)Νh(huán)保問題的注重，粉煤灰的循環(huán)利用及二次開發(fā)成了熱點研究問題[2]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前關于粉煤灰的應用研究多集中在制備泡沫混凝土[3]和建筑結(jié)構的隔熱層中[4]?，F(xiàn)階段空心微珠顆粒主要用作造孔劑填充高聚物或金屬基體[5]，制備具有優(yōu)異力學性能的超輕泡沫材料[6]；而將粉煤灰應用在輕質(zhì)復合泡沫材料的相關研究或報道卻極為少見，且關于其力學響應的相關研究也是更鮮有報道。因此，結(jié)合文獻[7-10]關于復合泡沫的制備方法，以粉煤灰漂珠為填充物，以聚氨酯為粘結(jié)劑，制備出一種價格低廉的多尺度孔徑的粉煤灰漂珠/聚氨酯復合泡沫，并研究該復合泡沫在準靜態(tài)壓縮下的力學響應。

1 復合泡沫及實驗方法

使用粒徑450±30 μm（記為LT）和950±50 μm（記為LG）的兩種粉煤灰漂珠分別與硬質(zhì)聚氨酯在常溫下通過壓力滲透法制備成兩種復合泡沫，定義為LTs 和LGs。將鋁箔厚度0.06 mm、胞孔邊長為4 mm的蜂窩鋁作為增強相加入其中，制備成的復合泡沫分別定義為RLTs 和RLGs，如圖1。由圖可知，兩種粒徑的粉煤灰漂珠在四種復合泡沫中分布都較為均勻，聚氨酯泡沫完全充滿于整個試樣，復合泡沫試樣尺寸32×30 mm。

圖1 實驗所用復合泡沫俯視圖

基于X 射線熒光光譜分析（XRF）測得LT 和LG這兩種粉煤灰漂珠的主要化學組分為SiO2、Al2O3、Fe2O3，具體成分與含量詳見表1。通過掃描電鏡（SEM）觀測這兩種漂珠的微觀形貌（如圖2），可以發(fā)現(xiàn)這兩種粒徑的漂珠均接近球體狀，表面粗糙。

圖2 粉煤灰漂珠顆粒的微觀形貌

表1 粉煤灰漂珠顆粒的化學組分 /wt.%

利用高精度電子天平測得這兩種粒徑漂珠的堆積密度均為0.35 g/cm3，依據(jù)文獻[3]測得這兩種粒徑粉煤灰漂珠的表觀密度分別為0.58 g/cm3和0.625 g/cm3。其中，所用到的四種復合泡沫（LTs、RLTs、LGs、RLGs）密度均在0.48～0.72 g/cm3范圍。

實驗儀器采用SUNS-UTM5000 的MTS 萬能試驗機，其最大壓縮量程為100 kN。該實驗在常溫常壓下進行，實驗過程中以～2.0 mm/min 速度對試樣進行準靜態(tài)壓縮，每組實驗結(jié)果取三次有效重復實驗的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗壓縮結(jié)果

通過萬能試驗機壓縮實驗，得到四種類型復合泡沫的壓縮響應結(jié)果。其中，圖3為密度約0.54 g/cm3和0.63 g/cm3下四種復合泡沫的工程應力-應變曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，宏觀上所有曲線均具有泡沫材料的典型三階段：線彈性段、塑性平臺段和致密化段。大體呈現(xiàn)屈服強度和平臺應力值均隨著密度的增大而增大，致密化應變隨密度增大而減小的趨勢。同一密度下，含增強相的復合泡沫RLT、RLG 比普通復合泡沫LT、LG 分別具有更高的壓縮強度和平臺應力，致密化應變變化較大。含增強相復合泡沫的平臺應力值低于其壓縮強度值，這是因為復合泡沫中蜂窩鋁受壓彎曲折疊從而導致出現(xiàn)的壓力下降；而普通復合泡沫的平臺應力值和壓縮強度值接近。

