EPS顆粒對超輕水泥基復(fù)合保溫材料性能的影響

吳子豪，王武祥,2，劉廣東，王愛軍，張磊蕾,2，楊 俊

(1.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024；2.綠色建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3.焦作朝欽節(jié)能建材股份有限公司，焦作 454950)

0 引 言

泡沫混凝土是以水泥為膠凝材料，集料、混合材、外加劑、泡沫劑或發(fā)泡劑、水為主要原料，采用物理或化學(xué)發(fā)泡工藝制成的輕質(zhì)多孔水泥基材料,其中含有大量均勻分布的封閉氣孔，因而具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、防潮等特性，在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。以泡沫混凝土為基材生產(chǎn)的無機(jī)和復(fù)合保溫材料已經(jīng)進(jìn)入國家與地方行業(yè)主管部門推廣目錄。我國建筑節(jié)能工作穩(wěn)步推進(jìn)并向縱深發(fā)展，對泡沫混凝土基保溫材料高性能化提出了更高要求，尤其是熱工性能和力學(xué)性能。

膨脹聚苯乙烯泡沫塑料顆粒(EPS顆粒)由可發(fā)性聚苯乙烯珠粒經(jīng)過預(yù)發(fā)泡形成，內(nèi)部98%空間充滿空氣，因而具有密度極低、絕熱性好,封閉結(jié)構(gòu)防止水分吸收和球形結(jié)構(gòu)有利于提高基體抗壓強(qiáng)度等特點(diǎn)。研究[3-6]表明，將EPS顆粒添加于泡沫混凝土基體中，可提高抗壓強(qiáng)度、降低吸水率、改善抗凍性，同時(shí)賦予其良好的熱工性能?，F(xiàn)階段研究工作主要集中于干表觀密度在200 kg/m3以上的EPS顆粒-泡沫混凝土復(fù)合材料，抗壓強(qiáng)度不超過0.42 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)難以低于0.059 W/(m·K)[7-9]。2018年10月22日，我國發(fā)布了建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T 2479—2018《水泥基復(fù)合材料保溫板》，規(guī)定Ⅰ型水泥基復(fù)合材料保溫板干表觀密度不大于250 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)不超過0.060 W/(m·K)。顯然，現(xiàn)有水泥基復(fù)合保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)偏高，難以滿足我國寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)最新建筑節(jié)能要求，研發(fā)干表觀密度不大于120 kg/m3的超輕水泥基復(fù)合保溫材料(ultra-light cement-based composite thermal insulation material， UCIM)成為行業(yè)發(fā)展最新課題。

本文在保持UCIM干表觀密度為120 kg/m3的條件下，系統(tǒng)研究了將EPS顆粒摻入泡沫混凝土后，對泡沫混凝土基體孔結(jié)構(gòu)、UCIM強(qiáng)度和熱工性能的影響，解析了EPS顆粒和泡沫混凝土基體協(xié)同作用提高UCIM強(qiáng)度的機(jī)理，為UCIM高性能化、配合比設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)強(qiáng)度與導(dǎo)熱系數(shù)、生產(chǎn)應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

制備UCIM所用原材料包括水泥、泡沫劑、混合材、超輕骨料、改性劑和水。水泥選用山東康晶新材料科技有限公司生產(chǎn)的超細(xì)硅酸鹽水泥，細(xì)度為1 340目(10 μm)，水泥的化學(xué)組成見表1；泡沫劑選用河南華泰新材科技股份有限公司生產(chǎn)的植物蛋白型泡沫劑；混合材選用甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)的硅灰，灰白色粉末；超輕骨料選用泰州方正建材有限公司生產(chǎn)的EPS顆粒，堆積密度為5.0 kg/m3，顆粒粒徑為2.5～5.0 mm；改性劑包括減水劑、速凝劑和短切纖維，減水劑選用型號為SP-409的聚羧酸減水劑(白色粉末)，速凝劑選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的自制硫酸鋁溶液，纖維選用江蘇絲絲緣纖維有限公司生產(chǎn)的長度為3～5 mm的聚丙烯(PP)纖維。

表1 超細(xì)硅酸鹽水泥的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of ultrafine Portland cement

