刘剑平，葛晓伟，刘朋，王禹升，刘栋，宋鸽

（沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870）

0 引言

目前，我国存在大量的工业废弃物，综合利用率低，且堆存处理占用了大量的耕地，对土地资源和水资源造成了严重的污染[1-4]。脱硫石膏是一种工业固废，其成分与天然石膏大致相似[5]。利用脱硫石膏与其他固废制备复合胶凝材料，不仅能够实现工业固废的资源化利用，还可以作为一种绿色新型胶凝材料，部分取代传统硅酸盐水泥等胶凝材料，减少对环境污染和能源损耗[6-7]。

此外，建筑行业面临着提高能源利用效率和减少污染的挑战[8-9]，我国大多数城市已经明令禁止烧制和使用实心黏土砖，取而代之的是各种绿色、低碳、节能的新型墙体材料[10-11]。大掺量利用固废制备聚苯颗粒轻质墙体材料，有利于建筑节能和可持续发展。

国内外大量学者利用不同材料制备聚苯颗粒墙体材料，梁倚[12]利用再生细骨料及聚苯颗粒制备空心砌块，对其块体密度、含水率、空心率、抗压强度、保温隔热性能等规律进行了研究。胡国峰[13]以硅酸盐水泥为主要胶凝材料，硫铝酸盐水泥、硅灰、粉煤灰为改性材料，掺加再生EPS颗粒，制备高比强EPS混凝土并对其性能进行优化研究。周灿灿[14]利用水泥、磷石膏、矿渣和粉煤灰作为胶凝料，加入秸秆、膨胀珍珠岩、聚苯颗粒制备轻质保温墙体材料。蔡丽朋[15]以再生聚苯颗粒、水泥、增黏剂为主要原料生产夹芯混凝土保温砌块，并对其性能进行分析。李红飞[16]以石膏和水泥为胶凝材料，钢渣和矿渣为骨料，并掺入聚苯颗粒、棉秆碎料进行复合，研制出了不同强度等级的复合自保温空心砌块，并测试其物理力学性能。为了增加固废用量以及提高墙体材料性能，本文在固废材料替代部分水泥的基础上，研究聚苯颗粒、纤维素醚、乳胶粉、聚乙烯醇溶液对墙体材料性能的影响，分析作用机理，确定了轻质保温墙体材料的优化配合比，制备出具有轻质、保温、施工简便等特点的新型墙体材料。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，大连小野田水泥有限公司；脱硫石膏：辽宁鑫美嘉建筑装饰材料有限公司，呈淡黄色，其化学成分见表1；粉煤灰：Ⅰ级，亚泰集团沈阳建材有限公司，其化学成分见表1；铁尾矿：辽宁本溪歪头山提供，采集后在实验室经过烘干，其化学成分见表1，特征粒径见表2，粒径分布见图1；矿渣：辽宁鞍山钢铁集团，过筛后勃式比表面积法测得其比表面积为422m2/kg，密度为2.86g/cm3，其化学成分见表1；聚苯颗粒：沈阳市智联建材有限公司，粒径3～5mm，堆积密度8～21kg/m3；NaOH：天津化工三厂有限公司；纤维素醚：白色水溶性固体粉末，上海臣启化工科技公司；可再分散乳胶粉：白色粉末，上海臣启化工科技公司；聚乙烯醇溶液：自制，浓度5%；聚羧酸减水剂：减水率约25%，白色粉末，上海臣启化工科技公司。

表1 原材料的主要化学成分 %

表2 铁尾矿的特征粒径 μm

图1 铁尾矿的粒径分布

1.2 制备方法

该试验胶凝材料体系由水泥与碱激发胶凝材料组成：水泥20%、脱硫石膏40%、粉煤灰24%、矿渣6%、铁尾矿10%、NaOH 1.6%。将原料按配合比均匀混合，充分搅拌，将料浆快速浇筑到待测试样模具内，轻微震动模具20～30次后抹平，自然成型，脱模后标养28 d，测试试样抗压强度、绝干密度、吸水率、软化系数及导热系数，并进行机理分析。

