固廢基聚苯顆粒輕質(zhì)保溫墻體的制備及性能研究

劉劍平，葛曉偉，劉朋，王禹升，劉棟，宋鴿

（沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

目前，我國存在大量的工業(yè)廢棄物，綜合利用率低，且堆存處理占用了大量的耕地，對土地資源和水資源造成了嚴重的污染[1-4]。脫硫石膏是一種工業(yè)固廢，其成分與天然石膏大致相似[5]。利用脫硫石膏與其他固廢制備復(fù)合膠凝材料，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)固廢的資源化利用，還可以作為一種綠色新型膠凝材料，部分取代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥等膠凝材料，減少對環(huán)境污染和能源損耗[6-7]。

此外，建筑行業(yè)面臨著提高能源利用效率和減少污染的挑戰(zhàn)[8-9]，我國大多數(shù)城市已經(jīng)明令禁止燒制和使用實心黏土磚，取而代之的是各種綠色、低碳、節(jié)能的新型墻體材料[10-11]。大摻量利用固廢制備聚苯顆粒輕質(zhì)墻體材料，有利于建筑節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展。

國內(nèi)外大量學(xué)者利用不同材料制備聚苯顆粒墻體材料，梁倚[12]利用再生細骨料及聚苯顆粒制備空心砌塊，對其塊體密度、含水率、空心率、抗壓強度、保溫隔熱性能等規(guī)律進行了研究。胡國峰[13]以硅酸鹽水泥為主要膠凝材料，硫鋁酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰為改性材料，摻加再生EPS顆粒，制備高比強EPS混凝土并對其性能進行優(yōu)化研究。周燦燦[14]利用水泥、磷石膏、礦渣和粉煤灰作為膠凝料，加入秸稈、膨脹珍珠巖、聚苯顆粒制備輕質(zhì)保溫墻體材料。蔡麗朋[15]以再生聚苯顆粒、水泥、增黏劑為主要原料生產(chǎn)夾芯混凝土保溫砌塊，并對其性能進行分析。李紅飛[16]以石膏和水泥為膠凝材料，鋼渣和礦渣為骨料，并摻入聚苯顆粒、棉稈碎料進行復(fù)合，研制出了不同強度等級的復(fù)合自保溫空心砌塊，并測試其物理力學(xué)性能。為了增加固廢用量以及提高墻體材料性能，本文在固廢材料替代部分水泥的基礎(chǔ)上，研究聚苯顆粒、纖維素醚、乳膠粉、聚乙烯醇溶液對墻體材料性能的影響，分析作用機理，確定了輕質(zhì)保溫墻體材料的優(yōu)化配合比，制備出具有輕質(zhì)、保溫、施工簡便等特點的新型墻體材料。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，大連小野田水泥有限公司；脫硫石膏：遼寧鑫美嘉建筑裝飾材料有限公司，呈淡黃色，其化學(xué)成分見表1；粉煤灰：Ⅰ級，亞泰集團沈陽建材有限公司，其化學(xué)成分見表1；鐵尾礦：遼寧本溪歪頭山提供，采集后在實驗室經(jīng)過烘干，其化學(xué)成分見表1，特征粒徑見表2，粒徑分布見圖1；礦渣：遼寧鞍山鋼鐵集團，過篩后勃式比表面積法測得其比表面積為422m2/kg，密度為2.86g/cm3，其化學(xué)成分見表1；聚苯顆粒：沈陽市智聯(lián)建材有限公司，粒徑3～5mm，堆積密度8～21kg/m3；NaOH：天津化工三廠有限公司；纖維素醚：白色水溶性固體粉末，上海臣啟化工科技公司；可再分散乳膠粉：白色粉末，上海臣啟化工科技公司；聚乙烯醇溶液：自制，濃度5%；聚羧酸減水劑：減水率約25%，白色粉末，上海臣啟化工科技公司。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