1.2 制備過程

1.2.1 水泥漿體基礎(chǔ)配合比

制備UCIM所用水泥漿體基礎(chǔ)配合比(質(zhì)量比)為：m(超細(xì)硅酸鹽水泥) ∶m(硅灰) ∶m(減水劑) ∶m(速凝劑) ∶m(PP纖維) ∶m(水)=85.22 ∶15.22 ∶0.51 ∶5.13 ∶0.77 ∶63.04。

1.2.2 EPS顆粒摻量設(shè)計(jì)

EPS顆粒摻量用單位體積UCIM中摻加EPS顆粒的堆積體積表示。共設(shè)計(jì)了11個(gè)體積摻量，即：0 m3/m3、0.2 m3/m3、0.4 m3/m3、0.5 m3/m3、0.6 m3/m3、0.7 m3/m3、0.8 m3/m3、0.9 m3/m3、1.0 m3/m3、1.1 m3/m3和1.2 m3/m3。

1.2.3 泡沫混凝土料漿制備

先將泡沫劑與水按1 ∶40的體積比稀釋成泡沫劑水溶液，然后采用轉(zhuǎn)速為700 r/min的高速攪拌器制成氣泡大小均勻、穩(wěn)定的泡沫。同時(shí)按基礎(chǔ)配合比計(jì)量水泥、硅灰、減水劑、PP纖維和水，使用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌90 s，然后加入速凝劑后再攪拌60 s，最后加入預(yù)制好的泡沫繼續(xù)攪拌30 s，制成均勻黏稠的泡沫混凝土料漿。

1.2.4 UCIM料漿制備

在1.2.3節(jié)加入泡沫前摻加計(jì)量好的EPS顆粒后繼續(xù)攪拌60 s，再加入預(yù)制好的泡沫繼續(xù)攪拌30 s，從而制成均勻黏稠狀的UCIM料漿。

1.2.5 試件制備

采用泡沫混凝土料漿模制UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度試塊，采用UCIM料漿模制性能試驗(yàn)所需規(guī)格試塊。模制試塊脫模后蒸汽養(yǎng)護(hù)24 h(蒸汽溫度70 ℃)，然后將試塊置于實(shí)驗(yàn)室備用。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 物理力學(xué)性能

干表觀密度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度按JC/T 2479—2018《水泥基復(fù)合材料保溫板》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行。其中干表觀密度和抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；抗拉強(qiáng)度試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，用適當(dāng)?shù)哪z粘劑將試件上表面與尺寸為40 mm×40 mm的接頭粘結(jié)，試件下表面與尺寸為70 mm×70 mm的試驗(yàn)板粘結(jié)，通過接頭將試件安裝于KZJ-6000型水泥電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)上，拉伸至破壞并記錄破壞時(shí)的拉力及破壞部位，破壞部位在接頭及試驗(yàn)板粘結(jié)界面時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效。導(dǎo)熱系數(shù)按GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護(hù)熱板法》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行，試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，烘干溫度為(65±2) ℃。

1.3.2 孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

采用非切割方法取得UCIM斷面，并用壓縮空氣清理干凈；然后采用超景深三維顯示系統(tǒng)(VHX-600e)拍攝UCIM斷面，每個(gè)斷面選取3個(gè)代表性位置進(jìn)行拍攝；再用Photoshop、Image-Pro Plus分析處理斷面照片，獲取平均孔徑和孔徑分布[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 EPS顆粒摻量對泡沫混凝土基體孔結(jié)構(gòu)的影響

研究UCIM中泡沫混凝土基體孔結(jié)構(gòu)時(shí)，將孔徑分為≤100 μm、100～150 μm、150～200 μm、200～250 μm、250～300 μm、≥300 μm六個(gè)區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，不同EPS顆粒摻量時(shí)各孔徑范圍內(nèi)氣孔數(shù)量占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖1?？梢钥闯觯琔CIM的泡沫混凝土基體中95%以上氣孔孔徑處于0～300 μm范圍內(nèi)，而孔徑大于300 μm的氣孔所占比例不足5%。未摻EPS顆粒時(shí)，泡沫混凝土基體孔徑在100～150 μm范圍內(nèi)的氣孔占比最大，高達(dá)53%，孔徑大于300 μm的氣孔占比最小，只有1%。隨著EPS顆粒摻量增加，孔徑低于150 μm的氣孔占比下降，孔徑在150 μm以上的氣孔占比逐漸提高，即隨EPS顆粒摻量增加，UCIM的泡沫混凝土基體中氣孔孔徑分布在向孔徑較大方向遷移。

