一種發泡混凝土的制備及性能研究

安朝霞

摘要：本文采用快硬硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，以雙氧水（27.5%）和硬脂酸鈣，分別作為發泡劑和穩定劑，同時添加促凝早強劑制備了一種發泡混凝土材料。通過改變發泡劑的摻量分析干密度、吸水率、力學性能以及導熱系數等性能的變化規律。

關鍵詞：快硬硫鋁酸鹽水泥；發泡混凝土；發泡劑摻量；性能

0. 前言

發泡混凝土通常是用機械方法將泡沫劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到硅質材料、鈣質材料、水及各種外加劑組成的漿料中[1]。經混合攪拌、澆注成型、養護而成的一種多孔材料。也可通過原位發泡[2]（化學反應生成氣體）制備泡沫，例如鋁粉在堿性環境中釋放氫氣；雙氧水生成氧氣等。由于具備質輕、隔熱、耐火、抗凍性好等特點，發泡混凝土及其制品具有廣闊的應用前景[3]，發泡混凝土砌塊、發泡混凝土輕質墻板等已經應用于建筑節能墻體材料中。此外發泡混凝土制品屬于燃燒等級為A級的不燃材料，因此將其作為保溫材料領域的應用將越來越廣，制品方面的研究也會越來越多。但發泡混凝土作為保溫材料使用時，得到的制品普遍強度偏低，吸水率高，影響了其推廣及應用。另一方面，作為發泡混凝土的主要組成部分，發泡劑的研制和開發，對于發泡混凝土的性能和應用具有關鍵性的作用[4]。由于目前發泡劑的種類多種多樣，且檢測方法不統一， 使得發泡劑的選擇與應用存在很大困難。本文采用雙氧水（27.5%）與硬脂酸鈣，分別作為發泡混凝土的發泡劑和穩定劑，制備了一種發泡混凝土材料。經測試，該材料各項指標均符合標準規范的要求。同時，通過調整泡沫摻量可以控制發泡混凝土材料的容重等級，并探討其對干密度、吸水率、力學性能、熱工性能等方面的影響，為發泡混凝土的設計與應用提供參考。

1. 試驗原材料及方法

1.1.1原材料

水泥： 42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥

發泡劑：27.5%雙氧水

穩定劑：硬脂酸鈣

促凝劑：鋰鹽類促凝早強劑

減水劑：三聚氰胺減水劑

1.1.2 試驗儀器

SHT4305-W 微機控制電液伺服萬能試驗機

CD-DR3030 導熱系數測定儀

數顯鼓風恒溫干燥箱

恒溫水槽

1.2試驗方法

1.2.1 發泡混凝土材料的制備

將水泥，泡沫穩定劑，水泥促凝劑，減水劑等材料混合均勻，加水攪拌120S至漿體均勻。在漿體中加入雙氧水，繼續攪拌至均勻為止。通過檢測發泡混凝土的容重等級，控制材料的均勻性與泡沫的致密性。硬化成型的試樣在室內自然養護，1天后脫模，養護至試驗齡期。

1.2.2 原材料作用

（1）膠凝材料中的快硬硫鋁酸鹽水泥可用粉煤灰部分取代；

（2）硬脂酸鈣可以增大漿體的粘度，使泡沫致密、穩定；

（3）鋰鹽類促凝劑可以使水泥水化誘導期消失[5]，水泥加水后直接進入水化加速期，從而與雙氧水的發泡時間相一致；

（4）三聚氰胺減水劑降低水灰比，提高材料的強度。

1.2.3 性能測試方法

測試試樣的絕干密度、吸水率、導熱系數和3d、7d、28d齡期的抗壓強度。試樣的絕干密度，吸水率測試參照GB/T11970-1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率試驗方法》、抗壓強度測試參照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌塊》、導熱系數測試參照 GB/T10294《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》。

