摻礦渣微粉輕質發泡復合硅鈣板新技術研發

鄭克勤

貴州瑞泰實業有限公司（553000）

1 研究背景

在國家大力發展裝配式建筑的形勢下，建材制品行業都逐漸轉向新型裝配式建筑材料。瑞泰公司于2015年6月竣工投產年產能200萬m2的輕質墻板生產線，主要生產聚苯乙烯顆粒水泥夾心板。這種輕質墻板主要由硅酸鈣板、聚苯乙烯顆粒、粉煤灰和水泥等材料復合而成，兩面面層采用硅酸鈣板（厚度5mm），墻板中間部分采用以粉煤灰包裹聚苯乙烯塑料顆粒填充，以普通硅酸鹽水泥為結合劑，形成的墻體容重遠低于其他墻材。經相關造價專家核算，采用此墻板，一次結構（基礎及框架結構）的造價可節省約10%，墻體總造價可節省約5%，而且墻體厚度從260mm降低到100mm，住房可增加套內面積5%～8%。與眾多板材比較，該墻板性價比最高，是配合裝配式建筑的理想內隔墻墻材，可以達到節能減排、清潔施工和降低造價的目的。2017年，建設單位、施工單位等用戶對該墻板提出了改進意見，認為容重偏大，且直接在該墻板進行刮瓷粉時，接縫處易出現微裂紋。為了進一步提升競爭優勢，瑞泰公司決定通過科技攻關，提高產品性能。

2 基礎試驗研究成果

2.1 試驗原料

水泥:425級普通硅酸鹽水泥。

硅酸鈣板:硅酸鈣板（不含石棉）具有強度高、漲濕率小、導熱系數低、防火性能好等優點。特別適用于復合墻體的墻面內、外面板，還可以當作吊頂板，是一種很有發展前景的建筑用薄材板[1]。本試驗選用的硅酸鈣板規格為2440mm×610mm×5mm。具體物理性能指標:橫向抗折強度≥20MPa，縱向抗折強度≥15MPa，濕脹率≤0.1%，導熱系數0.193 W/(m·K)。

礦渣微粉:本次試驗選用的是S95級礦渣微粉，比表面積460m2/kg。主要化學成分為CaO42.83%、SiO234.69%、Al2O313.04%、MgO7.92%。

聚苯顆粒:該材料是由可發性聚苯乙烯樹脂珠粒為基礎原料膨脹發泡制成的。聚苯顆粒是聚苯顆粒保溫砂漿的主要骨料，在復合硅鈣墻板中主要用來降低芯體容量，增加復合硅鈣墻板的保溫功能[2]。顆粒直徑5～8mm，松散容重12～14g/L。

發泡劑:本試驗選用的液體物理發泡劑，pH值6～8，密度950～1150kg/m3，發泡倍數≥20倍，1h沉降距≤70mm，1h泌水率≤70%。

添加劑:主要作用是提高芯體早期強度，調節混合料的工作性，保證芯體混合料與面板形成一個整體，無面板脫落、空鼓等不正常現象。

2.2 試驗研究成果

如表1所示配比，參照成組立模工藝進行成型，規定試件的尺寸為610mm×600mm×90mm。2h后拆模，自然養護14d，進行抗壓試件及收縮試件的切割，28d齡期后進行抗壓強度檢測和收縮值測試。試驗配具體配比及結果見表1。

2.2.1 聚苯顆粒添加量對復合硅酸鈣板抗壓強度的影響

表1的試驗方案中，試驗8、9、10、5、11、12分別對應序號1、2、3、4、5、6，具體考察聚苯顆粒添加量對抗壓墻板性能的影響。由圖1可知，5號硅酸鈣板抗壓強度較其他板性能更優。從聚苯顆粒添加量方面分析，隨著聚苯顆粒添加量的增加，復合硅酸板的抗壓性能先提高后降低，板中聚苯顆粒最佳添加量是6.2%，抗壓強度可達3.79MPa。

