早強劑對EPS勻質改性保溫板性能的影響

王曉海,詹奇淇,章家海,陳 慧,付生泰,詹炳根

(1.安徽建工檢測科技集團有限公司,合肥 230031;2.合肥工業大學土木與水利工程學院,合肥 230009)

泡沫混凝土混摻聚苯顆粒制成的EPS勻質改性保溫板(以下簡稱“保溫板”)具有輕質、隔熱、防水和防火等優質性能[1],目前大規模應用于外墻外保溫系統,響應了國家綠色節能政策。但EPS保溫板存在早期強度低、韌性差等缺陷易造成保溫系統施工安裝過程中保溫板彎曲斷裂以及安裝后外墻保溫板脫落等問題,引起非必要的安全事故,進一步限制了保溫板的推廣應用[2]。

此外,目前對EPS保溫板的研究主要集中于通過改變容重或者提高纖維摻量的方式優化保溫板的力學性能,而對于外摻硫酸鹽類早強劑提高泡沫混凝土早期強度的研究較少。另一方面,現有研究對保溫板和泡沫混凝土的韌性評價均參照普通混凝土的韌性評價標準[3],雖然能得出一定的規律,但普通混凝土計算出的韌性指數遠高于具有輕質多孔特性的保溫板材料,造成輕質材料計算所得韌性值在此評價體系里偏小、變化規律不顯著,性能的變化無法得到顯著的體現。因此論文考慮引入斷裂能參數[4],通過計算受彎過程中的荷載-撓度曲線全面積評價早強改性劑外摻對EPS保溫板抗彎折性能的影響規律。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥選用安徽省潤基水泥有限責任公司PO 52.5水泥;EPS聚苯顆粒由安慶凱瑞建材有限公司提供,表觀密度為7.4 g/L,堆積密度為11.1 g/L;早強改性劑為自制硫酸鹽類外加劑;發泡劑為實驗室自制蛋白類發泡劑,稀釋倍數10倍,發泡倍數20倍;拌合用水為實驗室自來水。

1.2 試驗方案及配合比

論文主要研究的是早強改性劑在不同摻量下對保溫板容重、強度以及彎曲韌性的影響,因此配比中僅改變早強改性劑的外摻量,外摻量分別為水泥質量的0、0.2%、0.5%、0.8%、1.1%和1.4%,試驗配合比見表1。

1.3 試件制作

1)先將水泥和早強改性劑等粉料干拌混勻1 min,隨后加水拌制2 min;2)待水泥漿攪拌均勻后立即使用空氣壓縮型發泡機發泡,發泡后將試驗所需體積的泡沫加入水泥漿中攪拌1 min,測定泡沫密度;3)將EPS顆粒均勻撒入泡沫水泥漿內攪拌1 min,拌勻后測定漿料的濕密度;4)入模(300 mm×300 mm×30 mm)并用薄膜覆蓋試件表面,靜置24 h以內并根據試件硬化狀態進行拆模,拆模后試件置于恒溫恒濕箱中分別養護7 d和28 d。

1.4 試件測試方法

密度、抗壓強度、抗拉強度和彎曲強度試驗方法參照《無機硬質絕熱制品試驗方法》GB/T 5486—2008[5],垂直于板面的抗拉強度試驗方法參照《外墻外保溫工程技術標準》JGJ144—2019[6]。

2 結果與分析

2.1 早強改性劑對泡沫混凝土容重的影響

由圖1分析可得,相較于空白組,早強改性劑增加了保溫板的干密度,不同摻量早強改性劑試驗組較空白組干密度平均提高8.3%。在試驗過程中發現,隨著早強改性劑摻量提高,泡沫水泥漿體流動性隨之減小,當早強改性劑的摻量提高至1.1%時,EPS顆粒和泡沫水泥漿體復合體系的粘聚性提高,開始出現入模成型困難的現象。觀感上主要表現為EPS顆粒間的泡沫水泥漿體填充不密實,漿體無法有效包裹EPS顆粒外表面,成型后的試件內部顆粒間充滿空隙(見圖2);空隙間的泡沫水泥漿體消泡較為嚴重,實測保溫板密度相應提高。當早強改性劑用量小于1.1%時,加入EPS后混合料和易性較好,攪拌制得的保溫板體積較1.1%以上外摻量試件的體積大;入模后,EPS顆粒之間的空隙被泡沫水泥漿體填充密實,密度相應小一些。從整體看,早強改性劑的外摻提高了保溫板的干密度。

2.2 早強改性劑對保溫板早期抗壓強度的影響

試驗過程中發現,外摻早強改性劑可顯著提高泡沫水泥漿體入模后的硬化速率,保溫板拆模時間得以控制在在18 h以內(空白組拆模時間在24 h以上),成品保溫板出廠前的存放時間顯著縮短。由圖3分析可得,早強改性劑對保溫板早期抗壓強度的優化主要體現在7 d抗壓強度上,7～28 d的抗壓強度增長幅度較小;當早強改性劑用量為0.2%時,保溫板抗壓強度達到峰值,7 d抗壓強度比空白對照組大33.3%,28 d的抗壓強度比空白對照組大44.4%;但當早強改性劑外摻量高于0.2%時,試件抗壓強度增長不顯著,且隨著外摻量持續提高至0.8%以上,試件橫截面上的膠凝體系面積占比減小,抗壓強度有一定的損失。綜上,適量的早強改性劑可改善保溫板的7 d和28 d抗壓強度,外摻量高于0.2%時,試件7 d后齡期的抗壓強度增長不明顯,繼續提高早強改性劑摻量,試件抗壓強度逐漸降低,但變化并不顯著。綜上,外摻早強改性劑有效提高了保溫板7 d和28 d抗壓強度,并符合《勻質改性防火保溫板建筑外保溫系統應用技術導則》DBHJ/T 015—2014[7]關于外墻用保溫板抗壓強度不低于0.3 MPa的技術要求,空白組7 d和28 d抗壓強度低于該標準技術要求。

