建筑保温用掺聚丙烯纤维发泡水泥制品的力学性能

摘要：为改善包裹聚苯乙烯颗粒发泡水泥保温材料的力学性能，在基础配方工艺上额外掺加聚丙烯纤维，并分析发泡水泥保温材料采用不同掺加方式、掺加不同质量分数聚丙烯纤维后的力学性能差异。研究结果表明：聚丙烯纤维的最佳掺加方式为先掺法，纤维质量分数为0.8%时保温材料的力学性能达到最佳值；掺入最佳质量分数聚丙烯纤维后发泡水泥保温材料养护3、28 d的抗折强度分别提升至0.31、0.53 MPa,3、28 d的抗压强度分别提升至0.48、1.03 MPa。

当前各行业中能源消耗占比最大的行业依旧以建筑业、工业和交通运输业为主，而随着建筑行业规模不断扩大，建筑结构高度日益提升，能耗占比也在随之增加。目前住宅能耗总量中建筑制品的生产占比已达到20%～40%[1]，这也是目前很多国家在节能减排战略规划中不断提升建筑工程节能重要性的原因所在。建筑结构室内和外界环境之间通过建筑外围结构产生热传递，这也是引发能源消耗的关键环节所在[2]，这就对外围结构保温材料的性能提出了高要求，其除了具备优异的保温特性以避免发生热传递外，也需满足作为围护结构的力学性能要求[3]。发泡水泥是一种通过化学方式制备的水泥基轻质多孔保温材料，该类材料应用于建筑工程中能够达到保温、隔热效果，阻燃性能良好的同时也能够起到隔声效果，具有良好的节能环保特点，目前已开始应用于部分建筑保温施工实践中[4,5]。

包裹聚苯乙烯颗粒的发泡水泥制品具有异于常规材料的泡孔结构，其中填充有大量聚苯乙烯颗粒，能够在质量较小的同时获得良好的力学强度性能，并具有良好保温隔热性能。其制备过程中所用主要材料为聚苯乙烯颗粒、发泡水泥，制备简便且材料易得。但常规发泡水泥制品不仅吸水率较高，同时韧性较差也容易开裂，力学强度性能往往不够理想[6,7]，而聚丙烯纤维的掺入能够通过牵引效应大幅提升发泡材料的断裂强度，因此加入定量纤维可以提高保温浆体的抗裂强度，有效改善发泡水泥制品的力学性能。娄东等[8]设计试验分析了轻质水泥基发泡保温材料韧性的主要影响因素，并通过电子显微镜等方式观察了不同聚乙烯醇纤维条件下发泡材料的微观结构差异，结果显示，掺入适量聚乙烯醇纤维后发泡材料微观状态得到显著改善，同时材料韧性也得到有效提升。侯星等[9]依托物理发泡工艺制备水泥基轻质发泡保温材料，并探究了不同工艺条件、不同玻璃纤维掺量条件下发泡保温材料的微观孔洞结构，结果显示不同玻璃纤维掺量条件下材料微观孔洞状态存在明显差异。李静等[10]分析了聚苯乙烯颗粒经过化学发泡工艺所制备的保温材料中掺入不同聚乙烯纤维后的性能差异，并探究了超高分子质量聚乙烯纤维调节发泡材料的基本原理。

聚丙烯纤维是由聚丙烯经特殊工艺加工制备的高强度束状纤维，该类纤维材料具有良好的抗微生物特性，同时自身韧性良好、力学强度优异，非常适用于房屋外围结构材料的性能增强。本文制作了包裹聚苯乙烯颗粒的发泡水泥保温材料，并探究了聚丙烯纤维对发泡水泥轻质保温墙体材料力学性能的影响，确定了合理的纤维掺加方式和掺量，为发泡水泥轻质保温墙体材料的应用提供了一定的理论指导。