圖1 不同EPS顆粒摻量時(shí)UCIM中泡沫混凝土基體孔徑分布圖Fig.1 Aperture distribution diagram of foamed concrete matrixin UCIM with different EPS particles dosages

圖2為不同EPS顆粒摻量時(shí)所制UCIM中泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可以看出，隨著EPS顆粒摻量提高，泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑呈增大趨勢，平均孔徑從127 μm增至190 μm，EPS顆粒摻量為1.2 m3/m3時(shí)，泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑是不摻EPS顆粒時(shí)的1.5倍。顯然，無論是孔徑分布還是平均孔徑，均佐證UCIM的泡沫混凝土基體中大孔比例隨EPS顆粒摻量增加明顯增多。分析發(fā)現(xiàn)，在制備UCIM時(shí)：一方面，增加EPS顆粒摻量勢必減少引入泡沫量，并在UCIM料漿攪拌期間EPS顆粒之間相互摩擦擠壓作用引起部分泡沫聚集并融合成大泡；另一方面，EPS顆粒摻量增加造成單位體積泡沫混凝土料漿內(nèi)PP纖維數(shù)量增多，纖維比表面積大，部分泡沫在PP纖維表面聚集并融合，最終在泡沫混凝土漿體凝結(jié)固化后留下大孔。因此大孔增多，孔徑呈增大趨勢。

圖2 不同EPS顆粒摻量時(shí)UCIM中泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑Fig.2 Average pore diameter of foamed concrete matrixin UCIM with different EPS particles dosages

2.2 EPS顆粒摻量對UCIM抗壓強(qiáng)度的影響

EPS顆粒摻量不同時(shí)UCIM的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖3?？梢钥闯觯?dāng)EPS顆粒摻量由0 m3/m3逐漸增至1.2 m3/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先上升后下降的發(fā)展趨勢。上升階段為EPS顆粒摻量從0 m3/m3增至0.8 m3/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度從0.06 MPa增至0.35 MPa；下降階段則為EPS顆粒摻量從0.8 m3/m3提高至1.2 m3/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度從0.35 MPa降至0.25 MPa。

圖3 EPS顆粒摻量對UCIM抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of EPS particles dosage oncompressive strength of UCIM

對于干表觀密度為120 kg/m3的UCIM，隨著EPS顆粒摻量增加，泡沫混凝土基體體積同步減小。表2列出了不同EPS顆粒摻量時(shí)，UCIM中泡沫混凝土基體的干表觀密度計(jì)算結(jié)果。不同EPS顆粒摻量時(shí)UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖4。顯然，EPS顆粒摻量與UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 EPS顆粒摻量對UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of EPS particles dosage on compressivestrength of foamed concrete matrix in UCIM

表2 不同EPS顆粒摻量時(shí)對應(yīng)的泡沫混凝土基體干表觀密度Table 2 Dry apparent density of foamed concrete matrix corresponding to different EPS particles dosages

EPS顆粒摻量與UCIM、泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度增幅相關(guān)性見圖5。由圖可知，以未摻加EPS顆粒的UCIM抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，隨EPS顆粒摻量提高，UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度增幅(摻加EPS顆粒的UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)UCIM抗壓強(qiáng)度比值)顯著提高，而UCIM抗壓強(qiáng)度增幅(摻加EPS顆粒的UCIM抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)UCIM抗壓強(qiáng)度比值)則呈現(xiàn)先提高后降低的發(fā)展趨勢，轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在EPS顆粒摻量為0.8 m3/m3時(shí)。EPS顆粒摻量低于0.6 m3/m3時(shí)，UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度增幅和UCIM抗壓強(qiáng)度增幅基本一致。但EPS顆粒摻量高于0.8 m3/m3時(shí),兩者抗壓強(qiáng)度增幅出現(xiàn)相反趨勢，即UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度增幅加速提高，UCIM抗壓強(qiáng)度增幅出現(xiàn)衰減?？梢奤CIM中EPS顆粒摻量并非越多越好，只有EPS顆粒摻量適宜時(shí)，EPS顆粒和泡沫混凝土基體才能通過協(xié)同作用，共同賦予UCIM較高的抗壓強(qiáng)度。

