EPS顆粒對超輕水泥基復合保溫材料性能的影響

吳子豪，王武祥,2，劉廣東，王愛軍，張磊蕾,2，楊 俊

(1.中國建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100024；2.綠色建筑材料國家重點實驗室，北京 100024；3.焦作朝欽節能建材股份有限公司，焦作 454950)

0 引 言

泡沫混凝土是以水泥為膠凝材料，集料、混合材、外加劑、泡沫劑或發泡劑、水為主要原料，采用物理或化學發泡工藝制成的輕質多孔水泥基材料,其中含有大量均勻分布的封閉氣孔，因而具有輕質、保溫、隔熱、防潮等特性，在建筑節能領域應用廣泛[1-2]。以泡沫混凝土為基材生產的無機和復合保溫材料已經進入國家與地方行業主管部門推廣目錄。我國建筑節能工作穩步推進并向縱深發展，對泡沫混凝土基保溫材料高性能化提出了更高要求，尤其是熱工性能和力學性能。

膨脹聚苯乙烯泡沫塑料顆粒(EPS顆粒)由可發性聚苯乙烯珠粒經過預發泡形成，內部98%空間充滿空氣，因而具有密度極低、絕熱性好,封閉結構防止水分吸收和球形結構有利于提高基體抗壓強度等特點。研究[3-6]表明，將EPS顆粒添加于泡沫混凝土基體中，可提高抗壓強度、降低吸水率、改善抗凍性，同時賦予其良好的熱工性能。現階段研究工作主要集中于干表觀密度在200 kg/m3以上的EPS顆粒-泡沫混凝土復合材料，抗壓強度不超過0.42 MPa，導熱系數難以低于0.059 W/(m·K)[7-9]。2018年10月22日，我國發布了建材行業標準JC/T 2479—2018《水泥基復合材料保溫板》，規定Ⅰ型水泥基復合材料保溫板干表觀密度不大于250 kg/m3，導熱系數不超過0.060 W/(m·K)。顯然，現有水泥基復合保溫材料導熱系數偏高，難以滿足我國寒冷和嚴寒地區最新建筑節能要求，研發干表觀密度不大于120 kg/m3的超輕水泥基復合保溫材料(ultra-light cement-based composite thermal insulation material， UCIM)成為行業發展最新課題。

本文在保持UCIM干表觀密度為120 kg/m3的條件下，系統研究了將EPS顆粒摻入泡沫混凝土后，對泡沫混凝土基體孔結構、UCIM強度和熱工性能的影響，解析了EPS顆粒和泡沫混凝土基體協同作用提高UCIM強度的機理，為UCIM高性能化、配合比設計、協調強度與導熱系數、生產應用提供技術指導。

1 實 驗

1.1 原材料

制備UCIM所用原材料包括水泥、泡沫劑、混合材、超輕骨料、改性劑和水。水泥選用山東康晶新材料科技有限公司生產的超細硅酸鹽水泥，細度為1 340目(10 μm)，水泥的化學組成見表1；泡沫劑選用河南華泰新材科技股份有限公司生產的植物蛋白型泡沫劑；混合材選用甘肅三遠硅材料有限公司生產的硅灰，灰白色粉末；超輕骨料選用泰州方正建材有限公司生產的EPS顆粒，堆積密度為5.0 kg/m3，顆粒粒徑為2.5～5.0 mm；改性劑包括減水劑、速凝劑和短切纖維，減水劑選用型號為SP-409的聚羧酸減水劑(白色粉末)，速凝劑選用質量分數為50%的自制硫酸鋁溶液，纖維選用江蘇絲絲緣纖維有限公司生產的長度為3～5 mm的聚丙烯(PP)纖維。

表1 超細硅酸鹽水泥的主要化學組成Table 1 Main chemical composition of ultrafine Portland cement

1.2 制備過程

1.2.1 水泥漿體基礎配合比

制備UCIM所用水泥漿體基礎配合比(質量比)為：m(超細硅酸鹽水泥) ∶m(硅灰) ∶m(減水劑) ∶m(速凝劑) ∶m(PP纖維) ∶m(水)=85.22 ∶15.22 ∶0.51 ∶5.13 ∶0.77 ∶63.04。

1.2.2 EPS顆粒摻量設計

EPS顆粒摻量用單位體積UCIM中摻加EPS顆粒的堆積體積表示。共設計了11個體積摻量，即：0 m3/m3、0.2 m3/m3、0.4 m3/m3、0.5 m3/m3、0.6 m3/m3、0.7 m3/m3、0.8 m3/m3、0.9 m3/m3、1.0 m3/m3、1.1 m3/m3和1.2 m3/m3。

