聚苯泡沫颗粒对混凝土发泡过程及其性能影响的研究

性能影响的研究

候昱灼，廖洪强，周冬冬，高宏宇，程芳琴

（山西大学资源与环境工程研究所，国家环境保护煤炭废弃物资源化高效利用技术重点实验室，

煤电污染控制及废弃物资源化利用山西省重点实验室，山西太原

030006）

摘要：研究了聚苯乙烯泡沫塑料颗粒对发泡混凝土的发泡过程和发泡体性能的影响规律。结果表明，随聚苯泡沫颗粒掺量增

加，混凝土浆体的发泡倍率和发泡速度、试块的绝干密度和抗压强度均降低。铝粉发泡是降低混凝土绝干密度和抗压强度的主要因素，掺聚苯泡沫颗粒是次要因素，二者结合可以获得较低绝干密度和较高抗压强度的粉煤灰基发泡混凝土。

关键词：泡沫混凝土；聚苯泡沫颗粒；发泡过程；绝干密度；抗压强度中图分类号：TU528.2

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2019）07-0094-04

EffectofpolystyreneparticlesonconcretefoamingprocessanditsperformanceHOUYuzhuo，LIAOHongqiang，ZHOUDongdong，GAOHongyu，CHENGFangqin

（InstituteofResourcesandEnvironmentEngineeringofShanxiUniversity，

KeyLaboratoryofCoalPollutionControlandWasteUtilizationinShanxiProvince，Taiyuan030006，China）

StateEnvironmentProtectionKeyLaboratoryofEfficientUtilizationofCoalWasteResources，

Abstract：Theeffectlawofaddingpolystyrenefoamparticlesonthefoamingprocessandfoampropertiesoffoamedconcrete

foamingspeedoftheconcreteslurry，aswellasthedrydensityandthecompressivestrengthofthespecimenarereduced.Alu原minumpowderfoamingisthemainfactorreducingthedrydensityandcompressivestrengthofconcrete.Whiletheadditionofdensityandhighercompressivestrength.

foamedplasticparticlesisasecondaryfactor，thecombinationofthetwocanobtainaconcretetestblockwithlowerabsolutedrywasstudiedexperimentally.Theresultsshowthatwiththeincreaseoftheamountoffoamedparticles，theexpansionratioand

Keywords：foamedconcrete，polystyrenefoamedparticles，foamingprocess，drydensity，compressivestrength

0引言

防火性较差而受到使用限制[1-3]。无机硅酸盐发泡材料是优质的防火保温建筑材料，受到广泛关注，但是现有无机轻质保温材料还存在强度较低、密度较大、导热系数较高，保温性能较差等缺点，具有防火阻燃功能的高强度、低密度、低导热系数的保温材料成为发展趋势[4-6]。聚苯乙烯泡沫在有机发泡材料与无机发泡材料协同制备复合保温材料中的应用十分广泛，可满足建筑保温材料防火性和保温性的要求[7-12]。本文参照粉煤灰加气混凝土砌块的生产原料配方及工艺，以粉煤灰和生石灰为主要原料，掺一定量的聚苯乙烯泡沫塑料颗粒（以下简称聚苯颗粒），搅拌制浆发泡并养护固化成型，制得超轻质发泡混凝土。考察了聚苯颗粒对浆体发泡过程、发泡体密度和抗压强度的影响规律，以期为制备超轻发泡混凝土制品提供基础数据。建筑保温是建筑节能的重要途径，建筑保温材料不仅要求具有良好的防火性能，且还要具有密度小、强度高、导热系数低、防水性好等特点。目前，常用的建筑用有机保温材料因基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0703104）；

山西省煤基重点科技攻关项目（MC2014-06）；山西省科技重大专项（MC2016-03）

收稿日期：2019-01-17；修订日期2019-06-22

作者简介：候昱灼，女，1994年生，山西永济人，硕士研究生。E-mail：yuzhuo_h@163.com。通讯作者：廖洪强，博士，教授，地址：太原市坞城路92号，E-mail：liaohq@sxu.edu.cn。