1、试验

1.1原材料

水泥：普通波特兰水泥，强度等级为42.5R级。聚苯乙烯颗粒：采购自青岛某建材公司。化学发泡剂：自制。稳泡剂：质量分数6%的聚乙烯醇溶液。聚丙烯纤维：采购自山东某化纤制品公司。

1.2保温板基础试验配方的确定

根据经验及试验确定保温板基础试验配方(以100 g水泥为基准)，具体如表1所示。为便于本次试验开展，额外加入了一定量的早强剂和CaO。其中，早强剂用于加快水泥水化反应，提高早期强度；CaO用于调节发泡水泥的密度。以该配方为依据制作保温板，抗压强度和抗折强度分别为0.46 MPa和0.24 MPa，符合标准要求的指标。  

表1基础试验配方

2、试验结果与分析

2.1纤维掺加方式

制备保温板时，根据生产中聚丙烯纤维的掺加顺序可分为先掺法和后掺法，两种方式的具体应用工艺分别如图1、2所示，两种方式制备的保温板的性能差异对比结果如表2所示。

图1先掺法  

图2后掺法

表2不同掺加方式下保温板性能对比  

由表2结果可得：采用先掺法掺入聚丙烯纤维后制得的保温板养护3 d的抗折强度和28 d的抗压强度分别为0.27 MPa和0.47 MPa，相比后掺法提高了18.52%和12.77%。这说明采用先掺法掺入聚丙烯纤维所制备的保温板具有更优异的抗压强度和抗折强度，建议试验及工程实践中采用先掺入纤维的方法。

为探究先掺法和后掺法制备的保温板之间强度差异来源，取样两种方式制备的保温材料断裂口处材料并进行微观分析，结果显示先掺法制备的保温材料中纤维分布以单根均匀分布为主，相邻纤维之间极少存在粘连等情况，究其原因在于采用先掺法制备材料时，水泥粉末和纤维材料在搅拌过程中逐渐分布均匀，打散了受静电影响而相互吸附的纤维。而采用后掺法加入纤维材料时，聚丙烯纤维分散均匀性难以得到有效保障，聚丙烯纤维自身为束状纤维，和水泥之间具有良好黏结性能，而未提前做好分散处理则会导致受水浸润作用后纤维相互粘连，发生团聚现象，限制了纤维的作用。

2.2纤维质量分数

在0～1.4%的纤维质量分数，以每0.2%为一个梯度分别掺入聚丙烯纤维并制作保温材料，测定不同组保温材料的力学性能，所得结果如图3所示。

图3保温材料的强度曲线

由图3(a)可知：保温材料养护3 d抗压强度、抗折强度在掺入一定量纤维时均随纤维质量分数的增大而逐渐提升，但当纤维质量分数提升至0.8%以上时强度反而有所降低；养护3 d抗压强度、抗折强度在纤维质量分数为0.8%时分别达到0.48 MPa和0.31 MPa。究其原因在于：纤维质量分数增大至一定程度后容易集聚成团，反而削弱了纤维的作用。因此建议使用纤维质量分数0.8%以平衡经济成本和应用性能。

由图3(b)可知，保温材料养护28 d的抗折强度、抗压强度随纤维质量分数增大的发展趋势与3 d的大致相似，当纤维质量分数为0.8%时，保温材料养护28 d的抗压强度、抗折强度分别为1.03 MPa和0.53 MPa。

3、结语

(1)对于发泡水泥轻质保温墙体材料，在掺入聚丙烯纤维进行性能改善时，采用先掺入纤维制备的保温材料具有更强的力学性能水平，其中养护3d的抗折强度和28 d的抗压强度提升幅度分别为18.52%和12.77%，推荐试验和工程实践中采用先掺加纤维的方法。

(2)为更好地改善建筑用发泡水泥保温墙体材料的力学性能，建议工程实践中采用质量分数0.8%作为聚丙烯纤维的掺量。

参考文献:

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文章来源:王臣林.建筑保温用掺聚丙烯纤维发泡水泥制品的力学性能[J].合成纤维,2024,53(06):82-84.