固废基聚苯颗粒轻质保温墙体的制备及性能研究_刘剑平.pdf

NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS0引言目前，我国存在大量的工业废弃物，综合利用率低，且堆存处理占用了大量的耕地，对土地资源和水资源造成了严重的污染1-4。脱硫石膏是一种工业固废，其成分与天然石膏大致相似5。利用脱硫石膏与其他固废制备复合胶凝材料，不仅能够实现工业固废的资源化利用，还可以作为一种绿色新型胶凝材料，部分取代传统硅酸盐水泥等胶凝材料，减少对环境污染和能源损耗6-7。此外，建筑行业面临着提高能源利用效率和减少污染的挑战8-9，我国大多数城市已经明令禁止烧制和使用实心黏土砖，取而代之的是各种绿色、低碳、节能的新型墙体材料10-11。大掺量利用固废制备聚苯颗粒轻质墙体材料，有利于建筑节能和可持续发展。国内外大量学者利用不同材料制备聚苯颗粒墙体材料，固废基聚苯颗粒轻质保温墙体的制备及性能研究基金项目：国家自然科学基金面上项目（51974060）；辽宁省重大科技专项（2020JH1/10300005）收稿日期：2022-09-05；修订日期：2022-10-25作者简介：刘剑平，男，1969 年生，教授，主要从事基坑支护、固废资源化利用研究，E-mail：。通讯作者：葛晓伟，硕士研究生，E-mail：。刘剑平，葛晓伟，刘朋，王禹升，刘栋，宋鸽（沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳110870）摘要：以水泥 20%、脱硫石膏 40%、粉煤灰 24%、矿渣 6%、铁尾矿 10%为胶凝体系，掺加聚苯颗粒及纤维素醚、乳胶粉、聚乙烯醇溶液等外加剂制备聚苯颗粒轻质保温墙体材料，研究了聚苯颗粒及外加剂对其抗压强度、体积密度、吸水率、软化系数和导热系数的影响，确定了制备工艺参数。试验确定的外加剂最佳配比为：聚苯颗粒体积掺量 94%、纤维素醚 0.4%、乳胶粉 0.4%、聚乙烯醇溶液 1%，原材料中固废掺量达 80%，制备的聚苯颗粒轻质保温墙体抗压强度 1.46 MPa、干密度 560 kg/m3、导热系数 0.132 W/（m K）、吸水率 17%，符合 JG/T 2662011 泡沫混凝土 中 A06 级的要求。关键词：轻质保温墙体；聚苯颗粒；纤维素醚；乳胶粉；聚乙烯醇溶液中图分类号：TU55+1.2文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0105-05Study on the preparation and performance of light thermal insulation wall withsolid waste based polystyrene particlesLIU Jianping，GE Xiaowei，LIU Peng，WANG Yusheng，LIU Dong，SONG Ge（School of Architecture and Civil Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）Abstract：Lightweight thermal insulation wall materials were prepared by adding polystyrene particles，cellulose ether，latexpowder，polyvinyl alcohol solution and other materials into the cementitions materials prepared with 20%of cement，40%of desulfurization gypsum，24%of fly ash，6%of slag and 10%of iron tailings were used as raw materials to replace cement.The effects ofadmixtures on compressive strength，bulk density，water absorption，softening coefficient and thermal cenductivity were discussed，andthe process parameters were determined.The test determined that the volume content of polystyrene particles was 94%，celluloseether 0.4%，latex powder 0.4%，polyvinyl alcohol solution 1%，and solid waste content was 80%.The lightweight thermal insulationwall made of polystyrene particles according to the best proportion of the test has a compressive strength of 1.46 MPa，a dry density of 560 kg/m3，a thermal conductivity of 0.132 W/（m K），and a water absorption of 17%，which meets the requirements of A06grade specified in JG/T 2662011“Foam concrete”.Key words：lightweight insulation wall，polyphenyl particles，cellulose ether，emulsion powder，polyvinyl alcohol solution中国科技核心期刊105新型建筑材料202302梁倚12利用再生细骨料及聚苯颗粒制备空心砌块，对其块体密度、含水率、空心率、抗压强度、保温隔热性能等规律进行了研究。