摘 要：聚苯乙烯泡沫( EPS )颗粒的引入可有效改善泡沫混凝土的各项性能,但 EPS 颗粒很难在混凝土内部均匀分散 . 针对此问题本文对 EPS 颗粒进行“裹浆造壳”预处理,系统研究了EPS 改性工艺对复合泡沫混凝力学性能的影响 . 并在此基础上引入了膨胀珍珠岩,利用其与EPS 的级配作用来进一步改善泡沫混凝土的保温性能 . 研究结果表明,在 EPS 颗粒的预处理材料中硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铁尾矿按 2.5∶2.5∶5 的质量份比混合可以使复合泡沫混凝土的抗压强度与抗折强度相较于未经预处理的 EPS 空白对照组分别提升 71.50% 和53.33% , EPS 颗粒与膨胀珍珠岩按照 7∶3 的体积份比混合,制备得到的复合泡沫混凝土保温性能最佳,所得复合泡沫混凝土的导热系数为 0.119 W / m · K ,表观密度为 651kg /m³ ,抗压强度与抗折强度在 28 天分别达到 2.79MPa 和 1.01MPa.
关键词: 工业固废;铁尾矿;泡沫混凝土;聚苯乙烯泡沫;保温隔热来源:陕西科技大学学报
0、引言:泡沫混凝土具有密度小、超轻质和成本低等优势,已经快速发展为一种备受市场青睐的新型低碳绿色建筑材料,在全球各地被广泛使用.传统的泡沫混凝土主要由水泥、粉煤灰及发泡剂制备而成,而随着研究的进展,研究人员发现将工业固废作为填料或胶凝材料适量的引入泡沫混凝土中,不仅可以降低成本还可以大规模消纳固体废弃物,在降低环境负担的同时也实现了建筑材料的节能减排,轻质混凝土的可持续和多功能发展对于建筑施工至关重要 .铁尾矿是对铁矿石中的铁精矿进行分选筛取后余留下的废渣,我国每年新增铁尾矿上亿吨,是工业废弃物的主要来源之一 . 堆放的铁尾矿不仅占用大量土地资源,而且会对周围环境造成污染,大规模的消纳铁尾矿刻不容缓.铁尾矿质地较坚硬且具有一定的火山灰活性,这使其可以作为细骨料加入泡沫混凝土中.李玥使用铁尾矿砂替代天然砂制备了泡沫混凝土,并系统探究了水泥用量、铁尾矿砂、天然砂的混合比例以及泡沫掺量对材料性能的影响 . 研究了铁尾矿粉的掺量和细度对泡沫混凝土性能的影响 . 张立侠等使用铁尾矿粉、粉煤灰和硅灰作为填料制备泡沫混凝土,探究原材料混合比例、水胶比等因素对泡沫混凝土性能的影响 .Han 等研究了铁尾矿粉(ITP )对混凝土粉煤灰坍落度、抗压强度、干收缩率、抗氯化物渗透性、抗冻性和硫酸盐侵蚀的影响 .ITP 的加入增强了混凝土的凝聚力,并减少了坍塌的损失 . 虽然对铁尾矿基泡沫混凝土的研究已有一定的进展,但由于铁尾矿的密度较大,且其保温性能较差,限制了其实际应用 .EPS (聚苯乙烯泡沫)是一种内部气相占比较大的轻质保温颗粒,材料内部大量封闭微细空腔的存在使得它具有表观密度低、疏水率好、保温性能佳等优势 . 因此,在制备泡沫混凝土的过程中加入适量的 EPS 颗粒可以使材料具有轻质与保温隔热等优势 .Cheng 等通过加入EPS 颗粒来增强混凝土的保温和隔热性能 .Chen 等也将 EPS 颗粒作为轻骨料加入到泡沫混凝土中,探究了 EPS的加入对材料可加工性、力学性能和导热性的影响 . 汤劲松等探究了EPS 泡沫保温材料作为屋面保温材料的可能 .虽然将 EPS 加入到泡沫混凝土中可改善泡沫混凝土的性能,但由于 EPS 为憎水性的有机材料,与混凝土等无机物的相容性差,且密度较小在搅拌成型过程中会出现上浮,导致成品力学性能较差.要实现材料的轻质高强,必须从 EPS 颗粒与水泥之间的粘结问题上入手 .EPS 颗粒的表面改性是解决颗粒上浮和分散不均匀的关键 .康亚明等以EPS 颗粒与普通硅酸盐水泥为基础材料,在机械化学和粉体材料湿法改性作用下制备了一种轻质混凝土,该实验解决了 EPS 颗粒上浮等问题,并且在适宜的水灰比下具有良好的流动性 .Yao 等 以EPS 为保温颗粒骨料,炉渣为骨料,水泥和石膏为基体,通过掺入碎棉秸秆纤维来解决无机和有机材料界面粘结强度低和 EPS 颗粒上浮的问题 . 方黄磊等采用正交试验对高稠度的 EPS 塑性混凝土的配合比进行了优化设计,从而解决 EPS 颗粒上浮的问题 . 目前关于解决 EPS在混凝土中的分散问题虽然已有一定的研究,但所涉及的方法较为复杂且普适性较差,对 EPS 颗粒的改性研究必然还需要更进一步 .针对 EPS 颗粒在混凝土内的分散问题,本文先对其进行类似普通混凝土的“净浆裹砂法”进行“裹浆造壳”表面改性 . 改性后 EPS 颗粒表面形成了一层混凝土的壳状结构,使其亲水性得到明显改善,同时还解决了因为 EPS 上浮造成的分散不均匀 . 包裹的 EPS 颗粒与水泥基之间的接触变得更加紧密;混凝土的抗压和抗折强度都有更为明显的提高 . 系统对 EPS 改性材料对 EPS /铁尾矿基复合泡沫混凝土的各项性能的影响进行研究 . 并在此基础上,为了进一步改善复合泡沫混凝土的保温性能,将天然的玻璃质火山熔岩膨胀珍珠岩引入到复合泡沫混凝土中,探究了 EPS 与膨胀珍珠岩两种轻骨料配合比对泡沫混凝土力学性能、保温性能、表观密度的影响 .
