1 前言
隨著社會發(fā)展和技術(shù)進步，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、墻體材料中應用越來越多。這些應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、早期抗壓強度較低等問題。而本項目研究的EPS保溫砂漿，其特點是干密度輕、導熱系數(shù)低，但不一定要有很高強度。因此，很有必要通過對這些膠凝體系的研究，設(shè)計出一種滿足這一系統(tǒng)的膠凝體系。
德國DIN18 550 part3對這一系統(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。其理化指標要求固化砂漿干容重≥200kg／m3，抗壓強度≥0．4MPa吸水率≤2kg／(m2•h0.5)。固化砂漿導熱系數(shù)入λ10，tr應不超過表1．給定的值：
2 主要原材料及性能：
(1)粉煤灰：采用工級低鈣灰，其性能指標見表2。
(2)硅灰：其性能指標見表3。
(3)水泥：P042．5R普通硅酸鹽水泥，其各項指標符合國家標準。
(4)石灰：采用熟石灰比生石灰有更高的強度，并且有更好的體積穩(wěn)定性。其指標為有效(Ca0+MgO)含量>65%，MgO含量<4%，細度0．125mm篩篩余≤10%，體積安定性合格。
(5)復合外加劑：包括復合硫酸鹽系統(tǒng)及高效減水劑等。
(6)高分子有機粘結(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、化學發(fā)泡劑、復合物理發(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 試驗及討論
3.1 粉煤灰的火山灰性及活化機理
粉煤灰主要化學成分為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，在常溫下化學性質(zhì)穩(wěn)定，活性較低。因此，粉煤灰應用研究主要熱點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化合將會形成水硬性固體的這種性質(zhì)。很多粉煤灰的應用都是建立在對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速度明顯增加。因此，實際應用時先對粉煤灰進行活化。對其活化措施常用的有機械活化、化學活化、熱力活化。粉煤灰細度是影響粉煤灰水化活性的重要因素，粉煤灰越細水化活性就越高。根據(jù)試驗條件、儀器，我們選用細度較細、品質(zhì)活性較高的工級灰。并采取化學活化的方法進一步激發(fā)粉煤灰活化性?；瘜W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，進而生成穩(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的催化劑，同時還是粉煤灰火山灰效應的物質(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)作用機理為：(1)采取細度較細的工級灰，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反應速度。(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、鋁的溶解擴散，加快與Ca(OH)2反應，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
本試驗為降低導熱系數(shù)選用粉煤灰—石灰—水泥膠凝體系，并為了進一步降低其導熱系數(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，水泥可提高產(chǎn)品早期強度，并在膠接料的水化反應中起晶核作用，而石灰可提供過飽和Ca(OH)2環(huán)境，激發(fā)粉煤灰化學活性，并通過加入一定量復合硫酸鹽進一步對其活化，同時作為鈣質(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的水化反應生成膠凝體。其水化反應方程式如下(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，水化鋁酸鈣進一步反應生成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)反應方程式，在石灰、復合硫酸鹽作用下，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度試驗
通過對粉煤灰的火山灰活性及活化、水化機理的探討，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。粉煤灰的很多應用，主要是利用其火山灰活性并如何激發(fā)其活性，抗壓強度可以比較準確表示這種性質(zhì)。根據(jù)龍世宗、錢覺時、鐘白茜、曹紅紅等人對不同激發(fā)劑對粉煤灰火山灰活性激發(fā)的效果研究，認為粉煤灰—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)的膠砂強度試驗結(jié)果。
由表4可知，由26%水泥、62%粉煤灰、9%生石灰、3%Na2SO4復配膠凝體系，其膠砂強度28天抗折強度為5．96MPa，28天抗壓強度可達到21．06MPa。以此為基礎(chǔ)，為進一步提高體系的抗壓強度并降低密度，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進一步提高強度，并增強體系安定性；③采用激發(fā)效果更好的復合硫酸鹽系統(tǒng)(石膏等)及高效減水劑；④摻人適量有機高分子粘合劑等。通過控制干拌膠粉料與聚苯顆粒加水固化后砂漿密度、抗壓強度、導熱系數(shù)、軟化系數(shù)等，我們設(shè)計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，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。保溫膏料易操作時間為4h，無明水析出，落地灰可重復使用，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熱系數(shù)、抗壓強度關(guān)系
3.41 膠粉聚苯顆粒保溫材料導熱系數(shù)測試試驗標準參比板、聚苯板與膠接料(平均溫度318K)的導熱系數(shù)測試見表5：
(2)膠粉聚苯顆粒保溫試塊(平均溫度31-8K)的導熱系數(shù)測試見表
(3)膠粉聚苯顆粒保溫試塊干表觀密度與導熱系數(shù)之間的關(guān)系圖見圖根據(jù)以上試驗數(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，試驗平均溫度為318K時，其導熱系數(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度測試實驗
?。?）試驗方法：依據(jù)《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ 5l—2002)。
（2）實驗儀器：壓力試驗機
?。?）試驗數(shù)據(jù)：見表
（4）膠粉聚苯顆粒保溫試塊干表觀密度與抗壓強度之間的關(guān)系圖，見圖2
?。?）試驗結(jié)論
膠粉聚苯顆粒保溫材料成型試塊的壓縮強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，試驗結(jié)果會有一定偏差。
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。保溫膠粉料采用預混合干拌技術(shù)。在工廠將粉煤灰、水泥、石灰、硅灰、復合外加劑、高分子有機粘結(jié)材料、各種纖維，經(jīng)配料、計量、預分散、均混、包裝成為成品。聚苯顆粒由回收的廢聚苯板粉碎按級配均混、按袋分裝。使用時現(xiàn)場只需與膠粉料按包裝比加水攪拌后即可施工，解決了傳統(tǒng)保溫漿料由于工地稱量不準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)國家建筑材料測試中心的檢測，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，導熱系數(shù)0．057w／(m•K)，平均抗壓強度0．26MPa，平均粘結(jié)強度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。
5 結(jié)論
通過對粉煤灰活化、水化機理的研究，我們對粉煤灰進行復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、導熱系數(shù)低等優(yōu)勢，并采用有機高分子外加劑復合各種纖維的措施，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，可在試驗平均溫度為318K下，控制其導熱系數(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多個工程進行了應用，面積達1000多萬平方米，施工性能良好，工程質(zhì)量好，熱工性能達標，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，又保護了環(huán)境，而且成本低廉，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，實現(xiàn)了資源的可持續(xù)發(fā)展和綜合利用。