表2 鐵尾礦的特征粒徑 μm

圖1 鐵尾礦的粒徑分布

1.2 制備方法

該試驗?zāi)z凝材料體系由水泥與堿激發(fā)膠凝材料組成：水泥20%、脫硫石膏40%、粉煤灰24%、礦渣6%、鐵尾礦10%、NaOH 1.6%。將原料按配合比均勻混合，充分攪拌，將料漿快速澆筑到待測試樣模具內(nèi)，輕微震動模具20～30次后抹平，自然成型，脫模后標養(yǎng)28 d，測試試樣抗壓強度、絕干密度、吸水率、軟化系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)，并進行機理分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 聚苯顆粒摻量對輕質(zhì)保溫墻體性能的影響

聚苯顆粒具有導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫效果好、表觀密度低、表面憎水性好等特點，作為保溫骨料摻入墻體材料中，可以降低墻體材料的密度，提高保溫、隔熱等性能[17]。膠凝材料體系配比不變，控制纖維素醚、乳膠粉、聚乙烯醇溶液和減水劑摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計）為0.4%、0.4%、1.0%、0.5%，水膠比為0.5，改變聚苯顆粒體積摻量及膠凝材料用量，配合比見表3。聚苯顆粒摻量對試樣性能的影響如圖2所示。

表3 聚苯顆粒輕質(zhì)保溫墻體配合比

由圖2可知：

（1）隨著聚苯顆粒摻量增加，抗壓強度逐漸降低，當(dāng)摻量為94%時，試樣的抗壓強度為1.46 MPa，符合JG/T 266—2011《泡沫混凝土》C1強度等級的要求。這是因為聚苯顆粒無法提供強度支撐，同時也會使試樣空隙率增大，導(dǎo)致強度下降。隨其摻量增加，需要漿體浸潤的聚苯顆粒也隨之增多，但由于漿料減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度及粘結(jié)力變小，以致試樣的骨架支撐效果不理想，強度逐漸降低。

（2）隨著聚苯顆粒摻量的增加，墻體材料的絕干密度逐漸降低，當(dāng)摻量為94%時，試樣的絕干密度為560 kg/m3，符合JG/T 266—2011中A06級的要求。這是因為聚苯顆粒相對于膠凝材料密度較小，隨其摻量增加，在試樣中填充體積也隨之增加，漿料相對減少，以致絕干密度逐漸降低。

圖2 聚苯顆粒摻量對墻體材料性能的影響

（3）隨著聚苯顆粒摻量的增加，熱阻不斷增大，導(dǎo)熱系數(shù)減小，當(dāng)聚苯顆粒摻量為94%時，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.132W/（m·K），符合JG/T 266—2011中A06級的要求。這是因為聚苯顆粒相對于膠凝材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，隨著摻量增加，試樣內(nèi)部形成許多封閉的孔洞，熱阻較大，以致導(dǎo)熱系數(shù)下降。

（4）隨著聚苯顆粒摻量增加，軟化系數(shù)逐漸增大，吸水率逐漸減小，當(dāng)摻量為94%時，軟化系數(shù)為95%、吸水率為17%，符合JG/T266—2011中W15級的要求。這是因為聚苯顆粒內(nèi)部含有很多的密閉小氣孔，表面為強憎水性，隨著摻量增加，減少了水分對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度及界面過渡區(qū)的不利影響，保護試件不受水分浸蝕，避免結(jié)構(gòu)破壞從而保證了強度，以致軟化系數(shù)逐漸增大，吸水率逐漸減小。

2.2 纖維素醚摻量對輕質(zhì)保溫墻體性能的影響

纖維素醚是一種水溶性物質(zhì)，能夠明顯改善試樣的保水性、和易性等性能，具有一定自養(yǎng)護的能力，可以在凝結(jié)硬化過程中不斷釋放自由水，使膠凝材料和聚苯顆粒的連結(jié)均勻密實，形成連續(xù)的體系[18]?？刂凭郾筋w粒體積摻量為94%、膠凝材料用量為540 g，水膠比0.5，減水劑摻量0.5%，探究纖維素醚摻量對試樣性能的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 纖維素醚摻量對墻體材料性能的影響

