早強(qiáng)劑對(duì)EPS勻質(zhì)改性保溫板性能的影響

王曉海,詹奇淇,章家海,陳 慧,付生泰,詹炳根

(1.安徽建工檢測(cè)科技集團(tuán)有限公司,合肥 230031;2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009)

泡沫混凝土混摻聚苯顆粒制成的EPS勻質(zhì)改性保溫板(以下簡(jiǎn)稱“保溫板”)具有輕質(zhì)、隔熱、防水和防火等優(yōu)質(zhì)性能[1],目前大規(guī)模應(yīng)用于外墻外保溫系統(tǒng),響應(yīng)了國(guó)家綠色節(jié)能政策。但EPS保溫板存在早期強(qiáng)度低、韌性差等缺陷易造成保溫系統(tǒng)施工安裝過程中保溫板彎曲斷裂以及安裝后外墻保溫板脫落等問題,引起非必要的安全事故,進(jìn)一步限制了保溫板的推廣應(yīng)用[2]。

此外,目前對(duì)EPS保溫板的研究主要集中于通過改變?nèi)葜鼗蛘咛岣呃w維摻量的方式優(yōu)化保溫板的力學(xué)性能,而對(duì)于外摻硫酸鹽類早強(qiáng)劑提高泡沫混凝土早期強(qiáng)度的研究較少。另一方面,現(xiàn)有研究對(duì)保溫板和泡沫混凝土的韌性評(píng)價(jià)均參照普通混凝土的韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[3],雖然能得出一定的規(guī)律,但普通混凝土計(jì)算出的韌性指數(shù)遠(yuǎn)高于具有輕質(zhì)多孔特性的保溫板材料,造成輕質(zhì)材料計(jì)算所得韌性值在此評(píng)價(jià)體系里偏小、變化規(guī)律不顯著,性能的變化無法得到顯著的體現(xiàn)。因此論文考慮引入斷裂能參數(shù)[4],通過計(jì)算受彎過程中的荷載-撓度曲線全面積評(píng)價(jià)早強(qiáng)改性劑外摻對(duì)EPS保溫板抗彎折性能的影響規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥選用安徽省潤(rùn)基水泥有限責(zé)任公司PO 52.5水泥;EPS聚苯顆粒由安慶凱瑞建材有限公司提供,表觀密度為7.4 g/L,堆積密度為11.1 g/L;早強(qiáng)改性劑為自制硫酸鹽類外加劑;發(fā)泡劑為實(shí)驗(yàn)室自制蛋白類發(fā)泡劑,稀釋倍數(shù)10倍,發(fā)泡倍數(shù)20倍;拌合用水為實(shí)驗(yàn)室自來水。

1.2 試驗(yàn)方案及配合比

論文主要研究的是早強(qiáng)改性劑在不同摻量下對(duì)保溫板容重、強(qiáng)度以及彎曲韌性的影響,因此配比中僅改變?cè)鐝?qiáng)改性劑的外摻量,外摻量分別為水泥質(zhì)量的0、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%和1.4%,試驗(yàn)配合比見表1。

1.3 試件制作

1)先將水泥和早強(qiáng)改性劑等粉料干拌混勻1 min,隨后加水拌制2 min;2)待水泥漿攪拌均勻后立即使用空氣壓縮型發(fā)泡機(jī)發(fā)泡,發(fā)泡后將試驗(yàn)所需體積的泡沫加入水泥漿中攪拌1 min,測(cè)定泡沫密度;3)將EPS顆粒均勻撒入泡沫水泥漿內(nèi)攪拌1 min,拌勻后測(cè)定漿料的濕密度;4)入模(300 mm×300 mm×30 mm)并用薄膜覆蓋試件表面,靜置24 h以內(nèi)并根據(jù)試件硬化狀態(tài)進(jìn)行拆模,拆模后試件置于恒溫恒濕箱中分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d。

1.4 試件測(cè)試方法

密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》GB/T 5486—2008[5],垂直于板面的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照《外墻外保溫工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ144—2019[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 早強(qiáng)改性劑對(duì)泡沫混凝土容重的影響