圖1 聚苯顆粒添加量與抗壓強度的關系

表1 試驗配比及結果

2.2.2 礦渣微粉摻入比例對復合硅鈣墻板物理性能的影響

表1中試驗1、2、3、4、5、6、7是考察不同礦渣微粉摻雜比例對試件性能的影響。從作用機理方面來看，礦渣對試件的性能具有雙重作用。在芯體材料中摻入礦渣，一方面可以使細顆粒更趨密實，同時可與水泥的水化產物Ca（OH）2發生反應，從而降低混合料系統中Ca（OH）2的濃度，減小Ca（OH）2晶體尺寸，改善芯體輕質混凝土的微觀結構，降低孔隙率，強化各部分之間的界面黏結力。另一方面，礦渣微粉還可以進一步促進水泥水化，未反應的礦渣微粉及水泥顆粒作為系統中的細填料，填充粗集填料間隙，會對水化產物起到分散作用、均布作用，提高混合料的密實性，從而提高強度，降低收縮，增加體積穩定性。

2.2.3 發泡劑摻入比例對復合硅鈣墻板物理性能的影響

由試驗13、14、5、15、16對應序號1、2、3、4、5得到發泡劑對面密度、抗壓強度、干燥收縮值的關系圖，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 面密度與發泡劑摻入比例關系

圖4 收縮值與發泡劑摻入比例關系

復合硅鈣墻板摻入發泡劑后，可引入無數0.1～1mm連續、均勻、密閉的微小氣泡，使硬化體形成輕質多孔結構，減小復合硅鈣板的面密度和自重，降低導熱系數，提高保溫隔熱性能。隨著發泡劑摻量的增加，復合墻板面密度逐漸減小。但是繼續增大發泡劑的摻量，減小幅度逐漸趨緩，表明發泡劑摻量達到一定范圍后對密度的影響開始變小。發泡劑對硬化體導熱系數的影響同它對面密度的影響趨勢是一致的。

發泡劑摻入比例增加抗壓強度逐漸減小。抗壓強度和發泡劑摻隨著發泡劑摻量的增加，干燥值也增大。根據發泡劑摻量對面密度、抗壓強度和收縮值的影響，最終選定發泡劑添加量為1%。

綜上，經過大量試驗，不斷優化數據，最終得到了性能佳、環境友好的摻雜礦渣微粉輕質發泡復合硅鈣墻板。具體配比見表2。

表2 原料最佳配比

3 工藝流程優化

蒸汽養護的時間，同樣影響復合硅鈣墻板的抗壓強度。試驗發現，隨著蒸汽養護時間的延長，抗壓強度也隨之增長，具體見表3。

表3 養護時間對抗壓強度的影響

硅酸鈣板的抗折強度隨著蒸養時間增大而增大，蒸養12h后硅酸鈣板的抗折強度達到最大且趨于平衡，具體如圖5所示。為了進一步探討硅酸鈣板的水化歷程，做了進一步分析，為蒸養4h硅酸鈣板的顯微圖，可見該時間下硅酸鈣板中只有少量的C-S-H凝膠，大部分原料未得到充分水化。蒸養6h后，原料基本上水化，硅酸鈣板中產生了大量的C-S-H凝膠，此時硅酸鈣板的強度得到提升。蒸壓8h后，硅酸鈣板中除了C-S-H凝膠外，還生成了一些片狀托貝莫來石，強度進一步提升。蒸養12h后硅酸鈣板中生成了密集的針狀硬硅鈣石。

圖5 蒸汽養護時間與抗壓強度關系

蒸養初期:水泥和高爐礦渣中硅酸二鈣和硅酸三鈣發生水化，生成C-S-H凝膠和氫氧化鈣，使水化產物具有初期強度。

蒸養中期:初期生成的氫氧化鈣起到堿激發作用，激發粉煤灰中的石英等礦物進一步水化。部分C-S-H凝膠發生晶化生成托貝莫來石。此外，高爐礦渣中的鋁酸三鈣和脫硫石膏反應生成了鈣礬石，硅酸鈣板的強度得到進一步提升。

對于復合硅鈣墻板的養護來說，首先要控制養護溫度。一般需要在室溫的環境下保證混凝土中的水泥得到充分的水化，并且保證水化的速度。其次要控制養護的時間和養護濕度。由于復合硅鈣墻板內部具有較多的空隙，在毛細吸水之后水化的過程中會存在返水的現象，這種作用被稱為微泵作用。微泵作用可以在復合硅鈣墻板中發揮自真空、自密實、自養護的作用。正是由于復合硬硅鈣石的上述特點，一般都將復合硬硅鈣石蒸養成型之后進行自然養護。

