硅烷偶联剂改性超细粉煤灰增强泡沫混凝土防水和隔热性能研究

Waterproof and Thermal Insulation Performance Study of Foam Concrete Reinforced by Ultrafine Fly Ash Modified by Silane Coupling Agent

摘要

研究通过硅烷偶联剂改性粉煤灰制作泡沫混凝土，探究改性粉煤灰添加量对泡沫混凝土防水和保温性能的影响。结果显示，当硅烷偶联剂改性粉煤灰的添加质量分数为1.5%时，泡沫混凝土的干密度较未添加改性粉煤灰的混凝土降低5.85%，孔隙率增加3.67%，吸水率降低23.62%，导热系数达到最低，为0.029 W/（m·K）。因此，适量添加改性粉煤灰能够有效改善泡沫混凝土的保温性能和防水性能，但泡沫混凝土的力学性能有小幅度的损失。硅烷偶联剂改性粉煤灰的添加质量分数为1.5%可以在改善保温性能的同时尽量保持泡沫混凝土的抗压强度。

关键词

硅烷偶联剂 / 超细粉煤灰 / 泡沫混凝土 / 防水性能 / 隔热性能

Key words

Silane coupling agent / Ultra fine fly ash / Foam concrete / Waterproof performance / Thermal insulation performance

随着建筑行业对环保和节能材料需求的不断增加，泡沫混凝土作为一种轻质、多孔的建筑材料，因其优异的隔热、隔音和防火性能而备受青睐^[1-3]。然而，泡沫混凝土的天然多孔结构也带来了防水性能不足的问题，这在一定程度上限制其应用范围^[4]。提高泡沫混凝土的防水和隔热性能成为当前研究和应用中的关键课题之一。

粉煤灰作为火力发电厂的副产物，资源丰富，其细小的颗粒和化学成分使其成为泡沫混凝土的优良掺合料^[5-6]。然而，普通粉煤灰在泡沫混凝土中的应用仍存在一些局限，如与水泥基体的界面结合力不强，导致材料的力学性能和耐久性下降^[7-8]。超细粉煤灰由于具有更大的比表面积和活性，可以在一定程度上改善这些问题，但其与基体材料的界面结合性仍需进一步提升^[9]。为了解决这一问题，研究人员尝试通过各种改性手段提升粉煤灰的性能。

硅烷偶联剂作为一种界面改性剂，可以在粉煤灰颗粒表面形成化学键合层，显著提高粉煤灰与水泥基体的界面结合力，从而增强泡沫混凝土的综合性能。近年来，硅烷偶联剂在改性粉煤灰方面的研究取得一定的进展^[10-13]。然而，硅烷偶联剂在泡沫混凝土中的应用研究相对较少，特别是硅烷偶联剂改性超细粉煤灰在增强泡沫混凝土防水和隔热性能方面的研究仍处于探索阶段。

本研究旨在通过硅烷偶联剂对超细粉煤灰进行改性，将其应用于泡沫混凝土中，以期显著提升泡沫混凝土的防水和隔热性能。

1 材料与方法

1.1 原料

水泥，42.5 MPa硅酸盐水泥，性能符合GB175—2023要求，中国建筑材料集团有限公司；粉煤灰，I级粉煤灰，济宁恒志新型建材股份有限公司；硅烷偶联剂，KH550，工业级，鼎海塑胶化工有限公司。

1.2 设备

万能试验机，AI-700-LA，北京创诚致佳科技有限公司；导热系数测定仪，DRH-VD，湘潭湘仪仪器有限公司；高速搅拌器，LK-2018-1，莱州泽霖化工机械厂；数控水泥养护箱，SHBY-40B，浙江辰鑫机械设备有限公司；高清数码显微镜，XC-4K80 4K，深圳市星辰光学仪器有限公司。

1.3 样品制备方法

1.3.1 改性粉煤灰的制备

参照高玫香等^[14]的方法，将100 g粉煤灰和500 mL无水乙醇混合，加入25 mL的KH550偶联剂，在50 ℃下搅拌6 h后进行过滤，通过乙醇和蒸馏水分别对过滤物清洗3次，在80 ℃条件下干燥过夜，得到改性粉煤灰样品。