1.2.3 泡沫混凝土料漿制備

先將泡沫劑與水按1 ∶40的體積比稀釋成泡沫劑水溶液，然后采用轉速為700 r/min的高速攪拌器制成氣泡大小均勻、穩定的泡沫。同時按基礎配合比計量水泥、硅灰、減水劑、PP纖維和水，使用JJ-5型水泥膠砂攪拌機攪拌90 s，然后加入速凝劑后再攪拌60 s，最后加入預制好的泡沫繼續攪拌30 s，制成均勻黏稠的泡沫混凝土料漿。

1.2.4 UCIM料漿制備

在1.2.3節加入泡沫前摻加計量好的EPS顆粒后繼續攪拌60 s，再加入預制好的泡沫繼續攪拌30 s，從而制成均勻黏稠狀的UCIM料漿。

1.2.5 試件制備

采用泡沫混凝土料漿模制UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強度試塊，采用UCIM料漿模制性能試驗所需規格試塊。模制試塊脫模后蒸汽養護24 h(蒸汽溫度70 ℃)，然后將試塊置于實驗室備用。

1.3 試驗方法

1.3.1 物理力學性能

干表觀密度、抗壓強度和抗拉強度按JC/T 2479—2018《水泥基復合材料保溫板》規定的試驗方法進行。其中干表觀密度和抗壓強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm；抗拉強度試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm，用適當的膠粘劑將試件上表面與尺寸為40 mm×40 mm的接頭粘結，試件下表面與尺寸為70 mm×70 mm的試驗板粘結，通過接頭將試件安裝于KZJ-6000型水泥電動抗折試驗機上，拉伸至破壞并記錄破壞時的拉力及破壞部位，破壞部位在接頭及試驗板粘結界面時試驗數據無效。導熱系數按GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》規定的試驗方法進行，試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm，烘干溫度為(65±2) ℃。

1.3.2 孔結構特征參數

采用非切割方法取得UCIM斷面，并用壓縮空氣清理干凈；然后采用超景深三維顯示系統(VHX-600e)拍攝UCIM斷面，每個斷面選取3個代表性位置進行拍攝；再用Photoshop、Image-Pro Plus分析處理斷面照片，獲取平均孔徑和孔徑分布[10]。

2 結果與討論

2.1 EPS顆粒摻量對泡沫混凝土基體孔結構的影響

研究UCIM中泡沫混凝土基體孔結構時，將孔徑分為≤100 μm、100～150 μm、150～200 μm、200～250 μm、250～300 μm、≥300 μm六個區間進行統計，不同EPS顆粒摻量時各孔徑范圍內氣孔數量占比統計結果見圖1。可以看出，UCIM的泡沫混凝土基體中95%以上氣孔孔徑處于0～300 μm范圍內，而孔徑大于300 μm的氣孔所占比例不足5%。未摻EPS顆粒時，泡沫混凝土基體孔徑在100～150 μm范圍內的氣孔占比最大，高達53%，孔徑大于300 μm的氣孔占比最小，只有1%。隨著EPS顆粒摻量增加，孔徑低于150 μm的氣孔占比下降，孔徑在150 μm以上的氣孔占比逐漸提高，即隨EPS顆粒摻量增加，UCIM的泡沫混凝土基體中氣孔孔徑分布在向孔徑較大方向遷移。

圖1 不同EPS顆粒摻量時UCIM中泡沫混凝土基體孔徑分布圖Fig.1 Aperture distribution diagram of foamed concrete matrixin UCIM with different EPS particles dosages

圖2為不同EPS顆粒摻量時所制UCIM中泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑統計結果。可以看出，隨著EPS顆粒摻量提高，泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑呈增大趨勢，平均孔徑從127 μm增至190 μm，EPS顆粒摻量為1.2 m3/m3時，泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑是不摻EPS顆粒時的1.5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大孔比例隨EPS顆粒摻量增加明顯增多。分析發現，在制備UCIM時：一方面，增加EPS顆粒摻量勢必減少引入泡沫量，并在UCIM料漿攪拌期間EPS顆粒之間相互摩擦擠壓作用引起部分泡沫聚集并融合成大泡；另一方面，EPS顆粒摻量增加造成單位體積泡沫混凝土料漿內PP纖維數量增多，纖維比表面積大，部分泡沫在PP纖維表面聚集并融合，最終在泡沫混凝土漿體凝結固化后留下大孔。因此大孔增多，孔徑呈增大趨勢。

圖2 不同EPS顆粒摻量時UCIM中泡沫混凝土基體中氣孔平均孔徑Fig.2 Average pore diameter of foamed concrete matrixin UCIM with different EPS particles dosages

