硅钙板-泡沫混凝土界面粘结性能研究

摘 要： 采用直接浇注成型的方式制备了硅钙板-泡沫混凝土复合墙板，对其界面粘结性能进行研究。探讨了硅钙板处理工艺和不同添加剂对复合板界面粘结性能的影响。结果表明，随着乳胶粉的掺量的增加，复合板的粘结强度增大；湿、干、干＋胶、干＋胶＋凹四种处理方式的硅钙板，其复合板粘结强度大小为干＋胶＋凹＞干＋胶＞干＞湿；硅钙板相对含水率在 0～50％时，复合板粘结强度不低于200kPa；掺入增稠剂对复合板粘结强度没有不利影响，但可以降低其塌模程度，掺入速凝剂降低了其粘结强度。 从复合板的粘结性能、泡沫混凝土浇注稳定性和生产成本综合考虑，乳胶粉掺量为1%、掺入少量增稠剂、硅钙板相对含水率为50%，可以制备出粘结强度较高、且不产生塌模的复合板。

关键词：泡沫混凝土；硅钙板；复合板；粘结强度

１　引　言

泡沫混凝土通常是用机械方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到含硅质材料(砂、粉煤灰等)、钙质材料(石灰、水泥等)、水及各种外加剂等组成的料浆中，经混合搅拌、浇筑成型、养护而成的一种内部含有大量封闭气孔的混凝土。由于泡沫混凝土具有优良的防火、保温隔热及轻质等性能，已经广泛应用于屋面保温材料、轻质墙材、管线回填等领域。低容重的泡沫混凝土具有更好的保温性能，但是强度也随之降低，不利于实际使用。将泡沫混凝土制成夹芯复合板，可以具有良好的保温性能，同时提高了复合材料的整体力学性能。夹芯复合板无需拉接件，避免了拉接件导致的冷桥。但由于没有拉接件的连接加固作用，所以就需要复合板不同材料之间具有足够的粘结强度以保证墙板的整体性。当前泡沫混凝土复合板制备方法主要有两种：一种是采用粘结剂将预制的泡沫混凝土板和面板粘结成整体，通过粘结剂来保证芯材与面板的粘结性能；粘接剂一般采用的是有机物，易老化，影响泡沫混凝土与板材的粘接，不利于复合板的耐久性。另一种是将泡沫混凝土浆体浇注至两面板之间，通过泡沫混凝土胶凝材料的粘结性能将面板粘结成整体，该方法的关键是泡沫混凝土与板之间界面的粘结性能。当前对泡沫混凝土的粘结性能的关注主要集中在外墙外保温体系中泡沫混凝土保温板通过粘结剂对基层的粘结性能，而泡沫混凝土浆体本身对板材的粘结性能的研究尚未见报道。本文针对第二种制备方法，以低容重泡沫混凝土和硅钙板之间的粘结性能为对象，探讨了硅钙板处理工艺和不同添加剂对泡沫混凝土复合板界面粘结性能的影响。

２　实　验

2.1　实验材料

水泥：珠江水泥厂P.O42.5R；减水剂：萘系减水剂；发泡剂：河南华泰复合发泡剂；硅钙板：广东松本绿色新材股份有限公司生产的维保板；瓷砖胶：德高TTB 瓷砖胶Ⅰ型；乳胶粉：德国瓦克5010N；速凝剂：无水CaCl_２；增稠剂：甲基纤维素。

2.2　试件制备

采用物理发泡方法制备泡沫混凝土，在水平放置的150mm×100mm×6mm 的硅钙板上放置模具，在模具中浇注泡沫混凝土浆体，硬化成型，制成规格为70mm×70mm×20mm的泡沫混凝土粘结试块，如图１ 所示。