·94·新型建筑材料圆园19援7

候昱灼袁等院聚苯泡沫颗粒对混凝土发泡过程及其性能影响的研究

1

1.1

试

水泥：原材料

验

普通硅酸盐水泥；粉煤灰、脱硫石膏与生石灰：均取自于山西太钢集团，粉煤灰D生石灰D50沫厂，粒径50=381耀2滋mmm，其，堆化积学密成度分=30见表滋13kg/m1m；，聚苯脱硫3，真颗粒石膏密度：23.52来自D50=35万kg/m发滋m泡，3，熔化温度为80益[13]。表1

3种原料的化学组成

%

项目SiO2

Al2O3CaOFe2O3TiO2MgOSO3其他粉煤灰

49.1343.902.161.430.86

0.620.611.29脱硫石膏1.541.2543.460.390.2253.040.10生石灰

9.79

7.53

69.69

1.08

0.439.18

1.85

0.45

1.2

试验发泡利混凝土的用分析天平制分备

别称取粉煤灰223.77g，生石灰73.77聚苯颗粒g和置脱于硫烧石杯膏中2.46，然g放后于量取500150mlml烧杯自来水中，再倒称入取烧一定杯中量，置于分散机中搅拌制浆，搅拌速度为1500r/min，搅拌时间为5s筒；min然中后；向，并将在烧烧线杯杯记录中中的发迅速量筒泡加中料入料浆1.5位迅的速g铝变化过倒粉入在发泡程。发水剂浴，锅再泡中持完预续搅拌30成热后好，的将量装有发泡体的量筒置于养护箱中，并在50益下养护48h[14]；然后取出装有发泡体的量筒，置于蒸压釜中进行蒸压养护，蒸压养护的条件参照工业生产加气混凝土的制备条件，设定终态温度为200益，蒸汽压力为1.4MPa，蒸压养护时间为9h；蒸压完成后，取出发泡体，分别测试其绝干密度和抗压强度。1.3

抗压性能强测度和试绝方法

干密度：参照JC/T1062—2007《泡沫混凝土砌块》进行测试。浆体平均发泡速度V定义为：发泡前后体积变化量驻V与发泡完成时间tf的比值。2

2.1

结果与讨论

考聚察苯聚苯颗粒颗粒掺量体对发积掺量泡分性能的别为0影响

、7.5%、15%、22.5%、30%和平、均37.5%发泡、速45%度（V0的、1影响、2、3，、结4、果5、如6g图）时1，、图对浆2所体示的发。泡倍率K由图1可知，随着聚苯颗粒掺量的增加，浆体发泡倍率呈降低趋势。当聚苯颗粒掺量从0增加至45%时，浆体发泡倍率从2.72降低至1.35，降幅50.4%；当继续增加聚苯颗粒掺量时，浆体流动性急剧变差，出现搅拌不匀的现象，不利于浆体与聚苯颗粒混合均匀。说明聚苯颗粒抑制了浆体的发泡，且抑制程度与聚苯颗粒掺量成正相关。图1聚苯颗粒掺量对浆体发泡倍率的影响

图2聚苯颗粒掺量对浆体平均发泡速度的影响

由图2可知，随着聚苯颗粒掺量的增加，浆体平均发泡速率呈先增大后降低趋势。浆体发泡过程同时受多种因素影响，不仅与产气量、产气速度、发泡温度等密切相关，而且还与浆体黏度、浓度、浆体组成等有关[15]，掺加聚苯颗粒对浆体发泡过程和平均发泡速度的影响机理，还有待于结合这些影响因素进行深入研究。为了探明聚苯颗粒抑制浆体发泡的原因，试验考察了在碱性溶液中铝粉产气量随聚苯颗粒掺量的变化规律。实验采用500ml三口烧瓶为产气装置，三口烧瓶内装有磁性转子，且三口烧瓶置于恒温磁力搅拌器中，三口烧瓶的出气口通过橡胶管接U形玻璃计量器，在U形玻璃计量器中注入一定量水，实现气体水封，试验装置流程如图3所示。试验过程为：先定量称取聚苯颗粒0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g，分别置于三口烧瓶中，再量取50mL浓度为0.01mol/L的NaOH溶液倒入放有聚苯颗粒的三口烧瓶中，开启恒温电磁搅拌器，将温度恒定在25益，磁力搅拌转速为30r/s。随即加入0.3g铝粉，塞紧加料口橡皮塞，在线记录U形管液面变化（液位差驻H）随时间的变化曲线，如图4所示。按式（1）计算气体吸收率r，得到聚苯颗粒掺量对气体吸收率影响的关系曲线，如图5所示。r=驻H驻0-H驻H0伊100%（1）式中：驻H0———不掺聚苯颗粒时最大液位差；晕耘宰月哉陨蕴阅陨晕郧酝粤栽耘砸陨粤蕴杂

