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(duì)土地資源和水資源造成了嚴(yán)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(duì)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(shí)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(xì)骨料及聚苯顆粒制備空心砌塊，對(duì)其塊體密度、含水率、空心率、抗壓強(qiáng)度、保溫隔熱性能等規(guī)律進(jìn)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(qiáng)EPS混凝土并對(duì)其性能進(jìn)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(duì)其性能進(jìn)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(jìn)行復(fù)合，研制出了不同強(qiáng)度等級(jí)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(duì)墻體材料性能的影響，分析作用機(jī)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(diǎn)的新型墻體材料。

1 試驗(yàn)

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(jí)，亞泰集團(tuán)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(shí)驗(yàn)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(tuán)，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(yàn)?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?jǐn)嚢?，將料漿快速澆筑到待測試樣模具內(nèi)，輕微震動(dòng)模具20～30次后抹平，自然成型，脫模后標(biāo)養(yǎng)28 d，測試試樣抗壓強(qiáng)度、絕干密度、吸水率、軟化系數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)，并進(jìn)行機(jī)理分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 聚苯顆粒摻量對(duì)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(diǎn)，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(jì)）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(duì)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(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)摻量為94%時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度為1.46 MPa，符合JG/T 266—2011《泡沫混凝土》C1強(qiáng)度等級(jí)的要求。這是因?yàn)榫郾筋w粒無法提供強(qiáng)度支撐，同時(shí)也會(huì)使試樣空隙率增大，導(dǎo)致強(qiáng)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(shí)度及粘結(jié)力變小，以致試樣的骨架支撐效果不理想，強(qiáng)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(shí)，試樣的絕干密度為560 kg/m3，符合JG/T 266—2011中A06級(jí)的要求。這是因?yàn)榫郾筋w粒相對(duì)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(duì)減少，以致絕干密度逐漸降低。

圖2 聚苯顆粒摻量對(duì)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(shí)，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.132W/（m·K），符合JG/T 266—2011中A06級(jí)的要求。這是因?yàn)榫郾筋w粒相對(duì)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(shí)，軟化系數(shù)為95%、吸水率為17%，符合JG/T266—2011中W15級(jí)的要求。這是因?yàn)榫郾筋w粒內(nèi)部含有很多的密閉小氣孔，表面為強(qiáng)憎水性，隨著摻量增加，減少了水分對(duì)試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度及界面過渡區(qū)的不利影響，保護(hù)試件不受水分浸蝕，避免結(jié)構(gòu)破壞從而保證了強(qiáng)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(duì)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(hù)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(shí)，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(duì)試樣性能的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 纖維素醚摻量對(duì)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(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)摻量為0.4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為1.450 MPa。這是因?yàn)槔w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(duì)減弱。當(dāng)試塊受壓時(shí)，由于柔性聚合物和孔洞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的密實(shí)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(qiáng)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(shí)，干密度為583 kg/m3。這是因?yàn)槔w維素醚的引氣作用，引入了大量均勻細(xì)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(shí)，自由水不斷蒸發(fā)揮散，在材料內(nèi)部形成細(xì)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(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.134 W/（m·K）。這是因?yàn)槔w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(xì)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(shí)，試樣的吸水率為17.53%，軟化系數(shù)為92.00%。這是因?yàn)槔w維素醚自身具有引氣作用，在拌合過程中不斷吸入均勻細(xì)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(shí)，纖維素醚在水中具有一定的溶解性，一旦浸入水中后，會(huì)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(qiáng)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(huì)影響漿料的水化反應(yīng)，具體表現(xiàn)為延緩凝結(jié)時(shí)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(shí)對(duì)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(duì)熟料中的原生礦物相則很少發(fā)生吸附。同時(shí)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(duì)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(duì)聚苯顆粒表面進(jìn)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(huì)產(chǎn)生分層懸浮的現(xiàn)象[23]。同時(shí)，可再分散乳膠粉能夠改善樣品的抗裂性、粘結(jié)性、抗折強(qiáng)度、沖擊性和耐磨性等性能，增強(qiáng)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(huì)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(duì)試樣性能的影響，結(jié)果見表5。

表5 乳膠粉摻量對(duì)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(qiáng)度、絕干密度、導(dǎo)熱系數(shù)都逐漸降低，當(dāng)摻量為0.4%時(shí)，抗壓強(qiáng)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?yàn)槿槟z粉在拌合過程中形成聚合物網(wǎng)絡(luò)會(huì)隔斷無機(jī)膠凝網(wǎng)絡(luò)，阻止其水化，此時(shí)聚合物網(wǎng)絡(luò)的粘結(jié)強(qiáng)度較膠凝組分低。同時(shí)乳膠粉具有引氣的功能，在分散時(shí)其表面活性分子會(huì)從外部引入細(xì)小氣泡，試樣在凝結(jié)硬化后會(huì)出現(xiàn)部分孔隙，導(dǎo)致了試樣的抗壓強(qiáng)度、干密度下降。此外，由于空氣相對(duì)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(shí)，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(shí)，試樣的吸水率為17.36%，軟化系數(shù)為92.85%。這是因?yàn)槿槟z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(duì)墻體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度以及界面聯(lián)結(jié)情況的影響，保護(hù)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(duì)聚苯顆粒的改性作用機(jī)理原因是：可再分散乳膠是一種具有極性基團(tuán)的高分子聚合物，當(dāng)乳膠粉與聚苯顆粒發(fā)生接觸時(shí)，其主鏈上的非極性鏈段部分會(huì)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(shí)，其表面吸附的極性基團(tuán)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(duì)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(tuán)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(huì)定向吸附在聚苯顆粒表面，而羥基會(huì)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(duì)試樣性能的影響，結(jié)果見表6。

表6 聚乙烯醇溶液摻量對(duì)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(qiáng)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(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)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?yàn)榫垡蚁┐荚诹蠞{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(qiáng)度之外，還填充在無機(jī)料顆粒的空隙中，達(dá)到了減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙率的目的，從而強(qiáng)度提高。當(dāng)聚乙烯醇摻量過多時(shí)，會(huì)覆蓋或阻斷無機(jī)膠凝網(wǎng)絡(luò)，破壞了材料的整體強(qiáng)度增長，甚至在微裂紋處膨脹，導(dǎo)致強(qiáng)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(dá)80%，制得的輕質(zhì)保溫墻體抗壓強(qiáng)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(duì)墻體材料的構(gòu)成起到了至關(guān)重要的作用，其摻量對(duì)各項(xiàng)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(qiáng)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(qiáng)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(huì)產(chǎn)生分層懸浮。同時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度先提高后降低。

（5）考慮到實(shí)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(dá)80%，按此配比制備的輕質(zhì)墻體材料抗壓強(qiáng)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。