由表4可知：

（1）隨著纖維素醚摻量增加，試樣的抗壓強度逐漸降低，當(dāng)摻量為0.4%時，抗壓強度為1.450 MPa。這是因為纖維素醚在攪拌過程中不斷引入氣泡，導(dǎo)致基體的孔隙率提高，使試樣凝結(jié)硬化后的內(nèi)部出現(xiàn)大量的孔洞，以致試樣的骨架支撐相對減弱。當(dāng)試塊受壓時，由于柔性聚合物和孔洞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的密實度下降，無法提供剛性支撐作用替代膠凝材料，一定程度上削弱了復(fù)合基體[19]，導(dǎo)致強度逐漸降低。

（2）隨著纖維素醚摻量增加，試樣的干密度逐漸降低，當(dāng)摻量為0.4%時，干密度為583 kg/m3。這是因為纖維素醚的引氣作用，引入了大量均勻細小的氣泡，增大了漿體的稠度，使其更好地分散，減少拌合物泌水離析的發(fā)生。此外，纖維素醚還具有保水作用，試樣凝結(jié)硬化時，自由水不斷蒸發(fā)揮散，在材料內(nèi)部形成細小孔洞，導(dǎo)致試樣的干密度逐漸降低。

（3）隨著纖維素醚摻量增加，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，當(dāng)摻量為0.4%時，導(dǎo)熱系數(shù)為0.134 W/（m·K）。這是因為纖維素醚發(fā)揮了引氣與保水作用，隨著摻量增加，纖維素醚在拌合過程中吸引了大量均勻細小氣泡，攪拌用水量也隨之增多，試樣在凝結(jié)硬化后出現(xiàn)大量的孔洞。由于氣體的導(dǎo)熱系數(shù)低于基體的導(dǎo)熱系數(shù)，使試樣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。

（4）隨著纖維素醚摻量增加，吸水能力逐漸上升，軟化系數(shù)呈下降趨勢，當(dāng)摻量為0.4%時，試樣的吸水率為17.53%，軟化系數(shù)為92.00%。這是因為纖維素醚自身具有引氣作用，在拌合過程中不斷吸入均勻細小的氣泡，導(dǎo)致試樣孔隙率增大，從而吸水率有所上升[20]。同時，纖維素醚在水中具有一定的溶解性，一旦浸入水中后，會迅速從聚合物膜中溶解，破壞薄膜的整體結(jié)構(gòu)，造成試件浸泡在水中后的強度大幅下降[21]，導(dǎo)致試樣的軟化系數(shù)降低。

此外，纖維素醚還會影響漿料的水化反應(yīng)，具體表現(xiàn)為延緩凝結(jié)時間，延遲漿體系統(tǒng)的硬化過程。這主要是由于纖維素醚在水化反應(yīng)時對各種礦物相的吸附，主要是通過一系列的水化產(chǎn)物如C-S-H凝膠、Ca（OH）2等被吸附，對熟料中的原生礦物相則很少發(fā)生吸附。同時隨著孔溶液的黏度持續(xù)增大，Ca2+、SO42-離子在孔溶液中的活性降低，從而減緩了水化反應(yīng)[22]。

