促強減縮劑在熱固復(fù)合聚苯板中的應(yīng)用研究

劉成健 ，張振秋 ，葛仲熙 ，陳智豐 ，周健

（1.唐山北極熊建材有限公司，河北 唐山 063705；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401）

0 引言

有機類保溫材料具有密度小、保溫、隔熱效果好的優(yōu)點，在外保溫市場占據(jù)主導(dǎo)地位，如膨脹聚苯板（EPS）、膨脹擠塑板（XPS）、聚氨酯（PU）保溫材料、酚醛保溫板（PF）等，但存在不防火的嚴(yán)重缺陷，其最佳防火等級為B1級（難燃），因此存在著很大的安全隱患。GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》中對墻體保溫材料各部位的燃燒性能等級作了明確的規(guī)定，其中涉及到保溫材料達到燃燒性能A級的條文如下：（1）建筑的內(nèi)、外墻保溫系統(tǒng)，宜采用燃燒性能為A級的保溫材料，不宜采用B2級保溫材料，嚴(yán)禁使用B3級保溫材料。（2）人員密集場所建筑，其外墻保溫材料燃燒性能應(yīng)為A級。（3）住宅建筑，建筑高度大于100 m時，保溫材料的燃燒性能等級應(yīng)為A級。（4）其他建筑，建筑高度大于50 m時，保溫材料的燃燒性能等級應(yīng)為A級。（5）與基層墻體、裝飾層之間有空腔的外墻保溫系統(tǒng)，建筑高度大于24 m時，保溫材料的燃燒性能等級應(yīng)為A級。（6）當(dāng)外墻外保溫系統(tǒng)采用B1、B2級保溫材料時，設(shè)置的防火隔離帶應(yīng)采用燃燒性能為A級的材料。（7）建筑外墻的裝飾層宜采用燃燒性能為A級的材料。

目前，市場上外墻保溫用A級防火材料大致分為巖棉保溫板、水泥發(fā)泡保溫板、勻質(zhì)改性防火保溫板、熱固復(fù)合樹脂泡沫保溫板4大類。

第1類：GB/T 25975—2010《建筑外墻外保溫用巖棉制品》中規(guī)定外墻用巖棉保溫制品的燃燒性能A級，干密度150～200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.040 W/（m·K），壓縮強度≥40 kPa，抗拉強度≥15 kPa。雖然巖棉具有良好的保溫、隔熱、隔聲、吸聲性能，具有密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、不燃燒的優(yōu)點。但是巖棉在被水浸泡后馬上軟塌，尺寸變形較大，直接導(dǎo)致保溫性能的降低。

第2類：JC/T 2200—2013《水泥基泡沫保溫板》中規(guī)定水泥發(fā)泡保溫板I型燃燒性能A級、干密度≤180 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.055 W/（m·K）、抗壓強度≥0.3 MPa、抗拉強度≥80 kPa。該材料是以無機材料為主體，因而防火性能好。但在密度較低時，存在強度偏低、損耗率大、吸水率大、抗碳化性差、軟化性能差、抗凍融能力差的一些列缺點。

第3類：DBHJ/T015—2014《勻質(zhì)改性防火保溫板建筑外保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定勻質(zhì)改性防火保溫板燃燒性能A級、干密度≤180 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.056 W/（m·K）、抗壓強度≥0.3 MPa、抗拉強度≥0.13 MPa。勻質(zhì)改性板是以硅、鈣質(zhì)礦物原料及粘結(jié)改性劑為無機膠結(jié)材料，添加復(fù)合膨脹聚苯乙烯泡沫顆粒（又稱膨脹聚苯顆粒），輔以適量發(fā)泡、憎水等添加劑（不含氧化鎂、氯化鎂），經(jīng)加水混合攪拌、模具或設(shè)備壓制成型、養(yǎng)護、加工制成。該材料所采用的的硅、鈣質(zhì)礦物原料主要為水泥、硅灰、摻合料等，在密度較低時存在脫模時間長、早期強度低、包裹性差、阻燃性能差、尺寸變形大的問題，造成了勻質(zhì)改性板行業(yè)在實際生產(chǎn)過程中普遍存在生產(chǎn)效率偏低、防火性能較差、板材容易產(chǎn)生翹曲變形等問題。

