鄧思捷，范杰

（貴州理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003）

0 引言

聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）每年都有大量廢棄物因不能進(jìn)行處理、降解而成為白色污染[1]。將廢棄EPS應(yīng)用于保溫砂漿的生產(chǎn)能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減耗、資源循環(huán)利用，是當(dāng)前我國(guó)保溫材料研究的熱點(diǎn)[2-4]。但已有研究表明，EPS顆粒與水泥相容性差，界面性能低，EPS保溫砂漿普遍存在強(qiáng)度低，粘結(jié)性差等缺陷[5-7]。

本文針對(duì)以上缺陷問(wèn)題，利用聚乙烯醇、纖維素醚作為復(fù)合改性劑對(duì)EPS顆粒進(jìn)行表面處理。聚合物溶液包裹能有效降低EPS顆粒表面親水接觸角，克服EPS親水性差的缺陷[8-9]。通過(guò)聚合物改善EPS顆粒與無(wú)機(jī)膠凝材料之間的界面性能，并采用“水泥裹砂”造殼原理制備保溫砂漿，能有效提升砂漿的力學(xué)性能。本文通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)聚合物改性EPS保溫砂漿的配比進(jìn)行了優(yōu)選，測(cè)試了聚合物及其摻量對(duì)保溫砂漿工作性能及抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，并結(jié)合掃描電鏡測(cè)試結(jié)果探討了改性機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：塔牌P·O42.5水泥，密度3.05 g/cm3，物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。聚乙烯醇：PVA－124型，汕頭西隴化工集團(tuán)生產(chǎn)，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。廢棄EPS顆粒：粒徑2～5 mm，廣東汕頭鵬達(dá)輝保溫材料廠生產(chǎn)，物理性能見(jiàn)表3。拌合水：自來(lái)水。纖維素醚：HPMC200000S，羥丙基甲基纖維素，浙江祥文化工生產(chǎn)。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 聚乙烯醇的物理化學(xué)性能

表3 EPS顆粒的物理性能

1.2 試件的成型與養(yǎng)護(hù)

試件成型工藝：采用“水泥裹砂”造殼原理制備[10]。首先將適量的聚乙烯醇、纖維素醚溶入水中制成分散溶液，然后均勻地灑在EPS顆粒表面，期間不斷攪拌，待EPS顆粒表面充分被聚乙烯醇溶液潤(rùn)濕后，將表面處理的EPS顆粒和部分水泥置于攪拌機(jī)中低速攪拌，使EPS顆粒表面包裹一層水泥漿體，即制得表面為“親水性”的EPS顆粒。之后，將“親水性”處理的EPS顆粒、剩余水泥、減水劑按一定比例混合并置于攪拌機(jī)中進(jìn)行干拌處理，得到較為均勻分布的干拌保溫砂漿集料。最后，將干拌集料與剩余水混合，攪拌均勻后置于試模中振搗成型。

試件的養(yǎng)護(hù)：試件成型24 h后拆模編號(hào)，并置于清水中常溫養(yǎng)護(hù)28 d，試件規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm。

1.3 加載裝置和試驗(yàn)方法

力學(xué)性能測(cè)試：試件養(yǎng)護(hù)28 d后，擦干表面水分，置于（65±2）℃的烘箱中烘干至恒重，冷卻至室溫后，在三思集團(tuán)生產(chǎn)的CMT－5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗折試驗(yàn)，測(cè)試過(guò)程按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行?？拐蹚?qiáng)度測(cè)試完成后，折斷的試件采用壓力接觸面積為40 mm×40 mm的模具置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

流動(dòng)度測(cè)試：保溫砂漿的試件流動(dòng)度測(cè)試參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》采用“跳桌法”進(jìn)行。試驗(yàn)前先進(jìn)行10次試跳，之后，將拌合完成的砂漿集料均勻裝滿于跳桌模具中，并用抹刀將砂漿表面刮平，使其高度與模具表面保持一致。跳桌在15 s內(nèi)跳動(dòng)25次，并在相互垂直的2個(gè)面上對(duì)砂漿集料的平均直徑進(jìn)行測(cè)試。

