鄭克勤

貴州瑞泰實業(yè)有限公司（553000）

1 研究背景

在國家大力發(fā)展裝配式建筑的形勢下，建材制品行業(yè)都逐漸轉(zhuǎn)向新型裝配式建筑材料。瑞泰公司于2015年6月竣工投產(chǎn)年產(chǎn)能200萬m2的輕質(zhì)墻板生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)聚苯乙烯顆粒水泥夾心板。這種輕質(zhì)墻板主要由硅酸鈣板、聚苯乙烯顆粒、粉煤灰和水泥等材料復(fù)合而成，兩面面層采用硅酸鈣板（厚度5mm），墻板中間部分采用以粉煤灰包裹聚苯乙烯塑料顆粒填充，以普通硅酸鹽水泥為結(jié)合劑，形成的墻體容重遠(yuǎn)低于其他墻材。經(jīng)相關(guān)造價專家核算，采用此墻板，一次結(jié)構(gòu)（基礎(chǔ)及框架結(jié)構(gòu)）的造價可節(jié)省約10%，墻體總造價可節(jié)省約5%，而且墻體厚度從260mm降低到100mm，住房可增加套內(nèi)面積5%～8%。與眾多板材比較，該墻板性價比最高，是配合裝配式建筑的理想內(nèi)隔墻墻材，可以達(dá)到節(jié)能減排、清潔施工和降低造價的目的。2017年，建設(shè)單位、施工單位等用戶對該墻板提出了改進(jìn)意見，認(rèn)為容重偏大，且直接在該墻板進(jìn)行刮瓷粉時，接縫處易出現(xiàn)微裂紋。為了進(jìn)一步提升競爭優(yōu)勢，瑞泰公司決定通過科技攻關(guān)，提高產(chǎn)品性能。

2 基礎(chǔ)試驗研究成果

2.1 試驗原料

水泥:425級普通硅酸鹽水泥。

硅酸鈣板:硅酸鈣板（不含石棉）具有強(qiáng)度高、漲濕率小、導(dǎo)熱系數(shù)低、防火性能好等優(yōu)點。特別適用于復(fù)合墻體的墻面內(nèi)、外面板，還可以當(dāng)作吊頂板，是一種很有發(fā)展前景的建筑用薄材板[1]。本試驗選用的硅酸鈣板規(guī)格為2440mm×610mm×5mm。具體物理性能指標(biāo):橫向抗折強(qiáng)度≥20MPa，縱向抗折強(qiáng)度≥15MPa，濕脹率≤0.1%，導(dǎo)熱系數(shù)0.193 W/(m·K)。

礦渣微粉:本次試驗選用的是S95級礦渣微粉，比表面積460m2/kg。主要化學(xué)成分為CaO42.83%、SiO234.69%、Al2O313.04%、MgO7.92%。

聚苯顆粒:該材料是由可發(fā)性聚苯乙烯樹脂珠粒為基礎(chǔ)原料膨脹發(fā)泡制成的。聚苯顆粒是聚苯顆粒保溫砂漿的主要骨料，在復(fù)合硅鈣墻板中主要用來降低芯體容量，增加復(fù)合硅鈣墻板的保溫功能[2]。顆粒直徑5～8mm，松散容重12～14g/L。

發(fā)泡劑:本試驗選用的液體物理發(fā)泡劑，pH值6～8，密度950～1150kg/m3，發(fā)泡倍數(shù)≥20倍，1h沉降距≤70mm，1h泌水率≤70%。

添加劑:主要作用是提高芯體早期強(qiáng)度，調(diào)節(jié)混合料的工作性，保證芯體混合料與面板形成一個整體，無面板脫落、空鼓等不正常現(xiàn)象。

2.2 試驗研究成果

如表1所示配比，參照成組立模工藝進(jìn)行成型，規(guī)定試件的尺寸為610mm×600mm×90mm。2h后拆模，自然養(yǎng)護(hù)14d，進(jìn)行抗壓試件及收縮試件的切割，28d齡期后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測和收縮值測試。試驗配具體配比及結(jié)果見表1。