第4類：JG/T 536—2017《熱固復(fù)合聚苯乙烯泡沫保溫板》G型中規(guī)定熱固復(fù)合樹脂泡沫保溫板燃燒性能A級、干密度140～200kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)分≤0.050W/（m·K）、≤0.060W/（m·K）2個級別；抗壓強度分≥0.15 MPa、≥0.20 MPa 2個級別；抗拉強度分≥0.10 MPa、≥0.12 MPa 2個級別。熱固復(fù)合聚苯乙烯泡沫保溫板是采用聚苯乙烯顆?；虬宀臑楸鼗w，以熱固性樹脂、無機膠凝材料、添加劑及填料等1種或多種原料為處理劑，通過顆粒包覆、粒料混合或基板滲透等復(fù)合工藝制成，在受火狀態(tài)下具有一定的形狀保持能力且不產(chǎn)生熔融物滴落特點的保溫板，簡稱熱固復(fù)合聚苯板（TEPS）。相比于勻質(zhì)改性防火保溫板，熱固復(fù)合聚苯板的保溫效果更好、質(zhì)量更輕、分級更具體，適合于不同地區(qū)、不同場所、不同環(huán)境保溫節(jié)能的需要。

本體系采用的熱固復(fù)合聚苯板配比設(shè)計分別以P·O42.5級、P·O52.5級水泥、72.5級超細(xì)硅酸鹽水泥，以聚苯乙烯顆料為保溫基體，內(nèi)摻23%促強減縮劑，采用澆筑工藝或壓制工藝進行研究，通過對比熱固復(fù)合樹脂泡沫保溫板的脫模時間、早期強度、后期強度、并結(jié)合市場實際應(yīng)用的性價比，最終得出采用P·O52.5水泥為基材、內(nèi)摻23%促強減縮劑、采用澆筑工藝可制得脫模時間≤2 h、干密度≤180 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.053W/（m·K）、抗壓強度≥0.6MPa、抗拉強度≥0.14MPa、燃燒性能A級；采用壓制工藝制作的熱固復(fù)合樹脂保溫板脫模時間≤4 h、干密度≤150 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)≤0.042 W/（m·K）、抗壓強度≥0.3 MPa、抗拉強度≥0.12 MPa、燃燒性能A級。分別符合JG/T 536—2017中G型060級、050級的要求。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：唐山冀東水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級、P·O52.5級水泥，其性能符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的要求；山東潤成粉體有限公司生產(chǎn)的超細(xì)普通硅酸鹽水泥，其比表面積≥750 m2/kg，強度等級為72.5。

促強減縮劑：唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)。以硫鋁酸鈣為主要成分，復(fù)合促強、減縮、礦物活化功能組分，摻加到硅酸鹽水泥基材料中，能夠提高早期和后期強度、減少體積收縮的粉狀材料。其性能指標(biāo)見表1。

表1 促強減縮劑的物理力學(xué)性能指標(biāo)

EPS聚苯顆粒：唐山當(dāng)?shù)禺a(chǎn)，堆積密度為10 kg/m3，粒徑為 1.5～2.0 mm。

超細(xì)硅灰：甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)，為無定型超細(xì)粉末，灰色，其性能指標(biāo)見表2。

表2 硅灰的性能指標(biāo)

天津雄冠科技有限公司生產(chǎn)的動物型發(fā)泡劑1650型。

唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的用于調(diào)整操作時間與工作狀態(tài)的復(fù)合調(diào)節(jié)劑E-1#和E-2#。

1.2 設(shè)計配合比

按照J(rèn)G/T 536—2017中G型050級、060級的規(guī)定，分別設(shè)計050級壓制工藝配合比和060級澆筑工藝配合比。

1.2.1 050級配比設(shè)計及壓制工藝

分別采用P·O42.5、P·O52.5級水泥、72.5級超細(xì)普硅水泥為基材，摻入23%促強減縮劑，加入硅灰和E-1#外加劑按設(shè)計水灰比進行一次攪拌，經(jīng)測試漿料的密度為1540 kg/m3；然后加入一定體積的EPS聚苯顆粒輕質(zhì)骨料，進行二次攪拌均勻后，按照體積壓縮比例30%用液壓機壓制，壓制后的板材濕密度≤170 kg/m3，烘干密度≤150 kg/m3。之后，對采用不同水泥基制作的050級熱固復(fù)合樹脂保溫板的脫模時間、早期強度、后期強度進行對比試驗。并進一步對內(nèi)摻23%促強減縮劑對不同水泥基制作的050級熱固聚苯板脫模時間、早期強度、后期強度的影響進行了實驗研究，配合比詳見表3。

