粉煤灰/聚氨酯复合泡沫的力学响应

张冰冰，李 轩，刘 洋

（太原工业学院环境与安全工程系，山西太原 030008）

粉煤灰是电厂燃煤燃烧过程中排出的微小、中空、轻质固体颗粒，属于危险废物[1]。随着全球对环保问题的注重，粉煤灰的循环利用及二次开发成了热点研究问题[2]。调研发现，目前关于粉煤灰的应用研究多集中在制备泡沫混凝土[3]和建筑结构的隔热层中[4]。现阶段空心微珠颗粒主要用作造孔剂填充高聚物或金属基体[5]，制备具有优异力学性能的超轻泡沫材料[6]；而将粉煤灰应用在轻质复合泡沫材料的相关研究或报道却极为少见，且关于其力学响应的相关研究也是更鲜有报道。因此，结合文献[7-10]关于复合泡沫的制备方法，以粉煤灰漂珠为填充物，以聚氨酯为粘结剂，制备出一种价格低廉的多尺度孔径的粉煤灰漂珠/聚氨酯复合泡沫，并研究该复合泡沫在准静态压缩下的力学响应。

1 复合泡沫及实验方法

使用粒径450±30 μm（记为LT）和950±50 μm（记为LG）的两种粉煤灰漂珠分别与硬质聚氨酯在常温下通过压力渗透法制备成两种复合泡沫，定义为LTs 和LGs。将铝箔厚度0.06 mm、胞孔边长为4 mm的蜂窝铝作为增强相加入其中，制备成的复合泡沫分别定义为RLTs 和RLGs，如图1。由图可知，两种粒径的粉煤灰漂珠在四种复合泡沫中分布都较为均匀，聚氨酯泡沫完全充满于整个试样，复合泡沫试样尺寸32×30 mm。

图1 实验所用复合泡沫俯视图

基于X 射线荧光光谱分析（XRF）测得LT 和LG这两种粉煤灰漂珠的主要化学组分为SiO2、Al2O3、Fe2O3，具体成分与含量详见表1。通过扫描电镜（SEM）观测这两种漂珠的微观形貌（如图2），可以发现这两种粒径的漂珠均接近球体状，表面粗糙。

图2 粉煤灰漂珠颗粒的微观形貌

表1 粉煤灰漂珠颗粒的化学组分 /wt.%

利用高精度电子天平测得这两种粒径漂珠的堆积密度均为0.35 g/cm3，依据文献[3]测得这两种粒径粉煤灰漂珠的表观密度分别为0.58 g/cm3和0.625 g/cm3。其中，所用到的四种复合泡沫（LTs、RLTs、LGs、RLGs）密度均在0.48～0.72 g/cm3范围。

实验仪器采用SUNS-UTM5000 的MTS 万能试验机，其最大压缩量程为100 kN。该实验在常温常压下进行，实验过程中以～2.0 mm/min 速度对试样进行准静态压缩，每组实验结果取三次有效重复实验的平均值。

2 结果与分析

2.1 实验压缩结果

通过万能试验机压缩实验，得到四种类型复合泡沫的压缩响应结果。其中，图3为密度约0.54 g/cm3和0.63 g/cm3下四种复合泡沫的工程应力-应变曲线。从图中可以发现，宏观上所有曲线均具有泡沫材料的典型三阶段：线弹性段、塑性平台段和致密化段。大体呈现屈服强度和平台应力值均随着密度的增大而增大，致密化应变随密度增大而减小的趋势。同一密度下，含增强相的复合泡沫RLT、RLG 比普通复合泡沫LT、LG 分别具有更高的压缩强度和平台应力，致密化应变变化较大。含增强相复合泡沫的平台应力值低于其压缩强度值，这是因为复合泡沫中蜂窝铝受压弯曲折叠从而导致出现的压力下降；而普通复合泡沫的平台应力值和压缩强度值接近。