·95·候昱灼袁等院聚苯泡沫颗粒对混凝土发泡过程及其性能影响的研究

驻H———掺聚苯颗粒时最大液位差。图3模拟浆液反应流程图4聚苯颗粒掺量对液体产气量的影响

图5聚苯颗粒掺量对气体吸收率的影响

从图4、图5可知，随着聚苯颗粒掺量的增加，U型管液位差逐渐变小，且达到最大液位差的时间几乎不变，气体吸收率几乎随聚苯颗粒掺量的增加成正比例函数线性增加，这说明掺加聚苯颗粒确实影响产气量，掺加聚苯乙烯聚苯颗粒后，导致气体吸收率降低，但对产气速度影响不大。2.22.2.1

聚苯颗粒掺量对发泡体性能的影响无机对粉绝干密料总量为度300的影响

g，加水量为150g，铝粉发泡剂掺量为0和1.5g，温度为50益，聚苯颗粒掺量分别为0、1、2、3、4g时，对应发泡体的绝干密度如图6所示。由图6可知，不掺聚苯颗粒时，发泡体与非发泡体的绝干密度分别为365kg/m3和1026kg/m3，发泡后试块的绝干密度降幅为64.4%；掺1g和4g聚苯颗粒时，非发泡体和发泡体的绝干密度分别为898、649和331、282kg/m3，试块的绝干密·96·新型建筑材料

圆园19援7

图6聚苯颗粒掺量对发泡体绝干密度的影响

度降幅为63.1%和59.4%。随聚苯颗粒掺量增加，发泡体的绝干密度较非发泡体绝干密度降幅逐渐减小，这说明聚苯颗粒的吸气作用抑制了发泡，进而减少发泡体绝干密度的降低幅度。此外，在不掺聚苯颗粒以及掺4g聚苯颗粒2种情况下，发泡体较非发泡体的绝干密度分别降低了64.4%和59.4%。上述实验结果表明，对降低混凝土绝干密度的贡献率而言，铝粉发泡的贡献率明显高于掺聚苯颗粒的贡献率，说明铝粉发泡是降低混凝土密度的主要手段，而掺聚苯颗粒则是降低其绝干密度的辅助手段，二者结合可以获得较低绝干密度的混凝土试块。实验研究表明，掺加4g聚苯颗粒时，可制得绝干密度小于300kg/m3的超轻质混凝土，其发泡体的绝干密度为282kg/m3。2.2.2

试验对抗考察压强度了聚苯颗粒的影响

对发泡试块和非发泡试块抗压强度的影响规律，实验结果如图7所示。图7

聚苯颗粒掺量对试块抗压强度的影响

由图7可知，在不掺聚苯颗粒情况下，不发泡试块和发泡试块的抗压强度分别为7.3MPa和0.5MPa，发泡试块较不发泡试块的抗压强度降幅达93.2%；在掺4g（30%）聚苯颗粒情况下，不发泡试块和发泡试块的抗压强度分别为1.5MPa和0.380.0%MPa，发泡试块较不发泡试块的抗压强度降低幅强度的。降说低，明起掺到聚苯了相对颗粒增强在一定程的作用。度上此缓外，减了发聚苯泡颗粒试块度掺量抗压为从0增加至30%时，不发泡试块的抗压强度降幅约为79.5%；而候昱灼袁等院聚苯泡沫颗粒对混凝土发泡过程及其性能影响的研究

发泡试块的抗压强度降幅为40.0%，为不发泡试块抗压强度降低幅度的50.3%。上述实验结果表明，对降低混凝土抗压强度的贡献率而言，铝粉发泡的贡献率明显高于掺聚苯颗粒的贡献率，说明铝粉发泡是降低混凝土抗压强度的主要因素，而掺聚苯颗粒则是次要因素，二者结合可以获得较高抗压强度的混凝土试块。实验研究表明，掺30%聚苯颗粒时，可制得绝干密度为282kg/m3，抗压强度为0.3MPa的混凝土试块。2.2.3