體積壓縮比的計算方法如式（1）：

式中：W——體積壓縮比，%；

V1——壓縮前制品體積；

V2——壓縮后制品體積。

表3 050級壓制工藝熱固復(fù)合聚苯板配合比 %

1.2.2 060級配比設(shè)計及澆筑工藝

分別采用P·O42.5、P·O52.5級水泥、72.5級超細(xì)普硅水泥為基材，摻入23%促強減縮劑、E-2#外加劑，按設(shè)計水灰比進行一次攪拌；然后采用物理發(fā)泡工藝，制成密度為800 kg/m3的物理發(fā)泡漿體，再加入一定體積的EPS聚苯顆粒輕質(zhì)骨料，進行二次攪拌均勻后，采用澆筑成型工藝制作熱固復(fù)合樹脂保溫板材，板材濕密度≤200 kg/m3，烘干密度≤180 kg/m3。之后，對采用不同水泥基制作的060級熱固復(fù)合聚苯板的脫模時間、早期強度、后期強度進行了對比試驗，并進一步就內(nèi)摻23%促強減縮劑對不同水泥基材制作的060級熱固復(fù)合樹脂保溫板的脫模時間、早期強度、后期強度的影響進行了試驗研究，配合比詳見表4。

表4 060級澆筑工藝熱固復(fù)合聚苯板配合比 %

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 脫模時間

通過觀察熱固復(fù)合聚苯板成型后，是否可拆模且拆模后不會產(chǎn)生破損，確定脫模原則及時間。經(jīng)過反復(fù)比對，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱固復(fù)合聚苯板的抗壓強度達到0.1 MPa時，可以達到脫模要求。根據(jù)該原則，測試熱固復(fù)合聚苯板的脫模時間。

2.1.1 050級壓制成型熱固復(fù)合聚苯板（見圖1）

圖1 050級壓制成型熱固復(fù)合聚苯板的脫模時間

由圖 1可見，在 A1（P·O42.5水泥）、A2（P·O52.5水泥）、A3（72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥）3種不同水泥為基材的熱固復(fù)合樹脂壓制工藝中，采用P·O42.5水泥的脫模時間最長為50 h，采用P·O52.5水泥與72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥制備的保溫板的脫模時間都為40 h，這是因為P·O52.5水泥與72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥中熟料成分較高、混合材摻入量少、早期水化速度較快，所以相比于P·O42.5水泥的脫模時間有所縮短。當(dāng)摻入促強減縮劑后，A4（P·O42.5水泥）、A5（P·O52.5水泥）、A6（72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥）3種不同水泥為基材的熱固復(fù)合樹脂壓制工藝的脫模時間分別為8 h、4 h和4 h，脫模時間相比于不加促強減縮劑的都大大縮短，說明促強減縮劑的摻入顯著提高了基材的硬化速度；同時，P·O52.5水泥與72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥為基材的脫模時間相比P·O42.5水泥為基材提前4 h，符合水泥水化的正常規(guī)律。

2.1.2 060級澆筑成型熱固復(fù)合聚苯板（見圖2）

圖2 060級澆筑成型熱固復(fù)合聚苯板脫模時間

由圖 2可見，在 B1（P·O42.5水泥）、B2（P·O52.5水泥）、B3（72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥）3種不同水泥為基材的澆筑型熱固復(fù)合樹脂保溫板的脫模時間分別為24 h、20 h和18 h；在B4（P·O42.5 水泥）、B5（P·O52.5水泥）、B6（72.5 超細(xì)普通硅酸鹽水泥）3種保溫板的脫模時間分別為4 h、2 h和2 h。摻入促強減縮劑后，澆筑型熱固復(fù)合樹脂保溫板的脫模時間也大大縮短，促強減縮劑對3種水泥制備的保溫板凝結(jié)時間的作用規(guī)律基本一致；摻入促強減縮劑后，P·O52.5與72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥制備的保溫板脫模時間一致。

