早强剂对EPS匀质改性保温板性能的影响

王晓海,詹奇淇,章家海,陈 慧,付生泰,詹炳根

(1.安徽建工检测科技集团有限公司,合肥 230031;2.合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥 230009)

泡沫混凝土混掺聚苯颗粒制成的EPS匀质改性保温板(以下简称“保温板”)具有轻质、隔热、防水和防火等优质性能[1],目前大规模应用于外墙外保温系统,响应了国家绿色节能政策。但EPS保温板存在早期强度低、韧性差等缺陷易造成保温系统施工安装过程中保温板弯曲断裂以及安装后外墙保温板脱落等问题,引起非必要的安全事故,进一步限制了保温板的推广应用[2]。

此外,目前对EPS保温板的研究主要集中于通过改变容重或者提高纤维掺量的方式优化保温板的力学性能,而对于外掺硫酸盐类早强剂提高泡沫混凝土早期强度的研究较少。另一方面,现有研究对保温板和泡沫混凝土的韧性评价均参照普通混凝土的韧性评价标准[3],虽然能得出一定的规律,但普通混凝土计算出的韧性指数远高于具有轻质多孔特性的保温板材料,造成轻质材料计算所得韧性值在此评价体系里偏小、变化规律不显著,性能的变化无法得到显著的体现。因此论文考虑引入断裂能参数[4],通过计算受弯过程中的荷载-挠度曲线全面积评价早强改性剂外掺对EPS保温板抗弯折性能的影响规律。

1 试 验

1.1 原材料

水泥选用安徽省润基水泥有限责任公司PO 52.5水泥;EPS聚苯颗粒由安庆凯瑞建材有限公司提供,表观密度为7.4 g/L,堆积密度为11.1 g/L;早强改性剂为自制硫酸盐类外加剂;发泡剂为实验室自制蛋白类发泡剂,稀释倍数10倍,发泡倍数20倍;拌合用水为实验室自来水。

1.2 试验方案及配合比

论文主要研究的是早强改性剂在不同掺量下对保温板容重、强度以及弯曲韧性的影响,因此配比中仅改变早强改性剂的外掺量,外掺量分别为水泥质量的0、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%和1.4%,试验配合比见表1。

1.3 试件制作

1)先将水泥和早强改性剂等粉料干拌混匀1 min,随后加水拌制2 min;2)待水泥浆搅拌均匀后立即使用空气压缩型发泡机发泡,发泡后将试验所需体积的泡沫加入水泥浆中搅拌1 min,测定泡沫密度;3)将EPS颗粒均匀撒入泡沫水泥浆内搅拌1 min,拌匀后测定浆料的湿密度;4)入模(300 mm×300 mm×30 mm)并用薄膜覆盖试件表面,静置24 h以内并根据试件硬化状态进行拆模,拆模后试件置于恒温恒湿箱中分别养护7 d和28 d。

1.4 试件测试方法

密度、抗压强度、抗拉强度和弯曲强度试验方法参照《无机硬质绝热制品试验方法》GB/T 5486—2008[5],垂直于板面的抗拉强度试验方法参照《外墙外保温工程技术标准》JGJ144—2019[6]。

2 结果与分析

2.1 早强改性剂对泡沫混凝土容重的影响

由图1分析可得,相较于空白组,早强改性剂增加了保温板的干密度,不同掺量早强改性剂试验组较空白组干密度平均提高8.3%。在试验过程中发现,随着早强改性剂掺量提高,泡沫水泥浆体流动性随之减小,当早强改性剂的掺量提高至1.1%时,EPS颗粒和泡沫水泥浆体复合体系的粘聚性提高,开始出现入模成型困难的现象。观感上主要表现为EPS颗粒间的泡沫水泥浆体填充不密实,浆体无法有效包裹EPS颗粒外表面,成型后的试件内部颗粒间充满空隙(见图2);空隙间的泡沫水泥浆体消泡较为严重,实测保温板密度相应提高。当早强改性剂用量小于1.1%时,加入EPS后混合料和易性较好,搅拌制得的保温板体积较1.1%以上外掺量试件的体积大;入模后,EPS颗粒之间的空隙被泡沫水泥浆体填充密实,密度相应小一些。从整体看,早强改性剂的外掺提高了保温板的干密度。

2.2 早强改性剂对保温板早期抗压强度的影响

试验过程中发现,外掺早强改性剂可显著提高泡沫水泥浆体入模后的硬化速率,保温板拆模时间得以控制在在18 h以内(空白组拆模时间在24 h以上),成品保温板出厂前的存放时间显著缩短。由图3分析可得,早强改性剂对保温板早期抗压强度的优化主要体现在7 d抗压强度上,7～28 d的抗压强度增长幅度较小;当早强改性剂用量为0.2%时,保温板抗压强度达到峰值,7 d抗压强度比空白对照组大33.3%,28 d的抗压强度比空白对照组大44.4%;但当早强改性剂外掺量高于0.2%时,试件抗压强度增长不显著,且随着外掺量持续提高至0.8%以上,试件横截面上的胶凝体系面积占比减小,抗压强度有一定的损失。综上,适量的早强改性剂可改善保温板的7 d和28 d抗压强度,外掺量高于0.2%时,试件7 d后龄期的抗压强度增长不明显,继续提高早强改性剂掺量,试件抗压强度逐渐降低,但变化并不显著。综上,外掺早强改性剂有效提高了保温板7 d和28 d抗压强度,并符合《匀质改性防火保温板建筑外保温系统应用技术导则》DBHJ/T 015—2014[7]关于外墙用保温板抗压强度不低于0.3 MPa的技术要求,空白组7 d和28 d抗压强度低于该标准技术要求。