2.3 早強改性劑對保溫板抗拉強度的影響

由圖4分析可得,早強改性劑可有效提高保溫板抗拉強度。當外摻量不高于0.5%時,抗拉強度隨摻量的提高而增加;摻量高于0.5%后,保溫板抗拉強度變化幅度并不顯著并伴有一定的降低趨勢;其中外摻量為0.5%時,保溫板7 d和28 d抗拉強度達到峰值,較空白組分別提高31.5%和40.2%;此外,保溫板28 d抗拉強度的變化規律與7 d抗拉強度一致。早強改性劑外摻量在0.2%～1.1%范圍內時,其抗拉強度均滿足《勻質改性防火保溫板建筑外保溫系統應用技術導則》DBHJ/T 015—2014關于外墻用保溫板抗拉強度不低于0.11 MPa的技術要求。

保溫板復摻的EPS顆粒強度較低,影響保溫板抗拉強度的主要因素是EPS顆粒間的硬化泡沫水泥漿料。在試驗過程中發現,摻適量早強改性劑有利于維持早期硬化過程中泡沫的穩定性,保溫板成型后EPS顆粒間的空隙由泡沫水泥漿體填充密實,保溫板受拉橫截面內可抵抗拉伸荷載的材料占比較高,垂直于板面的抗拉強度隨之提高。在攪拌過程中還發現,當不摻或過量摻用早強改性劑時,填充在EPS顆粒間的膠凝體系內部泡沫不穩定,且在硬化過程中易出現消泡現象,試件成型后的受拉截面內分布較多的有害孔隙,受拉時同一截面上受力的膠凝材料占比減小,試件受拉破壞荷載較低。圖5為保溫板斷裂面示意圖,可直觀地看出早強改性劑在0.5%和0.8%外摻量下,受拉橫截面基本都是EPS顆粒斷裂。

2.4 不同早強改性劑外摻量對EPS保溫板抗折強度及彎曲韌性的影響

由圖6分析可得,相較于早強改性劑試件,空白組試件的斷裂荷載峰值最低,僅為0.048 kN,且隨著早強改性劑外摻量的提高,保溫板彎曲試驗破壞荷載經歷了先增大后降低并穩定的過程,計算出外摻0～1.4%早強劑改性劑試件的抗折強度分別為0.21 MPa、0.34 MPa、0.37 MPa、0.33 MPa、0.33 MPa和0.33 MPa,抗折強度最大值對應的外摻量為0.5%。

同時,由試件實際破壞形態和圖6可知,保溫板受力破壞過程基本與延性破壞形式相符,即在開裂前雖有一定的塑性變形,但整體上基本接近線彈性,荷載-撓度曲線接近直線;出現微小裂縫后,曲線斜率有明顯變小的趨勢,但荷載繼續增長;達到極限荷載之后,彎曲試件底面出現大量裂紋,試件破壞,荷載急劇降低。因此,外摻早強改性劑試件受彎時相較于空白組可更好地抵抗彎曲荷載,且能在破壞前以一定的彎曲現象示警,滿足外墻外保溫系統保溫材料安全安裝和使用要求。

為進一步得到早強改性劑對保溫板彎曲韌性的影響規律,論文通過斷裂能(Gf)進行評價。斷裂能為總能量除以試件的斷裂面橫截面積,總能量為完全撓度面積之和,依據式(1)計算。

(1)

式中,W0為完全荷載-撓度曲線的面積;m為支座間試件的質量,由整個試件的質量乘以l/L計算;g為重力加速度;σ為試件徹底破壞后的變形;d為試件橫截面的高度;b為試件橫截面的寬度。

抗折強度依據式(2)計算。

(2)

式中,Pmax為最大荷載;l為支座間試件的跨度;b為試件橫截面的寬度;d為試件橫截面的高度。

由表2分析可得,通過斷裂能對保溫板彎曲韌性進行評價,早強改性劑外摻量為0.2%～1.4%時,保溫板斷裂能較空白組顯著提高,變化趨勢與不同摻量試件實際破壞形態的變化規律一致。因此通過斷裂能指標可較好地體現輕質多孔特性保溫板彎曲韌性的變化規律。其中摻量為0.5%時,保溫板斷裂能達到最大值56.21 N/m,相較于空白組提高98.6%;繼續提高摻量,保溫板斷裂能存在一定的損失。

表2 三點彎曲試驗結果(斷裂能及抗折強度)

3 結 論

a.外摻早強改性劑保溫板的干密度較空白組平均提高8.3%;摻量提高至1.1%及以上時,拌制的保溫板漿料粘聚性大、流動性差。

b.適量的早強改性劑可有效提高保溫板抗壓強度和抗拉強度,其最適宜外摻量為0.5%,最適宜摻量下7 d抗壓和抗拉強度較空白組分別提高33.3%和31.5%,其28 d抗壓和抗拉強度較空白組分別提高44.4%和40.2%;摻量提高至0.5%以上時,硬化前保溫板漿料內存在消泡現象,保溫板受壓和受拉截面上的膠凝材料占比減小,試件破壞荷載降低。

c.通過斷裂能指標評價保溫板的彎曲韌性較為適宜,早強改性劑外摻量為0.5%時,保溫板斷裂能達到最大值56.21 N/m,相較于空白組提高98.6%;繼續提高摻量,保溫板斷裂能存在一定的損失。