聚合物水泥发泡保温材料生产技术与性能研究

田萍1 秦鸿根2 田野1 张新波2 郭飞2
(1.江苏和田建筑节能技术开发(集团)有限公司，南京211100；2.东南大学江苏省土木工程重点实验室）

1 前言
随着我国墙体材料革新与建筑节能政策的推行,节能型建筑材料的开发和应用受到广泛重视。2011 年3月，江苏省公安厅消防局“苏公消[2011]29 号”文件转发了公安部消防总局《关于进一步明确民用建筑外保温材料消防监督管理有关要求的通知》，要求严格执行民用建筑外保温材料采用耐燃性能为A 级的材料。为此，无机保温隔热材料的研究与生产显得日益紧迫,无机泡沫混凝土的研发得到了更多的关注和重视。
2011 年3 月，江苏省住房与城乡建设厅发布《复合泡沫水泥板外墙外保温系统应用技术规程》苏JG/T041-2011，对复合发泡水泥保温板性能指标作了明确要求。该《规程》对泡沫混凝土板材的性能指标提出了较高要求，要生产出该新产品的难度很大。目前常见的普通无机发泡混凝土技术和台座法生产工艺，普遍存在质量不易控制等问题。因此，如何解决泡沫混凝土保温材料的生产工艺和配比，以适应“苏JG/T041-2011《规程》”的要求，成为企业亟待解决的技术难题。
选择适宜的保温隔热材料不仅能够使建筑物达到节能的作用,还可以增强抵抗其它自然因素对建筑物的破坏影响,增加室内舒适度,延长建筑物的使用寿命[1]。

2 泡沫混凝土的应用现状
泡沫混凝土又名发泡混凝土、泡沫水泥，是以硅酸盐水泥或快硬硫铝酸盐水泥为主要胶结料，粉煤灰、硅灰等为掺合料，适量掺加细砂或轻质细颗粒为骨料，加入有机发泡剂（或采用机械发泡）、稳泡剂等制成的无机轻质混凝土。
近代工业的泡沫混凝土，最早探索于19 世纪初，原始的泡沫混凝土特征是没有控制混凝土中引入空气量的技术手段，即没有控制材料密度的手段。瑞典冬季极度寒冷，人们急于找到高效保温材料，他们在前人原始泡沫混凝土技术的基础上，进行了泡沫混凝土的基础性研究。1923 年，欧洲人首次提出了用预制气泡和水泥砂浆相拌合生产多孔混凝土的方法，世界上首次出现了真正近代意义上的泡沫混凝土。我国泡沫混凝土的研究和应用始于上世纪50 年代初，但一直未能大规模生产应用。从20 世纪90 年代开始，我国泡沫混凝土得到了大量的开发应用，2009 年粗略估计全国总量突破600 万m3，其中，用于楼板或地面保暖层约300 万m3，屋面保温约150 万m3，构筑物的地面垫层约50 万m3；用于建筑保温约占总使用量的90%，现浇泡沫混凝土占总量的80%以上[2]。
泡沫混凝土主要用于屋面、地面和墙体保温（图1）。

现浇泡沫混凝土屋面的构造一般包括结构层、保温层、找坡层、找平层和防水层，采用现场浇注法施工。也可将保温层、找坡层、找平层三合一，简化保温层的施工工序。与混凝土屋面结合成一个整体，制成泡沫混凝土屋面保温板、砖。泡沫混凝土还可作为保温垫层材料制成地面保温板，也可在框架结构中用作隔热填充墙体或与薄钢板制成复合墙板[2]。
泡沫混凝土保温板属水泥基多孔轻质材料，A 级不燃，保温性能好，是理想的建筑外墙外保温替代材料。然而，现在市场上流通的普通泡沫混凝土保温板，其生产技术与性能还存在一些不足，严重制约了其大面积推广应用。

3 泡沫混凝土保温材料生产中存在的问题
目前，泡沫混凝土保温材料制品的制备一般采用化学发泡方法，以快硬水泥为主要基料、过氧化氢（H2O2）为发泡剂，制品为无机单体微孔结构。其原理为：水泥碱性、工作水pH 值、环境温度、水化热、金属离子等介质使H2O2被催化分解，释放大量氧气；浆料中水泥的水化反应过程既是水化放热过程，又是胶浆物与H2O2释放气泡体积膨胀的过程。由于H2O2很不稳定，对介质因素反应非常“敏感”，导致在同一模注浆体内，会发生不均匀放热温度、不均匀发泡速率，塑性胶浆产生不均匀的膨胀流体力。最终造成在同一模塑化体内，坯体出现温度梯度差和密度差。硬化体生成不均质网管开放孔的微观结构。保温材料制品表现为孔径大小不均匀，同一块硬化体出现不同密度差；板面泛粉、强度疏松、吸水性强；甚至H2O2发生间歇性化学反应，完全破坏了水泥初凝期塑化体的微孔结构。这种保温材料制品不仅不能满足建筑物的热工要求，还可能造成建筑外墙外保温系统的结构安全隐患。

泡沫混凝土制品工业化生产过程中的质量控制的主要技术难点如下：
1）原材料质量与配合比的准确计量困难。常用主材———硫铝酸盐水泥、矿物掺合料和发泡剂，自身材料性能波动较大，品质并不很稳定；还有，稳泡剂、防水剂、有机纤维等多项辅助材料的掺量少，但一点重量偏差带来的作用非常大。
2）水泥的碱性、拌合水pH 值的一丝波动，都对H2O2催化释放气体速率的匀质缓释性影响大。
3）制备性能良好的泡沫混凝土保温板制品，必须要解决H2O2受介质因素、环境因素催化分解的稳定性问题。如何以环境温度适时设计和调节水泥浆料的搅拌温度、浇注入模的温度、水泥水化热（温度）等关键问题。
4）泡沫混凝土保温板制品的自动化生产设备与工艺技术问题。

