發泡劑膠結EPS泡沫混凝土保溫隔熱性能研究

楊 甜

（鄭州工業應用技術學院建筑工程學院，鄭州451100）

0 引言

隨著我國大力實施節能減排與墻體材料改革政策，國家對建筑節能材料越來越重視[1]，紛紛加大節能力度，致力于新型節能建材的研究與開發，特別是保溫材料在建筑中的應用。

由于泡沫塑料質輕、隔熱、吸音、減震等特性，其主要成分是發泡聚苯乙烯（EPS），相關學者嘗試將其應用到混凝土的制備過程中。目前EPS混凝土已被廣泛運用到了路基防凍、水上承臺、機場建設等領域[2-5]。為了更好地解決EPS混凝土成型不佳、膠凝材料粘結不牢等缺點，本研究嘗試在EPS混凝土制備過程中引入水泥發泡劑，發泡劑可產生類似滾珠的微小氣泡，融入到各種原材料之間，在增加混凝土流動性的同時，可進一步提高其保溫性能[6]。

本文以新結構與新技術的結合為研究方向，基于使用需求，提出了一種新型的混凝土：添加發泡劑膠結EPS顆粒泡沫混凝土[7]。這種泡沫混凝土有容重小、保溫隔熱性能優越的特點，是一種綠色環保型泡沫混凝土。利用工業廢渣及塑料，變廢為寶，不僅可以降低成本，還可以節約資源從而實現在經濟和環境兩方面達到共贏的局面。

1 原材料與試樣制備

添加發泡劑膠結EPS顆粒泡沫混凝土是以水泥、EPS顆粒、粉煤灰為重要原料，再輔助一些功能性添加劑發泡劑、珍珠巖、膠粉等，經攪拌、成型、養護制成的均質材料。

1.1 試驗用原料

本文采用的主要原材料有：粒徑2～5mm的廢棄EPS顆粒、42.5R普通硅酸鹽水泥、Ⅰ級粉煤灰以及膠粉、膨脹珍珠巖、水泥發泡劑、水。除特別注明外，試驗用水均采用自來水。

水泥發泡劑是一種表面活性物質或表面活性劑，在機械作用下引入空氣，用其水溶液制備大量泡沫。本研究中選取植物性水泥發泡劑、動物性水泥發泡劑、陰離子表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉發泡劑三種，如圖1所示。

圖1 選用的水泥發泡劑

1.2 試塊的制備

本研究中生產泡沫混凝土的方法采取預制泡沫混合法，因此將制備過程分為前期的泡沫發泡過程和后期的膠凝材料漿體加工兩個基本過程。

試塊制備前珍珠巖放在水里浸泡1個小時后晾干，讓其處于飽和狀態。將發泡劑和水以1:50的質量比混合均勻，再用水泥發泡機進行發泡；與此同時將膠粉和水混合，并使之完全溶解。之后將EPS顆粒、水泥、粉煤灰、珍珠巖依次放入攪拌機內攪拌，后加水、倒入所準備的泡沫和膠粉溶液繼續攪拌，最后把制備的均勻漿體倒入抹有脫模劑的模具內，人工搗實后，刮平頂面。

圖2 試驗用發泡機及發泡產生的泡沫

圖3 CA砂漿程控攪拌機和攪拌現場

本試驗所制備的混凝土試塊的尺寸均為300mm×300mm×20mm。脫模前的混凝土試件如圖4所示。

圖4 脫模前的混凝土試樣

1.3 試塊的養護

試件在48小時后脫模，最后放在溫度為20±2℃、濕度為90%的養護箱中養護。依據相關標準養護至28天。

2 試驗方案

保溫和隔熱問題是建筑節能材料急需關注的問題[8]。用于衡量材料熱工性能的指標比較多，在土木建筑領域，通常選用導熱系數、熱阻、蓄熱系數以及熱惰性等[9]。其中導熱在保溫隔熱中起主導作用，因此導熱系數是評價泡沫混凝土性能的關鍵指標參數。測量導熱系數的普遍方法主要采用穩態法測試，這種方法精度高且簡單[8]，因此本研究中也采用穩態法測試。

2.1 導熱系數測試

混凝土試塊標準養護28天，烘干后冷卻到室溫，使用中國建筑科學研究院研制的JW-III型建筑材料熱流計導熱儀進行試塊的導熱系數測定工作。測定導熱系數需所的水必須是純凈水。

圖5 導熱系數測試現場

2.2 試驗方案設計

在添加發泡劑膠結EPS顆粒泡沫混凝土成型的基礎上，首先研究發泡劑種類、數量對混凝土導熱系數的影響，然后基于正交試驗理念尋求混凝土的最優配合比。

3 試驗結果及試驗分析

3.1 發泡劑種類單一因素試驗

現階段不同品種的發泡劑非常多，質量層次也不同。選用優質且經濟的發泡劑已經迫在眉睫[10]。本試驗選用植物性水泥發泡劑、動物性水泥發泡劑、陰離子表面活性劑類發泡劑三種發泡劑，分別簡稱為A發泡劑、B發泡劑和C發泡劑。通過試驗檢測它們的導熱系數見表1。并繪出了不同條件下導熱系數的折線，具體如圖6所示。

