吳子豪，王武祥,2，劉曉通，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.中國建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)海南有限公司，?？?570100)

0 引 言

超輕水泥基復(fù)合保溫材料(ultra-light cement-based composite thermal insulation material，UCIM)由膨脹聚苯乙烯泡沫塑料(expanded polystyrene foam,EPS)顆粒與泡沫混凝土基體互穿構(gòu)成，干表觀密度通常不大于150 kg/m3，擁有良好的力學(xué)性能和熱工性能，能滿足我國寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)最新建筑節(jié)能要求，近年來在我國北方地區(qū)得到大量推廣與應(yīng)用。制備高性能UCIM時，使用摻合料等量替代水泥，可改善UCIM性能。選取合適的摻合料對UCIM的性能影響很大，良好的摻合料可有效減少EPS顆粒在UCIM的泡沫混凝土漿體中的分層離析，使EPS顆粒與UCIM的泡沫混凝土基體間具有良好的黏接強(qiáng)度，有助于UCIM高性能化，常見的摻合料有硅灰、偏高嶺土、礦粉等。

偏高嶺土反應(yīng)活性高于硅灰，當(dāng)摻合料為偏高嶺土?xí)r，隨偏高嶺土摻量增多，水泥砂漿流動度降低，而水泥試件抗壓強(qiáng)度得到提升[1]。普通礦粉相對超細(xì)硅酸鹽水泥粒度較粗，當(dāng)摻合料為礦粉時，隨礦粉摻量增大，水泥凈漿流動度逐漸增大，摻入礦粉后水泥凈漿28 d強(qiáng)度高于純水泥體系[2]。張旭等[3]研究表明，隨著硅灰摻量增加，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度增大，當(dāng)硅灰摻量增加到10.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，抗壓強(qiáng)度提升最大；同時張旭等[4]研究發(fā)現(xiàn)，硅灰摻量對泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)也會造成影響，隨硅灰摻量增多，泡沫混凝土平均孔徑降低、孔形狀因子先減小后增加。羅碧丹等[5]發(fā)現(xiàn)摻入硅灰后混凝土強(qiáng)度較高，尤其是早期強(qiáng)度提升明顯，28 d齡期后強(qiáng)度提升緩慢，說明摻入硅灰對混凝土早期硬化成型有利。硅灰顆粒粒徑小，比表面積大，摻入硅灰后料漿流動度減小，水泥漿體的塑性黏度上升[6-7]。使用硅灰替代水泥基材料中的膠凝材料，改善了水泥漿體對骨料的包裹性，硅灰適量摻入后水泥漿體能均勻包裹在骨料表面，改善試件的均勻性[7]。以上研究對硅灰、偏高嶺土及礦粉三種摻合料替代水泥產(chǎn)生的效果均有見解，但目前關(guān)于研究摻合料對摻入輕質(zhì)EPS骨料的UCIM的影響報道較少。

EPS顆粒作為UCIM的超輕骨料，密度相對水泥基體極輕，純水泥漿體對EPS顆粒包裹性有限，易在EPS顆粒表面產(chǎn)生流淌下沉，造成UCIM試件均勻性差，因此選取合適的摻合料替代水泥，使得UCIM漿體能均勻包裹在EPS顆粒表面，對于制備出均勻性好、高性能的UCIM試件尤為重要。故本文在保持UCIM干表觀密度為120 kg/m3的條件下，通過對比硅灰、偏高嶺土和礦粉三種摻合料，選取了合適的UCIM用摻合料，并系統(tǒng)研究硅灰對UCIM的泡沫混凝土基體孔結(jié)構(gòu)及性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：由山東康晶新材料科技有限公司生產(chǎn)的42.5級超細(xì)硅酸鹽水泥，比表面積為335 m2/kg，水泥粒徑分布見圖1，由圖可知，中位徑D50=4.12 μm。摻合料：硅灰由甘肅三遠(yuǎn)硅材料有限公司生產(chǎn)，灰白色粉末；偏高嶺土由內(nèi)蒙古超牌建材科技有限公司生產(chǎn)，白色粉末；礦粉由山東盛世高鐵工程材料有限公司生產(chǎn)，灰白色粉末。EPS顆粒：由泰州方正建材有限公司生產(chǎn)，堆積密度為5.0 kg/m3，顆粒粒徑為2.5～5.0 mm。泡沫劑：由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。改性劑：包括短切纖維、減水劑和速凝劑，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，減水劑選用型號為SP-409的聚羧酸減水劑，速凝劑為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的自制硫酸鋁溶液。