图１　粘结强度测试试块

2.3　实验方法

泡沫混凝土基准配合比见表１，通过体积法计算和湿重来控制泡沫混凝土的密度等级。试块自然养护2d后脱模，标准养护至28d龄期后取出，置于65℃烘箱中烘至恒重，进行强度测试。抗压强度测试参考JG/T266-2011《泡沫混凝土行业标准》，抗折强度采用三点抗折，所用试件尺寸为40mm×40mm×160mm，跨距100mm，加载速率为0.5mm/min。粘结强度参考GB/T17371-2008《硅酸盐复合绝热涂料》中的压剪粘结强度测试方法，在压头和泡沫混凝土之间垫入铁块，按图２所示进行压剪粘结强度测试，压头以0.5mm/min的速度下降直至试件破坏。

图２　压剪粘结强度测试

表１　泡沫混凝土基准配合比(kg/m３ )

Cement	Water	Super-plasticizer	Accelerator agents
417	167	4.17	4.17

３　实验结果分析与讨论

3.1　乳胶粉的掺量对复合板粘结强度的影响

乳胶粉在砂浆中的研究和应用已十分普遍，它可以改善砂浆的工作性、黏结力、柔性、耐磨性和耐久性。乳胶粉在泡沫混凝土生产中也有应用，本文在基准配合比的基础上，设计容重为500kg/m3的泡沫混凝土，乳胶粉掺量为胶凝材料质量的0.1％、2％和3％。乳胶粉掺量对复合板粘结强度和泡沫混凝土自身力学性能的影响如图3和4所示。由图3可以看出，掺入1％~3％的乳胶粉对泡沫混凝土本身的抗压强度和抗折强度没有明显不利影响。

图３　不同乳胶粉掺量泡沫混凝土抗折强度和抗压强度

图４ 不同乳胶粉掺量泡沫混凝土复合板粘结强度

由图４可以看出，乳胶粉对复合板粘结强度的影响比较明显，对于不做任何处理的干板，粘结强度随乳胶粉掺量增加而逐步增加，从180kPa 增加到390kPa，而硅钙板刷涂瓷砖胶处理后，粘结强度在330~390kPa之间波动，没有明显的规律。采用瓷砖胶处理的试样，粘结强度主要来源于粘结性能更优异的瓷砖胶，所以粘结强度总体都很高。而对于不做处理的干板，粘结强度来源于泡沫混凝土本身。从实验结果可以看出，乳胶粉有助于提高泡沫混凝土－硅钙板间的粘结性能。对比不同乳胶粉掺量的干板和瓷砖胶处理板的粘结强度，可以看出，随着乳胶粉掺量的增加，干板的粘结强度逐步接近瓷砖胶处理的粘结强度，掺量为3％时，两者已经基本持平。考虑到生产中在硅钙板上刷涂瓷砖胶，会增加工序，而且不好控制瓷砖胶的均匀性，建议直接掺入乳胶粉来提高泡沫混凝土的粘结性能。同时在实验中发现，随着乳胶粉掺量的增加，制备泡沫混凝土所需要的泡沫量也随之增加，乳胶粉掺量为3％时，泡沫混凝土所需的泡沫量约为不掺乳胶粉的2倍，鉴于乳胶粉和发泡剂的成本过高，推荐乳胶粉掺量为1％。

3.2　硅酸钙板的处理方式对复合板粘结强度的影响

硅酸钙板处理的方式包括：(1)完全干燥硅钙板(简称干)；(2)充分吸水的硅钙板(简称湿)；(3)刷涂瓷砖胶的干燥硅钙板(简称干＋胶)；(4)刷涂瓷砖胶，并用锯齿镘刀刮出凹槽的干燥硅钙板(简称干＋胶＋凹)。泡沫混凝土容重为500kg/m3，乳胶粉掺量为1％。硅钙板的处理方式对复合板的粘结强度影响如图5所示。从图5可以看出，各种处理方式中，湿板的粘结强度远小于其它3种没有预先吸水处理的板，只有70kPa。而其它3种处理方式的粘结强度大小关系是：干＋胶＋凹＞干＋胶＞干。干板的粘结强度为280kPa，刷涂瓷砖胶之后提高到330kPa，对瓷砖胶刮出凹槽，提高了粘结面积，使粘结强度进一步提高至370 kPa。预先涂刷瓷砖胶使复合板界面粘结强度提高的原因可能是由于瓷砖胶的表面比硅钙板更粗糙，增大了瓷砖胶与芯材泡沫混凝土的接触面所致。

