超輕發泡水泥保溫板孔結構與性能關系研究

蘭明章，代丹丹 ，陳智豐，周　健，劉成健

(1.北京工業大學材料科學與工程學院，北京　100124；2.中國中材國際工程股份有限公司中材研究院，北京　100102；3.唐山北極熊建材有限公司，灤縣　063705)

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超輕發泡水泥保溫板孔結構與性能關系研究

蘭明章1，代丹丹1，陳智豐2，周健2，劉成健3

(1.北京工業大學材料科學與工程學院，北京100124；2.中國中材國際工程股份有限公司中材研究院，北京100102；3.唐山北極熊建材有限公司，灤縣063705)

發泡水泥中的孔結構在很大程度上決定了材料的力學和熱學性能。為了深入研究發泡水泥的孔結構與力學和熱學性能的關系，本文利用圖像分析法表征了發泡水泥的孔結構參數(氣孔率、氣孔尺寸)，測試了材料的抗壓強度和導熱系數。研究結果表明：氣孔率、孔壁厚度、氣孔尺寸對干密度、抗壓強度以及導熱系數均有影響。隨著氣孔率的增大，干密度、抗壓強度和導熱系數均呈現下降趨勢；在相同容重下，導熱系數隨著平均孔徑的增大而升高，抗壓強度隨之減小，發泡水泥的孔徑每增大1 mm，則抗壓強度減小25%～30%；氣孔尺寸分布近遵循對數正態分布(R2=0.95)，高密度的發泡水泥的對數正態分布擬合相關系數相對較高。

發泡水泥；孔結構參數；干密度；抗壓強度；導熱系數

1　引　言

泡沫混凝土中的孔可分為：凝膠孔、毛細孔以及由氣體引入產生的宏觀孔。凝膠孔對混凝土的徐變和收縮有一定的影響，但對強度沒有影響。毛細孔和其他的大孔則會降低泡沫混凝土的強度[1-4]。以上類型的孔參數分別可以通過氮氣吸附法、壓汞法、光學顯微鏡圖像分析法或X-CT計算機斷層掃描技術測試得到[5]。泡沫混凝土孔結構(氣孔率、孔尺寸以及孔徑分布)對其宏觀性能起著決定性的影響。管文[6]分析了孔結構對泡沫混凝土抗壓強度和吸水性能的影響，發現隨著泡沫混凝土孔徑的減小，抗壓強度提高而吸水率增大。Kearsleya等[7]對已有的強度與孔隙率經驗公式進行實驗數據擬合，通過大量的實驗數據分析，也發現了泡沫混凝土的強度與孔結構的關系，并擬合出了兩者關系的經驗公式，但是公式只涉及到孔隙率，沒有涉及到尺寸分布等孔結構參數，無法對孔結構與強度內在的適用性進行有效解釋。Kunhandan[8]研究了泡沫混凝土孔的尺寸分布，形狀因子，孔間距對泡沫混凝土強度的影響，認為中值孔徑變大引起強度變小。朱明等[9]對泡沫混凝土的孔結構與導熱性能的關系進行了實驗研究，指出泡沫混凝土的導熱系數隨著孔隙率的增大而降低，兩者存在指數關系。

前述的發現都是基于對干密度600 kg/m3以上的泡沫混凝土研究所得，隨著泡沫混凝土逐步向輕質化的發展，對于超低密度的泡沫混凝土(小于300 kg/m3)是否仍然遵循現有的規律，也是亟待研究探索。本文主要以化學發泡方式制得的超輕發泡水泥保溫板(小于200 kg/m3)為研究對象，研究發泡水泥保溫板中發氣孔孔結構參數，包括氣孔率、氣孔尺寸以及分布對超輕發泡水泥保溫板干密度、抗壓強度、導熱系數的影響。

2　實　驗

2.1原材料

(1)普通硅酸鹽水泥來自山東潤成粉體有限公司生產的P·O 42.5超細型普通硅酸鹽水泥，顆粒尺寸超細，中位粒徑D50可細至1 μm以下，達到次納米級，最大粒徑Dmax不超過18 μm，80%以上顆粒尺寸在5 μm以下；