2 试验结果与讨论

2.1 聚苯颗粒掺量对轻质保温墙体性能的影响

聚苯颗粒具有导热系数低、保温效果好、表观密度低、表面憎水性好等特点，作为保温骨料掺入墙体材料中，可以降低墙体材料的密度，提高保温、隔热等性能[17]。胶凝材料体系配比不变，控制纤维素醚、乳胶粉、聚乙烯醇溶液和减水剂掺量（按占胶凝材料质量计）为0.4%、0.4%、1.0%、0.5%，水胶比为0.5，改变聚苯颗粒体积掺量及胶凝材料用量，配合比见表3。聚苯颗粒掺量对试样性能的影响如图2所示。

表3 聚苯颗粒轻质保温墙体配合比

由图2可知：

（1）随着聚苯颗粒掺量增加，抗压强度逐渐降低，当掺量为94%时，试样的抗压强度为1.46 MPa，符合JG/T 266—2011《泡沫混凝土》C1强度等级的要求。这是因为聚苯颗粒无法提供强度支撑，同时也会使试样空隙率增大，导致强度下降。随其掺量增加，需要浆体浸润的聚苯颗粒也随之增多，但由于浆料减少，内部结构的密实度及粘结力变小，以致试样的骨架支撑效果不理想，强度逐渐降低。

（2）随着聚苯颗粒掺量的增加，墙体材料的绝干密度逐渐降低，当掺量为94%时，试样的绝干密度为560 kg/m3，符合JG/T 266—2011中A06级的要求。这是因为聚苯颗粒相对于胶凝材料密度较小，随其掺量增加，在试样中填充体积也随之增加，浆料相对减少，以致绝干密度逐渐降低。

图2 聚苯颗粒掺量对墙体材料性能的影响

（3）随着聚苯颗粒掺量的增加，热阻不断增大，导热系数减小，当聚苯颗粒掺量为94%时，试样的导热系数为0.132W/（m·K），符合JG/T 266—2011中A06级的要求。这是因为聚苯颗粒相对于胶凝材料导热系数较低，随着掺量增加，试样内部形成许多封闭的孔洞，热阻较大，以致导热系数下降。

（4）随着聚苯颗粒掺量增加，软化系数逐渐增大，吸水率逐渐减小，当掺量为94%时，软化系数为95%、吸水率为17%，符合JG/T266—2011中W15级的要求。这是因为聚苯颗粒内部含有很多的密闭小气孔，表面为强憎水性，随着掺量增加，减少了水分对试样内部结构的密实度及界面过渡区的不利影响，保护试件不受水分浸蚀，避免结构破坏从而保证了强度，以致软化系数逐渐增大，吸水率逐渐减小。

2.2 纤维素醚掺量对轻质保温墙体性能的影响

纤维素醚是一种水溶性物质，能够明显改善试样的保水性、和易性等性能，具有一定自养护的能力，可以在凝结硬化过程中不断释放自由水，使胶凝材料和聚苯颗粒的连结均匀密实，形成连续的体系[18]。控制聚苯颗粒体积掺量为94%、胶凝材料用量为540 g，水胶比0.5，减水剂掺量0.5%，探究纤维素醚掺量对试样性能的影响，结果如表4所示。

表4 纤维素醚掺量对墙体材料性能的影响

由表4可知：

（1）随着纤维素醚掺量增加，试样的抗压强度逐渐降低，当掺量为0.4%时，抗压强度为1.450 MPa。这是因为纤维素醚在搅拌过程中不断引入气泡，导致基体的孔隙率提高，使试样凝结硬化后的内部出现大量的孔洞，以致试样的骨架支撑相对减弱。当试块受压时，由于柔性聚合物和孔洞导致结构的密实度下降，无法提供刚性支撑作用替代胶凝材料，一定程度上削弱了复合基体[19]，导致强度逐渐降低。

（2）随着纤维素醚掺量增加，试样的干密度逐渐降低，当掺量为0.4%时，干密度为583 kg/m3。这是因为纤维素醚的引气作用，引入了大量均匀细小的气泡，增大了浆体的稠度，使其更好地分散，减少拌合物泌水离析的发生。此外，纤维素醚还具有保水作用，试样凝结硬化时，自由水不断蒸发挥散，在材料内部形成细小孔洞，导致试样的干密度逐渐降低。

