聚合物增强煤矸石泡沫混凝土性能研究

刘宁

（江苏师范大学，江苏 徐州 221116）

0 前言

泡沫混凝土作为一种低投入、高产出、保温性好、防火性强的轻质保温隔热材料，被市场广泛认可，不仅被应用于房屋建筑，在景观、工业、军事等领域也发挥着重大作用，具有广阔的应用前景[1-2]。

煤矸石作为一种矿业废料，污染环境，还易产生自燃，带来火灾隐患，将其应用于泡沫混凝土的制备中，利用煤矸石所含的SiO2、Al2O3等活性组分,在碱性环境与Ca(OH)2发生火山灰反应，既节约水泥、解决了水泥水化热高引起的易开裂现象，又做到了废物利用[3]。

1 试验准备

1.1 试验原材料

水泥：秦岭牌42.5普通硅酸盐水泥。

煤矸石：产自陕西省铜川市，具体成分见表1。

发泡剂：市售动物蛋白发泡剂，棕褐色液体，发气量 500 ml/g。

减水剂：普通奈系减水剂。

PVA（聚乙烯醇）：絮状，（80~90） ℃水中可溶解至粘稠液体。

EVA乳液：乳白色粘稠液体。

表1 试验所用煤矸石主要成分

1.2 试验配比

本试验以800 kg/m3为设计干密度，水泥与煤矸石的质量比为 1∶1，水料比为 0.45，PVA、EVA 乳液两种聚合物作为增强剂，每种聚合物的用量以水泥质量为计算基础，分别取水泥质量的1%、2%、3%，具体配比如表2。

表2 试验配比

2 试验过程

2.1 试验方法

（1）泡沫的制备：按照表2的用量称取发泡剂和水，以2.5%的浓度制成发泡剂溶液，用高速搅拌机搅拌15 min，制得均匀的泡沫。

（2）煤矸石水泥净浆的制备：称取一定量的水泥、煤矸石加入胶砂搅拌机，慢速搅拌1 min，再加入水、减水剂高速搅拌2 min，然后停止搅拌，用镘刀将搅拌锅壁粘有的浆体刮下，再向搅拌锅内加入聚合物，高速搅拌1 min，制得聚合物-煤矸石水泥净浆（注：PVA实验中，需预先将絮状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备：将已制备好的泡沫加入煤矸石水泥净浆中，再次开启胶砂搅拌机，中速搅拌1.5 min，使泡沫和浆体充分拌合，浇筑至40 mm×40 mm×160 mm的标准试模中，轻微震动后，在试模表面覆盖塑料薄膜，以减少水分蒸发，静置24 h后脱模，脱模后试件置于标准养护条件下养护28 d。

（4）达到28 d龄期后，对试件进行干密度、抗压强度、抗折强度、导热系数的测定。

2.2 试验配比调整

在试验中发现，5、6组试件均出现浆体大量流出现象，7组试件出现轻微塌模现象。

聚合物的加入会对水泥有缓凝作用，塌模的发生，说明EVA的缓凝作用大于对水泥的增稠作用。因此采取增大EVA乳液用量的方式，将EVA乳液的用量增大至水泥质量的3%、5%、7%，具体配比见表3。

表3 试验配比

2.3 试验结果及分析

配比调整后的试验结果如表4。

2.3.1 聚合物对煤矸石泡沫混凝土干密度的影响，见图1。

由图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。随着聚合物的加入，煤矸石泡沫混凝土的密度先降低后增大。其中，PVA的加入量为水泥质量的2%时，密度最低，比不加聚合物时降低38.8%，EVA乳液的加入量为水泥质量的5%时，密度最低，比不加聚合物时降低39.6%。

表4 试验结果

图1 聚合物对于密度的影响

出现上述变化趋势的原因主要是聚合物的加入量较小时，可以增大煤矸石水泥浆体的稠度，降低泡沫的排液速率，抑制液膜变薄而破碎，提高泡沫的稳定性[4]。但随着聚合物的加入量进一步增大，浆体稠度也随之增大，从而降低煤矸石泡沫混凝土的流动性，破坏已形成的泡沫，而且聚合物用量的增大，缓凝作用愈加明显，初凝时间变长，部分泡沫在水泥初凝前已破碎，导致孔隙率变小，密度增大。

