1 前言
隨著社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，粉煤灰作為一種綜合利用的資源越來越受到重視。粉煤灰已在混凝土、砂漿、建筑制品中得到了大量應(yīng)用。尤其近些年來，隨著環(huán)保節(jié)能事業(yè)的大力發(fā)展，粉煤灰在輕質(zhì)砌塊、墻體材料中應(yīng)用越來越多。這些應(yīng)用的膠凝材料大致分為三類：一類粉煤灰—石灰膠凝體系，一類粉煤灰—水泥膠凝體系，一類粉煤灰—石灰—水泥膠凝體系。眾所周知，粉煤灰膠凝體系存在質(zhì)量較低、早期抗壓強(qiáng)度較低等問題。而本項(xiàng)目研究的EPS保溫砂漿，其特點(diǎn)是干密度輕、導(dǎo)熱系數(shù)低，但不一定要有很高強(qiáng)度。因此，很有必要通過對(duì)這些膠凝體系的研究，設(shè)計(jì)出一種滿足這一系統(tǒng)的膠凝體系。
德國(guó)DIN18 550 part3對(duì)這一系統(tǒng)是這樣描述的：該系統(tǒng)由礦物膠凝材料及含有不少于占體積15%的膨脹聚苯顆粒(EPS)組成。其理化指標(biāo)要求固化砂漿干容重≥200kg／m3，抗壓強(qiáng)度≥0．4MPa吸水率≤2kg／(m2•h0.5)。固化砂漿導(dǎo)熱系數(shù)入λ10，tr應(yīng)不超過表1．給定的值：
2 主要原材料及性能：
(1)粉煤灰：采用工級(jí)低鈣灰，其性能指標(biāo)見表2。
(2)硅灰：其性能指標(biāo)見表3。
(3)水泥：P042．5R普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
(4)石灰：采用熟石灰比生石灰有更高的強(qiáng)度，并且有更好的體積穩(wěn)定性。其指標(biāo)為有效(Ca0+MgO)含量>65%，MgO含量<4%，細(xì)度0．125mm篩篩余≤10%，體積安定性合格。
(5)復(fù)合外加劑：包括復(fù)合硫酸鹽系統(tǒng)及高效減水劑等。
(6)高分子有機(jī)粘結(jié)材料：該材料采用了水溶性高分子材料，摻人一定比例的憎水表面活性劑、再分散乳液粉末、化學(xué)發(fā)泡劑、復(fù)合物理發(fā)泡劑等，在穩(wěn)泡劑的作用下形成。
(7)不同比例、不同彈性模量、長(zhǎng)短匹配的多種纖維。
(8)聚苯顆粒：堆積密度12～21kg／m3，粒度(5mm篩篩余)≤5%。
3 試驗(yàn)及討論
3.1 粉煤灰的火山灰性及活化機(jī)理
粉煤灰主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，他們以玻璃體形式存在，是一種具有潛在火山灰反應(yīng)性的活性混合材。但因其結(jié)構(gòu)聚合度大、鍵能高，在常溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，活性較低。因此，粉煤灰應(yīng)用研究主要熱點(diǎn)在于其火山灰活性及活化的研究?；鹕交倚再|(zhì)是指硅質(zhì)或鋁硅質(zhì)材料本身不具有或只有很弱的膠凝性質(zhì)，但在水存在的情況下與CaO化合將會(huì)形成水硬性固體的這種性質(zhì)。很多粉煤灰的應(yīng)用都是建立在對(duì)粉煤灰這種潛在的火山灰性質(zhì)的利用上，火山灰性質(zhì)是粉煤灰最基本性質(zhì)。
一般情況下，粉煤灰的火山灰活性發(fā)揮速度比較慢，但在激發(fā)劑的作用下，粉煤灰與石灰的反應(yīng)速度明顯增加。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)先對(duì)粉煤灰進(jìn)行活化。對(duì)其活化措施常用的有機(jī)械活化、化學(xué)活化、熱力活化。粉煤灰細(xì)度是影響粉煤灰水化活性的重要因素，粉煤灰越細(xì)水化活性就越高。根據(jù)試驗(yàn)條件、儀器，我們選用細(xì)度較細(xì)、品質(zhì)活性較高的工級(jí)灰。并采取化學(xué)活化的方法進(jìn)一步激發(fā)粉煤灰活化性?；瘜W(xué)活化粉煤灰激發(fā)劑主要有堿性激發(fā)劑和硫酸鹽激發(fā)劑。在堿性激發(fā)劑的作用下，粉煤灰中SiO2與Ca(OH)2化合生成CSH膠體；在硫酸鹽激發(fā)劑作用下，粉煤灰中A1203與Ca(OH)2化合生成CSH膠體，在石膏存在時(shí)，進(jìn)而生成穩(wěn)定的鈣礬石。