表1 不同種類發泡劑下的試驗設計表

圖6 不同種類發泡劑下導熱系數柱形圖

由圖6可以看出，導熱系數值從小到大依次是：動物性水泥發泡劑＜植物性水泥發泡劑＜陰離子表面活性劑類發泡劑。綜合來看，動物性水泥發泡劑和植物性水泥發泡劑的效果最好。由于陰離子表面活性劑類發泡劑產生的泡沫的穩定性差，在短時間內易破裂合成大氣泡，并很快消失，發泡劑效果差。動物性水泥發泡劑產生的泡沫穩定性非常好，隔熱性能好，但是成本太高，且有刺激氣味。植物性水泥發泡劑成本低，質量也穩定，所以選用植物性水泥發泡劑。

3.2 發泡劑摻入量單一因素試驗

發泡劑發泡后產生的微小氣泡，均勻分布在混凝土內部可以加強物料間的潤滑作用，使內部封閉孔變多，阻礙空氣的流通，增強隔熱性能。本試驗中選取植物性水泥發泡劑，通過控制發泡劑摻入量的不同，制備出不同發泡劑摻量的試塊，具體配比見表2。圖7為不同A發泡劑摻入量下的導熱系數變化。

表2 不同發泡劑摻入量下試驗設計表

圖7 不同A發泡劑摻入量下的導熱系數變化圖

由圖7可以看出，伴隨著發泡劑摻量的不斷增多，添加發泡劑膠結EPS顆粒泡沫混凝土的導熱系數先降低后上升。當發泡劑摻量在40～60g時，由于混凝土內部的小孔洞分布均勻且數量多，密度減小，導熱系數降低。當發泡劑摻量超過60g后，含氣量進一步增大，氣泡會逐漸變大，最后連通為一條孔徑，容易產生熱對流，因此導熱系數變大。因此，隨著發泡劑含量增多，混凝土的保溫隔熱性能先升高再降低。

3.3 正交試驗

通過正交試驗的思想，綜合考查珍珠巖摻入量（因素D）、發泡劑的摻入量（因素E）和發泡劑種類（因素F）這3個因素對混凝土導熱系數的影響，獲得性能最佳的配合比。在EPS:水泥:粉煤灰:膠粉:水=140:1600:660:40:1800的配合比基礎上，通過摻入不同質量的珍珠巖、發泡劑和不同類型的發泡劑，制備混凝土試樣。因素D、因素E和因素F各設三個水平，因素和水平設置的具體情況如表3所示。

表3 因素水平表

參照正交方法設計9組試驗。正交試驗表及測得的導熱系數結果列入表4中。

對正交試驗結果進行極差分析，R是該因素在它的取值范圍里的試驗指標的變化程度。R的數據越小，意味著這個因素的改變對試驗的影響效果越小，分析結果見表5。

由此可得，主次影響因素為：發泡劑種類＞發泡劑摻入量＞珍珠巖摻入量。發泡劑種類對其導熱系數值影響最大。陰離子表面活性劑類發泡劑產生的泡沫的穩定性非常差，在短時間內小的泡沫會迅速破裂，然后合并成大的氣泡，并可能在很短的時間內就消失。另外兩種具有很強的起泡力，產生的泡沫非常穩定。由每個因素每個水平的試驗指標可以斷定不同水平對此因素的影響強弱，并得此試驗的最好的組合是D3、E2、F2，即珍珠巖摻量：發泡劑摻量：發泡劑種類=300：60：植物性水泥發泡劑。

表4 正交試驗表及結果

表5 試驗結果極差分析表

4 結論

在EPS混凝土的基礎上摻加發泡劑，以此來減小它的密度，進而減小其導熱系數，再加入珍珠巖來增加它的保溫隔熱特性。通過正交試驗研究，可以得出以下結論：

1）發泡劑的種類對添加發泡劑膠結EPS顆粒泡沫混凝土的導熱系數有很大的關系。加入發泡劑后，導熱系數下降，但是蛋白質類水泥發泡劑的效果遠遠好于陰離子型表面活性劑。

2）由正交試驗分析可得，添加發泡劑膠結EPS顆粒泡沫混凝土的最優配比為EPS:水泥:粉煤灰:膠粉:水:發泡劑:珍珠巖=140:1 600:660:40:1 800:60:300。

3）EPS顆粒泡沫混凝土時最優配合比時導熱系數為0.052W/(m·K)。加入了發泡劑和珍珠巖制成添加發泡劑膠結EPS顆粒泡沫混凝土最優配比為 EPS:水泥:粉煤灰:膠粉:水:發泡劑:珍珠巖=140:1 600:660:40:1 800:60:300，此時導熱系數達到了0.032 W/(m·K)。由此可得，發泡劑和珍珠巖的加入提高了試塊的保溫隔熱性能。