1 前言
随着社会发展和技术进步，粉煤灰作为一种综合利用的资源越来越受到重视。粉煤灰已在混凝土、砂浆、建筑制品中得到了大量应用。尤其近些年来，随着环保节能事业的大力发展，粉煤灰在轻质砌块、墙体材料中应用越来越多。这些应用的胶凝材料大致分为三类：一类粉煤灰—石灰胶凝体系，一类粉煤灰—水泥胶凝体系，一类粉煤灰—石灰—水泥胶凝体系。众所周知，粉煤灰胶凝体系存在质量较低、早期抗压强度较低等问题。而本项目研究的EPS保温砂浆，其特点是干密度轻、导热系数低，但不一定要有很高强度。因此，很有必要通过对这些胶凝体系的研究，设计出一种满足这一系统的胶凝体系。
德国DIN18 550 part3对这一系统是这样描述的：该系统由矿物胶凝材料及含有不少于占体积15%的膨胀聚苯颗粒(EPS)组成。其理化指标要求固化砂浆干容重≥200kg／m3，抗压强度≥0．4MPa吸水率≤2kg／(m2•h0.5)。固化砂浆导热系数入λ10，tr应不超过表1．给定的值：
2 主要原材料及性能：
(1)粉煤灰：采用工级低钙灰，其性能指标见表2。
(2)硅灰：其性能指标见表3。
(3)水泥：P042．5R普通硅酸盐水泥，其各项指标符合国家标准。
(4)石灰：采用熟石灰比生石灰有更高的强度，并且有更好的体积稳定性。其指标为有效(Ca0+MgO)含量>65%，MgO含量<4%，细度0．125mm筛筛余≤10%，体积安定性合格。
(5)复合外加剂：包括复合硫酸盐系统及高效减水剂等。
(6)高分子有机粘结材料：该材料采用了水溶性高分子材料，掺人一定比例的憎水表面活性剂、再分散乳液粉末、化学发泡剂、复合物理发泡剂等，在稳泡剂的作用下形成。
(7)不同比例、不同弹性模量、长短匹配的多种纤维。
(8)聚苯颗粒：堆积密度12～21kg／m3，粒度(5mm筛筛余)≤5%。
3 试验及讨论
3.1 粉煤灰的火山灰性及活化机理
粉煤灰主要化学成分为SiO2和Al2O3，他们以玻璃体形式存在，是一种具有潜在火山灰反应性的活性混合材。但因其结构聚合度大、键能高，在常温下化学性质稳定，活性较低。因此，粉煤灰应用研究主要热点在于其火山灰活性及活化的研究。火山灰性质是指硅质或铝硅质材料本身不具有或只有很弱的胶凝性质，但在水存在的情况下与CaO化合将会形成水硬性固体的这种性质。很多粉煤灰的应用都是建立在对粉煤灰这种潜在的火山灰性质的利用上，火山灰性质是粉煤灰最基本性质。
一般情况下，粉煤灰的火山灰活性发挥速度比较慢，但在激发剂的作用下，粉煤灰与石灰的反应速度明显增加。因此，实际应用时先对粉煤灰进行活化。对其活化措施常用的有机械活化、化学活化、热力活化。粉煤灰细度是影响粉煤灰水化活性的重要因素，粉煤灰越细水化活性就越高。根据试验条件、仪器，我们选用细度较细、品质活性较高的工级灰。并采取化学活化的方法进一步激发粉煤灰活化性。化学活化粉煤灰激发剂主要有碱性激发剂和硫酸盐激发剂。在碱性激发剂的作用下，粉煤灰中SiO2与Ca(OH)2化合生成CSH胶体；在硫酸盐激发剂作用下，粉煤灰中A1203与Ca(OH)2化合生成CSH胶体，在石膏存在时，进而生成稳定的钙矾石。
粉煤灰活性激发剂不仅是粉煤灰火山灰效应的催化剂，同时还是粉煤灰火山灰效应的物质基础(在水化过程中生成碱性物质和凝胶物质)，活性激发作用机理为：(1)采取细度较细的工级灰，其表面层玻璃态薄膜已受到破坏，加快了可溶性SiO2和Al2O3熔出，并有利于外部离子侵入，从而加快粉煤灰的化学反应速度。(2)碱性激发剂水解后可使溶液中含有较高浓度的OH－离子和弱酸根离子，使原先聚合度较高的玻璃态网络中部分Si-O、A1-O键断裂，成为不饱和的活性键，促使网络解聚和硅、铝的溶解扩散，加快与Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等胶凝性良好的水化产物。(3)硫酸盐激发剂水解的SO42—促使水化铝酸钙转化，生成更稳定的强度高的钙矾石。
