雷東移 郭麗萍 孫 偉

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211189)(東南大學(xué)先進(jìn)土木工程材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 211189)

原狀脫硫石膏聚苯顆粒輕質(zhì)保溫材料的制備與性能

雷東移 郭麗萍 孫 偉

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 211189)(東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 211189)(東南大學(xué)先進(jìn)土木工程材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 211189)

在原狀脫硫石膏膠凝體系研究的基礎(chǔ)上,針對(duì)相關(guān)原料對(duì)原狀脫硫石膏聚苯顆粒輕質(zhì)保溫材料各項(xiàng)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到:保溫骨料聚苯顆粒與原狀脫硫石膏膠凝體系的最佳體積比為82.6%;纖維素醚與原狀脫硫石膏膠凝體系的最佳質(zhì)量比為0.5%;可再分散乳膠粉與原狀脫硫石膏膠凝體系的最佳質(zhì)量比為0.8%;聚丙烯纖維與原狀脫硫石膏膠凝體系的最佳質(zhì)量比為0.2%,各組分均外摻.根據(jù)最佳比制得的保溫材料的各項(xiàng)性能均滿足《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》(JG 158—2013)的相關(guān)要求.有效解決了原狀脫硫石膏的資源化應(yīng)用問題,為固體廢棄物脫硫石膏的綜合利用開辟了一條新途徑.

原狀脫硫石膏;聚苯顆粒;聚丙烯纖維;纖維素醚;可再分散乳膠粉;保溫材料

原狀脫硫石膏是指未經(jīng)煅燒的煙氣脫硫石膏(desulfuration gypsum,FGD),又稱排煙脫硫石膏,主要成分和天然石膏一樣,為二水硫酸鈣CaSO4·2H2O.就全國(guó)范圍而言,原狀脫硫石膏的利用率非常低,利用形式主要為煅燒成半水石膏,大部分仍以戶外堆放為主[1-5].如何有效解決原狀脫硫石膏的資源化應(yīng)用問題,具有重要的理論和社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義.我國(guó)是能源消耗大國(guó),建筑保溫隔熱材料在建筑節(jié)能中扮演著重要角色,如果能將原狀脫硫石膏用于制備建筑保溫隔熱材料,將具有重大社會(huì)意義[6-10].

本文在自主研發(fā)的原狀脫硫石膏高強(qiáng)膠凝材料體系[11]的基礎(chǔ)上,以聚苯顆粒為保溫骨料,加入纖維素醚、可再分散乳膠粉改性劑和纖維增強(qiáng)材料制成了具有保溫、抗裂、環(huán)保、節(jié)能、施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的新型保溫材料,為有效利用原狀脫硫石膏提供了新的途徑.保溫骨料性能的優(yōu)良對(duì)材料保溫隔熱性能起決定作用,膠結(jié)組分則決定其整合性和強(qiáng)度等性能,纖維組分可改善保溫材料的抗裂性能,提高其柔韌性、抗沖擊及抗疲勞等性能,纖維素醚和可再分散性乳膠粉改性劑則對(duì)保溫材料施工性能、膠結(jié)料與保溫骨料的各向親和性有重要影響,只有這些組分按照合適的比例進(jìn)行配比才能保證保溫材料具有優(yōu)異的性能.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

原狀脫硫石膏由常州熱電廠提供,呈淡黃色,附著含水量為13%,其XRD圖如圖1所示,微觀形貌如圖2所示,化學(xué)組成見表1.

圖1 原狀脫硫石膏的XRD圖

圖2 原狀脫硫石膏的SEM圖片

表1 原材料主要化學(xué)成分 %

從表1中可得出,原狀脫硫石膏的CaO, SO3和結(jié)晶水的含量較高. 從圖1也可看出原狀脫硫石膏的主要礦物成分為二水石膏 (CaSO4·2H2O),因此就干料中二水石膏含量而言,原狀脫硫石膏是一種重要的石膏資源.從圖2中可看出,原狀脫硫石膏結(jié)晶較為均齊,其晶體形狀多為柱狀,外觀規(guī)整.

礦渣微粉(南京梅山鋼鐵公司)的表面積為458 m2/kg,堿性系數(shù)為0.97,質(zhì)量系數(shù)為1.64,活性系數(shù)為0.34;市購(gòu)石灰粉細(xì)度為430目;水泥(馬鞍山水泥有限公司)P·I 52.5級(jí),其物理力學(xué)性能見表2.礦渣、石灰粉和水泥的化學(xué)組成如表1所示.

