韩金光，李珠，王亮，贾冠华

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

膨胀珍珠岩的复合改性工艺及其对混凝土性能的影响

韩金光，李珠，王亮，贾冠华

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

采用真空吸入工艺，利用有机硅乳液（BS1042）对膨胀珍珠岩进行改性，当有机硅乳液固含量为0.3%时，膨胀珍珠岩的吸水率大幅降低，筒压强度略提高，导热系数基本不变。而后利用醋酸乙烯-乙烯共聚乳液（VAE）对膨胀珍珠岩进行二次改性，使其性能进一步改善，当VAE乳液固含量为20%时，膨胀珍珠岩的吸水率仅为10%，筒压强度387.85 kPa，导热系数为0.057 W/（m·K），综合性能明显优于未改性膨胀珍珠岩。用改性膨胀珍珠岩制备的保温混凝土导热系数和抗压强度优于未改性膨胀珍珠岩保温混凝土和玻化微珠保温混凝土。

真空吸入；复合改性；改性膨胀珍珠岩；保温混凝土

0　前言

随着对建筑节能的重视，新型建筑节能保温材料的需求越来越强烈。膨胀珍珠岩作为一种传统的建筑保温材料，有着轻质多孔、保温性能良好、价格低廉的优点。但其为开孔结构且结构表面是强极性的官能团，使其有极强的吸水性，吸水后导热系数大幅度提高，同时强度低、容易破碎。其在混凝土中应用时，优良保温性能难以体现，同时会降低混凝土强度[1]。为了克服膨胀珍珠岩的缺陷，促进其作为建筑保温材料的应用，需对其进行改性。目前对膨胀珍珠岩的改性主要有表面喷涂法或溶液浸渍法的表面憎水改性和有机乳液包膜改性[2-3]。但是这些改性方法没能在保证膨胀珍珠岩隔热性能的同时使其的改性从表面深入到孔隙内部，因而使其吸水率降低有限，且不能降低其破碎后的吸水率，实际应用中意义不大，而且不能有效提高膨胀珍珠岩的筒压强度，减少其破碎率。

本文用有机硅BS1042乳液对膨胀珍珠岩进行憎水改性，探讨真空吸入工艺使膨胀珍珠岩的改性从表面深入到孔隙内部对其性能的影响[4]。由于有机硅乳液对膨胀珍珠岩的憎水改性和VAE乳液对其的表面有机包膜改性原理不同且互不矛盾，探讨利用VAE乳液对膨胀珍珠岩进行二次改性，进一步改善其综合性能[5]。然后探讨复合改性膨胀珍珠岩对混凝土性能的影响。

1　实验

1.1原材料及仪器设备

膨胀珍珠岩：粒径0.45～3.0 mm，密度70 kg/m3，吸水率258%，筒压强度183.26 kPa，导热系数0.052 W/（m·K），信阳平桥珍珠岩厂产；有机硅乳液：WACKER BS 1042；醋酸乙烯-乙烯共聚乳液：VAE 707；玻化微珠，粒径0.5～1.5 mm，密度100 kg/m3，筒压强度210.60 kPa，导热系数0.045 W/（m·K）；P·O42.5水泥；石子，山西清徐天然碎石，粒径5～20 mm，堆积密度1630 kg/m3；砂，山西晋城某砂石厂中砂，细度模数1.6～2.2，堆积密度1500 kg/m3；硅灰：平均粒径180 nm，烧失量为1.94%，密度为450 kg/m3，比表面积为13000 m2/kg；外掺剂：自制的聚羧酸类高效减水剂。

真空泵：TW-1A型，天津华鑫仪器厂；真空桶；101A-3型恒温干燥箱；导热仪：DC-3000型，西安夏溪电子科技公司；Instron 5567型万能材料试验机；WAW-1000KN型微机控制电液伺服万能实验机；DRP-5W型导热系数测定仪。

1.2改性膨胀珍珠岩的制备及性能测试

1.2.1有机硅乳液改性膨胀珍珠岩

（1）将有机硅乳液稀释成固含量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%的稀释改性液；将干燥膨胀珍珠岩分别放到不吸水的尼龙网袋中，并分别浸入到上面的稀释改性液中，保证液面淹没膨胀珍珠岩。再将上述浸没膨胀珍珠岩的改性液放进真空桶，并抽真空40 min，使改性液吸入膨胀珍珠岩中。同时设置对照组，将浸没膨胀珍珠岩的改性液置于常压下40 min，进行改性液吸入。将膨胀珍珠岩从改性液中滤出，并称量。然后将膨胀珍珠岩样品放到恒温干燥箱中在105℃下进行干燥，直到恒重。

