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        聚合物增強煤矸石泡沫混凝土性能研究

        2021-03-03 06:54:58劉寧
        江蘇建材 2021年1期
        關鍵詞:混凝土

        劉寧

        (江蘇師范大學,江蘇 徐州 221116)

        0 前言

        泡沫混凝土作為一種低投入、高產(chǎn)出、保溫性好、防火性強的輕質(zhì)保溫隔熱材料,被市場廣泛認可,不僅被應用于房屋建筑,在景觀、工業(yè)、軍事等領域也發(fā)揮著重大作用,具有廣闊的應用前景[1-2]。

        煤矸石作為一種礦業(yè)廢料,污染環(huán)境,還易產(chǎn)生自燃,帶來火災隱患,將其應用于泡沫混凝土的制備中,利用煤矸石所含的SiO2、Al2O3等活性組分,在堿性環(huán)境與Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應,既節(jié)約水泥、解決了水泥水化熱高引起的易開裂現(xiàn)象,又做到了廢物利用[3]。

        1 試驗準備

        1.1 試驗原材料

        水泥:秦嶺牌42.5普通硅酸鹽水泥。

        煤矸石:產(chǎn)自陜西省銅川市,具體成分見表1。

        發(fā)泡劑:市售動物蛋白發(fā)泡劑,棕褐色液體,發(fā)氣量 500 ml/g。

        減水劑:普通奈系減水劑。

        PVA(聚乙烯醇):絮狀,(80~90) ℃水中可溶解至粘稠液體。

        EVA乳液:乳白色粘稠液體。

        表1 試驗所用煤矸石主要成分

        1.2 試驗配比

        本試驗以800 kg/m3為設計干密度,水泥與煤矸石的質(zhì)量比為 1∶1,水料比為 0.45,PVA、EVA 乳液兩種聚合物作為增強劑,每種聚合物的用量以水泥質(zhì)量為計算基礎,分別取水泥質(zhì)量的1%、2%、3%,具體配比如表2。

        表2 試驗配比

        2 試驗過程

        2.1 試驗方法

        (1)泡沫的制備:按照表2的用量稱取發(fā)泡劑和水,以2.5%的濃度制成發(fā)泡劑溶液,用高速攪拌機攪拌15 min,制得均勻的泡沫。

        (2)煤矸石水泥凈漿的制備:稱取一定量的水泥、煤矸石加入膠砂攪拌機,慢速攪拌1 min,再加入水、減水劑高速攪拌2 min,然后停止攪拌,用鏝刀將攪拌鍋壁粘有的漿體刮下,再向攪拌鍋內(nèi)加入聚合物,高速攪拌1 min,制得聚合物-煤矸石水泥凈漿(注:PVA實驗中,需預先將絮狀PVA用80℃以上的水融化后才能加入)。

        (3)煤矸石泡沫混凝土的制備:將已制備好的泡沫加入煤矸石水泥凈漿中,再次開啟膠砂攪拌機,中速攪拌1.5 min,使泡沫和漿體充分拌合,澆筑至40 mm×40 mm×160 mm的標準試模中,輕微震動后,在試模表面覆蓋塑料薄膜,以減少水分蒸發(fā),靜置24 h后脫模,脫模后試件置于標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d。

        (4)達到28 d齡期后,對試件進行干密度、抗壓強度、抗折強度、導熱系數(shù)的測定。

        2.2 試驗配比調(diào)整

        在試驗中發(fā)現(xiàn),5、6組試件均出現(xiàn)漿體大量流出現(xiàn)象,7組試件出現(xiàn)輕微塌?,F(xiàn)象。

        聚合物的加入會對水泥有緩凝作用,塌模的發(fā)生,說明EVA的緩凝作用大于對水泥的增稠作用。因此采取增大EVA乳液用量的方式,將EVA乳液的用量增大至水泥質(zhì)量的3%、5%、7%,具體配比見表3。

        表3 試驗配比

        2.3 試驗結(jié)果及分析

        配比調(diào)整后的試驗結(jié)果如表4。

        2.3.1 聚合物對煤矸石泡沫混凝土干密度的影響,見圖1。

        由圖1可以看出,PVA和EVA乳液的加入都可以降低煤矸石泡沫混凝土的密度。隨著聚合物的加入,煤矸石泡沫混凝土的密度先降低后增大。其中,PVA的加入量為水泥質(zhì)量的2%時,密度最低,比不加聚合物時降低38.8%,EVA乳液的加入量為水泥質(zhì)量的5%時,密度最低,比不加聚合物時降低39.6%。

        表4 試驗結(jié)果

        圖1 聚合物對于密度的影響

        出現(xiàn)上述變化趨勢的原因主要是聚合物的加入量較小時,可以增大煤矸石水泥漿體的稠度,降低泡沫的排液速率,抑制液膜變薄而破碎,提高泡沫的穩(wěn)定性[4]。但隨著聚合物的加入量進一步增大,漿體稠度也隨之增大,從而降低煤矸石泡沫混凝土的流動性,破壞已形成的泡沫,而且聚合物用量的增大,緩凝作用愈加明顯,初凝時間變長,部分泡沫在水泥初凝前已破碎,導致孔隙率變小,密度增大。