聚苯顆粒(EPS)為膨脹聚苯乙烯泡沫顆粒(又稱膨脹聚苯顆粒)，是一種輕型高分子聚合物,具有質(zhì)輕、保溫隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn).本實(shí)驗(yàn)所用聚苯顆粒外觀為不規(guī)則的多面體,其物理性能見表3.

由表3可知,實(shí)驗(yàn)所用聚苯顆粒性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》(JG 158—2013)[12]中的相關(guān)要求.

表2 水泥的物理力學(xué)性能

表3 聚苯顆粒的物理性能

聚丙烯纖維(射陽縣絲絲緣化纖有限公司，PP)的物理性能見表4.

市購(gòu)水玻璃,模數(shù)為1.3;減水劑為高效萘系減水劑,減水效率11%;可再分散乳膠粉(北京天維寶宸化學(xué)產(chǎn)品有限公司)為白色固體粉末,主要活性成分是乙烯-醋酸乙烯共聚物;纖維素醚(羥丙基甲基纖維素醚,HPMC)購(gòu)自山東赫達(dá)股份有限公司,白色粉末.

表4 聚丙烯纖維的物理性能

本研究詳細(xì)介紹了聚苯顆粒、纖維素醚、可再分散乳膠粉和聚丙烯纖維對(duì)保溫材料各項(xiàng)性能的影響,最終確定了最佳配合比,保溫材料各項(xiàng)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》(JG 158—2013)[12]的相關(guān)指標(biāo)要求,具體指標(biāo)見表5.

表5 預(yù)期達(dá)到的性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 原狀脫硫石膏聚苯顆粒輕質(zhì)保溫材料制備

原材料按預(yù)定比例混合均勻,使用水泥砂漿攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?將漿體注入待測(cè)性能所要求的試樣模具中.為防止料漿留下孔隙,同時(shí)用砂漿振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)60次,并用抹子抹平.在實(shí)驗(yàn)室條件下靜置18 h,然后將試樣放入60 ℃的蒸汽中養(yǎng)護(hù)21 h, 脫模后至齡期,得到待測(cè)試樣.

將膠凝材料體系中除水后所包含組分[11]視為一整體(所包含組分質(zhì)量比為:m(原狀脫硫石膏)∶m(礦渣)∶m(水泥)∶m(石灰粉)∶m(水玻璃)∶m(減水劑)=60∶31∶9∶6∶0.7∶1.8),聚苯顆粒、纖維素醚、可再分散乳膠粉、聚丙烯纖維、水分(水膠比1.15)均外摻.

1.2.2 原狀脫硫石膏聚苯顆粒輕質(zhì)保溫材料測(cè)試

原狀脫硫石膏聚苯顆粒輕質(zhì)保溫材料測(cè)試包括:

1) 原狀脫硫石膏濕密度、干密度、力學(xué)性能、壓剪黏結(jié)強(qiáng)度、線性收縮率測(cè)定.濕密度利用新拌漿體質(zhì)量除以體積的方式進(jìn)行測(cè)量;干密度則是將養(yǎng)護(hù)至齡期的試樣在65 ℃烘干至恒重,然后參照標(biāo)準(zhǔn)《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》(JG 158—2013)中的規(guī)定進(jìn)行;力學(xué)性能、壓剪黏結(jié)強(qiáng)度、線性收縮率均利用養(yǎng)護(hù)至齡期的試樣參照標(biāo)準(zhǔn)《聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》(JG 158—2013)[12]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行.

2) 稠度、分層度的測(cè)定.參照標(biāo)準(zhǔn)《建筑砂漿基本性能實(shí)驗(yàn)方法》(JGJ/T 70—2009)[13]相關(guān)規(guī)定對(duì)新拌漿進(jìn)行稠度、分層度測(cè)定.

3) 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試.采用DRE-2C導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試.該導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀基于TPS瞬態(tài)平面熱源技術(shù),用Hot Disk作為探頭[14-15].