圖1 超細(xì)硅酸鹽水泥粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of ultrafine Portland cement

1.2 試件制備

先將泡沫劑按40倍的比例稀釋，然后采用轉(zhuǎn)速為700 r/min的高速攪拌器制成氣泡均勻穩(wěn)定的泡沫。同時按設(shè)計配合比(見表1)計量水泥、摻合料、EPS顆粒、改性劑和水，使用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌90 s，加入速凝劑后再攪拌60 s，摻入計量好的EPS顆粒后繼續(xù)攪拌60 s，最后加入預(yù)制好的泡沫繼續(xù)攪拌30 s，制成均勻黏稠狀的UCIM料漿。模制性能試驗(yàn)所需規(guī)格試件，模制試件在實(shí)驗(yàn)室?guī)ｐB(yǎng)護(hù)48 h，脫模后蒸汽養(yǎng)護(hù)24 h(養(yǎng)護(hù)溫度70 ℃)，然后將試件置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)48 h后備用。

表1 不同摻合料摻量的UCIM配合比Table 1 Mix ratio of UCIM with different content of admixture

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 孔結(jié)構(gòu)測試方法

UCIM中的孔包括EPS顆粒內(nèi)部封閉孔和UCIM的泡沫混凝土基體中泡沫所形成的孔，EPS顆粒內(nèi)部封閉孔受廠家生產(chǎn)工藝影響，而UCIM的泡沫混凝土基體內(nèi)部的孔受EPS顆粒、摻合料、纖維等因素影響，因此本文研究的孔是UCIM的泡沫混凝土基體的孔結(jié)構(gòu)，主要包括孔分布和平均孔徑。

UCIM斷面處理：采用非切割方法取得UCIM斷面并用壓縮空氣清理干凈。

拍攝UCIM斷面照片：采用超景深三維顯示系統(tǒng)(VHX-600e)拍攝UCIM斷面的泡沫混凝土基體孔，每個UCIM斷面選取3個代表性位置進(jìn)行拍攝。

孔結(jié)構(gòu)處理：利用Photoshop對UCIM斷面的泡沫混凝土基體孔照片進(jìn)行二值化處理，然后將其通過Image-Pro Plus分析，獲取平均孔徑和孔徑分布。

1.3.2 性能測試方法

參照J(rèn)C/T 2479—2018《水泥基復(fù)合材料保溫板》規(guī)定的試驗(yàn)方法測試UCIM試件干表觀密度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,參照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)方法測試UCIM試件導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同品種摻合料對比研究

選取硅灰、偏高嶺土和礦粉三種摻合料，研究摻合料對UCIM抗壓強(qiáng)度的影響，根據(jù)UCIM的性能優(yōu)劣選取合適的摻合料。

三種摻合料不同摻量(均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示，下同)時，UCIM的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2，對應(yīng)UCIM干表觀密度測試結(jié)果見表2?？梢钥闯?，隨著硅灰摻量增加，UCIM抗壓強(qiáng)度先明顯增大然后逐漸變?yōu)橼呌谄骄?，?dāng)硅灰摻量為12.5%時UCIM抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高值0.34 MPa；不同摻量的偏高嶺土對UCIM抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律與摻加硅灰的UCIM相似，當(dāng)偏高嶺土摻量為12.5%時UCIM抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.30 MPa；摻入礦粉后，UCIM抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小又稍增大的趨勢，在礦粉摻量為10%時抗壓強(qiáng)度最高達(dá)到0.25 MPa，之后出現(xiàn)下降，最低降至0.24 MPa。比較三種摻合料對UCIM抗壓強(qiáng)度的影響，硅灰對UCIM抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最佳，偏高嶺土次之，礦粉的增強(qiáng)效果較小。

圖2 三種摻合料對UCIM抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Influences of three admixtures on the compressive strength of UCIM

表2 三種摻合料制備的UCIM干表觀密度Table 2 Dry apparent density of UCIM prepared from three admixtures