圖5 EPS顆粒摻量與UCIM、泡沫混凝土基體抗壓強(qiáng)度增幅相關(guān)性Fig.5 Correlation between EPS particles dosage and increase ofcompressive strength of UCIM and foamed concrete matrix

作為超輕骨料和成孔材料的EPS顆粒，其本身強(qiáng)度和硬度極低，受力時(shí)易發(fā)生形變，因此根本無法直接提升UCIM抗壓強(qiáng)度。EPS顆粒摻量在適宜范圍內(nèi)對UCIM的增強(qiáng)作用主要基于三個(gè)方面:一是EPS顆粒摻量增加間接使UCIM中泡沫混凝土基體干表觀密度提高，進(jìn)而使抗壓強(qiáng)度提高；二是隨著EPS顆粒摻量增加，UCIM中泡沫混凝土基體中大孔占比和平均孔徑呈增大趨勢，進(jìn)而提高抗壓強(qiáng)度[11]；三是單位UCIM中泡沫混凝土基體中PP纖維數(shù)量隨EPS顆粒摻量增加而增多，PP纖維直徑小、比表面積大，在UCIM泡沫混凝土基體中形成“空間網(wǎng)架”，同時(shí)由于纖維橋聯(lián)作用，在單位泡沫混凝土基體纖維數(shù)量增加后對UCIM增強(qiáng)增韌效果提升，使得UCIM在受壓時(shí)內(nèi)部裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展，有利于UCIM抗壓強(qiáng)度提升。因此，UCIM抗壓強(qiáng)度隨EPS顆粒摻量增加而提高[12-13]。而當(dāng)EPS顆粒摻量過高時(shí)，UCIM中泡沫混凝土基體體積占比很小，幾乎充滿了由EPS顆粒所形成的“大孔”，相當(dāng)于形成“蜂窩狀結(jié)構(gòu)”，對UCIM強(qiáng)度不利[7,14]。盡管蜂窩壁(泡沫混凝土基體)抗壓強(qiáng)度較高，但“大孔”孔徑在2.5～5.0 mm之間，因此UCIM抗壓強(qiáng)度顯著下降。

2.3 EPS顆粒摻量對UCIM抗拉強(qiáng)度的影響

不同EPS顆粒摻量時(shí)UCIM抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖6。由圖可知，隨EPS顆粒摻量提高，UCIM抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。當(dāng)EPS顆粒摻量由0 m3/m3逐漸增至1.0 m3/m3時(shí)，UCIM抗拉強(qiáng)度由不摻EPS顆粒時(shí)的11 kPa提高至84 kPa；當(dāng)EPS顆粒摻量繼續(xù)增至1.2 m3/m3時(shí)，UCIM抗拉強(qiáng)度則下降至47 kPa。抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的變化趨勢基本一致，只是拐點(diǎn)對應(yīng)的EPS顆粒摻量略有不同。顯然，EPS顆粒與泡沫混凝土基體的協(xié)同作用同樣有助于提高UCIM抗拉強(qiáng)度。UCIM抗拉強(qiáng)度主要取決于泡沫混凝土基體抗拉強(qiáng)度、EPS顆?？估瓘?qiáng)度以及EPS顆粒-泡沫混凝土基體界面粘結(jié)強(qiáng)度，其次還受UCIM中摻入的PP纖維影響。EPS顆粒本身具有較高的抗拉強(qiáng)度(大于100 kPa)，隨EPS顆粒摻量提高，EPS顆粒總體提供的抗拉強(qiáng)度增大；泡沫混凝土基體抗拉強(qiáng)度隨EPS顆粒摻量增加顯著提高，同時(shí)亦使EPS顆粒-泡沫混凝土基體界面粘結(jié)強(qiáng)度得到加強(qiáng)；相同PP纖維摻量下，隨EPS顆粒摻量增加，單位體積UCIM的泡沫混凝土料漿內(nèi)PP纖維數(shù)量增多，對提升泡沫混凝土基體抗拉強(qiáng)度有利。因此，隨著EPS顆粒摻量增加，UCIM抗拉強(qiáng)度明顯增加。當(dāng)EPS顆粒摻量很高時(shí)，泡沫混凝土基體抗拉強(qiáng)度及與EPS顆粒表面粘結(jié)強(qiáng)度雖得到加強(qiáng)，但泡沫混凝土基體難以充分包裹EPS顆粒，EPS顆粒與泡沫混凝土基體接觸面積減小，并使整個(gè)受拉面出現(xiàn)大量缺陷，進(jìn)而引起UCIM抗拉強(qiáng)度快速下降。因此，為使UCIM獲得最佳抗拉強(qiáng)度，EPS顆粒同樣存在最佳摻量。