(2)硫鋁酸鹽水泥來自唐山北極熊建材有限公司生產的52.5級高強快凝快硬高貝利特硫鋁酸鹽水泥；

(3)發泡劑：雙氧水(濃度27%)，產自天津市天昊化工有限公司；

(4)硬脂酸鈣：白色蓬松粉末，產自湖州市菱湖新望化學有限公司，其他外加劑和玄武巖纖維由唐山北極熊建材有限公司提供。

2.2實驗方法

2.2.1制備流程

圖1　發泡水泥制備工藝流程圖Fig.1　Manufacture of foamed cement

發泡水泥制備包括料漿配制、攪拌與澆注，具體流程如圖1所示。首先使用高速攪拌機對水和設定比例的干粉物料、外加劑攪拌120 s；然后在制備好的漿體中加入雙氧水，繼續攪拌至均勻為止，預計時間在 10 s左右；最后將發泡水泥漿體澆注到試模中，靜置發泡。

2.2.2孔結構測試方法

圖2　圖像二值化(10×)Fig.2　Image binaryzation(10×)

本文研究的氣孔是由雙氧水化學發泡，在硬化發泡漿體中形成的氣孔。本實驗切取 50 mm、30 mm、10 mm的發泡水泥樣品進行真空樹脂浸漬；待樹脂硬化后，對試件進行磨拋；在體式顯微鏡下放大10倍觀察拍照，然后用Matlab對圖像進行二值化處理，將照片處理成黑白照片，最后用圖像處理軟件(Image Pro Plus) 直接從處理過的照片上獲取氣孔率、孔面積等孔結構參數，再由孔面積通過換算得出孔徑分布等孔結構參數。通過Matlab圖像處理后的圖像如圖2。對于泡沫混凝土的實際孔隙率可采用公式1計算得到，采用公式計算和圖像分析法得到發泡水泥的孔隙率如表1所示，通過顯微圖像分析法得到的孔隙率低于公式計算，由于顯微鏡分辨率的限制，因而孔隙尺寸小于100 μm不能準確檢測或測量，圖像分析法主要測得是發泡水泥中的發氣孔。由于凝膠孔體積小于1%，且為水泥基材料固有的孔，對泡沫混凝土性能影響不大[8-10]，基于本實驗保持發泡水泥保溫版的水灰比不變，其毛細孔率也不發生變化，因此，本文主要通過圖像分析法得到發泡水泥保溫板的發氣孔率。

(1)

式中：ε-孔隙率;ρdry-發泡水泥干密度;ρsolid-水泥漿體的固體密度(無發泡劑)。

表1　公式計算與圖像分析孔隙率對比

2.2.3性能測試方法

干密度、抗壓強度測試參照GB/T11968-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》；

導熱系數測試參照GB/T10294-2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》。

3　結果與討論

3.1氣孔率與力學熱學性能關系

圖3　氣孔率與干密度擬合曲線Fig 3　Correlation between porosity and dry density

通過圖像處理法，得到不同干密度超輕發泡水泥保溫板的氣孔率，建立超輕發泡水泥保溫板氣孔率與干密度并進行線性擬合，擬合公式如(2)，擬合曲線如圖3所示，由圖中可以看出干密度與氣孔率呈現較高的線性相關關系，相關系數R2為0.9571，隨著氣孔含量的增加，干密度呈下降趨勢，由于發泡劑摻量的增加，產生的氣體量增多，大量的氣泡分散在料漿中，凝結硬化后取代了漿體的位置，從而導致干密度的下降。

ρ=721.5-8.128ε

(2)

式中：ε-氣孔率;ρ-干密度。

Kearsleya等[7]研究發現泡沫混凝土的抗壓強度和導熱系數與其孔隙率存在指數關系。本文發現發泡水泥的抗壓強度和導熱系數與其孔隙率也存在類似的指數關系，具體公式見(3)和(4)，擬合曲線如圖4，相關系數R2分別為0.9580，0.9573。隨著氣孔率的增大，抗壓強度和導熱系數均呈現下降趨勢。這是因為發泡水泥的發氣孔率越高，固相所占的比例越低，能夠承受抗壓強度的孔壁體積所占比例越小，抗壓強度越低；同時通過孔壁發生的熱傳導傳遞的熱量所占比例減小，熱量傳遞的效率越低，導熱系數越小。