通過以上基礎試驗研究，優化了聚苯顆粒添加量、水泥摻入比例、礦渣微粉摻量、發泡劑摻量及養護時間等原料和工藝條件對復合硅酸鈣墻板容重、抗壓強度及收縮率等物理性能的影響。在本試驗條件下，適宜的聚苯顆粒添加量為6.3%，水泥摻量為18.5%、礦渣微粉摻量56.5%、發泡劑摻量為1%，蒸汽養護時間12h。在此試驗條件下，復合硅酸鈣墻板面密度60kg/m2、抗壓強度為3.7MPa、收縮率為0.38mm/m。

4 新技術產業化研究成果

針對現有產品容重偏大、干燥易收縮和接縫處易出現微裂紋的技術瓶頸問題，在原有使用粉煤灰和水泥包裹聚苯乙烯顆粒（以下簡稱EPS）以強化復合硅鈣墻板的耐火性能和體積穩定性基礎上，選用CaO-SiO2系的礦渣微粉，填充粉煤灰、水泥物料的孔隙，使EPS在環境溫度升高時，不至于產生收縮。礦渣微粉替代部分水泥，可降低水化熱，減少墻材的干燥收縮率。加入部分與礦渣微粉同材質的多孔狀水渣，在基質中引入氣孔，達到降低墻材容重的目的。

在適宜的礦渣微粉摻量56.6%條件下，產業化試驗制得產品的各項物理性能均達到GB23451—2009《建筑用輕質隔墻條板》規定的要求。經檢測，產品的抗彎承載大于2.5（規范要求大于等于1.5），抗壓強度為3.9MPa（規范要求大于等于3.5），干燥收縮率為0.40mm/m（規范要求小于等于0.6mm/m），面密度達到67kg/m2(規范要求小于等于85kg/m2），含水率為4.1%（規范要求小于等于12%）。經過研究，要制備主要性能本質化突出的新產品，礦渣微粉對包裹EPS顆粒的密實度作用機理和替代水泥降低水化熱的反應機理是關鍵，礦渣微粉與水泥的預混、礦渣微粉總體加入量的控制、加料順序是在聚苯乙烯顆粒水泥夾芯板中摻礦渣微粉新工藝的要點。其主要化學成分為SiO2、Al2O3和CaO，這些組分均具有很高的活性。反應活性分為固有活性和誘增活性，將其作為摻和料摻入水泥中可以達到摻雜單一礦物外加劑所不能及的增強效果。活性組分即可與水泥中C3S和C2S水化產生的Ca（OH）2反應，進一步生成水化硅酸鈣產物，填充于復合硅鈣墻板空隙中，大幅度提高其致密度，同時，將強度較低的Ca（OH）2晶體轉化為強度較高的水化硅酸鈣凝膠，從而改善復合硅鈣墻板的一系列性能。

復雜原料體系中的氣孔生成新工藝。輕質復合硅鈣墻板是在兩塊硅酸鈣面板之間填充以EPS顆粒為主（體積比最大）的混合物。EPS顆粒之間的CaO-Al2O3-SiO2的密實度與整個填充料（夾芯料）的結構強度有很大的相關性，在此CaO-Al2O3-SiO2系基質中引入氣孔。氣孔率高了，結構強度達不到要求。氣孔率低了，對最終制品的面密度的影響不明顯。氣孔的引入方式也很重要，在基質初凝時，就要形成穩定氣孔，如基質初凝后，氣孔繼續膨脹或萎縮，將二次破壞基質結構。經過研究，最終確定了液體發泡劑的物理發泡方式和基質中15%左右的氣孔率。

粉煤灰、水渣、礦渣微粉有不同的活性，且有不同的容重，在加入攪拌設備時有不同的流體特性。EPS顆粒與以上物料充分均勻混合，更增加了難度，在反復研究各種物料進入攪拌設備時的初始運動特征、物料相互作用機理、有水作用下的流體特性、形成均勻穩定漿體所需的流體形態，結合裝備制造的成熟技術，最終研究成功了適用于容重、活性、粉體極端各向異性的專用強制攪拌設備。