硅灰對超輕水泥基復合保溫材料性能的影響

吳子豪，王武祥,2，劉曉通，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.中國建材檢驗認證集團海南有限公司，海口 570100)

0 引 言

超輕水泥基復合保溫材料(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成，干表觀密度通常不大于150 kg/m3，擁有良好的力學性能和熱工性能，能滿足我國寒冷和嚴寒地區最新建筑節能要求，近年來在我國北方地區得到大量推廣與應用。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。

偏高嶺土反應活性高于硅灰，當摻合料為偏高嶺土時，隨偏高嶺土摻量增多，水泥砂漿流動度降低，而水泥試件抗壓強度得到提升[1]。普通礦粉相對超細硅酸鹽水泥粒度較粗，當摻合料為礦粉時，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，泡沫混凝土抗壓強度增大，當硅灰摻量增加到10.0%(質量分數)時，抗壓強度提升最大；同時張旭等[4]研究發現，硅灰摻量對泡沫混凝土孔結構也會造成影響，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]發現摻入硅灰后混凝土強度較高，尤其是早期強度提升明顯，28 d齡期后強度提升緩慢，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生的效果均有見解，但目前關于研究摻合料對摻入輕質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，并系統研究硅灰對UCIM的泡沫混凝土基體孔結構及性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：由山東康晶新材料科技有限公司生產的42.5級超細硅酸鹽水泥，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：硅灰由甘肅三遠硅材料有限公司生產，灰白色粉末；偏高嶺土由內蒙古超牌建材科技有限公司生產，白色粉末；礦粉由山東盛世高鐵工程材料有限公司生產，灰白色粉末。EPS顆粒：由泰州方正建材有限公司生產，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，速凝劑為質量分數為50%的自制硫酸鋁溶液。

圖1 超細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，然后采用轉速為700 r/min的高速攪拌器制成氣泡均勻穩定的泡沫。同時按設計配合比(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，制成均勻黏稠狀的UCIM料漿。模制性能試驗所需規格試件，模制試件在實驗室帶模養護48 h，脫模后蒸汽養護24 h(養護溫度70 ℃)，然后將試件置于實驗室內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 試驗方法

1.3.1 孔結構測試方法

UCIM中的孔包括EPS顆粒內部封閉孔和UCIM的泡沫混凝土基體中泡沫所形成的孔，EPS顆粒內部封閉孔受廠家生產工藝影響，而UCIM的泡沫混凝土基體內部的孔受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構，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(VHX-600e)拍攝UCIM斷面的泡沫混凝土基體孔，每個UCIM斷面選取3個代表性位置進行拍攝。

孔結構處理：利用Photoshop對UCIM斷面的泡沫混凝土基體孔照片進行二值化處理，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JC/T 2479—2018《水泥基復合材料保溫板》規定的試驗方法測試UCIM試件干表觀密度、抗壓強度和抗拉強度,參照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》規定的試驗方法測試UCIM試件導熱系數。

2 結果與討論

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抗壓強度的影響，根據UCIM的性能優劣選取合適的摻合料。

三種摻合料不同摻量(均用質量分數表示，下同)時，UCIM的抗壓強度試驗結果見圖2，對應UCIM干表觀密度測試結果見表2。可以看出，隨著硅灰摻量增加，UCIM抗壓強度先明顯增大然后逐漸變為趨于平緩，當硅灰摻量為12.5%時UCIM抗壓強度達到最高值0.34 MPa；不同摻量的偏高嶺土對UCIM抗壓強度的影響規律與摻加硅灰的UCIM相似，當偏高嶺土摻量為12.5%時UCIM抗壓強度達到0.30 MPa；摻入礦粉后，UCIM抗壓強度呈現先增大后減小又稍增大的趨勢，在礦粉摻量為10%時抗壓強度最高達到0.25 MPa，之后出現下降，最低降至0.24 MPa。比較三種摻合料對UCIM抗壓強度的影響，硅灰對UCIM抗壓強度增強效果最佳，偏高嶺土次之，礦粉的增強效果較小。

圖2 三種摻合料對UCIM抗壓強度的影響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力學性能，采用硅灰優于選用偏高嶺土，而礦粉替代水泥時UCIM表現出的力學性能最差，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顆粒可均勻分散于UCIM的泡沫混凝土基體中，未出現分層離析現象；而偏高嶺土與礦粉替代水泥后UCIM均出現不同程度的分層離析現象，EPS顆粒難以均勻分散在UCIM的泡沫混凝土基體中，造成UCIM力學性能不如摻入硅灰時力學性能，甚至摻入礦粉后UCIM力學性能難以得到提升。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，不會產生EPS顆粒與料漿間的分層離析現象，UCIM受壓時應力分布均勻，力學性能較優。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生流淌沉降，造成EPS顆粒與料漿混合不均勻，出現分層離析，使得UCIM均勻性較差，受壓時應力分布不均勻，力學性能較差。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構的影響