2 結(jié)果與討論

2.1 聚苯顆粒摻量對(duì)保溫材料性能的影響

在該組實(shí)驗(yàn)中纖維素醚、可再分散乳膠粉和聚丙烯纖維的摻量分別為0.6%,0.6%和0.2%,水膠比為1.15,均外摻,聚苯顆粒用量為4 L.通過改變膠凝材料體系各組分的用量來改變聚苯顆粒在原材料中的相對(duì)摻量,測(cè)定的膠凝材料用量分別為400,450,500,550,600,650 g(即當(dāng)聚苯顆粒與膠凝材料體系的體積比分別為86.6%,85.3%,83.9%,82.6%,81.3%,80.1%)時(shí),聚苯顆粒摻量對(duì)保溫材料各項(xiàng)性能的影響見圖3.

(a) 干、濕密度

(b) 抗壓強(qiáng)度

(c) 導(dǎo)熱系數(shù)

(d) 稠度

圖3(a)為聚苯顆粒摻量(體積比)對(duì)保溫材料干、濕密度的影響.從圖中可以看出:隨聚苯顆粒摻量降低,保溫材料的干、濕密度逐漸增大,摻量低于81.3%時(shí),干、濕密度分別為252和421 kg/m3,已超過指標(biāo)要求,聚苯顆粒的體積密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于膠凝材料的體積密度,摻量越小,在試樣中所占體積就越小,干、濕密度就越大.

圖3(b)為聚苯顆粒摻量對(duì)保溫材料抗壓強(qiáng)度的影響.從圖中可以看出:隨聚苯顆粒摻量增加,抗壓強(qiáng)度下降速率增大,當(dāng)摻量達(dá)到85.3%時(shí),抗壓強(qiáng)度為0.18 MPa,已不能滿足《膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)》(JG 158—2013)的要求.這是因?yàn)?聚苯顆粒本身強(qiáng)度很低,當(dāng)分散在基體中時(shí)也會(huì)增加基體的空隙率,降低強(qiáng)度;同時(shí)摻量增加,則需要更多的漿體對(duì)其進(jìn)行包裹,而用于黏結(jié)骨料的漿料相對(duì)減少,致使材料的骨架作用相對(duì)減弱,保溫骨料之間的黏結(jié)力變小,使強(qiáng)度進(jìn)一步降低.因此，隨聚苯顆粒摻量的增加,保溫材料抗壓強(qiáng)度下降速率增大.

圖3(c)為聚苯顆粒摻量對(duì)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響.從圖中可以看出:隨聚苯顆粒摻量增加,導(dǎo)熱系數(shù)逐漸下降,當(dāng)摻量達(dá)到85.3%時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)降到最低值0.0407 W/(m·K),摻量繼續(xù)增加,導(dǎo)熱系數(shù)反而有所提高.這是因?yàn)榫郾筋w粒中含有大量的封閉氣孔,熱阻較大.其摻量越大,保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)就越低;但當(dāng)聚苯顆粒摻量超過一定范圍時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)反而增大,其原因是: 聚苯顆粒摻量過多時(shí),膠結(jié)組分含量相對(duì)不足,導(dǎo)致保溫材料中形成大量貫通孔隙,引起空氣對(duì)流,導(dǎo)熱系數(shù)增大.

圖3(d)為聚苯顆粒摻量對(duì)保溫材料稠度的影響.從圖中可以看出:隨聚苯顆粒摻量增加,稠度逐漸下降.這主要是因?yàn)?隨聚苯顆粒摻量增加,用于包裹骨料的漿體部分相對(duì)減少,導(dǎo)致拌合料流動(dòng)性降低,和易性差.綜合考慮,聚苯顆粒與膠凝材料體系的體積比為82.6%時(shí)為宜.

2.2 纖維素醚摻量對(duì)保溫材料性能的影響

纖維素醚HPMC是一種水溶性高分子化合物,是天然纖維素醚化的產(chǎn)物,具有良好的保水、增稠效果,能夠顯著提高保溫材料的保水性、和易性等,同時(shí),它具有一定的自養(yǎng)護(hù)功能，可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)將水分逐步釋放,從而保證聚苯顆粒與膠凝組分之間形成均勻連續(xù)體系.纖維素醚摻量對(duì)保溫材料的施工和易性、稠度、力學(xué)等性能影響顯著.在聚苯顆粒摻量(體積比)為82.6%的基礎(chǔ)上,測(cè)定了纖維素醚與膠凝材料體系不同質(zhì)量比時(shí)保溫材料各項(xiàng)性能的變化,以確定纖維素醚的最佳摻量.纖維素醚摻量對(duì)保溫材料各項(xiàng)性能的影響見圖4.