由于膨胀珍珠岩性能的测试标准不完善，而膨胀珍珠岩与膨胀玻化微珠属于同类轻质保温材料，故依据JCT 1042—2007《膨胀玻化微珠》测试以上每组改性膨胀珍珠岩样品的吸水率、筒压强度及导热系数。

（2）用压力机将上述改性膨胀珍珠岩样品进行同等程度的破碎，使其体积损失率均为40%，分别测试吸水率。

1.2.2VAE乳液二次复合改性膨胀珍珠岩

选取上述经最佳固含量有机硅乳液改性的膨胀珍珠岩，分别浸入到固含量为10%、20%、30%、40%、50%的VAE乳液稀释液中40 min，进行二次改性。将膨胀珍珠岩从改性液中滤出，并称量，然后放到恒温干燥箱中在105℃下进行干燥，直到恒重。

测试每组样品第2次改性干燥前吸入VAE改性液的量、最后干燥后的吸水率、筒压强度以及导热系数。

1.3改性膨胀珍珠岩混凝土的制备及性能测试

配制普通C35混凝土，并按文献[6]配制C35玻化微珠保温混凝土，然后将配方中的玻化微珠分别用未经改性的膨胀珍珠岩和经过复合改性的膨胀珍珠岩等体积替代，配制膨胀珍珠岩保温混凝土和改性膨胀珍珠岩保温混凝土。测试各种混凝土的28 d抗压强度和导热系数。

2　实验结果及讨论

2.1膨胀珍珠岩改性工艺对其性能的影响

2.1.1真空吸入工艺对有机硅乳液改性膨胀

珍珠岩性能的影响（见表1）

表1　真空吸入工艺对有机硅改性膨胀珍珠岩性能的影响

由表1可以看出：

（1）采用常压吸入法用有机硅乳液对膨胀珍珠岩进行改性时，随着乳液从0.1%增加到0.6%，膨胀珍珠岩样品的吸水率为从75%下降到43%，远远低于未改性膨胀珍珠岩的吸水率（285%）。且乳液固含量从0.1%增加到0.4%时，吸水率降低比较显著；当乳液固含量从0.4%增加到0.6%时，吸水率降低并不明显。采用真空吸入法进行膨胀珍珠岩改性时，随着固含量从0.1%增加到0.6%，膨胀珍珠岩样品的吸水率从39%下降到21%。且当乳液从0.1%增加到0.3%时，吸水率降低比较显著；当乳液固含量从0.3%增加到0.6%时，吸水率基本不变。总体来看，真空吸入改性工艺与常压吸入工艺相比，膨胀珍珠岩样品的吸水率下降约50%。

这是因为有机硅乳液BS1042通过使其中有反应活性的硅氧烷与膨胀珍珠岩表面的强极性羟基、钠、钾离子相互结合形成氢键或者化学键，从而使膨胀珍珠岩表面由强极性官能团替换为有机硅中憎水性的官能团，使膨胀珍珠岩具有憎水性，吸水率降低[7]。膨胀珍珠岩真空吸入改性法与常压吸入改性相比，有效改性成分能全面覆盖珍珠岩表面，同时更能深入到膨胀珍珠岩孔隙内部，因而使膨胀珍珠岩的憎水改性由表面深入到内部，其改性效果更好，使吸水率更低。在真空吸入情况下乳液固含量达到0.3%时，膨胀珍珠岩表面及内部孔隙表面基本被充分改性，浓度继续增大对提高改性效果、降低吸水率作用不大。

（2）在常压吸入改性时，随着乳液固含量从0.1%增大到0.5%，膨胀珍珠岩的筒压强度从192.16kPa增加到216.68 kPa。当采用真空吸入改性时，膨胀珍珠岩的筒压强度从212.52 kPa增加到240.18 kPa；且乳液从0.1%增加到0.3%时，筒压强度增加较快；改性液浓度从0.3%增加到0.6%时，筒压强度增加缓慢。总体来说，真空吸入改性工艺与常压吸入改性工艺相比，膨胀珍珠岩筒压强度提高10%左右。