圖3 復合泡沫典型工程應力-應變曲線

從細觀上看，密度約為0.54 g/cm3的四種類型復合泡沫（RLT、RLG、LT、LG）的應力-應變曲線平臺應力值變化不大，說明了漂珠尺寸在此密度下對力學性能沒有產(chǎn)生明顯影響；含增強相的兩種復合泡沫RLT、RLG比普通復合泡沫LT、LG的強度和平臺應力值分別提高了19.1%～28.0%和8.2%～11.6%。觀察密度約為0.63 g/cm3的復合泡沫的應力應變曲線可知，RLT、RLG 整體力學性能明顯優(yōu)于LT、LG；RLTs、RLGs 比LT、LG 的強度分別提高44.8% 和14.5%，平臺應力分別提高45.3% 和15.6%。表明密度和漂珠尺寸兩個因素可能均對復合泡沫的增強效果產(chǎn)生了影響。綜合對比分析這兩種密度下的復合泡沫，其力學特性隨密度增加而增強，隨漂珠尺寸減小也出現(xiàn)了增強。

2.2 討論與分析

經(jīng)數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計，四種不同類型復合泡沫屈服強度隨相對密度變化趨勢的擬合曲線如圖4(a)虛線所示，呈y=A xb的冪律關系，其中A和b是與基體強度和硬化機制相關的擬合系數(shù)，具體擬合系數(shù)和誤差見表2。圖中顯示，宏觀上四種復合泡沫材料的屈服強度隨相對密度的增大而增強，其中RLT 的強度增長率最高，LG 和RLG 強度增長率幾乎接近，LT增長率最為緩慢。當相對密度低于0.29 時，漂珠粒徑尺寸對普通復合泡沫和含增強相復合泡沫的強度影響可忽略。當相對密度高于0.29時，CPSFs強度值大體呈如下關系變化：RLTs＞RLGs＞LGs＞LTs。在圖中所示相對密度范圍內(nèi)，同一密度下RLG 比LG 的強度值高約2.2 MPa；對比前期通過實驗測得蜂窩鋁的屈服強度約為2.15 MPa，說明RLG 的增強效果來自于復合泡沫中蜂窩鋁的添加。在相對密度0.29～0.38 范圍內(nèi)，RLT 與LT 的強度差值從2.5 MPa 提高到10.8 MPa，RLT 壓縮強度顯著提高，綜合分析這是由于RLT 中復合泡沫變形機制的轉(zhuǎn)變所導致?？傊?，對于RLT，隨材料密度的增加蜂窩鋁的增強機制顯著，同時也受漂珠尺寸的影響。

表2 強度隨密度變化趨勢的擬合系數(shù)

平臺應力是決定泡沫材料吸能能力的重要因素。圖4(b)是四類復合泡沫與碳納米管/漂珠復合泡沫、乙烯基酯/玻璃微珠復合泡沫等新型泡沫材料的平臺應力對比圖。由于所對比的復合泡沫基體密度均不相同，因此采用名義密度進行對比。圖中顯示，復合泡沫的平臺應力值低于純聚氨酯復合泡沫，這是因為該復合泡沫的基體和漂珠顆粒形成較多孔隙導致其承載力較低。密度和漂珠顆粒尺寸兩因素對該復合泡沫平臺應力的影響與對強度的影響大致上相同。經(jīng)計算，普通復合泡沫和含增強相的復合泡沫的能量吸收值分別在3.6～10.8 MJ/m3和4.2～13.0 MJ/m3范圍內(nèi)。

圖4 復合泡沫強度與平臺應力隨密度變化關系

3 結(jié)論

（1）普通復合泡沫（LT、LG）壓縮強度隨密度增大而增大，其中相對密度高于0.29 時，含較大粒徑粉煤灰顆粒的復合泡沫具有更好的力學表現(xiàn)。

（2）含增強相的復合泡沫（RLT、RLG）比普通復合泡沫（LT、LG）分別具有更高的壓縮強度和平臺應力，其中RLT力學性能提高顯著。

（3）大粒徑漂珠顆粒含增強相的復合泡沫（RLG）增強機制是由于蜂窩鋁的添加。而小粒徑漂珠含增強相的復合泡沫（RLT），其力學性能增強幅度較大，是由于失效模式的轉(zhuǎn)變和密度的影響導致。