體積密度測(cè)試：試件養(yǎng)護(hù)完成后，將其置于干燥空氣中靜置24 h，使試件達(dá)到干燥狀態(tài)。之后采用電子天平和游標(biāo)卡尺測(cè)試試件質(zhì)量與尺寸，計(jì)算體積密度。每組選取3個(gè)試件進(jìn)行測(cè)試，取其平均值。

微觀分析：完成宏觀性能測(cè)試后，敲碎相應(yīng)試件，取薄片狀樣品置于無(wú)水乙醇中終止水化保存。采用FEI公司制造的Quanta 200 FEG型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌測(cè)試，分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚合物及摻量對(duì)保溫砂漿工作性能的影響

保溫砂漿的工作性能代表其施工難易程度，是評(píng)價(jià)EPS保溫砂漿的重要性能指標(biāo)之一，根據(jù)砂漿的稠度和分層度，可將保溫砂漿的工作性能分為很差、差、較差、較好4個(gè)等級(jí)[11]。表4為不同聚合物摻量的EPS保溫砂漿工作性能。

表4 不同聚合物及摻量對(duì)EPS保溫砂漿工作性能的影響

由表4可知：（1）隨著聚乙烯醇摻量的提高，保溫砂漿的工作性能得到優(yōu)化。當(dāng)聚乙烯醇摻量達(dá)到0.4%時(shí)，可滿足保溫砂漿的施工要求。聚乙烯醇摻量進(jìn)一步提高時(shí)，過(guò)量的聚合物導(dǎo)致砂漿粘性太大，流動(dòng)性不足，反而不利于施工，且砂漿施工成本增大。（2）適量纖維素醚的摻入有利于保溫砂漿稠度和保水性改善。其摻量達(dá)到0.2%時(shí)，保溫砂漿的工作性能較好。當(dāng)其摻量進(jìn)一步增大時(shí)，過(guò)量的纖維素醚吸附大量水分，并引入較多空氣（引氣性），使砂漿拌合物的流動(dòng)性下降，砂漿的施工性能反而降低。

2.2 聚乙烯醇摻量對(duì)保溫砂漿力學(xué)性能的影響

固定水灰比為0.36，包裹EPS顆粒的水泥用量為EPS質(zhì)量的9倍，纖維素醚摻量為水泥質(zhì)量的0.2%，PVA摻量對(duì)保溫砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度及體積密度的影響如圖1所示。

圖1 PVA摻量對(duì)保溫砂漿性能的影響

由圖1可知：隨著聚乙烯醇摻量的增大，保溫砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先升高后降低的特征。聚乙烯醇摻量為0.4%時(shí)，砂漿具有最佳的力學(xué)性能，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度相對(duì)于未摻聚乙烯醇時(shí)分別提高了37.9%、25.4%。出現(xiàn)該變化趨勢(shì)主要是由于作為EPS保溫砂漿改性材料的聚乙烯醇在纖維素醚溶液中形成凝膠體系，將其與EPS顆粒混合時(shí)會(huì)在顆粒表面形成包裹狀的聚合物薄膜，以此提升EPS顆粒與水泥基體之間的粘結(jié)作用，并提高保溫砂漿的力學(xué)性能。不摻聚乙烯醇或少摻聚乙烯醇時(shí)，EPS顆粒表面的親水性較差，難以有效與水泥砂漿形成界面粘結(jié)，故其強(qiáng)度較低。而當(dāng)聚乙烯醇摻量過(guò)高時(shí)，將形成大量的薄膜對(duì)水泥水化起到抑制作用，從而使得強(qiáng)度明顯降低。由圖1還可明顯看出，隨著聚乙烯醇摻量的增加，保溫砂漿的粘聚力和密實(shí)度增強(qiáng)，其體積密度明顯提高，當(dāng)聚乙烯醇摻量由0增大到0.7%時(shí)，EPS保溫砂漿的體積密度增大了4.3%。綜合分析，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，纖維素醚摻量固定為0.2%時(shí)，EPS砂漿中聚乙烯醇的合理?yè)搅繛?.2%～0.4%。