这是由于乳液中活性硅氧烷与膨胀珍珠岩表面官能团形成氢键或者化学键结合，这种结合使乳液有效成分对膨胀珍珠岩孔隙壁有一定程度的支撑作用，从而提高了膨胀珍珠岩的筒压强度。膨胀珍珠岩真空吸入改性工艺与常压吸入工艺相比，可使乳液有效成分更深入膨胀珍珠岩内部微孔隙。但是当改性液的浓度达到0.3%时，这种化学结合形成的支撑作用已经比较充分，浓度的继续增大，对提高筒压强度效果不大。

（3）采用真空吸入改性工艺，用有机硅乳液对膨胀珍珠岩改性时，膨胀珍珠岩的导热系数随着乳液固含量的增大而略有增大。

（4）在体积损失同为40%时，经真空吸入工艺改性的膨胀珍珠岩随着乳液固含量从0.1%增大到0.6%，吸水率从69%降低到29%，约为常压吸入改性工艺的1/3，约为真空吸入改性工艺不破碎时吸水率的1.57倍。说明采用真空吸入工艺时，有机硅BS1042改性剂对膨胀珍珠岩的改性是由表面深入到孔隙内部的，在破碎的情况下吸水率仅比不破碎提高57%。

采用真空吸入工艺时，当有机硅乳液固含量为0.3%时，膨胀珍珠岩吸水率为22%，为不改性的膨胀珍珠岩吸水率的7.7%，同时其破碎后吸水率为32%，仅提高45%倍；其筒压强度为232.45 kPa，为不改性膨胀珍珠岩的1.27倍；且其导热系数基本不变。因而采用真空吸入改性工艺时，有机硅BS1042改性剂的最佳浓度为0.3%。

2.1.2复合改性工艺对膨胀珍珠岩性能的影响

在采用真空吸入改性工艺，以固含量0.3%的有机硅乳液对膨胀珍珠岩进行改性基础上，使用浸泡法利用VAE乳液进行表面包覆二次改性，其试验结果如表2所示。

由表2可知，先采用真空吸入工艺用固含量0.3%的有机硅乳液对膨胀珍珠岩进行憎水改性，再用固含量20%的VAE乳液对膨胀珍珠岩进行表面包覆改性，复合改性膨胀珍珠岩性能优良。其吸水率为10%，比单利用有机硅乳液采用真空吸入工艺的一步改性吸水率降低55%；其筒压强度为387.85 kPa，比一步改性时提高67%；而其导热系数为0.057W/（m·K），比一步改性时增大不多。

2.2改性膨胀珍珠岩混凝土性能分析

膨胀珍珠岩经二次改性后综合性能得到提升，按1.3的方法对其在混凝土中的应用效果进行了试验研究[8]，结果如表3所示。

表2　复合改性工艺对膨胀珍珠岩性能的影响

表3　几类混凝土性能对比分析

从表3可以看到，复合改性膨胀珍珠岩保温混凝土的导热系数为0.40 W/（m·K），仅为普通混凝土导热系数的26%，低于膨胀珍珠岩保温混凝土和玻化微珠保温混凝土，保温性能优良。因为经过复合改性后膨胀珍珠岩的吸水率远低于未改性的膨胀珍珠岩，且其筒压强度大于未改性膨胀珍珠岩，在搅拌中更不容易破碎，使其配制的混凝土导热系数低于未改性膨胀珍珠岩保温混凝土。同时复合改性膨胀珍珠岩的筒压强度为玻化微珠的1.84倍，其在制备混凝土时比玻化微珠更不容易破碎，且其破碎后的吸水率提高不多；而玻化微珠是表面玻化闭孔的，破碎后吸水率增大很多；使其配制的混凝土导热系数低于玻化微珠保温混凝土。

复合改性膨胀珍珠岩玻化微珠混凝土的抗压强度为33.6 MPa，高于膨胀珍珠岩保温混凝土和玻化微珠保温混凝土的强度。这是因为复合改性膨胀珍珠岩轻骨料本身筒压强度高于膨胀珍珠岩和玻化微珠，同时其在混凝土中实际应用时吸收率低于后两者，使在同样的水灰比下，混凝土中胶凝材料水化反应更充分，故其制备的混凝土强度更高。