2.2 EPS顆粒摻量對UCIM抗壓強度的影響

EPS顆粒摻量不同時UCIM的抗壓強度試驗結果見圖3。可以看出，當EPS顆粒摻量由0 m3/m3逐漸增至1.2 m3/m3時，抗壓強度呈現先上升后下降的發展趨勢。上升階段為EPS顆粒摻量從0 m3/m3增至0.8 m3/m3時，抗壓強度從0.06 MPa增至0.35 MPa；下降階段則為EPS顆粒摻量從0.8 m3/m3提高至1.2 m3/m3時，抗壓強度從0.35 MPa降至0.25 MPa。

圖3 EPS顆粒摻量對UCIM抗壓強度的影響Fig.3 Effect of EPS particles dosage oncompressive strength of UCIM

對于干表觀密度為120 kg/m3的UCIM，隨著EPS顆粒摻量增加，泡沫混凝土基體體積同步減小。表2列出了不同EPS顆粒摻量時，UCIM中泡沫混凝土基體的干表觀密度計算結果。不同EPS顆粒摻量時UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強度試驗結果見圖4。顯然，EPS顆粒摻量與UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強度呈現良好的正相關關系。

圖4 EPS顆粒摻量對UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強度的影響Fig.4 Effect of EPS particles dosage on compressivestrength of foamed concrete matrix in UCIM

表2 不同EPS顆粒摻量時對應的泡沫混凝土基體干表觀密度Table 2 Dry apparent density of foamed concrete matrix corresponding to different EPS particles dosages

EPS顆粒摻量與UCIM、泡沫混凝土基體抗壓強度增幅相關性見圖5。由圖可知，以未摻加EPS顆粒的UCIM抗壓強度為基準，隨EPS顆粒摻量提高，UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強度增幅(摻加EPS顆粒的UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強度與基準UCIM抗壓強度比值)顯著提高，而UCIM抗壓強度增幅(摻加EPS顆粒的UCIM抗壓強度與基準UCIM抗壓強度比值)則呈現先提高后降低的發展趨勢，轉折點出現在EPS顆粒摻量為0.8 m3/m3時。EPS顆粒摻量低于0.6 m3/m3時，UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強度增幅和UCIM抗壓強度增幅基本一致。但EPS顆粒摻量高于0.8 m3/m3時,兩者抗壓強度增幅出現相反趨勢，即UCIM中泡沫混凝土基體抗壓強度增幅加速提高，UCIM抗壓強度增幅出現衰減。可見UCIM中EPS顆粒摻量并非越多越好，只有EPS顆粒摻量適宜時，EPS顆粒和泡沫混凝土基體才能通過協同作用，共同賦予UCIM較高的抗壓強度。

圖5 EPS顆粒摻量與UCIM、泡沫混凝土基體抗壓強度增幅相關性Fig.5 Correlation between EPS particles dosage and increase ofcompressive strength of UCIM and foamed concrete matrix

作為超輕骨料和成孔材料的EPS顆粒，其本身強度和硬度極低，受力時易發生形變，因此根本無法直接提升UCIM抗壓強度。EPS顆粒摻量在適宜范圍內對UCIM的增強作用主要基于三個方面:一是EPS顆粒摻量增加間接使UCIM中泡沫混凝土基體干表觀密度提高，進而使抗壓強度提高；二是隨著EPS顆粒摻量增加，UCIM中泡沫混凝土基體中大孔占比和平均孔徑呈增大趨勢，進而提高抗壓強度[11]；三是單位UCIM中泡沫混凝土基體中PP纖維數量隨EPS顆粒摻量增加而增多，PP纖維直徑小、比表面積大，在UCIM泡沫混凝土基體中形成“空間網架”，同時由于纖維橋聯作用，在單位泡沫混凝土基體纖維數量增加后對UCIM增強增韌效果提升，使得UCIM在受壓時內部裂縫穩定擴展，有利于UCIM抗壓強度提升。因此，UCIM抗壓強度隨EPS顆粒摻量增加而提高[12-13]。而當EPS顆粒摻量過高時，UCIM中泡沫混凝土基體體積占比很小，幾乎充滿了由EPS顆粒所形成的“大孔”，相當于形成“蜂窩狀結構”，對UCIM強度不利[7,14]。盡管蜂窩壁(泡沫混凝土基體)抗壓強度較高，但“大孔”孔徑在2.5～5.0 mm之間，因此UCIM抗壓強度顯著下降。