1、实验部分
1.1 主要原料
普通硅酸盐水泥 P.O42.5 与 42.5 级快硬硫铝酸盐水泥为陕西省声威水泥股份有限公司提供 .铁尾矿粒径主要分布在 70~110 μ m ,烧失量约为2.13%.EPS (表观密度为 18kg / m³ ,平均粒径为6mm )由河间市超磊保温材料公司提供,其 EPS颗粒的宏观形貌和内部结构如图 1 所示 .
膨胀珍珠岩由山东玉顺绝缘材料厂生产,材料的表观密度为 40kg /m³,粒径为 1.5mm.本研究中 使 用 的 外 加 剂 包 括 减 水 剂、发 泡 剂 双 氧 水( H 2 O2 )、稳泡剂羟丙基甲基纤维素( HPMC )、促凝剂偏铝酸钠均为化学纯,西亚试剂公司提供.1.2 实验方法1.2.1 EPS 小球“裹浆造壳”
1.2.2 铁尾矿复合泡沫混凝土的制备
1.3 测试方法1.3.1 表观密度1.3.2 抗压强度1.3.3 抗折强度1.3.4 微观形貌表征
1.3.5 导热系数
2、 结果与讨论2.1 EPS- 混凝土界面 SEM 表征
“裹浆造壳法”对 EPS 进行改性处理可以改善有机轻质颗粒与无机胶凝材料间的相容性从而促进 EPS 颗粒在混凝土内部的均匀分散 . 图 3 为复合泡沫混凝土断面 EPS- 混凝土界面的微观形貌 .从图 3 ( a )可看出,未经预处理的 EPS 颗粒在加入泡沫混凝土后, EPS 表面与混凝土之间的连接界面表现为含有缝隙的“弱连接”;而在图 3 ( b )中,经过“裹浆造壳”处理的 EPS 颗粒与混凝土之间则表现出了良好的界面粘结力,界面过渡区无明显裂缝 . 因此,使用“裹浆造壳”工艺对 EPS 进行表面处理可以有效改善由于有机材料和无机材料间的性质差异而导致的界面“弱连接” .
2.2 裹浆材料处理工艺对复合泡沫混凝土性能的影响2.2.1 裹浆材料中铁尾矿掺量对复合泡沫混凝土力学性能的影响
2.2.2 裹浆材料中胶凝材料对复合泡沫混凝土力学性能的影响
2.2.3 裹浆材料对复合泡沫混凝土中 EPS 颗粒分散性的定量化分析
从图 7 可以发现,将裹浆用胶凝材料替换为50wt% 硫铝酸盐水泥 +50wt% 硅酸盐水泥后,各组试件的力学性能得到了一定程度的提升,这主要是因为使用普通硅酸盐水泥替代部分硫铝酸盐水泥可以有效控制 EPS 表面水泥浆体的硬化时间,通过促进每一个 EPS 颗粒形成更稳定的核壳结构从而有效提升复合泡沫混凝土整体的力学性能 .
2.3 轻骨料配比对复合泡沫混凝土性能的影响2.3.1 轻骨料配比对复合泡沫混凝土表观密度的影响
2.3.2 轻骨料配比对复合泡沫混凝土力学性能的影响
2.3.3 轻骨料配比对复合泡沫混凝土导热系数的影响
3、结论(1)使用“裹浆造壳法”对聚苯乙烯泡沫( EPS )颗粒进行预处理可以有效提升有机颗粒与无机胶凝材料间的界面相容性,从而有效提升轻骨料在复合泡沫混凝土内的分散性 . 裹浆材料中硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、铁尾矿按 2.5∶2.5∶5 的质量份比混合,制备得到的复合泡沫混凝土具有最佳的力学性能,同时 EPS 颗粒的分散性最好 .(2) EPS 颗粒与膨胀珍珠岩之间的粒径差异可以使轻集料产生级配效应从而通过改善复合泡沫混凝土的性能 . 当 EPS 颗粒与膨胀珍珠岩按照7∶3 的体积比混合,制备得到的复合泡沫混凝土性能最佳,试件 28 天的抗压强度为 2.79MPa ,抗折强度为 1.01MPa ,表观密度为 651kg / m³ ,导热系数为 0.119W / m · K.