對比硅灰、偏高嶺土與礦粉，雖然偏高嶺土的火山灰活性高于硅灰[1]，但對比摻入二者后的UCIM力學(xué)性能，采用硅灰優(yōu)于選用偏高嶺土，而礦粉替代水泥時UCIM表現(xiàn)出的力學(xué)性能最差，提升幅度十分有限。由三種摻合料制備的UCIM試件可看出：硅灰替代水泥后，UCIM試件均勻性較好，EPS顆?？删鶆蚍稚⒂赨CIM的泡沫混凝土基體中，未出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象；而偏高嶺土與礦粉替代水泥后UCIM均出現(xiàn)不同程度的分層離析現(xiàn)象，EPS顆粒難以均勻分散在UCIM的泡沫混凝土基體中，造成UCIM力學(xué)性能不如摻入硅灰時力學(xué)性能，甚至摻入礦粉后UCIM力學(xué)性能難以得到提升。分析表明，硅灰顆粒粒徑小、比表面積大，潤濕需要水量較大，摻入硅灰后能大幅提升水泥漿體的黏度[6]，且摻入硅灰后可優(yōu)化漿體對骨料的包裹性[7]，使得攪拌成型過程中，密度極低的EPS顆粒能夠均勻的分散在UCIM料漿中，不會產(chǎn)生EPS顆粒與料漿間的分層離析現(xiàn)象，UCIM受壓時應(yīng)力分布均勻，力學(xué)性能較優(yōu)。而偏高嶺土與礦粉顆粒粒度與水泥接近或小于水泥顆粒粒度，替代部分水泥后制備的料漿對EPS顆粒包裹性較差，在UCIM料漿澆注成型后EPS顆粒表面包裹的料漿部分產(chǎn)生流淌沉降，造成EPS顆粒與料漿混合不均勻，出現(xiàn)分層離析，使得UCIM均勻性較差，受壓時應(yīng)力分布不均勻，力學(xué)性能較差。因此選取硅灰作為UCIM摻合料。

2.2 硅灰摻量對UCIM泡沫混凝土基體孔結(jié)構(gòu)的影響

圖3是未摻加硅灰和摻入12.5%硅灰時UCIM斷面圖?？梢钥闯?，摻入硅灰后UCIM的泡沫混凝土基體中較小孔徑的氣孔明顯增多，泡沫混凝土基體中連通氣孔和不規(guī)則孔洞減少，且相對未摻加硅灰時氣孔發(fā)生破滅或相互融合減少，使得氣孔較獨(dú)立存在，氣孔分布大小較均勻。

圖3 不同硅灰摻量時UCIM斷面圖Fig.3 Sectional diagram of UCIM with different silica fume content

研究UCIM的泡沫混凝土基體孔結(jié)構(gòu)時，將孔徑由小到大劃分為≤100 μm、100～150 μm、150～200 μm、200～250 μm、250～300 μm、≥300 μm六個區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計，不同硅灰摻量時各孔徑范圍內(nèi)氣孔數(shù)量占比統(tǒng)計結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，UCIM的泡沫混凝土基體中：未摻硅灰時，泡沫混凝土基體孔徑小于200 μm范圍內(nèi)的氣孔占比最小，為55%，孔徑在200 μm以上的氣孔占比最大，高達(dá)45%；隨著硅灰摻量增加，孔徑低于200 μm的氣孔占比上升，孔徑在200 μm以上的氣孔占比呈下降趨勢；當(dāng)硅灰摻量為15.0%時，泡沫混凝土基體孔徑在200 μm以內(nèi)的氣孔占比高達(dá)83%，孔徑大于200 μm的氣孔占比低至17.0%。即隨硅灰摻量增加，UCIM中氣孔孔徑分布在向孔徑較小方向遷移。

圖4 不同硅灰摻量時UCIM的泡沫混凝土基體孔徑分布圖Fig.4 Pore size distribution of UCIM foamed concrete matrix with different silica fume content