总体来说，复合改性膨胀珍珠岩保温混凝土的保温性能和强度优于未改性膨胀珍珠岩保温混凝土和玻化微珠保温混凝土，综合性能良好。

3　结论

利用真空吸入改性工艺用有机硅乳液对膨胀珍珠岩进行憎水改性，再利用VAE乳液进行表面有机包覆二次改性，获得性能优良的复合改性膨胀珍珠岩。利用该膨胀珍珠岩制备的保温混凝土综合性能较好。

（1）采用真空吸入改性工艺，以有机硅乳液对膨胀珍珠岩进行憎水改性，与常压吸入改性工艺相比，使膨胀珍珠岩的改性从表面深入到孔隙内部。因而制备的改性膨胀珍珠岩与常压改性相比吸水率低、筒压强度高、破碎吸水率也降低，且改性后的膨胀珍珠岩导热系数与未改性的基本相当。当有机硅乳液固含量为0.3%时，制得改性膨胀珍珠岩的综合性能相对较好。

（2）复合改性工艺，即在有机硅BS1042对膨胀珍珠岩一步改性的基础上进行VAE乳液二次改性的方法，能进一步提高膨胀珍珠岩的综合性能。由于VAE乳液在膨胀珍珠岩表面形成的有机包膜的阻水作用、弹性抗裂作用，当其固含量为20%时，能使膨胀珍珠岩的吸水率降至10%，为未改性膨胀珍珠岩的3.5%；筒压强度为387.85 kPa，为未改性膨胀珍珠岩的2.12倍；导热系数为0.057 W/（m·K），比未改性膨胀珍珠岩增大不多，保温性能得到保证。

（3）复合改性膨胀珍珠岩制备的保温混凝土，克服了膨胀珍珠岩混凝土导热系数高、立方体抗压强度低的缺陷。其导热系数及抗压强度优于玻化微珠保温混凝土，具有优良的综合性能。

[1]杨晓华，陈传飞，杨博，等.玻化微珠与闭孔膨胀珍珠岩的性能比较[J].新型建筑材料，2009，36（4）：42-44.

[2]张训.膨胀珍珠岩与玻化微珠配制无机保温砂浆的研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[3]李淋淋，李国忠.憎水型膨胀珍珠岩保温板的制备[J].砖瓦，2015（2）：46-48.

[4]孙亮.气凝胶膨胀珍珠岩的一种制备方法及其在混凝土中的应用[D].太原：太原理工大学，2015.

[5]高芡芡.不同改性膨胀珍珠岩的制备及去除环境中有机污染物的研究[D].扬州：扬州大学，2010.

[6]张建隽，李建宇.玻化微珠保温混凝土抗压强度与导热系数试验研究[J].混凝土与水泥制品，2010（3）：60-62.

[7]孙顺杰，张琳，刘天池，等.憎水型膨胀珍珠岩制备过程中吸水率影响因素探讨[J].化学建材，2008（5）：32-33.

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Compound modification process of expanded perlite and its influence to the concrete properties

HAN Jinguang，LI Zhu，WANG Liang，JIA Guanhua
（College of Architecture and Civil Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

The method of vacuum suction was used in the process of preparing expanded perlite modified by organic silicone emulsion（BS1042）.When the mass ratio of organic silicone emulsion is 0.3%，the water absorption of expanded perlite reduces vastly，the cylinder compressive strength rises a little and thermal conductivity stays almost the same.In order to further improve the properties of expanded perlite，then VAE emulsion was used for the second modification of expanded perlite.When the mass ratio of VAE emulsion is 20%，the water absorption of expanded perlite is merely 10%，the cylinder compressive strength can reach up to 387.85 kPa and the thermal conductivity is 0.057 W/（m·K），the overall properties of it is obvious better than expanded perlite without modification.The thermal insulation concrete prepared by the compound modification expanded perlite has better thermal conductivity and compressive strength than that of expanded perlite thermal insulation concrete and glazed hollow beads thermal insulation concrete.

vacuum suction method，compound modification，modified expanded perlite，insulation concrete

TU55+1.34

A

1001-702X（2016）10-0098-04

2016-04-04

韩金光，男，1990年生，河南项城人，硕士研究生。