1.2.4 材料測試結果

試驗中取水灰比分別為0.5，0.6，當制備的材料容重分別為680Kg/m3，610Kg/m3時，各項測試指標結果如表1所示：

表1.材料的測試結果

測試項目 水灰比0.5 水灰比0.6

干密度（Kg/m3） 513 470

吸水率（%） 15 20

28d抗壓強度（MPa） 2.65 1.51

導熱系數W/（m·K） 0.092 0.088

2 試驗結果分析

2.1泡沫摻量對發泡混凝土絕干密度、吸水率的影響

本文中氣泡的產生主要通過雙氧水的發泡作用，即2H2O2=2H2O+O2↑。雙氧水在堿性介質中易分解，泡沫的摻量可以通過雙氧水的用量控制，取雙氧水摻量為膠凝材料的2%，3.3%，4%，5.3%，6.6%分別成型，養護。根據GB/T11970-1997《加氣混凝土體積密度、含水率和吸水率試驗方法》測試材料的絕干密度與吸水率。所得結果如圖1.2所示：

圖1. 泡沫摻量對絕干密度的影響

當雙氧水摻量較低時，發泡倍數低，發泡混凝土膨脹小，成型相同體積需要的材料更多，絕干密度較大。雙氧水摻量較高時，成型過程中混凝土膨脹較大，但是狀態不易保持，泡沫最終沉降、破裂。

圖2.泡沫摻量對吸水率的影響

圖2中，隨著泡沫含量的增多，氣孔增多，吸水率變大。當雙氧水摻量超過膠凝材料的4%時，吸水率超過40%。

2.2泡沫摻量對發泡混凝土力學性能的影響

硬化成型的試樣在室內自然養護，1天后脫模，參照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌塊》測試兩種不同水灰比（0.5、0.6）下試樣的3d，7d，28d抗壓強度。圖3是兩種不同水灰比時，泡沫摻量對28d抗壓強度的影響。

圖3. 泡沫摻量對抗壓強度的影響

由圖3可以看出，隨著泡沫含量的增多，試樣的抗壓強度降低。當水灰比為0.6時，雙氧水摻量超過膠凝材料的5%，則28d抗壓強度<0.4MPa。

2.3泡沫摻量對發泡混凝土導熱系數的影響

參照 GB/T10294《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》對試樣在兩種不同水灰比下的導熱系數進行測試。根據標準中的要求，成型試樣的尺寸為300mm×300mm×25mm。導熱系數隨泡沫摻量的變化如下圖所示：

圖4. 泡沫摻量對導熱系數的影響

從上圖得到，泡沫摻量的增多，材料的導熱系數降低。這是因為隨著泡沫的增多，材料內部的封閉氣孔增多，而封閉氣孔中含有大量的空氣，空氣的導熱性能很差（導熱系數0.02w/（m·k）），所以材料的導熱系數降低。另一方面，水灰比大的，導熱系數相對更低。因為水灰比大時，水泥粒子的分散空間擴大，水泥水化程度增大，導致水泥漿膜增多，界面的增加使得材料中熱能穿透阻力增大，導熱系數更低。

3 結論

（1） 以鋰鹽類為促凝劑，可以調節雙氧水發泡時間與快硬硫鋁酸鹽水泥凝結時間配合較好，從而有利于材料強度的提高與形貌優化。

（2） 泡沫含量增多，發泡混凝土的干密度降低，吸水率增大，抗壓強度降低，導熱系數變小。但泡沫摻量過大時，導致坍泡多，狀態不穩定。

（3） 當雙氧水含量>膠凝材料的4%時，材料的吸水率>40%；雙氧水含量>膠凝材料5%時，以水灰比0.6制備的材料28d抗壓強度<0.4MPa。

（4） 由于界面增加對熱能穿透阻力的增大，泡沫摻量相同時，水灰比較大的材料，導熱系數更低。

參考文獻：

[1] 高倩，王兆利，趙鐵軍.泡沫混凝土[J].青島建筑工程學院學報，2002，23（3）：113–115.

[2] 何繼敏. 新型聚合物發泡材料及技術[M].化學工業出版社，2008： 37–38.

[3] 張磊，楊鼎宜.輕質泡沫混凝土的研究及應用現狀[J].混凝土，2005（8）：44–48.

[4] 高波，王群力，周孝德.混凝土發泡劑及泡沫穩定性的研究[J].粉煤灰綜合利用，2004（1）：25–28.

[5] 韓建國，閻培渝.鋰化合物對硫鋁酸鹽水泥水化歷程的影響[J].硅酸鹽學報，2010，38（4）：608–614.