图5　硅酸钙板的处理方式对复合板的粘结强度影响

干板的粘结强度明显高于湿板，主要与硅钙板的吸水性有关。硅钙板内部存在大量细小缝隙，这些缝隙通过毛细作用使硅钙板具有很强的吸水性能，能快速将表面的水吸附至硅钙板内部。硅钙板的吸水作用，一方面使浆体的液相进入硅钙板的孔隙之间，进而在孔隙中生成水泥水化产物；另一方面降低了界面处泡沫混凝土的实际水灰比，使界面处浆体更加密实，这两个方面共同作用，导致干板制备的复合板具有更高的粘结强度。

尽管干燥硅钙板的吸水特性有利于提高复合板的粘结性能，但对泡沫混凝土的界面孔结构、泡沫混凝土浇注体积稳定性却带来不利的影响。

由图6和7可见，采用湿板制备泡沫混凝土复合板，其界面泡沫混凝土孔结构呈规则球状，气孔独立且细小，浇注体积稳定，没有出现塌模情况。

图6　干板及湿板的界面处泡沫混凝土孔结构

而对于采用干板制备的复合板，由于硅钙板吸水作用，导致界面处泡沫混凝土产生排液、破泡，进而导致孔结构严重劣化，气孔连通且偏大，泡沫混凝土产生严重塌模，影响复合板的性能。干燥硅钙板吸水作用造成的塌陷体积主要来自两部分：一部分是被硅钙板吸收的泡沫混凝土浆体的水溶液的体积；另一部分是硅钙板吸水作用导致泡沫混凝土浆体排液消泡，所造成的气泡损失的体积。在无法避免硅钙板吸水的前提下，对于塌模和孔结构的调控，可采取如下措施：通过降低硅钙板的吸水速率，降低界面处泡沫混凝土浆体的排液速率，减少气泡的损失；采用速凝或增稠等方法，提高泡沫混凝土浆体的稳定性。

图７　干板和湿板复合板塌模情况

3.3 硅钙板含水率对复合板粘结性能的影响

由3.2可知，以充分吸水的硅钙板(相对含水率为100％)制备复合板，泡沫混凝土塌模情况不严重，但不利于复合板粘结性能，而以不含水的硅钙板(相对含水率为0％)制备复合板，粘结性能得到改善，但塌模情况严重。因此，本文选取硅钙板的相对含水率为0.25％，50％，75％和100％，泡沫混凝土容重为590kg/m3，乳胶粉掺量为1％，制备粘结强度测试试件及复合板。图８为硅钙板在不同相对含水率下，所测得的试件的粘结强度。

由图８可以看出，硅钙板的相对含水率较低时(25％和50％)，复合板的粘结强度达到或超过绝干硅钙板的复合板的粘结强度，这可能是因为相对含水率较低的硅钙板对泡沫混凝土的吸水速率比较小，减小了泡沫混凝土浆体气泡间的排液速度，使得界面孔结构得到改善。当相对含水率达到75％时，粘结强度急剧减小，从50％的231kPa减小至75％的83kPa。因此，控制硅钙板在较低的相对含水率条件下，对复合板的粘结强度有利。

图８　硅钙板相对含水率对粘结强度的影响

图9为不同相对含水率的硅钙板浇注泡沫混凝土后的塌模情况。

图９　不同相对含水率的硅钙板的复合板塌模情况

相对含水率为0％和25％的硅钙板均产生严重的塌模，顶部泡沫混凝土与硅钙板产生剥离。而相对含水率为50％，75％和100％的硅钙板则未产生严重塌模，泡沫混凝土与硅钙板粘结完整，泡沫混凝土凹陷程度接近，主要来自于泡沫混凝土浆体本身产生的凹陷。综合比较硅钙板在不同相对含水率下复合板的粘结强度和塌模情况，当相对含水率为50％时，复合板具有较高的粘结强度，且不会因为自身吸水对浇注体积稳定性产生明显不利影响。可以将硅钙板的相对含水率定为50％，制备复合板。