圖3是未摻加硅灰和摻入12.5%硅灰時UCIM斷面圖。可以看出，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則孔洞減少，且相對未摻加硅灰時氣孔發生破滅或相互融合減少，使得氣孔較獨立存在，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構時，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六個區間進行統計，不同硅灰摻量時各孔徑范圍內氣孔數量占比統計結果見圖4。可以看出，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；當硅灰摻量為15.0%時，泡沫混凝土基體孔徑在200 μm以內的氣孔占比高達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計結果。可以看出，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料漿中由物理發泡方式引入的泡沫不易因攪拌及澆注成型過程在料漿內發生流動，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，增強水化產物密實度，提高氣孔孔壁密實度[3,8]。在UCIM硬化過程中，內部由物理發泡方式引入的泡沫不易發生破滅而形成不規則的大孔，孔形貌得到優化。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抗壓強度的影響

圖6為硅灰摻量與UCIM抗壓強度增幅相關性，從圖中可以看出，以不摻加硅灰的UCIM抗壓強度為基準，隨硅灰摻量增加，UCIM抗壓強度增幅(摻加硅灰的UCIM抗壓強度與基準UCIM抗壓強度比值)分兩個階段：硅灰摻量在7.5%前抗壓強度增幅迅速，在硅灰摻量超過10.0%后抗壓強度增幅趨于平穩。可見硅灰摻量較小時對UCIM抗壓強度貢獻較大，而硅灰摻量繼續增大后對UCIM抗壓強度無明顯提升。硅灰等量替代水泥后，增強UCIM抗壓強度主要基于兩個方面：一是硅灰的微集料填充效應，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物內，增強水化產物密實度，從而提高UCIM抗壓強度[5]；二是硅灰在UCIM中發揮的火山灰效應，硅灰中的活性物質SiO2與水泥水化產物Ca(OH)2發生反應，加快水泥的水化速率，促進提供強度的C-S-H凝膠組分不斷增長，由此提高UCIM抗壓強度[9]。當硅灰摻量過高時，由于硅灰比表面積大、吸水量大，在制備UCIM過程中硅灰易出現微聚成團現象，成團硅灰內部不發生水化反應，無提供強度的水化產物硅酸鈣生成，成為UCIM中的薄弱區域，造成UCIM抗壓強度增幅不再增加[8]。

圖6 硅灰摻量與UCIM抗壓強度增幅相關性Fig.6 Correlation between silica fume content and increase of UCIM compressive strength

2.4 硅灰摻量對UCIM抗拉強度的影響

圖7為硅灰摻量對UCIM抗拉強度的影響，從圖中可以看出，隨硅灰摻量提高，UCIM抗拉強度先增高后趨于平穩。當硅灰摻量由0%逐漸增至7.5%時，UCIM抗拉強度由59 kPa提高至74 kPa；當硅灰摻量超過10.0%后，UCIM抗拉強度幾乎不再上升，在硅灰摻量為12.5%時UCIM抗拉強度達到73 kPa。硅灰對UCIM抗拉強度的影響主要是對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的微觀結構，能夠顯著提高界面黏接強度[10]，使得被拉斷的EPS顆粒比例增加，從而提高UCIM抗拉強度；但當硅灰摻量過高時，硅灰在UCIM料漿中易出現微聚成團現象，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強度降低[11]，減少被拉斷的EPS顆粒比例，進而使UCIM抗拉強度不再增加甚至略有下降。

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

2.5 硅灰摻量對UCIM導熱系數的影響

不同硅灰摻量對UCIM導熱系數的影響見圖8，對應UCIM干表觀密度測試結果見表3。可以看出，當硅灰摻量由0%增加至15.0%時，UCIM導熱系數由0.047 0 W/(m·K)降至0.046 1 W/(m·K)，亦即UCIM導熱系數隨著硅灰摻量提高而呈現下降趨勢。這是由于在除硅灰之外的UCIM配合比不變情況下，UCIM導熱系數主要受UCIM的泡沫混凝土基體孔結構的影響。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)熱振動實現傳遞，而氣孔中熱量是通過氣體分子碰撞運動來進行傳遞，UCIM中熱量傳遞是這兩種導熱行為綜合作用結果。硅灰摻量增加后，UCIM的泡沫混凝土基體平均孔徑減小，通過物理發泡方式引入的泡沫合并、破滅減少，導致UCIM單位體積內氣孔增多，從而氣固界面增多，熱量在UCIM中傳遞時頻繁地從固態熱傳導轉換為氣體對流傳導，降低了熱傳導的速率，導致UCIM導熱系數隨之下降。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則孔洞減少，而泡沫混凝土基體中連通孔與不規則氣孔會導致導熱系數上升[12]，進而造成UCIM導熱系數降低。因此在UCIM中摻入一定量的硅灰后，可適當降低導熱系數。

圖8 硅灰摻量對UCIM導熱系數的影響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 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，未產生分層離析現象，故選取硅灰作為制備UCIM的摻合料。

(2)摻入硅灰將對UCIM的孔結構特征參數(平均孔徑和孔徑分布)產生顯著影響。隨硅灰摻量增加，UCIM中在200 μm以內的氣孔占比減小，200 μm以上的氣孔占比增加，且平均孔徑減小，進而導致UCIM導熱系數減小。

(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的力學性能。硅灰摻量為12.5%時抗壓強度達到最高值0.34 MPa，此時抗拉強度為73 kPa。

(4)摻入硅灰會適當降低UCIM的導熱系數。硅灰摻量為0%時，UCIM導熱系數達到最高值0.047 0 W/(m·K)，硅灰摻量為15.0%時，UCIM導熱系數降至最低值0.046 1 W/(m·K)。