2.3 可再分散乳膠粉摻量對輕質(zhì)保溫墻體性能的影響

可再分散乳膠粉的分子鏈由親水性和憎水性2種性質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)組成，通過對聚苯顆粒表面進行定向吸附，使其具有親水性，有利于膠凝材料漿液更好的浸潤，不會產(chǎn)生分層懸浮的現(xiàn)象[23]。同時，可再分散乳膠粉能夠改善樣品的抗裂性、粘結(jié)性、抗折強度、沖擊性和耐磨性等性能，增強了保水能力，具有較好的施工性[24]。這是由于可再分散乳膠粉能形成一層具有氣孔的聚合物膜，氣孔的表面填滿了漿液，由聚合物形成的薄膜能夠改善水化反應(yīng)形成剛性框架的彈性和延展性，減少應(yīng)力的集中，并在外力的作用下產(chǎn)生松弛而不會發(fā)生斷裂[25]。控制聚苯顆粒體積摻量為94%、膠凝材料用量為540 g，水膠比0.5，纖維素醚、減水劑摻量分別為0.4%、0.5%，探究乳膠粉摻量對試樣性能的影響，結(jié)果見表5。

表5 乳膠粉摻量對墻體材料性能的影響

由表5可知：

（1）隨著乳膠粉摻量增加，試樣的抗壓強度、絕干密度、導(dǎo)熱系數(shù)都逐漸降低，當(dāng)摻量為0.4%時，抗壓強度為1.422MPa、絕干密度為570 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.133 W/（m·K）。這是因為乳膠粉在拌合過程中形成聚合物網(wǎng)絡(luò)會隔斷無機膠凝網(wǎng)絡(luò)，阻止其水化，此時聚合物網(wǎng)絡(luò)的粘結(jié)強度較膠凝組分低。同時乳膠粉具有引氣的功能，在分散時其表面活性分子會從外部引入細小氣泡，試樣在凝結(jié)硬化后會出現(xiàn)部分孔隙，導(dǎo)致了試樣的抗壓強度、干密度下降。此外，由于空氣相對于膠凝材料和聚苯顆粒的熱傳導(dǎo)能力較小，當(dāng)乳膠粉摻量增加時，氣泡含量不斷增大，從而使試樣的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降。

（2）隨著乳膠粉摻量增加，吸水率逐漸減小，軟化系數(shù)逐漸增大，當(dāng)摻量為0.4%時，試樣的吸水率為17.36%，軟化系數(shù)為92.85%。這是因為乳膠粉的摻量增大，拌合物工作性能變好，形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)狀薄膜可以堵塞砂漿內(nèi)部孔隙，使膠凝材料組分與聚苯顆粒界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)更加致密，內(nèi)部空隙減少，減少了水分對墻體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實度以及界面聯(lián)結(jié)情況的影響，保護試件不受水分浸蝕破壞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸水率逐漸降低，軟化系數(shù)逐漸提高。

乳膠粉對聚苯顆粒的改性作用機理原因是：可再分散乳膠是一種具有極性基團的高分子聚合物，當(dāng)乳膠粉與聚苯顆粒發(fā)生接觸時，其主鏈上的非極性鏈段部分會與聚苯顆粒的非極性表面產(chǎn)生物理吸附反應(yīng)，從而使聚苯顆粒從憎水性向親水性轉(zhuǎn)變。當(dāng)與膠凝組分混合攪拌時，其表面吸附的極性基團與膠凝組分發(fā)生了交互作用，良好地緊密結(jié)合在一起，明顯地改善漿體的和易性，并極大地提高了粘結(jié)力，使得聚苯顆粒在漿液中的分布均勻，沒有發(fā)生上浮現(xiàn)象，減少了分層程度，增加了保水性[26-27]。

2.4 聚乙烯醇溶液摻量對輕質(zhì)保溫墻體性能的影響

聚乙烯醇（PVA）是一種含有大量活性羥基基團的高分子化合物，具備優(yōu)異的水溶性、成膜性、粘結(jié)性等性能。PVA常被用于提高水泥基材料與聚苯顆粒骨料間的粘結(jié)性能，其組分中非極性的一端會定向吸附在聚苯顆粒表面，而羥基會向外伸出，從而在聚苯顆粒表面形成一層單分子吸附層[28]?？刂凭郾筋w粒體積摻量為94%、膠凝材料用量為540 g，水膠比為0.5，纖維素醚、乳膠粉、減水劑摻量分別為0.4%、0.4%、0.5%，探究聚乙烯醇溶液摻量對試樣性能的影響，結(jié)果見表6。