圖5為硅灰摻量不同時所制UCIM的泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑統(tǒng)計結(jié)果?？梢钥闯?，隨著硅灰摻量提高，泡沫混凝土基體氣孔平均孔徑呈減小趨勢，平均孔徑從198 μm減小至159 μm，不摻硅灰時，泡沫混凝土基體平均孔徑是硅灰摻量為15.0%時的1.2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小孔比例隨硅灰摻量增加明顯增多。分析表明，硅灰顆粒粒徑小、比表面積大，摻入硅灰后UCIM料漿流動度減小，漿體塑性黏度增大[6]，UCIM料漿中由物理發(fā)泡方式引入的泡沫不易因攪拌及澆注成型過程在料漿內(nèi)發(fā)生流動，避免泡沫聚集并融合形成大孔；同時小粒徑的硅灰可均勻分散在水泥水化產(chǎn)物中，填充UCIM中泡沫混凝土料漿中的部分孔隙，減少有害孔洞，增強(qiáng)水化產(chǎn)物密實(shí)度，提高氣孔孔壁密實(shí)度[3,8]。在UCIM硬化過程中，內(nèi)部由物理發(fā)泡方式引入的泡沫不易發(fā)生破滅而形成不規(guī)則的大孔，孔形貌得到優(yōu)化。隨硅灰摻量增加，UCIM的泡沫混凝土基體中孔徑呈減小趨勢。

圖5 不同硅灰摻量時UCIM的泡沫混凝土基體氣孔平均孔徑Fig.5 Average pore diameter of UCIM foamed concrete matrix with different silica fume content

2.3 硅灰摻量對UCIM抗壓強(qiáng)度的影響

圖6為硅灰摻量與UCIM抗壓強(qiáng)度增幅相關(guān)性，從圖中可以看出，以不摻加硅灰的UCIM抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，隨硅灰摻量增加，UCIM抗壓強(qiáng)度增幅(摻加硅灰的UCIM抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)UCIM抗壓強(qiáng)度比值)分兩個階段：硅灰摻量在7.5%前抗壓強(qiáng)度增幅迅速，在硅灰摻量超過10.0%后抗壓強(qiáng)度增幅趨于平穩(wěn)。可見硅灰摻量較小時對UCIM抗壓強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大，而硅灰摻量繼續(xù)增大后對UCIM抗壓強(qiáng)度無明顯提升。硅灰等量替代水泥后，增強(qiáng)UCIM抗壓強(qiáng)度主要基于兩個方面：一是硅灰的微集料填充效應(yīng)，硅灰顆粒粒徑小，同膠凝材料顆粒間可形成良好的級配，可填充UCIM料漿中的孔隙，同時均勻分散在水泥水化產(chǎn)物內(nèi)，增強(qiáng)水化產(chǎn)物密實(shí)度，從而提高UCIM抗壓強(qiáng)度[5]；二是硅灰在UCIM中發(fā)揮的火山灰效應(yīng)，硅灰中的活性物質(zhì)SiO2與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，加快水泥的水化速率，促進(jìn)提供強(qiáng)度的C-S-H凝膠組分不斷增長，由此提高UCIM抗壓強(qiáng)度[9]。當(dāng)硅灰摻量過高時，由于硅灰比表面積大、吸水量大，在制備UCIM過程中硅灰易出現(xiàn)微聚成團(tuán)現(xiàn)象，成團(tuán)硅灰內(nèi)部不發(fā)生水化反應(yīng)，無提供強(qiáng)度的水化產(chǎn)物硅酸鈣生成，成為UCIM中的薄弱區(qū)域，造成UCIM抗壓強(qiáng)度增幅不再增加[8]。

圖6 硅灰摻量與UCIM抗壓強(qiáng)度增幅相關(guān)性Fig.6 Correlation between silica fume content and increase of UCIM compressive strength