3.4　增稠剂和速凝剂对复合板粘结性能的影响

制备容重为500kg/m3，乳胶粉掺量为1％的泡沫混凝土。其中，J-１不含增稠剂和速凝剂，J-２在J-１基础上掺入0.05％的增稠剂甲基纤维素，J-３在J-２基础上掺入0.2％的速凝剂。

增稠剂和速凝剂对泡沫混凝土抗压强度及复合板粘结强度影响见表２。由表2可知，增稠剂和速凝剂的掺入并未给泡沫混凝土抗压强度带来明显的不利影响，3配比的抗压强度均在2.00MPa 以上。而在粘结强度方面，J-１和J-２的粘结强度均在较高的水平，而速凝剂的掺入，使复合板的粘结强度明显下降，从J-２的253kPa下降至J-３的152 kPa，降低了40％。

表２　增稠剂和速凝剂对抗压强度和粘结强度的影响

	J-1	J-2	J-3
抗压强度/MPa	2.55	2.10	2.19
粘结强度/kPa	221	253	152

增稠剂和速凝剂对复合板浇注塌模情况的影响如图10所示。由图10可以看出，试件J-１的塌模情况最严重，塌模深度为50mm。

图10　J-1-3复合板中泡沫混凝土的塌模程度

试件J-２由于增稠剂的掺入，明显改善了泡沫混凝土的浇注体积稳定性，减小了塌模程度，塌模深度为20mm，这是因为增稠剂具有增稠和稳泡作用，降低了泡沫混凝土的排液速度，提高了气泡的稳定性。速凝剂的掺入，进一步改善了泡沫混凝土的浇注体积稳定性，试件J-３的塌模深度最小，为10mm，这是因为在增稠作用的基础上，同时掺入速凝剂，缩短了泡沫混凝土的凝结时间，加速气泡在泡沫混凝土中的固化。但是，速凝剂的掺入对粘结强度产生了明显的不利影响，这是因为速凝剂加快了泡沫混凝土水化产物生成，水化产物的过早生成阻碍了硅钙板对泡沫混凝土浆体的吸水作用，导致粘结强度下降。相比之下，增稠剂的掺入并未给粘结强度带来不利影响，因为增稠剂并未对泡沫混凝土凝结时间产生明显影响，保证了硅钙板对泡沫混凝土的吸水作用，同时，其稳泡作用降低了泡沫混凝土在硅钙板吸水作用下的消泡程度。

增稠剂和速凝剂均能提高复合板浇注体积稳定性，但是速凝作用可能导致复合板粘结强度降低。为了兼顾泡沫混凝土的粘结性能和浇注体积稳定性，在实际生产中，建议以增稠为主，速凝为辅。

４　结　论

（1）硅钙板上预先涂刷瓷砖胶，可提高复合板界面粘结强度。在泡沫混凝土中掺入乳胶粉，可以明显提高硅钙板-泡沫混凝土界面粘结强度，乳胶粉掺量达到3％时，干板和瓷砖胶处理的板粘结强度基本接近。为了生产工序的简化，建议不采用涂刷瓷砖胶方法来提高粘结强度。乳胶粉的掺入会增大泡沫的使用量，推荐乳胶粉掺量为1％。

（2）干燥硅钙板的吸水效应能提高复合板的粘结强度，但硅钙板剧烈吸水会引起泡沫混凝土塌模，影响产品性能。当硅钙板相对含水率为50％时，泡沫混凝土不会由于被硅钙板吸水产生严重的塌模现象，同时复合板具有较高的粘结强度。

（3）掺入适量的增稠剂，可以降低泡沫混凝土的塌模程度，同时复合板具有较高的粘结强度，而速凝剂可以进一步降低泡沫混凝土塌模程度，但同时降低了复合板的粘结强度，建议以增稠为主，速凝为辅。

 

 

 

---摘自《功能材料》2015年第22期（46）卷