(a) 干、濕密度

(b) 抗壓強(qiáng)度

(c) 導(dǎo)熱系數(shù)

(d) 稠度、分層度

圖4(a)為纖維素醚摻量質(zhì)量比對(duì)保溫材料干、濕密度的影響.從圖中可以看出:隨纖維素醚摻量增加,保溫材料的干密度逐漸減小,濕密度逐漸增大,當(dāng)HPMC摻量為0.4%時(shí),干密度為249 kg/m3,已達(dá)到指標(biāo)上限.纖維素醚具有保水、增稠作用,摻量越多,增稠效果越明顯,為保證良好的施工和易性,拌合用水量就越多,導(dǎo)致試樣含水量越高,濕密度越高.在試樣凝結(jié)硬化過程中,自由水逐漸蒸發(fā),濕密度越高意味著自由水量越多,在保溫材料內(nèi)部孔隙就越多,同時(shí)纖維素醚自身的引氣作用,進(jìn)一步降低了硬化試塊的干密度.

圖4(b)、(c)分別為纖維素醚摻量對(duì)保溫材料抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響.從圖中可以看出:隨纖維素醚摻量的增加,保溫材料的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸減小,其原因是:① 由于纖維素醚的保水作用,在增加拌合用水量的同時(shí),也使凝結(jié)硬化后的試樣內(nèi)部出現(xiàn)更多的孔隙;② 纖維素醚自身的引氣作用在保溫材料中引入了大量氣泡,增加了保溫材料的孔隙率,而且吸水溶脹后的纖維素醚也會(huì)在一定程度上增加孔隙率.氣孔率的提高導(dǎo)致保溫材料結(jié)構(gòu)不密實(shí),使保溫材料干密度下降的同時(shí)也使抗壓強(qiáng)度下降,由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于膠凝材料的導(dǎo)熱系數(shù),也低于聚苯顆粒的,因而隨氣孔率提高,導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低.

圖4(d)為纖維素醚摻量對(duì)保溫材料稠度和分層度的影響.從圖中可以看出,隨纖維素醚摻量的增加,保溫材料的稠度和分層度都逐漸減小,而且分層度的變化越來越小.這是因?yàn)槔w維素醚是一種水溶性高分子化合物,分子間的作用力使保溫材料具有良好的保水、增稠作用,大大降低漿體產(chǎn)生離析和分層的幾率,顯著提高保溫材料的黏聚性與和易性.隨纖維素醚摻量增加,保溫材料黏度持續(xù)增加,流動(dòng)性下降.結(jié)合表1性能指標(biāo)要求,綜合考慮,纖維素醚與膠凝材料體系的質(zhì)量比為0.5%時(shí)為宜.

2.3 可再分散乳膠粉摻量對(duì)保溫材料性能的影響

由于聚苯顆粒表面為憎水性,若直接與膠凝材料拌和,膠凝材料對(duì)其不潤(rùn)濕,施工和易性差.可再分散乳膠粉的分子鏈由親水基和憎水基組成,定向吸附在聚苯顆粒表面可將其改性為親水性,使聚苯顆粒很容易被膠凝材料漿體所潤(rùn)濕[16].

在纖維素醚與膠凝材料體系的質(zhì)量比為0.5%,水膠比為1.15的基礎(chǔ)上,測(cè)定了可再分散乳膠粉摻量不同時(shí)保溫材料各項(xiàng)性能的變化,以確定可再分散乳膠粉的最佳摻量.可再分散乳膠粉摻量對(duì)保溫材料各項(xiàng)性能的影響見圖5.