2.2.1 聚苯顆粒添加量對復(fù)合硅酸鈣板抗壓強(qiáng)度的影響

表1的試驗方案中，試驗8、9、10、5、11、12分別對應(yīng)序號1、2、3、4、5、6，具體考察聚苯顆粒添加量對抗壓墻板性能的影響。由圖1可知，5號硅酸鈣板抗壓強(qiáng)度較其他板性能更優(yōu)。從聚苯顆粒添加量方面分析，隨著聚苯顆粒添加量的增加，復(fù)合硅酸板的抗壓性能先提高后降低，板中聚苯顆粒最佳添加量是6.2%，抗壓強(qiáng)度可達(dá)3.79MPa。

圖1 聚苯顆粒添加量與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

表1 試驗配比及結(jié)果

2.2.2 礦渣微粉摻入比例對復(fù)合硅鈣墻板物理性能的影響

表1中試驗1、2、3、4、5、6、7是考察不同礦渣微粉摻雜比例對試件性能的影響。從作用機(jī)理方面來看，礦渣對試件的性能具有雙重作用。在芯體材料中摻入礦渣，一方面可以使細(xì)顆粒更趨密實，同時可與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，從而降低混合料系統(tǒng)中Ca（OH）2的濃度，減小Ca（OH）2晶體尺寸，改善芯體輕質(zhì)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，降低孔隙率，強(qiáng)化各部分之間的界面黏結(jié)力。另一方面，礦渣微粉還可以進(jìn)一步促進(jìn)水泥水化，未反應(yīng)的礦渣微粉及水泥顆粒作為系統(tǒng)中的細(xì)填料，填充粗集填料間隙，會對水化產(chǎn)物起到分散作用、均布作用，提高混合料的密實性，從而提高強(qiáng)度，降低收縮，增加體積穩(wěn)定性。

2.2.3 發(fā)泡劑摻入比例對復(fù)合硅鈣墻板物理性能的影響

由試驗13、14、5、15、16對應(yīng)序號1、2、3、4、5得到發(fā)泡劑對面密度、抗壓強(qiáng)度、干燥收縮值的關(guān)系圖，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 面密度與發(fā)泡劑摻入比例關(guān)系

圖4 收縮值與發(fā)泡劑摻入比例關(guān)系

復(fù)合硅鈣墻板摻入發(fā)泡劑后，可引入無數(shù)0.1～1mm連續(xù)、均勻、密閉的微小氣泡，使硬化體形成輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，減小復(fù)合硅鈣板的面密度和自重，降低導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫隔熱性能。隨著發(fā)泡劑摻量的增加，復(fù)合墻板面密度逐漸減小。但是繼續(xù)增大發(fā)泡劑的摻量，減小幅度逐漸趨緩，表明發(fā)泡劑摻量達(dá)到一定范圍后對密度的影響開始變小。發(fā)泡劑對硬化體導(dǎo)熱系數(shù)的影響同它對面密度的影響趨勢是一致的。

發(fā)泡劑摻入比例增加抗壓強(qiáng)度逐漸減小?？箟簭?qiáng)度和發(fā)泡劑摻隨著發(fā)泡劑摻量的增加，干燥值也增大。根據(jù)發(fā)泡劑摻量對面密度、抗壓強(qiáng)度和收縮值的影響，最終選定發(fā)泡劑添加量為1%。

綜上，經(jīng)過大量試驗，不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)，最終得到了性能佳、環(huán)境友好的摻雜礦渣微粉輕質(zhì)發(fā)泡復(fù)合硅鈣墻板。具體配比見表2。