1.3.2 泡沫混凝土的制备

表1为泡沫混凝土配方。

参照表1的配方，将称好的水倒入搅拌机中，加入水泥，匀速搅拌2 min。加入一定量的改性粉煤灰，以不同比例(0、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%)替代配方中的水泥，再以中高速搅拌2 min，得到水泥浆体。将以发泡剂和水(1∶30)发泡好的泡沫加入水泥浆体中，搅拌2 min后得到均匀的泡沫浆体，最终倒入100 mm³的正方形模具中，置于室温下养护12 d，脱膜，养护7 d，用于后续的表征和测定。

1.4 性能测试与表征

干密度测试：参照JC/T 2357—2016进行测试。

孔隙率测试：使用高清数码显微镜拍摄截面样图，利用ImageJ软件对样图进行黑白二值化处理，计算泡沫混凝土孔隙率。

导热系数测试：参照GB/T 10294—2008进行测试。

吸水率测试：参照JG/T 266—2011进行测试。

抗压强度测试：参照JG/T 266—2011的方法，以(2.0±0.5) kN/s的速度连续而均匀地加荷，直至试件破坏，记录载荷并计算抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 改性粉煤灰对泡沫混凝土干密度的影响

泡沫混凝土的干密度反映了材料的轻质性和内部孔隙结构的情况^[15]。干密度较低意味着泡沫混凝土的轻质性强，有助于减少建筑物的自重，降低结构负荷，适用于高层建筑和加层改造工程^[16]。

图1为改性粉煤灰质量分数对泡沫混凝土干密度的影响。从图1可以看出，随着改性粉煤灰添加质量分数的增加，泡沫混凝土材料的干密度呈现逐渐降低的趋势，其中添加质量分数为1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的泡沫混凝土的干密度较未添加的分别降低2.67%、5.85%、7.69%和9.53%。由此可以看出，添加改性粉煤灰能够降低泡沫混凝土的干密度。出现这种现象的原因主要在于粉煤灰自身的密度较水泥相对较低，因此粉煤灰等量替换会降低泡沫混凝土的干密度。此外，硅烷偶联剂改性粉煤灰后，能够更均匀地分散在泡沫混凝土中，形成更加均匀的孔结构。这种均匀的孔结构有助于降低泡沫混凝土的干密度，因为均匀分布的气泡能够有效减少材料的整体密度。

2.2 改性粉煤灰对泡沫混凝土孔隙率的影响

干密度在一定程度上反映材料的孔隙率变化，其中较低的干密度通常意味着较高的孔隙率，表明材料内部具有大量封闭或半封闭的气孔，这对保温、隔热性能等均有显著影响^[17-18]。

图2为改性粉煤灰质量分数对泡沫混凝土孔隙率的影响。从图2可以看出，当添加质量分数1.0%的改性粉煤灰后，泡沫混凝土的孔隙率有所降低，而当添加量进一步增加时，泡沫混凝土的孔隙率呈现逐渐增加的趋势。其中，当改性粉煤灰添加质量分数为1.5%时，泡沫混凝土的孔隙率较不添加改性粉煤灰的混凝土增加了3.67%。干密度和孔隙率成反比，较高的干密度导致孔隙率降低，但是在添加适量的硅烷改性粉煤灰之后，其孔隙率有所增加，这主要是由于硅烷偶联剂能够与粉煤灰表面反应，形成一层有机-无机杂化层。这层杂化层能够有效降低粉煤灰颗粒的团聚现象，使其在泡沫混凝土中更均匀地分散，促进泡沫的形成和稳定^[19]。除此之外，硅烷偶联剂改性粉煤灰有助于优化泡沫混凝土的孔隙结构。改性后的粉煤灰颗粒表面能形成稳定的气泡膜，从而生成更多的封闭孔隙，提高整体孔隙率^[20]。