粉煤灰活性激發(fā)劑不僅是粉煤灰火山灰效應(yīng)的催化劑，同時(shí)還是粉煤灰火山灰效應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)(在水化過程中生成堿性物質(zhì)和凝膠物質(zhì))，活性激發(fā)作用機(jī)理為：(1)采取細(xì)度較細(xì)的工級(jí)灰，其表面層玻璃態(tài)薄膜已受到破壞，加快了可溶性SiO2和Al2O3熔出，并有利于外部離子侵入，從而加快粉煤灰的化學(xué)反應(yīng)速度。(2)堿性激發(fā)劑水解后可使溶液中含有較高濃度的OH－離子和弱酸根離子，使原先聚合度較高的玻璃態(tài)網(wǎng)絡(luò)中部分Si-O、A1-O鍵斷裂，成為不飽和的活性鍵，促使網(wǎng)絡(luò)解聚和硅、鋁的溶解擴(kuò)散，加快與Ca(OH)2反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝性良好的水化產(chǎn)物。(3)硫酸鹽激發(fā)劑水解的SO42—促使水化鋁酸鈣轉(zhuǎn)化，生成更穩(wěn)定的強(qiáng)度高的鈣礬石。
3.2 粉煤灰—硅灰—石灰—水泥膠凝體系的水化硬化
本試驗(yàn)為降低導(dǎo)熱系數(shù)選用粉煤灰—石灰—水泥膠凝體系，并為了進(jìn)一步降低其導(dǎo)熱系數(shù)，采取用部分硅灰代替粉煤灰，形成粉煤灰—硅灰—石灰—水泥膠凝體系。采用這一體系主要設(shè)想可充分發(fā)揮水泥、石灰、粉煤灰各自的特點(diǎn)，水泥可提高產(chǎn)品早期強(qiáng)度，并在膠接料的水化反應(yīng)中起晶核作用，而石灰可提供過飽和Ca(OH)2環(huán)境，激發(fā)粉煤灰化學(xué)活性，并通過加入一定量復(fù)合硫酸鹽進(jìn)一步對(duì)其活化，同時(shí)作為鈣質(zhì)材料參與同粉煤灰中活性SiO2和A12O3以及硅灰中活性較高Si02的水化反應(yīng)生成膠凝體。其水化反應(yīng)方程式如下(x≤3)：
xCa(OH)2+Si02+(n-1)H20→xCaO•SiO2•2H2O
xCa(OH)2+A1203+mH20→xCaO•A1203•mH20
3Ca(OH)2+2Si02+A1203+mH20→3CaO•A1203•2Si02•mH20在有石膏存在的條件下，水化鋁酸鈣進(jìn)一步反應(yīng)生成AFt或AFm。
3Ca(OH)2+3CaSO4+A1203+29H20→3CaO•A1203•3CaSO4•32H20 3Ca(OH)2+CaSO4+A1203+9H2O→3CaO•A1203•CaS04•12H20
根據(jù)反應(yīng)方程式，在石灰、復(fù)合硫酸鹽作用下，粉煤灰顆粒不斷解聚、溶出的正[SiO4]4－、[A1O4]5－等離子團(tuán)與Ca2+、SO42－廣作用形成具有膠凝性的水化產(chǎn)物C—S—H、AFt等，C——S—H凝膠為低Ca、Si比，并固溶了大量Al3+—及Fe3+，Mg2+，Na+，K+等離子。C—S—H凝膠在粉煤灰顆粒表面形成，并把體系內(nèi)各種微粒粘結(jié)在一塊，而鈣礬石填充孔洞，使水泥石中孔徑愈來愈低，結(jié)構(gòu)愈 來愈致密，并逐漸產(chǎn)生微膨脹作用，水泥石的性能得到改善。
3.3 粉煤灰—硅灰—石灰—水泥膠凝體系的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)