(a) 干、濕密度

(b) 抗壓強(qiáng)度

(c) 導(dǎo)熱系數(shù)

(d) 壓剪黏結(jié)強(qiáng)度

(e) 稠度、分層度

圖5(a)～(c)分別為可再分散乳膠粉摻量質(zhì)量比對(duì)保溫材料干、濕密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響.從圖中可以看出:隨可再分散乳膠粉摻量的增加,保溫材料的干、濕密度,抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸減小.可再分散乳膠粉中包含的乳化劑具有引氣作用,摻量越多,引氣效果越顯著,干、濕密度逐漸下降;伴隨著干密度的降低,抗壓強(qiáng)度降低,同時(shí)由于可再分散乳膠粉在保溫材料中形成的聚合物膜的剛度較膠凝組分低,使保溫材料抗壓強(qiáng)度降低;由于氣相的導(dǎo)熱系數(shù)小于膠凝材料和聚苯顆粒的導(dǎo)熱系數(shù),可再分散乳膠粉摻量增加時(shí),含氣量也隨之增大,保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨之降低.

圖5(d)為可再分散乳膠粉摻量對(duì)保溫材料黏結(jié)強(qiáng)度的影響.從圖中可以看出:隨可再分散乳膠粉摻量的增加,保溫材料的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸提高.可再分散乳膠粉提高黏結(jié)強(qiáng)度的主要原因有:① 可再分散乳膠粉聚合物分子能夠明顯改善膠凝漿體與聚苯顆粒之間的界面過渡區(qū)，提高界面結(jié)合力;② 在水化產(chǎn)物表面凝聚成膜,形成具有低彈性模量的聚合物網(wǎng)絡(luò),使硬化保溫材料的韌性得到改善;③ 聚合物分子中的某些極性基團(tuán)與膠凝組分中水泥所生成的水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成特殊的橋鍵,改善水泥水化產(chǎn)物的物理組織結(jié)構(gòu)以緩解內(nèi)應(yīng)力,從而進(jìn)一步提高黏結(jié)強(qiáng)度.

圖5(e)為可再分散乳膠粉摻量對(duì)保溫材料稠度和分層度的影響，從圖中可以看出:隨可再分散乳膠粉摻量的增加,保溫材料的稠度、分層度均逐漸減小.可再分散乳膠粉摻量增加,保溫材料的黏聚性明顯提高,從而使新拌漿料的和易性得到顯著改善,分層度降低,保水性提高.可再分散乳膠粉是一種表面活性劑,也有一定的引氣作用,少量氣泡的存在起到了滾動(dòng)軸承式的作用,使新拌漿體的和易性得到改善.但是可再分散乳膠粉本身的黏性很大,當(dāng)摻量過多時(shí),漿料黏性過大,流動(dòng)性降低,活易性差.結(jié)合表1性能指標(biāo)要求,綜合考慮,可再分散乳膠粉與膠凝材料體系的質(zhì)量比為0.8%時(shí)為宜.

2.4 聚丙烯纖維摻量對(duì)保溫材料性能的影響

保溫材料抗裂性的好壞直接影響到使用壽命的長(zhǎng)短,因此在保證其工作性的同時(shí),保溫材料必須具有足夠高的抗裂性[17]，向其中加入適量的聚丙烯短纖維.在以上實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,不同摻量的聚丙烯纖維對(duì)保溫材料各項(xiàng)性能的影響見圖6.

(a) 干密度

(b) 抗壓強(qiáng)度

(c) 稠度、分層度

(d) 壓剪黏結(jié)強(qiáng)度

(e) 線性收縮率

圖6(a)、(b)分別為聚丙烯纖維摻量質(zhì)量比對(duì)保溫材料干密度、抗壓強(qiáng)度的影響,圖6(c)為聚丙烯纖維摻量對(duì)保溫材料稠度和分散度的影響,從圖6(a)、(b)中可以看出:隨聚丙烯纖維摻量的增加,保溫材料的干密度、抗壓強(qiáng)度均有所下降,尤其摻量超過0.2%時(shí),下降明顯.從圖6(c)中可以看出:隨聚丙烯纖維摻量的增加,保溫材料的稠度和分層度均降低.聚丙烯纖維摻量增加,稠度降低,這是因?yàn)樵诒夭牧嫌盟坎蛔兊那闆r下,聚丙烯纖維會(huì)在體系中形成分散的網(wǎng)狀,降低了保溫材料的流動(dòng)性,稠度降低,和易性變差.摻量越高,現(xiàn)象越明顯.聚丙烯纖維的加入能夠降低保溫材料的分層度,這是因?yàn)樾纬傻姆稚⒕W(wǎng)狀有阻止保溫材料離析、減少泌水的作用.隨聚丙烯纖維摻量增加,干密度和抗壓強(qiáng)度略有下降,這是因?yàn)榫郾├w維摻量增加,纖維分散性變差,易糾結(jié)成團(tuán),保溫材料的密實(shí)度有所下降,導(dǎo)致干密度下降的同時(shí),抗壓強(qiáng)度也有所下降.