图3 复合泡沫典型工程应力-应变曲线

从细观上看，密度约为0.54 g/cm3的四种类型复合泡沫（RLT、RLG、LT、LG）的应力-应变曲线平台应力值变化不大，说明了漂珠尺寸在此密度下对力学性能没有产生明显影响；含增强相的两种复合泡沫RLT、RLG比普通复合泡沫LT、LG的强度和平台应力值分别提高了19.1%～28.0%和8.2%～11.6%。观察密度约为0.63 g/cm3的复合泡沫的应力应变曲线可知，RLT、RLG 整体力学性能明显优于LT、LG；RLTs、RLGs 比LT、LG 的强度分别提高44.8% 和14.5%，平台应力分别提高45.3% 和15.6%。表明密度和漂珠尺寸两个因素可能均对复合泡沫的增强效果产生了影响。综合对比分析这两种密度下的复合泡沫，其力学特性随密度增加而增强，随漂珠尺寸减小也出现了增强。

2.2 讨论与分析

经数据处理与统计，四种不同类型复合泡沫屈服强度随相对密度变化趋势的拟合曲线如图4(a)虚线所示，呈y=A xb的幂律关系，其中A和b是与基体强度和硬化机制相关的拟合系数，具体拟合系数和误差见表2。图中显示，宏观上四种复合泡沫材料的屈服强度随相对密度的增大而增强，其中RLT 的强度增长率最高，LG 和RLG 强度增长率几乎接近，LT增长率最为缓慢。当相对密度低于0.29 时，漂珠粒径尺寸对普通复合泡沫和含增强相复合泡沫的强度影响可忽略。当相对密度高于0.29时，CPSFs强度值大体呈如下关系变化：RLTs＞RLGs＞LGs＞LTs。在图中所示相对密度范围内，同一密度下RLG 比LG 的强度值高约2.2 MPa；对比前期通过实验测得蜂窝铝的屈服强度约为2.15 MPa，说明RLG 的增强效果来自于复合泡沫中蜂窝铝的添加。在相对密度0.29～0.38 范围内，RLT 与LT 的强度差值从2.5 MPa 提高到10.8 MPa，RLT 压缩强度显著提高，综合分析这是由于RLT 中复合泡沫变形机制的转变所导致。总之，对于RLT，随材料密度的增加蜂窝铝的增强机制显著，同时也受漂珠尺寸的影响。

表2 强度随密度变化趋势的拟合系数

平台应力是决定泡沫材料吸能能力的重要因素。图4(b)是四类复合泡沫与碳纳米管/漂珠复合泡沫、乙烯基酯/玻璃微珠复合泡沫等新型泡沫材料的平台应力对比图。由于所对比的复合泡沫基体密度均不相同，因此采用名义密度进行对比。图中显示，复合泡沫的平台应力值低于纯聚氨酯复合泡沫，这是因为该复合泡沫的基体和漂珠颗粒形成较多孔隙导致其承载力较低。密度和漂珠颗粒尺寸两因素对该复合泡沫平台应力的影响与对强度的影响大致上相同。经计算，普通复合泡沫和含增强相的复合泡沫的能量吸收值分别在3.6～10.8 MJ/m3和4.2～13.0 MJ/m3范围内。

图4 复合泡沫强度与平台应力随密度变化关系

3 结论

（1）普通复合泡沫（LT、LG）压缩强度随密度增大而增大，其中相对密度高于0.29 时，含较大粒径粉煤灰颗粒的复合泡沫具有更好的力学表现。

（2）含增强相的复合泡沫（RLT、RLG）比普通复合泡沫（LT、LG）分别具有更高的压缩强度和平台应力，其中RLT力学性能提高显著。

（3）大粒径漂珠颗粒含增强相的复合泡沫（RLG）增强机制是由于蜂窝铝的添加。而小粒径漂珠含增强相的复合泡沫（RLT），其力学性能增强幅度较大，是由于失效模式的转变和密度的影响导致。