        2.3.2 聚合物對煤矸石泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響,見圖2。

        圖2 聚合物對導熱系數(shù)的影響

        由圖2可以看出,加入聚合物后,泡沫混凝土導熱系數(shù)的變化趨勢與干密度的變化趨勢相同,隨著聚合物加入量的增大,出現(xiàn)先降低后增大的趨勢。當PVA加入量為水泥質(zhì)量的2%時,導熱系數(shù)最低,比不加聚合物時降低了19.7%,當EVA乳液加入量為水泥質(zhì)量的5%時,導熱系數(shù)最低,比不加聚合物時降低了19.15%。出現(xiàn)這種變化趨勢主要與熱傳遞的原理有關,泡沫混凝土之所以能夠起到保溫隔熱的作用,主要與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙有關,由于空氣的導熱系數(shù)低于水泥混凝土,所以孔隙率越大,導熱系數(shù)越低。在本試驗中,第3組和第6組的干密度較小,說明孔隙率較大,因此導熱系數(shù)較低。

        2.3.3 聚合物對煤矸石泡沫混凝土28d抗壓強度的影響,見圖3。

        圖3 聚合物對28 d抗壓強度的影響

        由圖3可以看出,加入聚合物以后,煤矸石泡沫混凝土的28 d抗壓強度有所降低,這主要是因為聚合物的加入提高了對泡沫的保護作用,孔隙率增大,因此對抗壓強度有一定的影響,但隨著聚合物用量的增大,28 d抗壓強度逐漸提高。這主要有兩方面原因:一是隨著聚合物的增加,泡沫的穩(wěn)定性較強,氣孔結(jié)構(gòu)更加均勻,減小應力集中,抗壓強度增大;二是聚合物的粘結(jié)性較強,在泡沫混凝土內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對泡沫混凝土的強度具有增強作用,因此強度會增大。

        2.3.4 聚合物對煤矸石泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)的影響,見圖4。

        圖4 聚合物對氣孔結(jié)構(gòu)的影響

        由圖 4 (a)(b)(c) 三張圖片可以看出,(b)和(c)圖的氣孔分布比(a)圖更均勻,尤其在試件底部,(a)圖的底部孔隙率非常低,主要是因為漿體稠度較小,泡沫的排液速率較高,在水泥初凝前,泡沫不斷上升甚至破碎,而聚合物的加入可以使?jié){體稠度增大,減小泡沫的消泡率,使泡沫更加穩(wěn)定,硬化后氣孔更加均勻,孔隙率變大,因此干密度和導熱系數(shù)較小。

        利用Nano Measurer軟件對三張圖片的孔徑進行粗略測量,(a)圖中試件平均孔徑1.0 mm,(b)圖中試件平均孔徑0.7 mm,(c)圖中試件平均孔徑1.5 mm。由此可以看出,雖然PVA和EVA乳液都可以使泡沫更加穩(wěn)定,但加入PVA后,泡沫混凝土的孔徑更小,這種氣孔結(jié)構(gòu)更利于強度的形成[5],因此加入PVA的試件28 d抗壓強度更高。

        3 最佳配比的確定

        據(jù)了解,800 kg/m3的泡沫混凝土一般作為房屋建筑的輕質(zhì)隔墻材料使用,因此要求具有一定的強度,且具有輕質(zhì)的特點和保溫隔熱、隔音的作用。但一般情況下,抗壓強度往往會隨著密度的降低而降低,因此在選擇最佳用量時參考“價值工程”的概念,引入28 d抗壓強度/干密度、28 d抗壓強度/導熱系數(shù)兩個參數(shù),28 d抗壓強度/干密度、28d抗壓強度/導熱系數(shù)較大者為優(yōu)。

        計算結(jié)果如表5,加入PVA時,PVA用量為水泥質(zhì)量的3%時,28 d抗壓強度/干密度、28 d抗壓強度/導熱系數(shù)的值最大,因此,選擇水泥質(zhì)量的3%為PVA的最佳用量;加入EVA乳液時,EVA用量為水泥質(zhì)量的5%時,28d抗壓強度/干密度的值最大、而EVA乳液用量為水泥質(zhì)量的7%時,28 d抗壓強度/導熱系數(shù)的值最大,這就需要根據(jù)實際應用綜合考慮后確定。由于當EVA乳液用量為水泥質(zhì)量的7%時,雖然28 d抗壓強度/干密度的值小于用量為5%時,但此時強度最高,且密度仍然滿足小于800 kg/m3的要求,因此,經(jīng)過定量和定性分析,EVA乳液的最佳用量為水泥質(zhì)量的7%。

        表5 計算結(jié)果

        4 結(jié)論

        (1)聚合物可以提高泡沫混凝土漿體稠度,降低液膜的排液速率,推遲泡沫的破碎時間,改善氣孔結(jié)構(gòu),從而改善泡沫混凝土的各項性能。

        (2)PVA的最佳用量為水泥質(zhì)量的3%,EVA乳液的最佳用量為水泥質(zhì)量的7%。

        (3)加入PVA與加入EVA乳液相比,泡沫混凝土的氣孔小而密,28 d抗壓強度較高,但密度和導熱系數(shù)也較大,導致保溫性能有所削弱。在實際應用中,要根據(jù)所用材料的具體作用妥善選擇,如果所用材料的作用側(cè)重于承重,則選擇PVA為增強聚合物;如果所用材料主要用于保溫隔熱,則選擇EVA乳液為增強聚合物。

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