表2 原料最佳配比

3 工藝流程優(yōu)化

蒸汽養(yǎng)護(hù)的時間，同樣影響復(fù)合硅鈣墻板的抗壓強(qiáng)度。試驗發(fā)現(xiàn)，隨著蒸汽養(yǎng)護(hù)時間的延長，抗壓強(qiáng)度也隨之增長，具體見表3。

表3 養(yǎng)護(hù)時間對抗壓強(qiáng)度的影響

硅酸鈣板的抗折強(qiáng)度隨著蒸養(yǎng)時間增大而增大，蒸養(yǎng)12h后硅酸鈣板的抗折強(qiáng)度達(dá)到最大且趨于平衡，具體如圖5所示。為了進(jìn)一步探討硅酸鈣板的水化歷程，做了進(jìn)一步分析，為蒸養(yǎng)4h硅酸鈣板的顯微圖，可見該時間下硅酸鈣板中只有少量的C-S-H凝膠，大部分原料未得到充分水化。蒸養(yǎng)6h后，原料基本上水化，硅酸鈣板中產(chǎn)生了大量的C-S-H凝膠，此時硅酸鈣板的強(qiáng)度得到提升。蒸壓8h后，硅酸鈣板中除了C-S-H凝膠外，還生成了一些片狀托貝莫來石，強(qiáng)度進(jìn)一步提升。蒸養(yǎng)12h后硅酸鈣板中生成了密集的針狀硬硅鈣石。

圖5 蒸汽養(yǎng)護(hù)時間與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

蒸養(yǎng)初期:水泥和高爐礦渣中硅酸二鈣和硅酸三鈣發(fā)生水化，生成C-S-H凝膠和氫氧化鈣，使水化產(chǎn)物具有初期強(qiáng)度。

蒸養(yǎng)中期:初期生成的氫氧化鈣起到堿激發(fā)作用，激發(fā)粉煤灰中的石英等礦物進(jìn)一步水化。部分C-S-H凝膠發(fā)生晶化生成托貝莫來石。此外，高爐礦渣中的鋁酸三鈣和脫硫石膏反應(yīng)生成了鈣礬石，硅酸鈣板的強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升。

對于復(fù)合硅鈣墻板的養(yǎng)護(hù)來說，首先要控制養(yǎng)護(hù)溫度。一般需要在室溫的環(huán)境下保證混凝土中的水泥得到充分的水化，并且保證水化的速度。其次要控制養(yǎng)護(hù)的時間和養(yǎng)護(hù)濕度。由于復(fù)合硅鈣墻板內(nèi)部具有較多的空隙，在毛細(xì)吸水之后水化的過程中會存在返水的現(xiàn)象，這種作用被稱為微泵作用。微泵作用可以在復(fù)合硅鈣墻板中發(fā)揮自真空、自密實、自養(yǎng)護(hù)的作用。正是由于復(fù)合硬硅鈣石的上述特點，一般都將復(fù)合硬硅鈣石蒸養(yǎng)成型之后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

通過以上基礎(chǔ)試驗研究，優(yōu)化了聚苯顆粒添加量、水泥摻入比例、礦渣微粉摻量、發(fā)泡劑摻量及養(yǎng)護(hù)時間等原料和工藝條件對復(fù)合硅酸鈣墻板容重、抗壓強(qiáng)度及收縮率等物理性能的影響。在本試驗條件下，適宜的聚苯顆粒添加量為6.3%，水泥摻量為18.5%、礦渣微粉摻量56.5%、發(fā)泡劑摻量為1%，蒸汽養(yǎng)護(hù)時間12h。在此試驗條件下，復(fù)合硅酸鈣墻板面密度60kg/m2、抗壓強(qiáng)度為3.7MPa、收縮率為0.38mm/m。