2.3.2 聚合物对煤矸石泡沫混凝土导热系数的影响，见图2。

图2 聚合物对导热系数的影响

由图2可以看出，加入聚合物后，泡沫混凝土导热系数的变化趋势与干密度的变化趋势相同，随着聚合物加入量的增大，出现先降低后增大的趋势。当PVA加入量为水泥质量的2%时，导热系数最低，比不加聚合物时降低了19.7%，当EVA乳液加入量为水泥质量的5%时，导热系数最低，比不加聚合物时降低了19.15%。出现这种变化趋势主要与热传递的原理有关，泡沫混凝土之所以能够起到保温隔热的作用，主要与结构内部的孔隙有关，由于空气的导热系数低于水泥混凝土，所以孔隙率越大，导热系数越低。在本试验中，第3组和第6组的干密度较小，说明孔隙率较大，因此导热系数较低。

2.3.3 聚合物对煤矸石泡沫混凝土28d抗压强度的影响，见图3。

图3 聚合物对28 d抗压强度的影响

由图3可以看出，加入聚合物以后，煤矸石泡沫混凝土的28 d抗压强度有所降低，这主要是因为聚合物的加入提高了对泡沫的保护作用，孔隙率增大，因此对抗压强度有一定的影响，但随着聚合物用量的增大，28 d抗压强度逐渐提高。这主要有两方面原因：一是随着聚合物的增加，泡沫的稳定性较强，气孔结构更加均匀，减小应力集中，抗压强度增大；二是聚合物的粘结性较强，在泡沫混凝土内部形成网状结构，对泡沫混凝土的强度具有增强作用，因此强度会增大。

2.3.4 聚合物对煤矸石泡沫混凝土气孔结构的影响，见图4。

图4 聚合物对气孔结构的影响

由图 4 （a）（b）（c） 三张图片可以看出，（b）和（c）图的气孔分布比（a）图更均匀，尤其在试件底部，（a）图的底部孔隙率非常低，主要是因为浆体稠度较小，泡沫的排液速率较高，在水泥初凝前，泡沫不断上升甚至破碎，而聚合物的加入可以使浆体稠度增大，减小泡沫的消泡率，使泡沫更加稳定，硬化后气孔更加均匀，孔隙率变大，因此干密度和导热系数较小。

利用Nano Measurer软件对三张图片的孔径进行粗略测量，（a）图中试件平均孔径1.0 mm，（b）图中试件平均孔径0.7 mm，（c）图中试件平均孔径1.5 mm。由此可以看出，虽然PVA和EVA乳液都可以使泡沫更加稳定，但加入PVA后，泡沫混凝土的孔径更小，这种气孔结构更利于强度的形成[5]，因此加入PVA的试件28 d抗压强度更高。

3 最佳配比的确定

据了解，800 kg/m3的泡沫混凝土一般作为房屋建筑的轻质隔墙材料使用，因此要求具有一定的强度，且具有轻质的特点和保温隔热、隔音的作用。但一般情况下，抗压强度往往会随着密度的降低而降低，因此在选择最佳用量时参考“价值工程”的概念，引入28 d抗压强度／干密度、28 d抗压强度／导热系数两个参数，28 d抗压强度／干密度、28d抗压强度／导热系数较大者为优。

计算结果如表5，加入PVA时，PVA用量为水泥质量的3%时，28 d抗压强度／干密度、28 d抗压强度／导热系数的值最大，因此，选择水泥质量的3%为PVA的最佳用量；加入EVA乳液时，EVA用量为水泥质量的5%时，28d抗压强度／干密度的值最大、而EVA乳液用量为水泥质量的7%时，28 d抗压强度／导热系数的值最大，这就需要根据实际应用综合考虑后确定。由于当EVA乳液用量为水泥质量的7%时，虽然28 d抗压强度／干密度的值小于用量为5%时，但此时强度最高，且密度仍然满足小于800 kg/m3的要求，因此，经过定量和定性分析，EVA乳液的最佳用量为水泥质量的7%。

表5 计算结果

4 结论

（1）聚合物可以提高泡沫混凝土浆体稠度，降低液膜的排液速率，推迟泡沫的破碎时间，改善气孔结构，从而改善泡沫混凝土的各项性能。

（2）PVA的最佳用量为水泥质量的3%，EVA乳液的最佳用量为水泥质量的7%。

（3）加入PVA与加入EVA乳液相比，泡沫混凝土的气孔小而密，28 d抗压强度较高，但密度和导热系数也较大，导致保温性能有所削弱。在实际应用中，要根据所用材料的具体作用妥善选择，如果所用材料的作用侧重于承重，则选择PVA为增强聚合物；如果所用材料主要用于保温隔热，则选择EVA乳液为增强聚合物。