由圖1分析可得,相較于空白組,早強(qiáng)改性劑增加了保溫板的干密度,不同摻量早強(qiáng)改性劑試驗(yàn)組較空白組干密度平均提高8.3%。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),隨著早強(qiáng)改性劑摻量提高,泡沫水泥漿體流動(dòng)性隨之減小,當(dāng)早強(qiáng)改性劑的摻量提高至1.1%時(shí),EPS顆粒和泡沫水泥漿體復(fù)合體系的粘聚性提高,開始出現(xiàn)入模成型困難的現(xiàn)象。觀感上主要表現(xiàn)為EPS顆粒間的泡沫水泥漿體填充不密實(shí),漿體無法有效包裹EPS顆粒外表面,成型后的試件內(nèi)部顆粒間充滿空隙(見圖2);空隙間的泡沫水泥漿體消泡較為嚴(yán)重,實(shí)測(cè)保溫板密度相應(yīng)提高。當(dāng)早強(qiáng)改性劑用量小于1.1%時(shí),加入EPS后混合料和易性較好,攪拌制得的保溫板體積較1.1%以上外摻量試件的體積大;入模后,EPS顆粒之間的空隙被泡沫水泥漿體填充密實(shí),密度相應(yīng)小一些。從整體看,早強(qiáng)改性劑的外摻提高了保溫板的干密度。

2.2 早強(qiáng)改性劑對(duì)保溫板早期抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),外摻早強(qiáng)改性劑可顯著提高泡沫水泥漿體入模后的硬化速率,保溫板拆模時(shí)間得以控制在在18 h以內(nèi)(空白組拆模時(shí)間在24 h以上),成品保溫板出廠前的存放時(shí)間顯著縮短。由圖3分析可得,早強(qiáng)改性劑對(duì)保溫板早期抗壓強(qiáng)度的優(yōu)化主要體現(xiàn)在7 d抗壓強(qiáng)度上,7～28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度較小;當(dāng)早強(qiáng)改性劑用量為0.2%時(shí),保溫板抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值,7 d抗壓強(qiáng)度比空白對(duì)照組大33.3%,28 d的抗壓強(qiáng)度比空白對(duì)照組大44.4%;但當(dāng)早強(qiáng)改性劑外摻量高于0.2%時(shí),試件抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)不顯著,且隨著外摻量持續(xù)提高至0.8%以上,試件橫截面上的膠凝體系面積占比減小,抗壓強(qiáng)度有一定的損失。綜上,適量的早強(qiáng)改性劑可改善保溫板的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度,外摻量高于0.2%時(shí),試件7 d后齡期的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯,繼續(xù)提高早強(qiáng)改性劑摻量,試件抗壓強(qiáng)度逐漸降低,但變化并不顯著。綜上,外摻早強(qiáng)改性劑有效提高了保溫板7 d和28 d抗壓強(qiáng)度,并符合《勻質(zhì)改性防火保溫板建筑外保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》DBHJ/T 015—2014[7]關(guān)于外墻用保溫板抗壓強(qiáng)度不低于0.3 MPa的技術(shù)要求,空白組7 d和28 d抗壓強(qiáng)度低于該標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。

2.3 早強(qiáng)改性劑對(duì)保溫板抗拉強(qiáng)度的影響

由圖4分析可得,早強(qiáng)改性劑可有效提高保溫板抗拉強(qiáng)度。當(dāng)外摻量不高于0.5%時(shí),抗拉強(qiáng)度隨摻量的提高而增加;摻量高于0.5%后,保溫板抗拉強(qiáng)度變化幅度并不顯著并伴有一定的降低趨勢(shì);其中外摻量為0.5%時(shí),保溫板7 d和28 d抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值,較空白組分別提高31.5%和40.2%;此外,保溫板28 d抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律與7 d抗拉強(qiáng)度一致。早強(qiáng)改性劑外摻量在0.2%～1.1%范圍內(nèi)時(shí),其抗拉強(qiáng)度均滿足《勻質(zhì)改性防火保溫板建筑外保溫系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》DBHJ/T 015—2014關(guān)于外墻用保溫板抗拉強(qiáng)度不低于0.11 MPa的技術(shù)要求。

保溫板復(fù)摻的EPS顆粒強(qiáng)度較低,影響保溫板抗拉強(qiáng)度的主要因素是EPS顆粒間的硬化泡沫水泥漿料。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),摻適量早強(qiáng)改性劑有利于維持早期硬化過程中泡沫的穩(wěn)定性,保溫板成型后EPS顆粒間的空隙由泡沫水泥漿體填充密實(shí),保溫板受拉橫截面內(nèi)可抵抗拉伸荷載的材料占比較高,垂直于板面的抗拉強(qiáng)度隨之提高。在攪拌過程中還發(fā)現(xiàn),當(dāng)不摻或過量摻用早強(qiáng)改性劑時(shí),填充在EPS顆粒間的膠凝體系內(nèi)部泡沫不穩(wěn)定,且在硬化過程中易出現(xiàn)消泡現(xiàn)象,試件成型后的受拉截面內(nèi)分布較多的有害孔隙,受拉時(shí)同一截面上受力的膠凝材料占比減小,試件受拉破壞荷載較低。圖5為保溫板斷裂面示意圖,可直觀地看出早強(qiáng)改性劑在0.5%和0.8%外摻量下,受拉橫截面基本都是EPS顆粒斷裂。