（3）随着纤维素醚掺量增加，试样的导热系数逐渐降低，当掺量为0.4%时，导热系数为0.134 W/（m·K）。这是因为纤维素醚发挥了引气与保水作用，随着掺量增加，纤维素醚在拌合过程中吸引了大量均匀细小气泡，搅拌用水量也随之增多，试样在凝结硬化后出现大量的孔洞。由于气体的导热系数低于基体的导热系数，使试样的导热系数逐渐降低。

（4）随着纤维素醚掺量增加，吸水能力逐渐上升，软化系数呈下降趋势，当掺量为0.4%时，试样的吸水率为17.53%，软化系数为92.00%。这是因为纤维素醚自身具有引气作用，在拌合过程中不断吸入均匀细小的气泡，导致试样孔隙率增大，从而吸水率有所上升[20]。同时，纤维素醚在水中具有一定的溶解性，一旦浸入水中后，会迅速从聚合物膜中溶解，破坏薄膜的整体结构，造成试件浸泡在水中后的强度大幅下降[21]，导致试样的软化系数降低。

此外，纤维素醚还会影响浆料的水化反应，具体表现为延缓凝结时间，延迟浆体系统的硬化过程。这主要是由于纤维素醚在水化反应时对各种矿物相的吸附，主要是通过一系列的水化产物如C-S-H凝胶、Ca（OH）2等被吸附，对熟料中的原生矿物相则很少发生吸附。同时随着孔溶液的黏度持续增大，Ca2+、SO42-离子在孔溶液中的活性降低，从而减缓了水化反应[22]。

2.3 可再分散乳胶粉掺量对轻质保温墙体性能的影响

可再分散乳胶粉的分子链由亲水性和憎水性2种性质的分子结构组成，通过对聚苯颗粒表面进行定向吸附，使其具有亲水性，有利于胶凝材料浆液更好的浸润，不会产生分层悬浮的现象[23]。同时，可再分散乳胶粉能够改善样品的抗裂性、粘结性、抗折强度、冲击性和耐磨性等性能，增强了保水能力，具有较好的施工性[24]。这是由于可再分散乳胶粉能形成一层具有气孔的聚合物膜，气孔的表面填满了浆液，由聚合物形成的薄膜能够改善水化反应形成刚性框架的弹性和延展性，减少应力的集中，并在外力的作用下产生松弛而不会发生断裂[25]。控制聚苯颗粒体积掺量为94%、胶凝材料用量为540 g，水胶比0.5，纤维素醚、减水剂掺量分别为0.4%、0.5%，探究乳胶粉掺量对试样性能的影响，结果见表5。

表5 乳胶粉掺量对墙体材料性能的影响

由表5可知：

（1）随着乳胶粉掺量增加，试样的抗压强度、绝干密度、导热系数都逐渐降低，当掺量为0.4%时，抗压强度为1.422MPa、绝干密度为570 kg/m3、导热系数为0.133 W/（m·K）。这是因为乳胶粉在拌合过程中形成聚合物网络会隔断无机胶凝网络，阻止其水化，此时聚合物网络的粘结强度较胶凝组分低。同时乳胶粉具有引气的功能，在分散时其表面活性分子会从外部引入细小气泡，试样在凝结硬化后会出现部分孔隙，导致了试样的抗压强度、干密度下降。此外，由于空气相对于胶凝材料和聚苯颗粒的热传导能力较小，当乳胶粉掺量增加时，气泡含量不断增大，从而使试样的导热系数逐渐下降。

（2）随着乳胶粉掺量增加，吸水率逐渐减小，软化系数逐渐增大，当掺量为0.4%时，试样的吸水率为17.36%，软化系数为92.85%。这是因为乳胶粉的掺量增大，拌合物工作性能变好，形成的聚合物网络状薄膜可以堵塞砂浆内部孔隙，使胶凝材料组分与聚苯颗粒界面过渡区结构更加致密，内部空隙减少，减少了水分对墙体材料内部结构的密实度以及界面联结情况的影响，保护试件不受水分浸蚀破坏结构，导致吸水率逐渐降低，软化系数逐渐提高。

乳胶粉对聚苯颗粒的改性作用机理原因是：可再分散乳胶是一种具有极性基团的高分子聚合物，当乳胶粉与聚苯颗粒发生接触时，其主链上的非极性链段部分会与聚苯颗粒的非极性表面产生物理吸附反应，从而使聚苯颗粒从憎水性向亲水性转变。当与胶凝组分混合搅拌时，其表面吸附的极性基团与胶凝组分发生了交互作用，良好地紧密结合在一起，明显地改善浆体的和易性，并极大地提高了粘结力，使得聚苯颗粒在浆液中的分布均匀，没有发生上浮现象，减少了分层程度，增加了保水性[26-27]。