采用试块断面照相法分别获得不掺聚苯颗粒发泡体、掺孔结构分析

4g聚苯颗粒发泡体和掺4g聚苯颗粒不发泡体3个典型实验样品的断面孔结构微观形貌图，其结果如图8所示。图8典型试块的剖面对比

由图8（a）可以看出，对于未加聚苯颗粒的发泡体，试块断面的孔径大小不均匀，出现不规则的异形孔；由图8（b）可以看出，对于加入30%聚苯颗粒的发泡体，孔径大小相对均匀，孔洞整体由聚苯颗粒热熔成孔和发泡成孔混合而成；由图8（c）可以看出，对于加入30%聚苯颗粒不发泡试块，全部由聚苯颗粒热熔成孔，孔径大小相对均匀，孔洞呈球形，但孔内壁出现明显的细微孔，这可能是由于聚苯颗粒热分解产生的气孔所致。水率。参考文献：

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3结论

（1）在发泡混凝土中掺聚苯乙烯聚苯颗粒，明显降低浆体的发泡倍率和发泡速度，且整体上随聚苯颗粒掺量的增加，对浆体发泡的抑制作用越明显，其主要是因为聚苯颗粒虽不影响铝粉的产气反应和产气量，但由于聚苯颗粒具有吸气作用，从而影响了铝粉的发泡效率。（2）试块的绝干密度和抗压强度均随聚苯颗粒的增加而降低。对降低混凝土绝干密度和抗压强度的贡献率而言，铝粉发泡的贡献率明显高于掺聚苯颗粒的贡献率，说明铝粉发泡是降低混凝土绝干密度和抗压强度的主要因素，而掺聚苯颗粒则是次要因素，二者结合可以获得较低绝干密度和较高抗压强度的混凝土试块。30%体积掺量聚苯颗粒时，可制得绝干密度为282kg/m3，抗压强度为0.3MPa的粉煤灰基混凝土试块。（3）孔结构分析表明，混凝土中的聚苯颗粒在蒸压养护条件下发生了热熔分解反应，导致试块中形成球形孔洞，且球形孔洞内壁产生许多微小气孔，增加了试块的孔隙率和吸[9][8][7]

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（下转第113页）

晕耘宰月哉陨蕴阅陨晕郧酝粤栽耘砸陨粤蕴杂

·97·王治袁等院SBR在自粘聚合物改性沥青防水卷材中的应用研究

2.3

SBR与萜烯树脂复配对自粘聚合物改性沥青

提高，持粘时间延长，剥离强度提高。经实验研究表明，SBR可完全替代自粘聚合物改性沥青配方中的萜烯树脂，在不影响其耐热性的前提下，不但可提高其低温柔性，而且可显著提高其持粘性和剥离强度，进而改善卷材的粘结性能。性能的影响对比

通过以上试验研究，综合考虑改性效果和生产成本，SBR和萜烯树脂的掺量均以8%为宜。然后按照1.3用4%SBR和4%萜烯树脂复配制备自粘聚合物改性沥青，研究其对软化点、低温柔性、持粘性、剥离强度的影响，并与8%SBR、8%萜烯树脂改性结果进行对比，结果如表3所示。表3

SBR与萜烯树脂复配对自粘聚合物

改性沥青性能的影响

项

目

8%SBR92.3-32.32491.261.78

4%SBR+4%萜烯树脂95.1-30.22521.161.54

8%萜烯树脂98.5-26.52531.111.42

标准要求--30逸15逸1.0逸1.5

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软化点/益低温柔性（无裂纹）/益

持粘性/min剥离强度卷材与卷材

（/N/mm）卷材与铝板

从表3可以看出：在自粘聚合物改性沥青配方中萜烯树脂和SBR掺量均为沥青质量的8%时，萜烯树脂与SBR相比，萜烯树脂只是在提高自粘聚合物改性沥青的软化点这一方面上优于SBR，其余方面（低温柔性、剥离强度）的改性效果都不如SBR，特别是在提高自粘聚合物改性沥青的低温柔性和卷材与铝板的剥离强度上与SBR相差甚远，表明SBR改性效果优于萜烯树脂。实验证明了SBR替换萜烯树脂在自粘聚合物改性沥青防水卷材中应用的可行性。3结论

随着SBR掺量的增加，自粘聚合物改性沥青的低温柔性蒉

（上接第97页）

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蒉

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