3.2 粉煤灰—硅灰—石灰—水泥胶凝体系的水化硬化
本试验为降低导热系数选用粉煤灰—石灰—水泥胶凝体系，并为了进一步降低其导热系数，采取用部分硅灰代替粉煤灰，形成粉煤灰—硅灰—石灰—水泥胶凝体系。采用这一体系主要设想可充分发挥水泥、石灰、粉煤灰各自的特点，水泥可提高产品早期强度，并在胶接料的水化反应中起晶核作用，而石灰可提供过饱和Ca(OH)2环境，激发粉煤灰化学活性，并通过加入一定量复合硫酸盐进一步对其活化，同时作为钙质材料参与同粉煤灰中活性SiO2和A12O3以及硅灰中活性较高Si02的水化反应生成胶凝体。其水化反应方程式如下(x≤3)：
xCa(OH)2+Si02+(n-1)H20→xCaO•SiO2•2H2O
xCa(OH)2+A1203+mH20→xCaO•A1203•mH20
3Ca(OH)2+2Si02+A1203+mH20→3CaO•A1203•2Si02•mH20在有石膏存在的条件下，水化铝酸钙进一步反应生成AFt或AFm。
3Ca(OH)2+3CaSO4+A1203+29H20→3CaO•A1203•3CaSO4•32H20 3Ca(OH)2+CaSO4+A1203+9H2O→3CaO•A1203•CaS04•12H20
根据反应方程式，在石灰、复合硫酸盐作用下，粉煤灰颗粒不断解聚、溶出的正[SiO4]4－、[A1O4]5－等离子团与Ca2+、SO42－广作用形成具有胶凝性的水化产物C—S—H、AFt等，C——S—H凝胶为低Ca、Si比，并固溶了大量Al3+—及Fe3+，Mg2+，Na+，K+等离子。C—S—H凝胶在粉煤灰颗粒表面形成，并把体系内各种微粒粘结在一块，而钙矾石填充孔洞，使水泥石中孔径愈来愈低，结构愈 来愈致密，并逐渐产生微膨胀作用，水泥石的性能得到改善。
3.3 粉煤灰—硅灰—石灰—水泥胶凝体系的胶砂强度试验
通过对粉煤灰的火山灰活性及活化、水化机理的探讨，采取一定活化措施，配制一种以粉煤灰—硅灰—石灰—水泥胶凝体系为主体的轻质干拌砂浆，其轻质高强并具有一定水硬性，并与聚苯颗粒加水固化后形成一种良好的保温材料。粉煤灰的很多应用，主要是利用其火山灰活性并如何激发其活性，抗压强度可以比较准确表示这种性质。根据龙世宗、钱觉时、钟白茜、曹红红等人对不同激发剂对粉煤灰火山灰活性激发的效果研究，认为粉煤灰—石灰—硫酸钠系统为激发粉煤灰活性的基本系统，这种激发系统可以直接用来制备粉煤灰建材，也可作为掺合料生产矿物掺合水泥。表4为粉煤灰—石灰—硫酸钠系统和水泥—粉煤灰—石灰—硫酸钠系统的胶砂强度试验结果。
由表4可知，由26%水泥、62%粉煤灰、9%生石灰、3%Na2SO4复配胶凝体系，其胶砂强度28天抗折强度为5．96MPa，28天抗压强度可达到21．06MPa。以此为基础，为进一步提高体系的抗压强度并降低密度，我们采取以下措施：①选取密度更轻、活性更高的硅灰代替部分粉煤灰；②采用比生石灰效果更好的Ca(OH)2进一步提高强度，并增强体系安定性；③采用激发效果更好的复合硫酸盐系统(石膏等)及高效减水剂；④掺人适量有机高分子粘合剂等。通过控制干拌胶粉料与聚苯颗粒加水固化后砂浆密度、抗压强度、导热系数、软化系数等，我们设计出满足保温体系的粉煤灰—硅灰—石灰—水泥胶凝体系。并采用高吸水树脂与水溶性高分子外加剂复合各种规格的纤维等措施，有效地解决了传统砂浆施工性不好、和易性差及一次抹灰厚度太薄的技术难题。其形成的保温浆料采用大分子互穿棚技术，使材料的施工操作性能得到了突破性改善，湿粘着静剪切力强，一次抹灰厚度由普通抹灰lcm左右，提高到一次抹灰4cm以上不滑坠。同时由于触变性好，使抹灰非常省力，易操作，抹灰速度快。保温膏料易操作时间为4h，无明水析出，落地灰可重复使用，有利于节省材料和工地文明施工管理。