2.4 聚乙烯醇溶液掺量对轻质保温墙体性能的影响

聚乙烯醇（PVA）是一种含有大量活性羟基基团的高分子化合物，具备优异的水溶性、成膜性、粘结性等性能。PVA常被用于提高水泥基材料与聚苯颗粒骨料间的粘结性能，其组分中非极性的一端会定向吸附在聚苯颗粒表面，而羟基会向外伸出，从而在聚苯颗粒表面形成一层单分子吸附层[28]。控制聚苯颗粒体积掺量为94%、胶凝材料用量为540 g，水胶比为0.5，纤维素醚、乳胶粉、减水剂掺量分别为0.4%、0.4%、0.5%，探究聚乙烯醇溶液掺量对试样性能的影响，结果见表6。

表6 聚乙烯醇溶液掺量对墙体材料性能的影响

由表6可知，随着聚乙烯醇掺量增加，抗压强度先提高后降低，绝干密度、导热系数均逐渐降低，当掺量为1.0%时，试样的抗压强度为1.46 MPa、绝干密度为560 kg/m3、导热系数为0.132W/（m·K）。这是因为聚乙烯醇在料浆中除了改善了聚苯颗粒与胶凝组分之间的界面性质，提高界面粘结强度之外，还填充在无机料颗粒的空隙中，达到了减少内部结构孔隙率的目的，从而强度提高。当聚乙烯醇掺量过多时，会覆盖或阻断无机胶凝网络，破坏了材料的整体强度增长，甚至在微裂纹处膨胀，导致强度降低。在拌合过程中，聚乙稀醇发挥稳定气泡作用，在凝结硬化的后期，一部分气泡停留在材料内部，造成料浆硬化体内部多孔的效果，导致材料的绝干密度、导热系数降低。

2.5 轻质保温墙体样品形态

选用聚苯颗粒体积掺量94%、水泥20%、脱硫石膏40%、粉煤灰24%、矿渣6%、铁尾矿10%、NaOH 1.6%、纤维素醚0.4%、可再分散乳胶粉0.4%、聚乙烯醇溶液1.0%、减水剂0.5%，此配比中固废用量达80%，制得的轻质保温墙体抗压强度为1.46 MPa，干密度为560 kg/m3，施工和易性较好，综合性能较佳，样品形态如图3所示。

图3 轻质保温墙体样品形态

3 结论

（1）聚苯颗粒对墙体材料的构成起到了至关重要的作用，其掺量对各项性能影响效果显著，随着聚苯颗粒掺量的增加，墙体材料的绝干密度、抗压强度、导热系数、吸水率均逐渐下降，软化系数逐渐增大。

（2）纤维素醚具有引气、增稠等效果，能够改善样品的性能。随着纤维素醚掺量增加，墙体材料的干密度、抗压强度、导热系数和软化系数逐渐减小，吸水率逐渐增大。

（3）可再分散乳胶粉能够使聚苯颗粒具有亲水性，不会产生分层悬浮。同时乳胶粉能够改善样品的抗裂性、粘结性和易性等性能。随着乳胶粉掺量的增加，墙体材料的绝干密度、抗压强度、导热系数、吸水率均逐渐下降，软化系数逐渐增大。

（4）聚乙烯醇具有优异的成膜性、粘结性和乳化性，能够改善水泥基材料与聚苯颗粒骨料间的粘结。随着聚乙烯醇溶液掺量的增加，墙体材料的绝干密度、导热系数逐渐减小，抗压强度先提高后降低。

（5）考虑到实际应用情况，轻质保温墙体的优化配比为：聚苯颗粒体积掺量94%，水泥20%、脱硫石膏40%、粉煤灰24%、矿渣6%、铁尾矿10%、NaOH 1.6%、纤维素醚0.4%、可再分散乳胶粉0.4%、聚乙烯醇溶液1.0%、减水剂0.5%，此配比中固废用量达80%，按此配比制备的轻质墙体材料抗压强度为1.46 MPa，干密度为560 kg/m3，施工和易性较好，综合性能较佳。