4 JT聚合物水泥发泡保温板生产工艺技术
4.1 原材料选择和生产工艺
JT 聚合物水泥发泡保温板材的材料主要是快硬水泥、粉煤灰等无机胶凝材料，有机聚合物、稳泡剂、发泡剂等按一定的配合比称取物料，在规定时间内搅拌均匀后倒入模具发泡，将发泡好的毛坯料在一定条件下养护一定时间,然后切割成型。其中水泥的水化反应与有机物的聚合反应，产生适合的水化环境。有机聚合物在氧气或无机胶浆的介质中转化为固态聚合物，水泥在水化反应中硬化为水泥石。有机固态物填补了水泥石微观结构之间的接触裂缝，使双套连续的微孔结构变得均质致密。增加了产物相的单位体积量，增大了微孔的内表面积，内表面能增强。由于无机微孔壁聚合有机膜，大大优化了微孔的气密性和水密性。江苏和田建筑节能技术开发（集团）有限公司经过反复实践，开发出“JT 聚合物水泥发泡保温板全自动生产线”，实现了全线联合技术控制，使工艺全流程的自动化有了保障系统，大大提高了产品质量和生产效率。板材质量优于“规程”的性能指标。JT 聚合物水泥发泡板材生产整线采用框模辊道环式输送流水生产工艺，分连续流水和间歇流水。坯块无翻转双面洗、纵横切。实现PLC 智能化控制；从物料称量→坯模周转→组、脱模→切割成品板、成品板包装件，实现自动流水生产（图2）。成套设备分别已在南京、扬州和盐城投产使用。

4.2 提高产品质量的辅料控制包
提高泡沫混凝土的性能通常采用以下几个主要途径：选择适宜的配合比；使用高效减水剂并控制适宜的低水胶比；采用优质高效发泡剂；加强泡沫混凝土的早期养护,优化养护制度、加强早期保水；减小泡沫混凝土收缩、掺加适量膨胀水泥、憎水剂,防止开裂和吸水等[3]。为了提高JT 聚合物水泥发泡板材的性能、保证其质量，和田集团针对全国不同地域、不同季节的环境温度，在设定了基准温度基础上，研制了一种专门用于泡沫混凝土生产质量控制的“干混辅料专用包”，简称“质控包”（图3）。它是以基准温度为基准，将配制泡沫混凝土的水泥塑性胶浆所需掺用的聚合物、外加剂、纤维等，提前组配于一个袋内。同时编制了与“质控包”匹配的《环境温度温差系数换算表》，各地泡沫混凝土生产厂家，只要对照不同地域、不同季节应时的环境温度，在计量配料时做到一机次（一模）精准投料的制度，这样就避免了原料配合比的设计差错，减小了生产线上机加料时的称量误差。并且生产时可适时地调控环境温度，实现对浆料水化温度的控制；适时地设计最佳投料比的控制制度、制备方法。尽量做到有效控制生产线的季节温度、环境温度与水泥水化、有机聚合的双套反应相对作用的“均衡值”。
JT 聚合物水泥发泡保温板在细观微孔结构生成机理上利用物理和化学的、有机和无机的复合作用，使制品的微观结构由无机单体结构改性为有机、无机“双套”连续结构。通过控制水泥水化、有机物聚合的两个反应的相对适度性和兼容性，形成一种类似于聚合物水泥泡沫混凝土的微观结构（简称“聚砼”即“JT”）。

4.3 JT聚合物水泥发泡保温板技术特性
JT 聚合物水泥发泡保温板（图3b)的产品技术性能参数见表1，其技术性能完全满足《复合泡沫水泥板外墙外保温系统应用技术规程》苏JG/T041-2011 中对泡沫混凝土保温板的技术要求。JT 聚合物水泥发泡保温板的密度在250kg/m3~300kg/m3，导热系数实测值0.07W/（m·k），抗压强度大于0.5MPa。在建筑外墙作保温材料使用时，其热工性能接近聚苯板的导热系数，可满足建筑保温隔热需要；同时由于水泥基与墙体同质，所以易粘贴。与普通泡沫混凝土板材相比较，JT 聚合物水泥发泡保温板具有以下优势：
1）闭孔率＞90%，所以隔热性能要好于同密度等级的普通泡沫混凝土。
2）同密度等级相比，强度较高。并且保证了尺寸精度较高，因为强度高、经自动机械切割而成，可达到同类产品优等品的要求。施工中可减少粘结及抹面砂浆的用量，降低成本，可提高墙体质量。
3）吸水率比较合适。体积吸水率≤10%，不但使墙面抹灰作业更加容易，质量得到保证；又不会过分降低热工性能。

5 结语
1）JT 聚合物水泥发泡保温板属水泥基多孔轻质材料，A 级不燃，保温性能好，符合《公安部、住建部“公通字[2009]46 号”文《民用建筑外保温系统及外墙装饰防火暂行规定》要求。是理想的外墙外保温替代材料。
2）采用控制产品质量的“辅料质控包”及与之相匹配的《环境温度温差系数换算表》，可明显地改善产品性能，提高质量。
3）经过长期研究，开发出的JT 聚合物水泥发泡保温板全自动生产线，已进行了推广应用。