3.4 固化砂浆干密度与导热系数、抗压强度关系
3.41 胶粉聚苯颗粒保温材料导热系数测试试验标准参比板、聚苯板与胶接料(平均温度318K)的导热系数测试见表5：
(2)胶粉聚苯颗粒保温试块(平均温度31-8K)的导热系数测试见表
(3)胶粉聚苯颗粒保温试块干表观密度与导热系数之间的关系图见图根据以上试验数据可以得出以下结论胶粉聚苯颗粒保温材料的导热系数值介于胶粉聚苯颗粒和保温胶接料之间，见表5、表6。胶粉聚苯颗粒保温材料干表观密度控制在200～300kg／m3，试验平均温度为318K时，其导热系数数值可控制在0．05～0．06W／(m•K)的范围之间。
3.4.2 聚苯颗粒保温材料压缩强度测试实验
（1）试验方法：依据《轻骨料混凝土技术规程》(JGJ 5l—2002)。
（2）实验仪器：压力试验机
（3）试验数据：见表
（4）胶粉聚苯颗粒保温试块干表观密度与抗压强度之间的关系图，见图2
（5）试验结论
胶粉聚苯颗粒保温材料成型试块的压缩强度与试块的干表观密度基本成线性正比例关系，由于胶粉聚苯颗粒保温材料为非均质材料，试验结果会有一定偏差。
4 生产工艺及主要性能
4.1 生产工艺
EPS保温浆料由保温胶粉料与聚苯颗粒轻骨料分别按配比包装组成。保温胶粉料采用预混合干拌技术。在工厂将粉煤灰、水泥、石灰、硅灰、复合外加剂、高分子有机粘结材料、各种纤维，经配料、计量、预分散、均混、包装成为成品。聚苯颗粒由回收的废聚苯板粉碎按级配均混、按袋分装。使用时现场只需与胶粉料按包装比加水搅拌后即可施工，解决了传统保温浆料由于工地称量不准确而造成的热工性能不稳定的问题。
4.2主要技术性能
经国家建筑材料测试中心的检测，胶粉聚苯颗粒保温浆料的主要技术性能：干表观密度209kg／m3，湿密度365kg／m3，导热系数0．057w／(m•K)，平均抗压强度0．26MPa，平均粘结强度121KPa，线性收缩率2.lmm／m，弹性模量106MPa，胶粉干密度642kg／m3，软化系数70.2%，燃烧性能为B1级。
5 结论
通过对粉煤灰活化、水化机理的研究，我们对粉煤灰进行复合活化处理并采用活性程度更高的硅灰代替部分粉煤灰，形成以粉煤灰—硅灰—石灰—水泥胶凝体系为主体的保温胶粉料。该胶凝体系有比石膏更耐水，有比水泥密度更轻、导热系数更佳并不易开裂的性能。配成的保温砂浆具有耐水性好、干缩率低、保温性能佳、导热系数低等优势，并采用有机高分子外加剂复合各种纤维的措施，有效地解决了和易性差、施工性难等技术难题。通过控制保温浆料干表观密度在200～300kg／m3，可在试验平均温度为318K下，控制其导热系数值在0．05～0．06W／(m•K)的范围之间。 目前，该保温浆料成套技术已在北京、天津、上海、河北、山西、山东、江苏、浙江、陕西、辽宁、新疆等城市和地区的800多个工程进行了应用，面积达1000多万平方米，施工性能良好，工程质量好，热工性能达标，无任何用户投诉开裂问题。
由于保温抹灰材料中使用了大量粉煤灰、废聚苯，既利用了工业废料，又保护了环境，而且成本低廉，具有显著的经济效益和社会效益，实现了资源的可持续发展和综合利用。