圖6 EPS顆粒摻量對UCIM抗拉強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of EPS particles dosage ontensile strength of UCIM

2.4 EPS顆粒摻量對UCIM導(dǎo)熱系數(shù)的影響

不同EPS顆粒摻量時(shí)UCIM導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖7?？梢钥闯?，當(dāng)EPS顆粒摻量由0.4 m3/m3增加至1.1 m3/m3時(shí)，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)由0.042 W/(m·K)升高至0.049 W/(m·K)，即UCIM導(dǎo)熱系數(shù)隨著EPS顆粒摻量提高而整體呈現(xiàn)增大趨勢。眾所周知，EPS顆粒導(dǎo)熱系數(shù)很小，大大低于干表觀密度為120 kg/m3的泡沫混凝土，但當(dāng)EPS顆粒摻量增多時(shí)，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)卻出現(xiàn)明顯增大。分析表明，在制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM時(shí)，隨著EPS顆粒摻量增加，UCIM中泡沫混凝土基體的干表觀密度同步提高，而且其中氣孔平均孔徑增大，導(dǎo)致泡沫混凝土基體導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高[11]。在結(jié)構(gòu)上，UCIM是由EPS顆粒和泡沫混凝土基體通過互穿形成的，導(dǎo)熱系數(shù)由兩者導(dǎo)熱系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)差共同決定，增加EPS顆粒摻量導(dǎo)致泡沫混凝土基體導(dǎo)熱系數(shù)提高和導(dǎo)熱系數(shù)差加大，產(chǎn)生溫度、熱流密度分布不均勻的冷橋效應(yīng)，熱傳遞能力增強(qiáng)[15]，進(jìn)而造成UCIM導(dǎo)熱系數(shù)增大。因此在超輕泡沫混凝土基體中摻加EPS顆粒后，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)不降反增，保溫效果變差。

圖7 EPS顆粒摻量對UCIM導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.7 Effect of EPS particles dosage onthermal conductivity of UCIM

3 結(jié) 論

(1)UCIM結(jié)構(gòu)由EPS顆粒和泡沫混凝土基體通過互穿形成，兩者通過協(xié)同作用，賦予UCIM良好的力學(xué)性能和熱工性能。為制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM，需采用超輕泡沫混凝土獲得低導(dǎo)熱系數(shù)，但同時(shí)引起強(qiáng)度下降；摻加EPS顆粒則可提高泡沫混凝土基體干表觀密度和抗壓強(qiáng)度，但亦引起導(dǎo)熱系數(shù)增加；通過兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，可使UCIM力學(xué)性能和熱工性能均能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2)摻加EPS顆粒會(huì)對UCIM的孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)(平均孔徑和孔徑分布)產(chǎn)生顯著影響。隨EPS顆粒摻量增加，UCIM的泡沫混凝土基體中孔徑在150 μm以內(nèi)的氣孔占比減小，150 μm以上的氣孔占比增加，且平均孔徑增大，進(jìn)而導(dǎo)致UCIM導(dǎo)熱系數(shù)增大。

(3)制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM時(shí)，在泡沫混凝土料漿中摻加EPS顆粒能顯著提高UCIM的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。EPS顆粒摻量為0.8 m3/m3時(shí)，UCIM的抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.35 MPa；EPS顆粒摻量為1.0 m3/m3時(shí)，UCIM的抗拉強(qiáng)度達(dá)到84 kPa。

(4)制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM時(shí)，摻加EPS顆粒會(huì)提高UCIM導(dǎo)熱系數(shù)。EPS顆粒摻量為0.4 m3/m3時(shí)，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.042 W/(m·K)；而EPS顆粒摻量增至1.1 m3/m3時(shí)，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)0.049 W/(m·K)。