σ=60.17ε-0.235P

(3)

λ=0.3442ε-0.028P

(4)

式中：σ-抗壓強度;λ-導熱系數;ε-氣孔率

圖4　氣孔率與抗壓強度和導熱系數擬合曲線Fig.4　Correlation between porosity and compressive strength or thermal conductivity

3.2孔壁厚度與力學熱學性能關系

圖5　樣本點孔壁測量Fig.5　Sample points measurement of hole wall

對不同容重等級(100～180 kg/m3)的超輕發泡水泥保溫板選取截面，每個截面選取10個樣本點，通過image pro plus軟件對某個樣本點進行統計如圖5所示，對所測量數據取均值。孔壁厚度與抗壓強度以及導熱系數的關系曲線如圖6所示。對平均孔壁厚度與抗壓強度，導熱系數均采用多項式形式進行擬合，擬合公式如式5和6。相關系數R2分別為0.9866和0.9502，平均孔壁厚度與抗壓強度相關系數較高。因為超輕發泡水泥保溫板是靠孔間壁的支撐作用來產生強度的，是強度的主要來源，因此，孔壁厚度越大，能承受荷載越大，抗壓強度越大。除此之外，孔間壁還會影響發泡水泥保溫板的密度，孔間壁越厚，保溫板的密度越大。同時可以得到，隨著孔壁厚度的增大，導熱系數隨之增大，由于孔壁厚度的增大導致固體體積分數增大，由固體熱傳導傳遞的熱量增多，導熱系數增大。對比平均孔壁厚度與抗壓強度相關系數大于平均孔壁厚度與導熱系數的相關系數。

σ=0.8297-0.0575t+0.0013t2

(5)

λ=0.0353-0.0006t-3.373×10-6t2

(6)

式中：σ-抗壓強度;λ-導熱系數;t-平均孔壁厚度。

3.3平均孔徑與力學熱學性能關系

對不同容重等級(100～180 kg/m3)的超輕發泡水泥保溫板，通過截面的氣孔面積換算得出孔徑。圖7為孔徑與干密度的關系曲線，干密度隨著孔徑的增大而減小，這是因為隨著干密度的減小，沒有較多的水泥漿體防止氣泡的碰撞，從而導致氣泡合并，氣孔尺寸增大。

圖6　平均孔壁厚度與抗壓強度及導熱系數擬合曲線Fig.6　Correlation between the average pore wall thickness and the compressive strength or thermal conductivity

圖7　平均孔徑與干密度關系Fig.7　Relationship between mean pore size and dry density

為研究孔徑對超輕發泡水泥保溫板力學和熱學性能的影響，需要保持氣孔率是一致的。因此保證發泡劑摻量不變，改變硬脂酸鈣的摻量調控其氣孔尺寸，研究氣孔尺寸對抗壓強度以及導熱系數的關系如圖8。在氣孔率相同的情況下，超輕發泡水泥保溫板抗壓強度與氣孔的尺寸有關系，氣孔的孔徑越小，混凝土的強度越高，發泡水泥的孔徑每增大1 mm，抗壓強度隨之減小25%～30%。當發泡水泥保溫板氣孔率相同時，孔徑小的抗壓強度明顯高于孔徑大的。因此，在制備超輕發泡水泥保溫板時，必須嚴格控制氣孔的尺寸，使孔徑大部分維持在1.5～2.0 mm以內，使保溫板實現低密度的同時保持較高的強度。導熱系數隨著平均孔徑的增大而升高，這是因為在氣孔率相同的情況下，孔徑越大，其孔數目越少，在試樣中存在越少的氣固界面，這樣就會減少熱量頻繁的從固體熱傳導到氣體熱對流，增大熱量傳遞的效率，從而導致導熱系數的增大。對于發泡水泥單純分析孔徑對導熱系數的影響是不合理的，應考慮氣孔率的影響。在提高氣孔率的同時，控制好孔徑對降低泡沫混凝土導熱系數有著至關重的作用。

圖8　平均孔徑與抗壓強度以及導熱系數關系Fig.8　Relationship between mean pore size and compressive strength or thermal conductivity