表6 聚乙烯醇溶液摻量對墻體材料性能的影響

由表6可知，隨著聚乙烯醇摻量增加，抗壓強度先提高后降低，絕干密度、導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸降低，當(dāng)摻量為1.0%時，試樣的抗壓強度為1.46 MPa、絕干密度為560 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.132W/（m·K）。這是因為聚乙烯醇在料漿中除了改善了聚苯顆粒與膠凝組分之間的界面性質(zhì)，提高界面粘結(jié)強度之外，還填充在無機料顆粒的空隙中，達到了減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙率的目的，從而強度提高。當(dāng)聚乙烯醇摻量過多時，會覆蓋或阻斷無機膠凝網(wǎng)絡(luò)，破壞了材料的整體強度增長，甚至在微裂紋處膨脹，導(dǎo)致強度降低。在拌合過程中，聚乙稀醇發(fā)揮穩(wěn)定氣泡作用，在凝結(jié)硬化的后期，一部分氣泡停留在材料內(nèi)部，造成料漿硬化體內(nèi)部多孔的效果，導(dǎo)致材料的絕干密度、導(dǎo)熱系數(shù)降低。

2.5 輕質(zhì)保溫墻體樣品形態(tài)

選用聚苯顆粒體積摻量94%、水泥20%、脫硫石膏40%、粉煤灰24%、礦渣6%、鐵尾礦10%、NaOH 1.6%、纖維素醚0.4%、可再分散乳膠粉0.4%、聚乙烯醇溶液1.0%、減水劑0.5%，此配比中固廢用量達80%，制得的輕質(zhì)保溫墻體抗壓強度為1.46 MPa，干密度為560 kg/m3，施工和易性較好，綜合性能較佳，樣品形態(tài)如圖3所示。

圖3 輕質(zhì)保溫墻體樣品形態(tài)

3 結(jié)論

（1）聚苯顆粒對墻體材料的構(gòu)成起到了至關(guān)重要的作用，其摻量對各項性能影響效果顯著，隨著聚苯顆粒摻量的增加，墻體材料的絕干密度、抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率均逐漸下降，軟化系數(shù)逐漸增大。

（2）纖維素醚具有引氣、增稠等效果，能夠改善樣品的性能。隨著纖維素醚摻量增加，墻體材料的干密度、抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)和軟化系數(shù)逐漸減小，吸水率逐漸增大。

（3）可再分散乳膠粉能夠使聚苯顆粒具有親水性，不會產(chǎn)生分層懸浮。同時乳膠粉能夠改善樣品的抗裂性、粘結(jié)性和易性等性能。隨著乳膠粉摻量的增加，墻體材料的絕干密度、抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率均逐漸下降，軟化系數(shù)逐漸增大。

（4）聚乙烯醇具有優(yōu)異的成膜性、粘結(jié)性和乳化性，能夠改善水泥基材料與聚苯顆粒骨料間的粘結(jié)。隨著聚乙烯醇溶液摻量的增加，墻體材料的絕干密度、導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，抗壓強度先提高后降低。

（5）考慮到實際應(yīng)用情況，輕質(zhì)保溫墻體的優(yōu)化配比為：聚苯顆粒體積摻量94%，水泥20%、脫硫石膏40%、粉煤灰24%、礦渣6%、鐵尾礦10%、NaOH 1.6%、纖維素醚0.4%、可再分散乳膠粉0.4%、聚乙烯醇溶液1.0%、減水劑0.5%，此配比中固廢用量達80%，按此配比制備的輕質(zhì)墻體材料抗壓強度為1.46 MPa，干密度為560 kg/m3，施工和易性較好，綜合性能較佳。