2.3 早强改性剂对保温板抗拉强度的影响

由图4分析可得,早强改性剂可有效提高保温板抗拉强度。当外掺量不高于0.5%时,抗拉强度随掺量的提高而增加;掺量高于0.5%后,保温板抗拉强度变化幅度并不显著并伴有一定的降低趋势;其中外掺量为0.5%时,保温板7 d和28 d抗拉强度达到峰值,较空白组分别提高31.5%和40.2%;此外,保温板28 d抗拉强度的变化规律与7 d抗拉强度一致。早强改性剂外掺量在0.2%～1.1%范围内时,其抗拉强度均满足《匀质改性防火保温板建筑外保温系统应用技术导则》DBHJ/T 015—2014关于外墙用保温板抗拉强度不低于0.11 MPa的技术要求。

保温板复掺的EPS颗粒强度较低,影响保温板抗拉强度的主要因素是EPS颗粒间的硬化泡沫水泥浆料。在试验过程中发现,掺适量早强改性剂有利于维持早期硬化过程中泡沫的稳定性,保温板成型后EPS颗粒间的空隙由泡沫水泥浆体填充密实,保温板受拉横截面内可抵抗拉伸荷载的材料占比较高,垂直于板面的抗拉强度随之提高。在搅拌过程中还发现,当不掺或过量掺用早强改性剂时,填充在EPS颗粒间的胶凝体系内部泡沫不稳定,且在硬化过程中易出现消泡现象,试件成型后的受拉截面内分布较多的有害孔隙,受拉时同一截面上受力的胶凝材料占比减小,试件受拉破坏荷载较低。图5为保温板断裂面示意图,可直观地看出早强改性剂在0.5%和0.8%外掺量下,受拉横截面基本都是EPS颗粒断裂。

2.4 不同早强改性剂外掺量对EPS保温板抗折强度及弯曲韧性的影响

由图6分析可得,相较于早强改性剂试件,空白组试件的断裂荷载峰值最低,仅为0.048 kN,且随着早强改性剂外掺量的提高,保温板弯曲试验破坏荷载经历了先增大后降低并稳定的过程,计算出外掺0～1.4%早强剂改性剂试件的抗折强度分别为0.21 MPa、0.34 MPa、0.37 MPa、0.33 MPa、0.33 MPa和0.33 MPa,抗折强度最大值对应的外掺量为0.5%。

同时,由试件实际破坏形态和图6可知,保温板受力破坏过程基本与延性破坏形式相符,即在开裂前虽有一定的塑性变形,但整体上基本接近线弹性,荷载-挠度曲线接近直线;出现微小裂缝后,曲线斜率有明显变小的趋势,但荷载继续增长;达到极限荷载之后,弯曲试件底面出现大量裂纹,试件破坏,荷载急剧降低。因此,外掺早强改性剂试件受弯时相较于空白组可更好地抵抗弯曲荷载,且能在破坏前以一定的弯曲现象示警,满足外墙外保温系统保温材料安全安装和使用要求。

为进一步得到早强改性剂对保温板弯曲韧性的影响规律,论文通过断裂能(Gf)进行评价。断裂能为总能量除以试件的断裂面横截面积,总能量为完全挠度面积之和,依据式(1)计算。

(1)

式中,W0为完全荷载-挠度曲线的面积;m为支座间试件的质量,由整个试件的质量乘以l/L计算;g为重力加速度;σ为试件彻底破坏后的变形;d为试件横截面的高度;b为试件横截面的宽度。

抗折强度依据式(2)计算。

(2)

式中,Pmax为最大荷载;l为支座间试件的跨度;b为试件横截面的宽度;d为试件横截面的高度。

由表2分析可得,通过断裂能对保温板弯曲韧性进行评价,早强改性剂外掺量为0.2%～1.4%时,保温板断裂能较空白组显著提高,变化趋势与不同掺量试件实际破坏形态的变化规律一致。因此通过断裂能指标可较好地体现轻质多孔特性保温板弯曲韧性的变化规律。其中掺量为0.5%时,保温板断裂能达到最大值56.21 N/m,相较于空白组提高98.6%;继续提高掺量,保温板断裂能存在一定的损失。

表2 三点弯曲试验结果(断裂能及抗折强度)

3 结 论

a.外掺早强改性剂保温板的干密度较空白组平均提高8.3%;掺量提高至1.1%及以上时,拌制的保温板浆料粘聚性大、流动性差。

b.适量的早强改性剂可有效提高保温板抗压强度和抗拉强度,其最适宜外掺量为0.5%,最适宜掺量下7 d抗压和抗拉强度较空白组分别提高33.3%和31.5%,其28 d抗压和抗拉强度较空白组分别提高44.4%和40.2%;掺量提高至0.5%以上时,硬化前保温板浆料内存在消泡现象,保温板受压和受拉截面上的胶凝材料占比减小,试件破坏荷载降低。

c.通过断裂能指标评价保温板的弯曲韧性较为适宜,早强改性剂外掺量为0.5%时,保温板断裂能达到最大值56.21 N/m,相较于空白组提高98.6%;继续提高掺量,保温板断裂能存在一定的损失。