胡国峰13以硅酸盐水泥为主要胶凝材料，硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰为改性材料，掺加再生 EPS 颗粒，制备高比强 EPS 混凝土并对其性能进行优化研究。周灿灿14利用水泥、磷石膏、矿渣和粉煤灰作为胶凝料，加入秸秆、膨胀珍珠岩、聚苯颗粒制备轻质保温墙体材料。蔡丽朋15以再生聚苯颗粒、水泥、增黏剂为主要原料生产夹芯混凝土保温砌块，并对其性能进行分析。李红飞16以石膏和水泥为胶凝材料，钢渣和矿渣为骨料，并掺入聚苯颗粒、棉秆碎料进行复合，研制出了不同强度等级的复合自保温空心砌块，并测试其物理力学性能。为了增加固废用量以及提高墙体材料性能，本文在固废材料替代部分水泥的基础上，研究聚苯颗粒、纤维素醚、乳胶粉、聚乙烯醇溶液对墙体材料性能的影响，分析作用机理，确定了轻质保温墙体材料的优化配合比，制备出具有轻质、保温、施工简便等特点的新型墙体材料。1试验1.1原材料水泥：P O42.5 水泥，大连小野田水泥有限公司；脱硫石膏：辽宁鑫美嘉建筑装饰材料有限公司，呈淡黄色，其化学成分见表 1；粉煤灰：级，亚泰集团沈阳建材有限公司，其化学成分见表 1；铁尾矿：辽宁本溪歪头山提供，采集后在实验室经过烘干，其化学成分见表 1，特征粒径见表 2，粒径分布见图 1；矿渣：辽宁鞍山钢铁集团，过筛后勃式比表面积法测得其比表面积为422 m2/kg，密度为 2.86 g/cm3，其化学成分见表 1；聚苯颗粒：沈阳市智联建材有限公司，粒径 35mm，堆积密度821 kg/m3；NaOH：天津化工三厂有限公司；纤维素醚：白色水溶性固体粉末，上海臣启化工科技公司；可再分散乳胶粉：白色粉末，上海臣启化工科技公司；聚乙烯醇溶液：自制，浓度 5%；聚羧酸减水剂：减水率约 25%，白色粉末，上海臣启化工科技公司。表 1原材料的主要化学成分%表 2铁尾矿的特征粒径m图 1铁尾矿的粒径分布1.2制备方法该试验胶凝材料体系由水泥与碱激发胶凝材料组成：水泥 20%、脱硫石膏 40%、粉煤灰 24%、矿渣 6%、铁尾矿 10%、NaOH 1.6%。将原料按配合比均匀混合，充分搅拌，将料浆快速浇筑到待测试样模具内，轻微震动模具 2030 次后抹平，自然成型，脱模后标养 28 d，测试试样抗压强度、绝干密度、吸水率、软化系数及导热系数，并进行机理分析。2试验结果与讨论2.1聚苯颗粒掺量对轻质保温墙体性能的影响聚苯颗粒具有导热系数低、保温效果好、表观密度低、表面憎水性好等特点，作为保温骨料掺入墙体材料中，可以降低墙体材料的密度，提高保温、隔热等性能17。胶凝材料体系配比不变，控制纤维素醚、乳胶粉、聚乙烯醇溶液和减水剂掺量（按占胶凝材料质量计）为 0.4%、0.4%、1.0%、0.5%，水胶比为0.5，改变聚苯颗粒体积掺量及胶凝材料用量，配合比见表 3。聚苯颗粒掺量对试样性能的影响如图 2 所示。表 3聚苯颗粒轻质保温墙体配合比由图 2 可知：（1）随着聚苯颗粒掺量增加，抗压强度逐渐降低，当掺量为 94%时，试样的抗压强度为 1.46 MPa，符合 JG/T 2662011泡沫混凝土 C1 强度等级的要求。这是因为聚苯颗粒无法提供强度支撑，同时也会使试样空隙率增大，导致强度下降。随其掺量增加，需要浆体浸润的聚苯颗粒也随之增多，但由于浆料减少，内部结构的密实度及粘结力变小，以致试样的骨架支撑效果不理想，强度逐渐降低。（2）随着聚苯颗粒掺量的增加，墙体材料的绝干密度逐渐降低，当掺量为 94%时，试样的绝干密度为 560 kg/m3，符合JG/T 2662011 中 A06 级的要求。这是因为聚苯颗粒相对于项目SiO2Al2O3CaOMgO Fe2O3K2ONa2OSO3TiO2水泥25.53 9.01 54.01 3.293.36脱硫石膏3.780.77 33.51 0.750.310.53 40.93粉煤灰56.20 18.67 9.892.126.081.231.152.95铁尾矿62.30 4.777.766.33 14.40 1.39矿渣33.98 15.22 36.91 9.270.620.410.391.81D10D20D30D40D50D60D70D80D90D954.811.820.629.940.754.775.4108.9 169.0 238.2编号1#2#3#4#5#6#胶凝材料用量/g690660630600570540聚苯颗粒掺量/%798285889194刘剑平，等：固废基聚苯颗粒轻质保温墙体的制备及性能研究106NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS胶凝材料密度较小，随其掺量增加，在试样中填充体积也随之增加，浆料相对减少，以致绝干密度逐渐降低。（3）随着聚苯颗粒掺量的增加，热阻不断增大，导热系数减小，当聚苯颗粒掺量为 94%时，试样的导热系数为 0.132 W/（m K），符合 JG/T 2662011 中 A06 级的要求。这是因为聚苯颗粒相对于胶凝材料导热系数较低，随着掺量增加，试样内部形成许多封闭的孔洞，热阻较大，以致导热系数下降。（4）随着聚苯颗粒掺量增加，软化系数逐渐增大，吸水率逐渐减小，当掺量为 94%时，软化系数为 95%、吸水率为17%，符合 JG/T 2662011 中 W15 级的要求。这是因为聚苯颗粒内部含有很多的密闭小气孔，表面为强憎水性，随着掺量增加，减少了水分对试样内部结构的密实度及界面过渡区的不利影响，保护试件不受水分浸蚀，避免结构破坏从而保证了强度，以致软化系数逐渐增大，吸水率逐渐减小。2.2纤维素醚掺量对轻质保温墙体性能的影响纤维素醚是一种水溶性物质，能够明显改善试样的保水性、和易性等性能，具有一定自养护的能力，可以在凝结硬化过程中不断释放自由水，使胶凝材料和聚苯颗粒的连结均匀密实，形成连续的体系18。控制聚苯颗粒体积掺量为 94%、胶凝材料用量为 540 g，水胶比 0.5，减水剂掺量 0.5%，探究纤维素醚掺量对试样性能的影响，结果如表 4 所示。表 4纤