圖6(d)為聚丙烯纖維摻量對(duì)保溫材料黏結(jié)強(qiáng)度的影響.從圖中可以看出:隨聚丙烯纖維摻量的增加,保溫材料的黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增大,且增長(zhǎng)幅度逐漸減小,當(dāng)聚丙烯纖維摻量超過0.2%時(shí),保溫材料的黏結(jié)強(qiáng)度不增反降.這是因?yàn)楫?dāng)聚丙烯纖維摻量較少時(shí),纖維可以在保溫材料中均勻分散以起到增強(qiáng)黏結(jié)強(qiáng)度的作用,而當(dāng)纖維超出一定范圍,則會(huì)出現(xiàn)分散不均勻、結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,成為硬化材料內(nèi)部的薄弱點(diǎn),致使黏結(jié)應(yīng)力不增反降.

圖6(e)為聚丙烯纖維摻量對(duì)保溫材料線性收縮率的影響.從圖中可以看出:隨聚丙烯纖維摻量的增加,保溫材料的線性收縮率逐漸降低,且降低幅度逐漸減小,當(dāng)摻量超過0.2%時(shí),趨于平穩(wěn).聚丙烯纖維能提高保溫材料抗裂性的原因?yàn)椋孩?因?yàn)槔w維能顯著提高保溫材料抗塑性收縮的能力.② 纖維具有降低裂縫尖端應(yīng)力集中的作用,在保溫材料中呈三維狀態(tài)分布,可有效防止裂縫發(fā)展或形成貫穿裂縫.但是當(dāng)纖維摻量過高時(shí),則會(huì)出現(xiàn)分散不均勻、結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,不僅不能分散和傳遞應(yīng)力,而且成為了硬化材料內(nèi)部的薄弱點(diǎn),導(dǎo)致抗裂性能提高有限[18].結(jié)合性能指標(biāo)要求,綜合考慮,聚丙烯纖維與膠凝材料體系的質(zhì)量比為0.2%時(shí)為宜.

3 結(jié)論

1) 隨聚苯顆粒摻量的增加,保溫材料的干、濕密度逐漸降低,抗壓強(qiáng)度有所下降,導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低,稠度逐漸下降,流動(dòng)性變差,致使和易性變差,聚苯顆粒與膠凝材料體系的體積比為82.6%時(shí)為宜.

2) 纖維素醚具有良好的保水、增稠效果,能夠顯著提高保溫材料的保水性、和易性等實(shí)際使用性能,隨纖維素醚摻量增加,保溫材料的干密度減小,濕密度增大,抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)都逐漸減小,稠度和分層度逐漸減小,和易性改善,但摻量過高,流動(dòng)性下降,和易性變差,纖維素醚與膠凝材料體系的質(zhì)量比為0.5%時(shí)為宜.

3) 可再分散乳膠粉是一種高分子聚合物,能夠?qū)郾筋w粒進(jìn)行表面改性,使其易被潤(rùn)濕.隨可再分散乳膠粉摻量的增加,保溫材料的干、濕密度,抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均逐漸減小,這主要是由可再分散乳膠粉的引氣作用所致;隨可再分散乳膠粉摻量的增加,稠度、分層度逐漸減小,同時(shí)為了黏結(jié)強(qiáng)度的需要,可再分散乳膠粉與膠凝材料體系的質(zhì)量比為0.8%時(shí)為宜.

4) 為提高聚苯顆粒保溫材料的抗裂性,向其中加入了適量的聚丙烯纖維,隨纖維摻量的增加,保溫材料的干密度、抗壓強(qiáng)度均有所下降,稠度、分層度降低,黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增大且增長(zhǎng)幅度逐漸減小,線性收縮率逐漸降低且降低幅度逐漸減小,聚丙烯纖維與膠凝材料體系的質(zhì)量比為0.2%時(shí)為宜.

綜合考慮確定了原狀脫硫石膏聚苯顆粒輕質(zhì)保溫材料的最終配比,纖維素醚、可再分散乳膠粉、聚丙烯纖維、水與膠凝材料體系的質(zhì)量比分別為0.5%,0.8%,0.2%,1.15,聚苯顆粒與膠凝材料體系的體積比為82.6%,均為外摻.