2.4 不同早強(qiáng)改性劑外摻量對(duì)EPS保溫板抗折強(qiáng)度及彎曲韌性的影響

由圖6分析可得,相較于早強(qiáng)改性劑試件,空白組試件的斷裂荷載峰值最低,僅為0.048 kN,且隨著早強(qiáng)改性劑外摻量的提高,保溫板彎曲試驗(yàn)破壞荷載經(jīng)歷了先增大后降低并穩(wěn)定的過程,計(jì)算出外摻0～1.4%早強(qiáng)劑改性劑試件的抗折強(qiáng)度分別為0.21 MPa、0.34 MPa、0.37 MPa、0.33 MPa、0.33 MPa和0.33 MPa,抗折強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的外摻量為0.5%。

同時(shí),由試件實(shí)際破壞形態(tài)和圖6可知,保溫板受力破壞過程基本與延性破壞形式相符,即在開裂前雖有一定的塑性變形,但整體上基本接近線彈性,荷載-撓度曲線接近直線;出現(xiàn)微小裂縫后,曲線斜率有明顯變小的趨勢(shì),但荷載繼續(xù)增長(zhǎng);達(dá)到極限荷載之后,彎曲試件底面出現(xiàn)大量裂紋,試件破壞,荷載急劇降低。因此,外摻早強(qiáng)改性劑試件受彎時(shí)相較于空白組可更好地抵抗彎曲荷載,且能在破壞前以一定的彎曲現(xiàn)象示警,滿足外墻外保溫系統(tǒng)保溫材料安全安裝和使用要求。

為進(jìn)一步得到早強(qiáng)改性劑對(duì)保溫板彎曲韌性的影響規(guī)律,論文通過斷裂能(Gf)進(jìn)行評(píng)價(jià)。斷裂能為總能量除以試件的斷裂面橫截面積,總能量為完全撓度面積之和,依據(jù)式(1)計(jì)算。

(1)

式中,W0為完全荷載-撓度曲線的面積;m為支座間試件的質(zhì)量,由整個(gè)試件的質(zhì)量乘以l/L計(jì)算;g為重力加速度;σ為試件徹底破壞后的變形;d為試件橫截面的高度;b為試件橫截面的寬度。

抗折強(qiáng)度依據(jù)式(2)計(jì)算。

(2)

式中,Pmax為最大荷載;l為支座間試件的跨度;b為試件橫截面的寬度;d為試件橫截面的高度。

由表2分析可得,通過斷裂能對(duì)保溫板彎曲韌性進(jìn)行評(píng)價(jià),早強(qiáng)改性劑外摻量為0.2%～1.4%時(shí),保溫板斷裂能較空白組顯著提高,變化趨勢(shì)與不同摻量試件實(shí)際破壞形態(tài)的變化規(guī)律一致。因此通過斷裂能指標(biāo)可較好地體現(xiàn)輕質(zhì)多孔特性保溫板彎曲韌性的變化規(guī)律。其中摻量為0.5%時(shí),保溫板斷裂能達(dá)到最大值56.21 N/m,相較于空白組提高98.6%;繼續(xù)提高摻量,保溫板斷裂能存在一定的損失。

表2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果(斷裂能及抗折強(qiáng)度)

3 結(jié) 論

a.外摻早強(qiáng)改性劑保溫板的干密度較空白組平均提高8.3%;摻量提高至1.1%及以上時(shí),拌制的保溫板漿料粘聚性大、流動(dòng)性差。

b.適量的早強(qiáng)改性劑可有效提高保溫板抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,其最適宜外摻量為0.5%,最適宜摻量下7 d抗壓和抗拉強(qiáng)度較空白組分別提高33.3%和31.5%,其28 d抗壓和抗拉強(qiáng)度較空白組分別提高44.4%和40.2%;摻量提高至0.5%以上時(shí),硬化前保溫板漿料內(nèi)存在消泡現(xiàn)象,保溫板受壓和受拉截面上的膠凝材料占比減小,試件破壞荷載降低。

c.通過斷裂能指標(biāo)評(píng)價(jià)保溫板的彎曲韌性較為適宜,早強(qiáng)改性劑外摻量為0.5%時(shí),保溫板斷裂能達(dá)到最大值56.21 N/m,相較于空白組提高98.6%;繼續(xù)提高摻量,保溫板斷裂能存在一定的損失。