2.3 EPS顆粒摻量對UCIM抗拉強度的影響

不同EPS顆粒摻量時UCIM抗拉強度試驗結果見圖6。由圖可知，隨EPS顆粒摻量提高，UCIM抗拉強度呈現先增加后降低趨勢。當EPS顆粒摻量由0 m3/m3逐漸增至1.0 m3/m3時，UCIM抗拉強度由不摻EPS顆粒時的11 kPa提高至84 kPa；當EPS顆粒摻量繼續增至1.2 m3/m3時，UCIM抗拉強度則下降至47 kPa。抗拉強度和抗壓強度的變化趨勢基本一致，只是拐點對應的EPS顆粒摻量略有不同。顯然，EPS顆粒與泡沫混凝土基體的協同作用同樣有助于提高UCIM抗拉強度。UCIM抗拉強度主要取決于泡沫混凝土基體抗拉強度、EPS顆粒抗拉強度以及EPS顆粒-泡沫混凝土基體界面粘結強度，其次還受UCIM中摻入的PP纖維影響。EPS顆粒本身具有較高的抗拉強度(大于100 kPa)，隨EPS顆粒摻量提高，EPS顆粒總體提供的抗拉強度增大；泡沫混凝土基體抗拉強度隨EPS顆粒摻量增加顯著提高，同時亦使EPS顆粒-泡沫混凝土基體界面粘結強度得到加強；相同PP纖維摻量下，隨EPS顆粒摻量增加，單位體積UCIM的泡沫混凝土料漿內PP纖維數量增多，對提升泡沫混凝土基體抗拉強度有利。因此，隨著EPS顆粒摻量增加，UCIM抗拉強度明顯增加。當EPS顆粒摻量很高時，泡沫混凝土基體抗拉強度及與EPS顆粒表面粘結強度雖得到加強，但泡沫混凝土基體難以充分包裹EPS顆粒，EPS顆粒與泡沫混凝土基體接觸面積減小，并使整個受拉面出現大量缺陷，進而引起UCIM抗拉強度快速下降。因此，為使UCIM獲得最佳抗拉強度，EPS顆粒同樣存在最佳摻量。

圖6 EPS顆粒摻量對UCIM抗拉強度的影響Fig.6 Effect of EPS particles dosage ontensile strength of UCIM

2.4 EPS顆粒摻量對UCIM導熱系數的影響

不同EPS顆粒摻量時UCIM導熱系數試驗結果見圖7。可以看出，當EPS顆粒摻量由0.4 m3/m3增加至1.1 m3/m3時，UCIM導熱系數由0.042 W/(m·K)升高至0.049 W/(m·K)，即UCIM導熱系數隨著EPS顆粒摻量提高而整體呈現增大趨勢。眾所周知，EPS顆粒導熱系數很小，大大低于干表觀密度為120 kg/m3的泡沫混凝土，但當EPS顆粒摻量增多時，UCIM導熱系數卻出現明顯增大。分析表明，在制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM時，隨著EPS顆粒摻量增加，UCIM中泡沫混凝土基體的干表觀密度同步提高，而且其中氣孔平均孔徑增大，導致泡沫混凝土基體導熱系數顯著提高[11]。在結構上，UCIM是由EPS顆粒和泡沫混凝土基體通過互穿形成的，導熱系數由兩者導熱系數及導熱系數差共同決定，增加EPS顆粒摻量導致泡沫混凝土基體導熱系數提高和導熱系數差加大，產生溫度、熱流密度分布不均勻的冷橋效應，熱傳遞能力增強[15]，進而造成UCIM導熱系數增大。因此在超輕泡沫混凝土基體中摻加EPS顆粒后，UCIM導熱系數不降反增，保溫效果變差。

圖7 EPS顆粒摻量對UCIM導熱系數的影響Fig.7 Effect of EPS particles dosage onthermal conductivity of UCIM

3 結 論

(1)UCIM結構由EPS顆粒和泡沫混凝土基體通過互穿形成，兩者通過協同作用，賦予UCIM良好的力學性能和熱工性能。為制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM，需采用超輕泡沫混凝土獲得低導熱系數，但同時引起強度下降；摻加EPS顆粒則可提高泡沫混凝土基體干表觀密度和抗壓強度，但亦引起導熱系數增加；通過兩者優勢互補，可使UCIM力學性能和熱工性能均能達到設計目標。

(2)摻加EPS顆粒會對UCIM的孔結構特征參數(平均孔徑和孔徑分布)產生顯著影響。隨EPS顆粒摻量增加，UCIM的泡沫混凝土基體中孔徑在150 μm以內的氣孔占比減小，150 μm以上的氣孔占比增加，且平均孔徑增大，進而導致UCIM導熱系數增大。

(3)制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM時，在泡沫混凝土料漿中摻加EPS顆粒能顯著提高UCIM的抗壓強度和抗拉強度。EPS顆粒摻量為0.8 m3/m3時，UCIM的抗壓強度達到0.35 MPa；EPS顆粒摻量為1.0 m3/m3時，UCIM的抗拉強度達到84 kPa。

(4)制備干表觀密度為120 kg/m3的UCIM時，摻加EPS顆粒會提高UCIM導熱系數。EPS顆粒摻量為0.4 m3/m3時，UCIM導熱系數達到0.042 W/(m·K)；而EPS顆粒摻量增至1.1 m3/m3時，UCIM導熱系數高達0.049 W/(m·K)。