2.4 硅灰摻量對UCIM抗拉強(qiáng)度的影響

圖7為硅灰摻量對UCIM抗拉強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出，隨硅灰摻量提高，UCIM抗拉強(qiáng)度先增高后趨于平穩(wěn)。當(dāng)硅灰摻量由0%逐漸增至7.5%時，UCIM抗拉強(qiáng)度由59 kPa提高至74 kPa；當(dāng)硅灰摻量超過10.0%后，UCIM抗拉強(qiáng)度幾乎不再上升，在硅灰摻量為12.5%時UCIM抗拉強(qiáng)度達(dá)到73 kPa。硅灰對UCIM抗拉強(qiáng)度的影響主要是對UCIM的泡沫混凝土基體與EPS顆粒之間的界面黏接強(qiáng)度的影響。摻入適量硅灰后，小粒徑的硅灰能夠填充UCIM料漿中的孔隙，改善EPS顆粒-UCIM的泡沫混凝土基體界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，能夠顯著提高界面黏接強(qiáng)度[10]，使得被拉斷的EPS顆粒比例增加，從而提高UCIM抗拉強(qiáng)度；但當(dāng)硅灰摻量過高時，硅灰在UCIM料漿中易出現(xiàn)微聚成團(tuán)現(xiàn)象，造成UCIM料漿和易性下降，水泥水化作用變差，使EPS顆粒-UCIM的泡沫混凝土基體界面黏結(jié)強(qiáng)度降低[11]，減少被拉斷的EPS顆粒比例，進(jìn)而使UCIM抗拉強(qiáng)度不再增加甚至略有下降。

圖7 硅灰摻量對UCIM抗拉強(qiáng)度的影響Fig.7 Influence of silica fume content on tensile strength of UCIM

2.5 硅灰摻量對UCIM導(dǎo)熱系數(shù)的影響

不同硅灰摻量對UCIM導(dǎo)熱系數(shù)的影響見圖8，對應(yīng)UCIM干表觀密度測試結(jié)果見表3?？梢钥闯?，當(dāng)硅灰摻量由0%增加至15.0%時，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)由0.047 0 W/(m·K)降至0.046 1 W/(m·K)，亦即UCIM導(dǎo)熱系數(shù)隨著硅灰摻量提高而呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于在除硅灰之外的UCIM配合比不變情況下，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)主要受UCIM的泡沫混凝土基體孔結(jié)構(gòu)的影響。UCIM的泡沫混凝土基體是氣固兩相混合物，在水泥基固相中熱量通過原子(分子)熱振動實(shí)現(xiàn)傳遞，而氣孔中熱量是通過氣體分子碰撞運(yùn)動來進(jìn)行傳遞，UCIM中熱量傳遞是這兩種導(dǎo)熱行為綜合作用結(jié)果。硅灰摻量增加后，UCIM的泡沫混凝土基體平均孔徑減小，通過物理發(fā)泡方式引入的泡沫合并、破滅減少，導(dǎo)致UCIM單位體積內(nèi)氣孔增多，從而氣固界面增多，熱量在UCIM中傳遞時頻繁地從固態(tài)熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為氣體對流傳導(dǎo)，降低了熱傳導(dǎo)的速率，導(dǎo)致UCIM導(dǎo)熱系數(shù)隨之下降。同時硅灰摻量提高后，UCIM的泡沫混凝土基體中連通氣孔和不規(guī)則孔洞減少，而泡沫混凝土基體中連通孔與不規(guī)則氣孔會導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)上升[12]，進(jìn)而造成UCIM導(dǎo)熱系數(shù)降低。因此在UCIM中摻入一定量的硅灰后，可適當(dāng)降低導(dǎo)熱系數(shù)。

圖8 硅灰摻量對UCIM導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.8 Influence of silica fume content on thermal conductivity coefficient of UCIM

表3 不同硅灰摻量時UCIM干表觀密度Table 3 Dry apparent density of UCIM with different silica fume content

3 結(jié) 論

(1)同礦粉和偏高嶺土相比，使用硅灰替代水泥制備的UCIM，EPS顆粒可均勻分散在UCIM的泡沫混凝土基體中，未產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象，故選取硅灰作為制備UCIM的摻合料。

(2)摻入硅灰將對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。隨硅灰摻量增加，UCIM中在200 μm以內(nèi)的氣孔占比減小，200 μm以上的氣孔占比增加，且平均孔徑減小，進(jìn)而導(dǎo)致UCIM導(dǎo)熱系數(shù)減小。

(3)制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM時，適宜摻量的硅灰將會顯著提高UCIM的力學(xué)性能。硅灰摻量為12.5%時抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高值0.34 MPa，此時抗拉強(qiáng)度為73 kPa。

(4)摻入硅灰會適當(dāng)降低UCIM的導(dǎo)熱系數(shù)。硅灰摻量為0%時，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最高值0.047 0 W/(m·K)，硅灰摻量為15.0%時，UCIM導(dǎo)熱系數(shù)降至最低值0.046 1 W/(m·K)。