2.2 各齡期強度

2.2.1 050級壓制成型熱固復(fù)合聚苯板（見圖3）

圖3 050級壓制成型熱固復(fù)合聚苯板的各齡期強度

由圖 3 可見，對于早期強度（2、4、6、8 h），未摻入促強減縮劑的 A1（P·O42.5 水泥）、A2（P·O52.5 水泥）、A3（72.5 超細(xì)普通硅酸鹽水泥）3組配比在8 h以內(nèi)基本沒有強度；摻入促強減縮劑的 A4（P·O42.5 水泥）、A5（P·O52.5 水泥）、A6（72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥）3組配比中，A4組8 h出現(xiàn)強度，抗壓強度為0.1 MPa；A5組的4 h、6 h和8 h的抗壓強度分別為0.10、0.11 和 0.12 MPa；A6組的 4 h、6 h和 8 h的抗壓強度分別為0.10、0.12和0.13 MPa。促強減縮劑的摻入提高了熱固復(fù)合樹脂壓制型保溫板的小時強度，實現(xiàn)P·O42.5、P·O52.5、超細(xì)72.5普硅水泥制備的保溫板在8 h內(nèi)超過0.10 MPa；其中，P·O52.5、72.5級超細(xì)普硅水泥制備的保溫板抗壓強度在4 h達到0.10 MPa。

在后期各齡期（1 d、3 d、7 d、28 d）測試中，未摻入促強減縮劑的3組配比A1、A2和A3在1 d基本沒有抗壓強度，最早抗壓強度從3 d開始測試；而摻入促強減縮劑的3組配比A4、A5和A6的抗壓強度發(fā)展很快。從強度的發(fā)展規(guī)律觀察，未摻入促強減縮劑的3組配比中，A2、A3組各齡期抗壓強度明顯優(yōu)于A1組，A3組在3 d、7 d高于A2組，但28 d時A2組的抗壓強度超過A3組。

摻入促強減縮劑的3組試件中，A5組與A6組的各齡期的抗壓強度明顯優(yōu)于A4組，除了1 d抗壓強度A6組高于A5組，其它各齡期強度A5組均高于A6組。上述說明，無論是否摻入促強減縮劑，以P·O52.5水泥、72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥為基材的保溫板抗壓強度均高于以P·O42.5水泥為基材的保溫板抗壓強度；72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥的1～7 d抗壓強度較高，但28 d時，P·O52.5水泥為基材的保溫板抗壓強度最高。再將促強減縮劑摻入前后的保溫板抗壓強度進行對比，發(fā)現(xiàn)摻入促強減縮劑后的保溫板各齡期抗壓強度均高于未摻入促強減縮劑的保溫板，說明促強減縮劑在本體系中起到顯著提高保溫板各齡期抗壓強度的作用。

2.2.2 060級澆筑成型熱固復(fù)合聚苯板（見圖4）

圖4 060級澆筑成型熱固復(fù)合聚苯板的各齡期強度

由圖 4 可見，對于早期強度（2、4、6、8 h），采用未摻入促強減縮劑的3種不同水泥基材的熱固復(fù)合樹脂保溫板B1（P·O42.5水泥）、B2（P·O52.5水泥）和 B3（72.5超細(xì)普通硅酸水泥）在8 h內(nèi)基本沒有抗壓強度；摻入促強減縮劑的3組配比 B4、B5（P·O52.5水泥）和 B6（72.5超細(xì)普通硅酸水泥）的2～8 h抗壓強度由高到低的次序為72.5超細(xì)普通硅酸水泥＞P·O52.5水泥＞P·O42.5水泥。說明促強減縮劑的摻入顯著提高了2～8 h的早期強度，且促強減縮劑對3種水泥制備的保溫板早期強度的作用規(guī)律一致。

在后期各齡期（1、3、7、28 d）測試中，無論各配比中是否加入促強減縮劑，均有如下規(guī)律：在1 d和3 d齡期時，采用不同水泥基材抗壓強度由高到低的次序為：72.5超細(xì)普通硅酸水泥＞P·O52.5水泥＞P·O42.5水泥；7 d和 28 d齡期時，不同水泥基材抗壓強度由高到低的次序為：P·O52.5水泥＞72.5超細(xì)普通硅酸水泥＞P·O42.5水泥。B2、B3兩組配比的1 d抗壓強度分別與B5、B6組持平，但B1組的1 d的抗壓強度明顯低于B2組。說明本體系中，采用P·O42.5水泥制備的保溫板早期強度在不摻入促強減縮劑時發(fā)展較為緩慢。在3、7、28 d齡期時，對比有無促強減縮劑的配方，強度沒有明顯差距，說明本體系中促強減縮劑加入對后期強度沒有負(fù)面影響。