2.3 改性粉煤灰对泡沫混凝土防水性能的影响

泡沫混凝土的防水性能在建筑和工程应用中至关重要，因为良好的防水性能可以提高材料的耐久性，防止水分侵入引起的损害，进而延长结构的使用寿命^[21-22]。

图3为改性粉煤灰质量分数对泡沫混凝土吸水率的影响。从图3可以看出，随着改性粉煤灰掺量的增加，泡沫混凝土的吸水率呈现先降低后增加的趋势，且在改性粉煤灰添加质量分数为1.5%时达到最低，在此添加量下泡沫混凝土的吸水率较未添加改性粉煤灰的混凝土降低23.62%。但是，随着改性粉煤灰添加量的进一步增加，泡沫液混凝土的吸水率有一定程度的回升。由此可以看出，使用硅烷偶联剂改性粉煤灰可以显著提高泡沫混凝土的防水性能。硅烷偶联剂能够在材料表面形成疏水层，减少水分吸收。此外，泡沫混凝土的干密度和孔隙率对其防水性能有显著影响，低干密度通常伴随着高孔隙率，这可能会导致防水性能下降^[23]，结合干密度的结果可以进一步证明这一说法。

2.4 改性粉煤灰对泡沫混凝土导热系数的影响

泡沫混凝土由于其轻质多孔的特性，具备优异的保温性能。孔隙率和孔隙的封闭程度直接影响保温性能。高孔隙率和封闭的孔隙结构有助于提升保温效果，而连通孔隙则会增加热量传导^[24-25]。本研究进一步对泡沫混凝土的保温性能进行探究。

图4为改性粉煤灰质量分数对泡沫混凝土导热系数的影响。从图4可以看出，随着硅烷偶联剂改性粉煤灰添加质量分数的增加，泡沫混凝土的导热系数呈现先下降后轻微上升的趋势，且在改性粉煤灰添加质量分数为1.5%时达到最低，为0.029 W/(m·K)。当改性粉煤灰添加质量分数超过1.5%时，泡沫混凝土的导热系数却有小幅的增加。由此可以看出，适量添加改性粉煤灰对提升泡沫混凝土的保温性能至关重要，这主要是由于硅烷偶联剂能够在粉煤灰表面形成一层有机化学键，通过化学反应与水泥基材料中的其他组分结合，从而增强粉煤灰与基体材料的界面结合性。这种改性能够提高泡沫混凝土的结构稳定性和均匀性，从而降低导热系数。但是过量的硅烷偶联剂会在基体材料中形成过多的有机相，这可能会增大固相的比例，减少泡沫混凝土中的气孔含量，导致出现更多的热传导路径，进而增加导热系数，对泡沫混凝土的保温性能造成负面影响。

2.5 改性粉煤灰对泡沫混凝土抗压强度的影响

泡沫混凝土的抗压强度是其重要的性能指标之一，主要取决于材料的密度、孔隙结构、配比和制作工艺等因素^[26-28]。

图5为改性粉煤灰掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响。从图5可以看出，随着硅烷偶联剂改性粉煤灰添加质量分数的增加，泡沫混凝土的抗压强度呈现下降的趋势，且当改性粉煤灰添加质量分数超过1.5%时，下降的幅度更大，导致其力学性能大幅度受损。由此可以看出，适量添加硅烷偶联剂改性的粉煤灰能够有效提升其保温性能和防水性能，同时维持一定的力学性能，但是过量添加会导致泡沫混凝土力学性能大幅度受损。这主要是由于硅烷偶联剂在颗粒表面形成的有机涂层可能会在固化过程中减弱界面强度^[29]，进一步降低泡沫混凝土的抗压强度。因此，对粉煤灰进行改性时，控制硅烷偶联剂的添加量在适当范围内是关键。

3 结论

通过硅烷偶联剂改性粉煤灰制作泡沫混凝土，发现适量添加改性粉煤灰能够有效改善泡沫混凝土的保温性能和防水性能，但泡沫混凝土的力学性能有小幅度的损失。

当硅烷偶联剂改性粉煤灰的添加质量分数为1.5%时，泡沫混凝土的干密度较未添加改性粉煤灰的泡沫混凝土降低5.85%，孔隙率增加3.67%，吸水率降低23.62%，导热系数达到最低，为0.029 W/(m·K)。

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基金资助

2019年广东海洋大学寸金学院校级科研项目(CJKY201905)

2019年广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目(ZLGC2017001)

2022年湛江市非资助科技攻关计划项目(2022B01230)