发泡剂胶结EPS泡沫混凝土保温隔热性能研究

杨 甜

（郑州工业应用技术学院建筑工程学院，郑州451100）

0 引言

随着我国大力实施节能减排与墙体材料改革政策，国家对建筑节能材料越来越重视[1]，纷纷加大节能力度，致力于新型节能建材的研究与开发，特别是保温材料在建筑中的应用。

由于泡沫塑料质轻、隔热、吸音、减震等特性，其主要成分是发泡聚苯乙烯（EPS），相关学者尝试将其应用到混凝土的制备过程中。目前EPS混凝土已被广泛运用到了路基防冻、水上承台、机场建设等领域[2-5]。为了更好地解决EPS混凝土成型不佳、胶凝材料粘结不牢等缺点，本研究尝试在EPS混凝土制备过程中引入水泥发泡剂，发泡剂可产生类似滚珠的微小气泡，融入到各种原材料之间，在增加混凝土流动性的同时，可进一步提高其保温性能[6]。

本文以新结构与新技术的结合为研究方向，基于使用需求，提出了一种新型的混凝土：添加发泡剂胶结EPS颗粒泡沫混凝土[7]。这种泡沫混凝土有容重小、保温隔热性能优越的特点，是一种绿色环保型泡沫混凝土。利用工业废渣及塑料，变废为宝，不仅可以降低成本，还可以节约资源从而实现在经济和环境两方面达到共赢的局面。

1 原材料与试样制备

添加发泡剂胶结EPS颗粒泡沫混凝土是以水泥、EPS颗粒、粉煤灰为重要原料，再辅助一些功能性添加剂发泡剂、珍珠岩、胶粉等，经搅拌、成型、养护制成的均质材料。

1.1 试验用原料

本文采用的主要原材料有：粒径2～5mm的废弃EPS颗粒、42.5R普通硅酸盐水泥、Ⅰ级粉煤灰以及胶粉、膨胀珍珠岩、水泥发泡剂、水。除特别注明外，试验用水均采用自来水。

水泥发泡剂是一种表面活性物质或表面活性剂，在机械作用下引入空气，用其水溶液制备大量泡沫。本研究中选取植物性水泥发泡剂、动物性水泥发泡剂、阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠发泡剂三种，如图1所示。

图1 选用的水泥发泡剂

1.2 试块的制备

本研究中生产泡沫混凝土的方法采取预制泡沫混合法，因此将制备过程分为前期的泡沫发泡过程和后期的胶凝材料浆体加工两个基本过程。

试块制备前珍珠岩放在水里浸泡1个小时后晾干，让其处于饱和状态。将发泡剂和水以1:50的质量比混合均匀，再用水泥发泡机进行发泡；与此同时将胶粉和水混合，并使之完全溶解。之后将EPS颗粒、水泥、粉煤灰、珍珠岩依次放入搅拌机内搅拌，后加水、倒入所准备的泡沫和胶粉溶液继续搅拌，最后把制备的均匀浆体倒入抹有脱模剂的模具内，人工捣实后，刮平顶面。

图2 试验用发泡机及发泡产生的泡沫

图3 CA砂浆程控搅拌机和搅拌现场

本试验所制备的混凝土试块的尺寸均为300mm×300mm×20mm。脱模前的混凝土试件如图4所示。

图4 脱模前的混凝土试样

1.3 试块的养护

试件在48小时后脱模，最后放在温度为20±2℃、湿度为90%的养护箱中养护。依据相关标准养护至28天。

2 试验方案

保温和隔热问题是建筑节能材料急需关注的问题[8]。用于衡量材料热工性能的指标比较多，在土木建筑领域，通常选用导热系数、热阻、蓄热系数以及热惰性等[9]。其中导热在保温隔热中起主导作用，因此导热系数是评价泡沫混凝土性能的关键指标参数。测量导热系数的普遍方法主要采用稳态法测试，这种方法精度高且简单[8]，因此本研究中也采用稳态法测试。

2.1 导热系数测试

混凝土试块标准养护28天，烘干后冷却到室温，使用中国建筑科学研究院研制的JW-III型建筑材料热流计导热仪进行试块的导热系数测定工作。测定导热系数需所的水必须是纯净水。

图5 导热系数测试现场

2.2 试验方案设计

在添加发泡剂胶结EPS颗粒泡沫混凝土成型的基础上，首先研究发泡剂种类、数量对混凝土导热系数的影响，然后基于正交试验理念寻求混凝土的最优配合比。

3 试验结果及试验分析

3.1 发泡剂种类单一因素试验

现阶段不同品种的发泡剂非常多，质量层次也不同。选用优质且经济的发泡剂已经迫在眉睫[10]。本试验选用植物性水泥发泡剂、动物性水泥发泡剂、阴离子表面活性剂类发泡剂三种发泡剂，分别简称为A发泡剂、B发泡剂和C发泡剂。通过试验检测它们的导热系数见表1。并绘出了不同条件下导热系数的折线，具体如图6所示。