通過對(duì)粉煤灰的火山灰活性及活化、水化機(jī)理的探討，采取一定活化措施，配制一種以粉煤灰—硅灰—石灰—水泥膠凝體系為主體的輕質(zhì)干拌砂漿，其輕質(zhì)高強(qiáng)并具有一定水硬性，并與聚苯顆粒加水固化后形成一種良好的保溫材料。粉煤灰的很多應(yīng)用，主要是利用其火山灰活性并如何激發(fā)其活性，抗壓強(qiáng)度可以比較準(zhǔn)確表示這種性質(zhì)。根據(jù)龍世宗、錢覺時(shí)、鐘白茜、曹紅紅等人對(duì)不同激發(fā)劑對(duì)粉煤灰火山灰活性激發(fā)的效果研究，認(rèn)為粉煤灰—石灰—硫酸鈉系統(tǒng)為激發(fā)粉煤灰活性的基本系統(tǒng)，這種激發(fā)系統(tǒng)可以直接用來制備粉煤灰建材，也可作為摻合料生產(chǎn)礦物摻合水泥。表4為粉煤灰—石灰—硫酸鈉系統(tǒng)和水泥—粉煤灰—石灰—硫酸鈉系統(tǒng)的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。
由表4可知，由26%水泥、62%粉煤灰、9%生石灰、3%Na2SO4復(fù)配膠凝體系，其膠砂強(qiáng)度28天抗折強(qiáng)度為5．96MPa，28天抗壓強(qiáng)度可達(dá)到21．06MPa。以此為基礎(chǔ)，為進(jìn)一步提高體系的抗壓強(qiáng)度并降低密度，我們采取以下措施：①選取密度更輕、活性更高的硅灰代替部分粉煤灰；②采用比生石灰效果更好的Ca(OH)2進(jìn)一步提高強(qiáng)度，并增強(qiáng)體系安定性；③采用激發(fā)效果更好的復(fù)合硫酸鹽系統(tǒng)(石膏等)及高效減水劑；④摻人適量有機(jī)高分子粘合劑等。通過控制干拌膠粉料與聚苯顆粒加水固化后砂漿密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、軟化系數(shù)等，我們?cè)O(shè)計(jì)出滿足保溫體系的粉煤灰—硅灰—石灰—水泥膠凝體系。并采用高吸水樹脂與水溶性高分子外加劑復(fù)合各種規(guī)格的纖維等措施，有效地解決了傳統(tǒng)砂漿施工性不好、和易性差及一次抹灰厚度太薄的技術(shù)難題。其形成的保溫漿料采用大分子互穿棚技術(shù)，使材料的施工操作性能得到了突破性改善，濕粘著靜剪切力強(qiáng)，一次抹灰厚度由普通抹灰lcm左右，提高到一次抹灰4cm以上不滑墜。同時(shí)由于觸變性好，使抹灰非常省力，易操作，抹灰速度快。保溫膏料易操作時(shí)間為4h，無明水析出，落地灰可重復(fù)使用，有利于節(jié)省材料和工地文明施工管理。
3.4 固化砂漿干密度與導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度關(guān)系
3.41 膠粉聚苯顆粒保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參比板、聚苯板與膠接料(平均溫度318K)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試見表5：
(2)膠粉聚苯顆粒保溫試塊(平均溫度31-8K)的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試見表
(3)膠粉聚苯顆粒保溫試塊干表觀密度與導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系圖見圖根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論膠粉聚苯顆粒保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)值介于膠粉聚苯顆粒和保溫膠接料之間，見表5、表6。膠粉聚苯顆粒保溫材料干表觀密度控制在200～300kg／m3，試驗(yàn)平均溫度為318K時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值可控制在0．05～0．06W／(m•K)的范圍之間。