References)

[1]黎良元,石宗利.石膏基復(fù)合材料性能影響因素的研究[J].新型建筑材料,2007,34(5):1-4. DOI:10.3969/j.issn.1001-702X.2007.05.001. Li Liangyuan, Shi Zongli. Research on contributing factors of gypsum-based composite material performance [J].NewBuildingMaterials, 2007, 34(5): 1-4. DOI:10.3969/j.issn.1001-702X.2007.05.001. (in Chinese)

[2]權(quán)劉權(quán),羅治敏,李東旭.脫硫石膏膠凝性的研究[J].非金屬礦,2008,31(3):29-32. DOI:10.3969/j.issn.1000-8098.2008.03.010. Quan Liuquan, Luo Zhimin, Li Dongxu. Study on cementing performance of desulfurization gypsum [J].Non-MetallicMines, 2008, 31(3): 29-32. DOI:10.3969/j.issn.1000-8098.2008.03.010. (in Chinese)

[3]李娜.減水劑對(duì)脫硫石膏的改性研究及性能表征[D].淮南:安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2011.

[4]馬永賢.半干法脫硫灰制備生態(tài)建材及工藝參數(shù)優(yōu)化[D].石家莊:河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2010.

[5]張毅,王小鵬,李東旭.大摻量工業(yè)廢石膏制備石膏基膠凝材料的性能研究[J].硅酸鹽通報(bào),2011,30(2):367-372. DO I:10. 16552/j. cnki. issn1001-1625. 2011. 02. 029. Zhang Yi, Wang Xiaopeng, Li Dongxu. Performance research on the gypsum based cementing material incorporating with large dosage of waste gypsum [J].BulletinoftheChineseCeramicSociety, 2011, 30(2): 367-372. DOI:10. 16552/j. cnki. issn1001-1625. 2011. 02. 029. (in Chinese)

[6]康明,朱洪波,王培銘.礦粉、高鈣灰及脫硫石膏對(duì)水泥收縮性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2008,11(2):189-194. DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2008.02.012. Kang Ming, Zhu Hongbo, Wang Peiming. Effect of grinded blast furnace slag high-calcium fly ash and desulfurized gypsum on shrinkage performance of cement mortars [J].JournalofBuildingMaterials, 2008, 11(2): 189-194. DOI:10.3969/j.issn.1007-9629.2008.02.012. (in Chinese)

[7]王信剛,章未琴,陳方斌,等.高性能水泥基材料的耐久性能及其微觀結(jié)構(gòu)[J].混凝土,2012(5):32-35. DOI:10.3969/j.issn.1002-3550.2012.05.010. Wang Xinggang, Zhang Weiqin, Chen Fangbin, et al. Durability and microstructure of high performance cement-based materials [J].Concrete, 2012 (5): 32-35. DOI:10.3969/j.issn.1002-3550.2012.05.010. (in Chinese)

[8]吳中偉,廉慧珍.高性能混凝土[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999:24.

[9]黎良元,石宗利,艾永平.石膏礦渣膠凝材料的堿性激發(fā)作用[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2008,36(3):405-410. DOI:10.3321/j.issn:0454-5648.2008.03.028. Li Liangyuan, Shi Zongli, Ai Yongping. Alkaline activation of gypsum-granulated blast furnace slag cementing materials [J].JournaloftheChineseCeramicSociety, 2008, 36(3): 405-410. DOI:10.3321/j.issn:0454-5648.2008.03.028. (in Chinese)

[10]Hartman M R, Brady S K, Berliner R, et al. The evolution of structural changes in ettringite during thermal decomposition[J].JournalofSolidStateChemistry, 2006, 179(4): 1259-1272. DOI:10.1016/j.jssc.2006.01.038.

[11]雷東移,張毅,李東旭,等.利用原狀脫硫石膏制備石膏基高強(qiáng)膠凝材料的性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(20):138-142,147. Lei Dongyi, Zhang Yi, Li Dongxu, et al. Performance research on the high-strength gypsum based cementing material prepared from undisturbed FGD gypsum [J].MaterialsReview, 2013, 27(20): 138-142. (in Chinese)

[12]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑制品與構(gòu)配件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).JG 158—2013膠粉聚苯顆粒外墻外保溫系統(tǒng)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

[13]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ/T 70—2009建筑砂漿基本性能實(shí)驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2009.