2.3 纖維素醚摻量對(duì)保溫砂漿力學(xué)性能的影響

固定水灰比為0.36，包裹EPS顆粒的水泥用量為EPS質(zhì)量的9倍，PVA摻量為0.4%，纖維素醚摻量對(duì)保溫砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度及體積密度的影響如圖2所示。

圖2 纖維素醚摻量對(duì)保溫砂漿性能的影響

由圖2可以看出，隨著纖維素醚摻量的增大，保溫砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度先升高后降低。纖維素醚摻量為0.3%時(shí)，保溫砂漿具有最佳的力學(xué)性能，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度相對(duì)于未摻纖維素醚時(shí)分別提高了58.3%、45.7%。其原因可歸結(jié)為：纖維素醚與聚乙烯醇的共混過(guò)程中，隨著其摻量的增加，聚乙烯醇的醇解效果不斷增強(qiáng)，混合溶液能更有效地降低EPS顆粒表面的親水接觸角，以此提高聚合物的改性作用，使保溫砂漿的力學(xué)性能增強(qiáng)。但是當(dāng)纖維素醚的摻量大于0.3%時(shí)，其本身的引氣作用使得拌和砂漿的流動(dòng)性明顯降低，試件成型后大量的氣孔存在于砂漿內(nèi)部，使材料內(nèi)部密實(shí)度降低，從而影響其力學(xué)性能。由圖2還可明顯看出，纖維素醚引氣作用使砂漿密實(shí)程度降低，隨著其摻量的增加，保溫砂漿體積密度先減小后稍有增大，當(dāng)纖維素醚摻量由0增大到0.4%時(shí)，EPS保溫砂漿的體積密度減小了8.3%。通過(guò)以上分析可知，從工作性能和經(jīng)濟(jì)性考慮，纖維素醚的合理?yè)搅繛?.2%～0.3%。

2.4 正交試驗(yàn)分析

為了獲取輕質(zhì)、高強(qiáng)、工作性能較好的改性EPS保溫砂漿，在固定EPS與水泥質(zhì)量比為1∶9的情況下，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)因素水平如表5所示。正交試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，極差分析見(jiàn)表7。

表5 正交試驗(yàn)因素水平

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

表7 正交試驗(yàn)極差分析

由表7可知：（1）3個(gè)因素中對(duì)于體積密度影響最顯著為纖維素醚摻量（纖維素醚具有一定的引氣作用，其摻量提高將使保溫砂漿密實(shí)度降低），體積密度適宜組合為A3B3C1，但正交設(shè)計(jì)中并無(wú)此組合，通過(guò)表6得出正交設(shè)計(jì)中最適宜組合為A3B2C3，該組合下保溫砂漿體積密度最輕，為 850 kg/m3；（2）水灰比對(duì)保溫砂漿抗壓強(qiáng)度最顯著，其次為聚乙烯醇摻量（聚乙烯醇的粘聚性較強(qiáng)，其摻量的提升能使EPS顆粒與砂漿及砂漿集料之間的粘結(jié)更為緊密，基體抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)），最佳抗壓強(qiáng)度組合為A3B2C3，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高值7.15 MPa；（3）對(duì)EPS保溫砂漿抗折強(qiáng)度影響最為顯著的因素為纖維素醚摻量，抗折強(qiáng)度適宜組合為A3B1C2，但正交設(shè)計(jì)中并無(wú)此組合，通過(guò)表6中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出正交設(shè)計(jì)中最適宜組合為A3B3C2，該組合下保溫砂漿體積抗折強(qiáng)度最高，為1.85 MPa。由于保溫砂漿體積密度、抗壓強(qiáng)度正交設(shè)計(jì)組合均以A3B2C3最優(yōu)，且該組抗折強(qiáng)度達(dá)到1.67 MPa，可認(rèn)為聚乙烯醇摻量0.4%、水灰比0.35、纖維素醚摻量0.2%的組合下，保溫砂漿達(dá)到最優(yōu)性能。