3.4.2 聚苯顆粒保溫材料壓縮強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)
?。?）試驗(yàn)方法：依據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 5l—2002)。
?。?）實(shí)驗(yàn)儀器：壓力試驗(yàn)機(jī)
?。?）試驗(yàn)數(shù)據(jù)：見表
?。?）膠粉聚苯顆粒保溫試塊干表觀密度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系圖，見圖2
?。?）試驗(yàn)結(jié)論
膠粉聚苯顆粒保溫材料成型試塊的壓縮強(qiáng)度與試塊的干表觀密度基本成線性正比例關(guān)系，由于膠粉聚苯顆粒保溫材料為非均質(zhì)材料，試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有一定偏差。
4 生產(chǎn)工藝及主要性能
4.1 生產(chǎn)工藝
EPS保溫漿料由保溫膠粉料與聚苯顆粒輕骨料分別按配比包裝組成。保溫膠粉料采用預(yù)混合干拌技術(shù)。在工廠將粉煤灰、水泥、石灰、硅灰、復(fù)合外加劑、高分子有機(jī)粘結(jié)材料、各種纖維，經(jīng)配料、計(jì)量、預(yù)分散、均混、包裝成為成品。聚苯顆粒由回收的廢聚苯板粉碎按級(jí)配均混、按袋分裝。使用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)只需與膠粉料按包裝比加水?dāng)嚢韬蠹纯墒┕?，解決了傳統(tǒng)保溫漿料由于工地稱量不準(zhǔn)確而造成的熱工性能不穩(wěn)定的問題。
4.2主要技術(shù)性能
經(jīng)國(guó)家建筑材料測(cè)試中心的檢測(cè)，膠粉聚苯顆粒保溫漿料的主要技術(shù)性能：干表觀密度209kg／m3，濕密度365kg／m3，導(dǎo)熱系數(shù)0．057w／(m•K)，平均抗壓強(qiáng)度0．26MPa，平均粘結(jié)強(qiáng)度121KPa，線性收縮率2.lmm／m，彈性模量106MPa，膠粉干密度642kg／m3，軟化系數(shù)70.2%，燃燒性能為B1級(jí)。
5 結(jié)論
通過對(duì)粉煤灰活化、水化機(jī)理的研究，我們對(duì)粉煤灰進(jìn)行復(fù)合活化處理并采用活性程度更高的硅灰代替部分粉煤灰，形成以粉煤灰—硅灰—石灰—水泥膠凝體系為主體的保溫膠粉料。該膠凝體系有比石膏更耐水，有比水泥密度更輕、導(dǎo)熱系數(shù)更佳并不易開裂的性能。配成的保溫砂漿具有耐水性好、干縮率低、保溫性能佳、導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)勢(shì)，并采用有機(jī)高分子外加劑復(fù)合各種纖維的措施，有效地解決了和易性差、施工性難等技術(shù)難題。通過控制保溫漿料干表觀密度在200～300kg／m3，可在試驗(yàn)平均溫度為318K下，控制其導(dǎo)熱系數(shù)值在0．05～0．06W／(m•K)的范圍之間。 目前，該保溫漿料成套技術(shù)已在北京、天津、上海、河北、山西、山東、江蘇、浙江、陜西、遼寧、新疆等城市和地區(qū)的800多個(gè)工程進(jìn)行了應(yīng)用，面積達(dá)1000多萬平方米，施工性能良好，工程質(zhì)量好，熱工性能達(dá)標(biāo)，無任何用戶投訴開裂問題。
由于保溫抹灰材料中使用了大量粉煤灰、廢聚苯，既利用了工業(yè)廢料，又保護(hù)了環(huán)境，而且成本低廉，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)了資源的可持續(xù)發(fā)展和綜合利用。