4 新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化研究成果

針對現(xiàn)有產(chǎn)品容重偏大、干燥易收縮和接縫處易出現(xiàn)微裂紋的技術(shù)瓶頸問題，在原有使用粉煤灰和水泥包裹聚苯乙烯顆粒（以下簡稱EPS）以強(qiáng)化復(fù)合硅鈣墻板的耐火性能和體積穩(wěn)定性基礎(chǔ)上，選用CaO-SiO2系的礦渣微粉，填充粉煤灰、水泥物料的孔隙，使EPS在環(huán)境溫度升高時，不至于產(chǎn)生收縮。礦渣微粉替代部分水泥，可降低水化熱，減少墻材的干燥收縮率。加入部分與礦渣微粉同材質(zhì)的多孔狀水渣，在基質(zhì)中引入氣孔，達(dá)到降低墻材容重的目的。

在適宜的礦渣微粉摻量56.6%條件下，產(chǎn)業(yè)化試驗制得產(chǎn)品的各項物理性能均達(dá)到GB23451—2009《建筑用輕質(zhì)隔墻條板》規(guī)定的要求。經(jīng)檢測，產(chǎn)品的抗彎承載大于2.5（規(guī)范要求大于等于1.5），抗壓強(qiáng)度為3.9MPa（規(guī)范要求大于等于3.5），干燥收縮率為0.40mm/m（規(guī)范要求小于等于0.6mm/m），面密度達(dá)到67kg/m2(規(guī)范要求小于等于85kg/m2），含水率為4.1%（規(guī)范要求小于等于12%）。經(jīng)過研究，要制備主要性能本質(zhì)化突出的新產(chǎn)品，礦渣微粉對包裹EPS顆粒的密實度作用機(jī)理和替代水泥降低水化熱的反應(yīng)機(jī)理是關(guān)鍵，礦渣微粉與水泥的預(yù)混、礦渣微粉總體加入量的控制、加料順序是在聚苯乙烯顆粒水泥夾芯板中摻礦渣微粉新工藝的要點。其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和CaO，這些組分均具有很高的活性。反應(yīng)活性分為固有活性和誘增活性，將其作為摻和料摻入水泥中可以達(dá)到摻雜單一礦物外加劑所不能及的增強(qiáng)效果。活性組分即可與水泥中C3S和C2S水化產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)，進(jìn)一步生成水化硅酸鈣產(chǎn)物，填充于復(fù)合硅鈣墻板空隙中，大幅度提高其致密度，同時，將強(qiáng)度較低的Ca（OH）2晶體轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度較高的水化硅酸鈣凝膠，從而改善復(fù)合硅鈣墻板的一系列性能。

復(fù)雜原料體系中的氣孔生成新工藝。輕質(zhì)復(fù)合硅鈣墻板是在兩塊硅酸鈣面板之間填充以EPS顆粒為主（體積比最大）的混合物。EPS顆粒之間的CaO-Al2O3-SiO2的密實度與整個填充料（夾芯料）的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有很大的相關(guān)性，在此CaO-Al2O3-SiO2系基質(zhì)中引入氣孔。氣孔率高了，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)不到要求。氣孔率低了，對最終制品的面密度的影響不明顯。氣孔的引入方式也很重要，在基質(zhì)初凝時，就要形成穩(wěn)定氣孔，如基質(zhì)初凝后，氣孔繼續(xù)膨脹或萎縮，將二次破壞基質(zhì)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過研究，最終確定了液體發(fā)泡劑的物理發(fā)泡方式和基質(zhì)中15%左右的氣孔率。

粉煤灰、水渣、礦渣微粉有不同的活性，且有不同的容重，在加入攪拌設(shè)備時有不同的流體特性。EPS顆粒與以上物料充分均勻混合，更增加了難度，在反復(fù)研究各種物料進(jìn)入攪拌設(shè)備時的初始運(yùn)動特征、物料相互作用機(jī)理、有水作用下的流體特性、形成均勻穩(wěn)定漿體所需的流體形態(tài)，結(jié)合裝備制造的成熟技術(shù)，最終研究成功了適用于容重、活性、粉體極端各向異性的專用強(qiáng)制攪拌設(shè)備。