[14]Gustafsson S E, Karawacki E, Khan M N. Transient hot-strip method for simultaneously measuring thermal conductivity and thermal diffusivity of solids and fluids [J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics, 1979, 12(9): 1411-1421. DOI:10.1088/0022-3727/12/9/003.

[15]Gustafsson S E, Karawacki E, Chohan M A. Thermal transport studies of electrically conducting materials using the transient hot-strip technique[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics, 1986, 19(5): 727-735. DOI:10.1088/0022-3727/19/5/007.

[16]彭家惠,陳明鳳,張建新.EPS表面改性及其保溫砂漿的耐候性與抗裂性[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,25(1):24-27. DOI:10.3969/j.issn.1000-582X.2002.01.007. Peng Jiahui, Chen Mingfeng, Zhang Jianxin. Investigation on EPS surface modification and EPS thermal insulation Mortar’s weather-resisting and crack-resisting [J].JournalofChongqingUniversity(NaturalScienceEdition), 2002, 25(1): 24-27. DOI:10.3969/j.issn.1000-582X.2002.01.007. (in Chinese)

[17]周敏,許紅升,李建權(quán),等.聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥砂漿的性能研究[J].化學(xué)建材,2006,22(2):31-35. DOI:10.3969/j.issn.1004-1672.2006.02.012. Zhou Min, Xu Hongsheng, Li Jianquan, et al. Study of properties of polypropylene fiber reinforced cement mortar [J].ChemicalMaterialsforConstruction, 2006, 22(2): 31-35. DOI:10.3969/j.issn.1004-1672.2006.02.012. (in Chinese)

[18]雷東移,郭麗萍,孫偉.原狀脫硫石膏泡沫混凝土的制備與性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2016,30(20):122-128. DOI:10.11896/j.issn.1005-023X.2016.20.026. Lei Dongyi, Guo Liping, Sun Wei. Research of preparation and performance of undisturbed desulfurization gypsum-based foamed concrete [J].MaterialsReview, 2016, 30(20): 122-128. DOI: 10.11896/j.issn.1005-023X.2016.20.026. (in Chinese)

Preparation and performance of undisturbed FGD gypsum-based polystyrene lightweight thermal insulation material

Lei Dongyi Guo Liping Sun Wei

(School of Materials Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)(Jiangsu Key Laboratory of Construction Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China)(Collaborative Innovation Center for Advanced Civil Engineering Materials, Southeast University, Nanjing 211189, China)

On the basis of the undisturbed desulfurization gypsum cementitious material system, the effects of the used raw materials on the properties of the undisturbed FGD gypsum-based polystyrene lightweight thermal insulation material were studied. Experimental results were shown as follows: the optimum volume ratio with polystyrene particles and undisturbed desulfurization gypsum cementitious material system was determined to be 82.6%, the optimum mass ratio between cellulose ether and undisturbed desulfurization gypsum cementitious material system was 0.5%, the optimum mass ratio between re-dispersible latex powder and undisturbed desulfurization gypsum cementitious material system was 0.8%, the optimum mass ratio between polypropylene fiber and undisturbed desulfurization gypsum cementitious material system was 0.2%, they were all incorporated in addition. The performances on thermal insulation materials prepared in accordance with the best mix proportion meet the relevant requirements of China standard external thermal insulating rendering systems made of mortar with mineral binder and using expanded polystyrene granule as aggregate (JG 158—2013). The study provides a new way for comprehensive utilization of solid waste undisturbed desulfurization gypsum.

desulfurization gypsum; polystyrene particles; cellulose ether; re-dispersible latex powder; polypropylene fiber; thermal insulation material

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.030

2016-07-04. 作者簡(jiǎn)介: 雷東移(1986—),男，博士生；郭麗萍(聯(lián)系人)，女，博士，副教授，博士生導(dǎo)師,guoliping691@163.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378113,51438003)、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2015CB655102).

雷東移,郭麗萍,孫偉.原狀脫硫石膏聚苯顆粒輕質(zhì)保溫材料的制備與性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(2):384-391.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.02.030.

TQl77

A

1001-0505(2017)02-0384-08