表1 不同种类发泡剂下的试验设计表

图6 不同种类发泡剂下导热系数柱形图

由图6可以看出，导热系数值从小到大依次是：动物性水泥发泡剂＜植物性水泥发泡剂＜阴离子表面活性剂类发泡剂。综合来看，动物性水泥发泡剂和植物性水泥发泡剂的效果最好。由于阴离子表面活性剂类发泡剂产生的泡沫的稳定性差，在短时间内易破裂合成大气泡，并很快消失，发泡剂效果差。动物性水泥发泡剂产生的泡沫稳定性非常好，隔热性能好，但是成本太高，且有刺激气味。植物性水泥发泡剂成本低，质量也稳定，所以选用植物性水泥发泡剂。

3.2 发泡剂掺入量单一因素试验

发泡剂发泡后产生的微小气泡，均匀分布在混凝土内部可以加强物料间的润滑作用，使内部封闭孔变多，阻碍空气的流通，增强隔热性能。本试验中选取植物性水泥发泡剂，通过控制发泡剂掺入量的不同，制备出不同发泡剂掺量的试块，具体配比见表2。图7为不同A发泡剂掺入量下的导热系数变化。

表2 不同发泡剂掺入量下试验设计表

图7 不同A发泡剂掺入量下的导热系数变化图

由图7可以看出，伴随着发泡剂掺量的不断增多，添加发泡剂胶结EPS颗粒泡沫混凝土的导热系数先降低后上升。当发泡剂掺量在40～60g时，由于混凝土内部的小孔洞分布均匀且数量多，密度减小，导热系数降低。当发泡剂掺量超过60g后，含气量进一步增大，气泡会逐渐变大，最后连通为一条孔径，容易产生热对流，因此导热系数变大。因此，随着发泡剂含量增多，混凝土的保温隔热性能先升高再降低。

3.3 正交试验

通过正交试验的思想，综合考查珍珠岩掺入量（因素D）、发泡剂的掺入量（因素E）和发泡剂种类（因素F）这3个因素对混凝土导热系数的影响，获得性能最佳的配合比。在EPS:水泥:粉煤灰:胶粉:水=140:1600:660:40:1800的配合比基础上，通过掺入不同质量的珍珠岩、发泡剂和不同类型的发泡剂，制备混凝土试样。因素D、因素E和因素F各设三个水平，因素和水平设置的具体情况如表3所示。

表3 因素水平表

参照正交方法设计9组试验。正交试验表及测得的导热系数结果列入表4中。

对正交试验结果进行极差分析，R是该因素在它的取值范围里的试验指标的变化程度。R的数据越小，意味着这个因素的改变对试验的影响效果越小，分析结果见表5。

由此可得，主次影响因素为：发泡剂种类＞发泡剂掺入量＞珍珠岩掺入量。发泡剂种类对其导热系数值影响最大。阴离子表面活性剂类发泡剂产生的泡沫的稳定性非常差，在短时间内小的泡沫会迅速破裂，然后合并成大的气泡，并可能在很短的时间内就消失。另外两种具有很强的起泡力，产生的泡沫非常稳定。由每个因素每个水平的试验指标可以断定不同水平对此因素的影响强弱，并得此试验的最好的组合是D3、E2、F2，即珍珠岩掺量：发泡剂掺量：发泡剂种类=300：60：植物性水泥发泡剂。

表4 正交试验表及结果

表5 试验结果极差分析表

4 结论

在EPS混凝土的基础上掺加发泡剂，以此来减小它的密度，进而减小其导热系数，再加入珍珠岩来增加它的保温隔热特性。通过正交试验研究，可以得出以下结论：

1）发泡剂的种类对添加发泡剂胶结EPS颗粒泡沫混凝土的导热系数有很大的关系。加入发泡剂后，导热系数下降，但是蛋白质类水泥发泡剂的效果远远好于阴离子型表面活性剂。

2）由正交试验分析可得，添加发泡剂胶结EPS颗粒泡沫混凝土的最优配比为EPS:水泥:粉煤灰:胶粉:水:发泡剂:珍珠岩=140:1 600:660:40:1 800:60:300。

3）EPS颗粒泡沫混凝土时最优配合比时导热系数为0.052W/(m·K)。加入了发泡剂和珍珠岩制成添加发泡剂胶结EPS颗粒泡沫混凝土最优配比为 EPS:水泥:粉煤灰:胶粉:水:发泡剂:珍珠岩=140:1 600:660:40:1 800:60:300，此时导热系数达到了0.032 W/(m·K)。由此可得，发泡剂和珍珠岩的加入提高了试块的保温隔热性能。