2.3 機理分析

通常情況下，普通硅酸鹽水泥相同摻量時，其強度等級越高，熟料比例越大，比表面積越大，則其水化速率越快，早期強度發(fā)展越快，后期強度越高。在早期，采用72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥保溫板抗壓強度高于P·O52.5及P·O42.5水泥保溫板；但在后期，P·O52.5水泥保溫板抗壓強度高于72.5超細(xì)普通硅酸鹽及P·O42.5水泥保溫板，這說明P·O52.5水泥雖然比表面積、強度等級均低于72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥，但在本體系中有著良好的配伍性、適應(yīng)性，所以在7 d、28 d齡期時其抗壓強度表現(xiàn)更佳。

促強減縮劑中 Al2O3、CaO 和 SO3以 3CaO·3Al2O3·CaSO4（簡寫為）的形式存在，當(dāng)促強減縮劑與普通硅酸鹽水泥復(fù)配后很快發(fā)生如下反應(yīng)：C4A3+2CS+38H→C3A·3C·H32+2AH3（gel），生成一定量的高硫型水化硫鋁酸鈣，即（鈣礬石）和鋁膠，大大提高了早期強度；經(jīng)過特殊處理的促強減縮劑中的硫酸鹽及其他外加劑組分，對硅酸鹽水泥礦物的水化作用增強，隨著反應(yīng)的不斷深入，鈣礬石與鋁膠形成的數(shù)量增多，反應(yīng)速度加快，對硅酸鹽水泥礦物的水化作用增強。

所以復(fù)配后的體系凝結(jié)速度加快、脫模時間縮短、早期強度明顯提高。同時，早期生成鈣礬石的強度骨架被膠體填充，從而使水泥石的結(jié)構(gòu)致密，孔隙率降低，強度提高。當(dāng)C4A3完全水化后，水泥的水化進程基本上與硅酸鹽水泥相一致。所以，促強減縮劑在本體系中不同類型的普通硅酸鹽水泥為基材條件下，起到了加快凝結(jié)硬化、縮短脫模時間、提高早期和后期強度的作用。

2.4 綜合分析

通過性能及性價比分析，以P·O52.5水泥內(nèi)摻23%促強減縮劑為基材，采用壓制工藝或澆筑工藝制作的熱固復(fù)合聚苯板的綜合性能最好。按照J(rèn)G/T 536—2017中G型050級、060級的標(biāo)準(zhǔn)分別對上述保溫板材進行檢測，各項性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求（見表5）。

表5 熱固復(fù)合聚苯乙烯泡沫保溫板（G型）性能指標(biāo)

3 結(jié)論

（1）采用3種不同水泥為基材制備的熱固復(fù)合聚苯板，其早期強度由高到低的發(fā)展規(guī)律為：72.5級超細(xì)普通硅酸鹽水泥＞P·O52.5 水泥＞P·O42.5 水泥；后期強度發(fā)展規(guī)律為：P·O52.5水泥＞72.5超細(xì)普通硅酸鹽水泥＞P·O42.5水泥。

（2）摻入促強減縮劑后，熱固復(fù)合聚苯板的脫模時間大大縮短，早期強度發(fā)展迅速，后期強度持續(xù)增長；促強減縮劑對3種水泥制備的保溫板的早期強度和后期強度的作用規(guī)律一致。通過性能綜合分析及市場的性價比確定，以P·O52.5水泥內(nèi)摻23%促強減縮劑為基材，采用壓制工藝或澆筑工藝制備的熱固復(fù)合聚苯板綜合性能最好。

（3）采用P·O52.5水泥，內(nèi)摻23%促強減縮劑為基材，通過壓制工藝和澆筑工藝制備的熱固復(fù)合聚苯板，其物理性能完全可達到JG/T 536—2017中G型050級、060級的標(biāo)準(zhǔn)要求。