3.4孔徑分布與力學熱學性能關系

孔尺寸的頻率分布如圖9所示，超輕發泡水泥保溫板氣孔尺寸分布近遵循對數正態分布，概率密度函數如式7所示，擬合曲線的相關系數分別為0.85，0.88，0.91，0.95，干密度越高的發泡水泥的對數正態分布擬合相關系數越高，氣孔分布越均勻，孔尺寸多分布在1～2 mm范圍內。氣孔的均勻性對發泡水泥保溫板的強度影響很大。當發泡水泥保溫板受壓時，壓應力容易向大孔集中，導致大孔破裂，隨著破裂的大孔數量增多，并逐漸貫穿，形成發泡水泥保溫板的裂縫。當保溫板中的氣孔大小較一致時，各個氣孔受壓力較均勻，不太容易發生應力集中現象。因此，保持氣孔的孔徑均勻性對提高發泡水泥保溫板抗壓強度有很大關系。

(7)

其中：μ-均值;σ-標準偏差。

圖9　不同干密度的發泡水泥孔徑分布Fig.9　Different dry density of foamed cement aperture distribution

4　結　論

(1)干密度與氣孔率呈現較高的線性相關關系(R2=0.9571)，抗壓強度、導熱系數與氣孔率呈現較高的指數相關關系(R2=0.9580，R2=0.9573)。隨著氣孔率的增大，干密度、抗壓強度和導熱系數均呈現下降趨勢;

(2)超輕發泡水泥保溫板孔間壁是強度的主要來源，然而孔間壁同時影響發泡水泥保溫板的導熱系數，孔間壁越厚，保溫板的導熱系數越大。因此，制備發泡水泥保溫板的理想狀態是孔間壁不僅具有較高的強度而且薄;

(3)對于不同容重下的超輕發泡水泥保溫板，干密度越小，其平均孔徑越大。在相同容重下，導熱系數隨著平均孔徑的增大而升高，抗壓強度隨之減小，發泡水泥的孔徑每增大1 mm，則抗壓強度減小25%～30%。因此，在制備超輕發泡水泥保溫板時，必須嚴格控制氣孔的尺寸，使保溫板實現低密度的同時保持較高的強度;

(4)超輕發泡水泥氣孔尺寸分布近遵循對數正態分布，高密度的發泡水泥的對數正態分布擬合相關系數相對較高，氣孔的均勻性對發泡水泥保溫板的強度影響很大，因此，保持氣孔的孔徑均勻性，對提高發泡水泥保溫板抗壓強度有很大關系;

(5)對于超低密度的泡沫混凝土(小于300 kg/m3)，氣孔率、孔壁厚度、孔徑、孔徑分布得到的實驗規律與傳統的較高干密度(大于600 kg/m3)的泡沫混凝土實驗規律是一致的。

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Relationship between the Pore Structure and the Properties of Ultralight Foamed Cement Insulation Board

LAN Ming-zhang1,DAI Dan-dan1,CHEN Zhi-feng2,ZHOU Jian2,LIU Cheng-jian3

(1.College of Material Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Sinoma Research Institute,Sinoma International Engineering Co.Ltd.,Beijing 100102,China;3.Tangshan Polar Bear Building Materials Co.Ltd.,Luanxian 063705,China)

The pore structure of foamed cement is of great importance to the mechanical and thermal properties. This paper aims to explore the relationship between the pore structure and the mechanical and thermal properties of foamed cement. Image analysis was conducted to characterize the pore structure of foamed cement,and porosity and average pore size were computed to describe the pore structure. The compressive strength and thermal conductivity was also experimental determined. The results show that pore volume,pore size,pore spacing have large influence with dry density,compressive strength and thermal conductivity. For the ultra-light foamed cement insulation board with the same density,thermal conductivity increase with the increase of the mean pore size,each increase of 1 mm in average pore size results in a decrease of 25%-30% in compressive strength. Pore size distribution is nearly in lognormal distribution (R2=0.95),and the lognormal distribution fitting correlation coefficient of higher density foam cement is relatively high.

foamed cement;pore structure parameters;dry density;compressive strength;coefficient of thermal conductivity

國家科技支撐計劃項目子課題(2013BAJ01B04-2)

蘭明章(1964-)，男，博士，教授級高工.主要從事生態建筑材料與新型建筑材料方面的研究.

TD985;O657

A

1001-1625(2016)02-0518-07