3 微觀結(jié)構(gòu)及改性機(jī)理探討

為了進(jìn)一步分析聚乙烯醇、纖維素醚的摻入對(duì)EPS保溫砂漿微觀結(jié)構(gòu)影響及其相互作用機(jī)理，采用掃描電鏡進(jìn)行了細(xì)致觀測(cè)。圖3為改性前后EPS保溫砂漿的微觀形貌。

圖3 改性前后EPS保溫砂漿的微觀結(jié)構(gòu)

從圖3（a）可明顯看出，未經(jīng)表面處理的EPS顆粒為蜂窩狀膜結(jié)構(gòu)，且顆粒強(qiáng)度較低，影響EPS保溫砂漿力學(xué)性能的關(guān)鍵為EPS顆粒與水泥基體界面過(guò)渡區(qū)及基體本身性能。未經(jīng)界面處理的EPS與水泥界面過(guò)渡區(qū)主要由水化產(chǎn)物填充，且存在大量有缺陷的疏松孔隙結(jié)構(gòu)，從而限制了砂漿整體性能。EPS顆粒經(jīng)聚乙烯醇、纖維素醚包裹處理后，表面存在大量的絮絲狀聚合物薄膜[見(jiàn)圖3（b）]，這些聚合物薄膜一方面能使EPS內(nèi)部蜂窩結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，另一方面還能填充于EPS與水泥界面過(guò)渡區(qū)，起到一定的橋接作用，并改善界面孔隙結(jié)構(gòu)，從而提升材料整體力學(xué)性能。

圖4為改性前后EPS保溫砂漿的斷面破壞形態(tài)。

圖4 改性前后EPS保溫砂漿的斷面形態(tài)

從圖4（a）可以看出：未處理的EPS保溫砂漿斷面破壞形態(tài)主要體現(xiàn)為EPS顆粒與水泥基材之間的界面粘結(jié)破壞（如A、B所示），EPS顆粒破碎較少（如C所示）。造成該現(xiàn)象的原因可歸結(jié)為EPS顆粒親水性能較差，它與水泥材料之間僅通過(guò)部分水化產(chǎn)物粘結(jié)，界面性能低，材料破壞時(shí)多體現(xiàn)為界面粘結(jié)破壞。EPS顆粒經(jīng)聚乙烯醇、纖維素醚表面處理后，親水性有效提升，與水泥基體之間的粘結(jié)增強(qiáng)，界面性能提高，保溫砂漿斷面破壞基本體現(xiàn)為EPS顆粒破碎，界面粘結(jié)破壞出現(xiàn)較少[如圖4（b）所示]，界面性能的提升使得保溫砂漿的力學(xué)性能得到提高。

4 結(jié)論

（1）適量聚乙烯醇、纖維素醚的摻入對(duì)EPS保溫砂漿的工作性能具有改善作用，聚乙烯醇摻量為0.4%、纖維素醚摻量為0.2%時(shí)，可較好地滿足保溫砂漿的施工要求。

（2）EPS保溫砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度隨著聚乙烯醇、纖維素醚摻量提高均呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律。聚乙烯醇摻量為0.2%～0.4%、纖維素醚摻量為0.2%～0.3%時(shí)，保溫砂漿具有較強(qiáng)的力學(xué)性能。

（3）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，在EPS顆粒與水泥質(zhì)量比為1∶9時(shí)，聚乙烯醇摻量0.4%、水灰比0.35、纖維素醚摻量0.2%的組合下保溫砂漿達(dá)到最優(yōu)性能。

（4）適量聚乙烯醇、纖維素醚摻入能有效改善EPS顆粒與水泥基體之間的界面性能，并優(yōu)化砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，從而提升其宏觀性能。