納米SiO2微粒對泡沫混凝土性能影響分析

肖文淇,趙洪凱

(吉林建筑科技學(xué)院,吉林 長春 130114)

民用建筑節(jié)能已成為全球能源危機(jī)背景下最迫切需要解決的難題之一[1]。保溫隔熱材料的應(yīng)用,在降低現(xiàn)代民用建筑使用壽命周期能耗的同時(shí),還能明顯減少建筑圍護(hù)層的熱損失。

目前在一些國家,建筑能耗已超過總能耗的35%[2-3],為了降低建筑能耗,許多國家都出臺(tái)了相關(guān)政策,例如使用保溫材料[4-6]。絕熱材料多為多孔輕質(zhì)材料,一般可分為兩大類[7-8],一類為有機(jī)絕熱材料,另一類為無機(jī)絕熱材料。由于有機(jī)保溫材料具有可循環(huán)利用和節(jié)約資源的優(yōu)點(diǎn),在過去幾十年中,有機(jī)保溫材料的應(yīng)用非常廣泛[9]。然而,在發(fā)生的火災(zāi)中,發(fā)現(xiàn)有機(jī)保溫材料存在火災(zāi)安全隱患[10-11]。許多國家已在建筑外保溫系統(tǒng)中應(yīng)用無機(jī)保溫材料,逐步取代了耐火性能好的有機(jī)保溫材料。泡沫混凝土則成為常用的無機(jī)保溫材料之一,泡沫混凝土是以水泥為基礎(chǔ)材料,經(jīng)物理發(fā)泡或化學(xué)發(fā)泡制備而成,與有機(jī)保溫材料相比,其保溫性能較好,但由于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,在一定程度上限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

近年來,在執(zhí)行各種建筑能效評級制度的基礎(chǔ)上,大力推廣高能效建筑。因此,用于改善建筑的各種絕緣體的實(shí)用方法也逐漸被國際建筑界重視。生產(chǎn)絕緣體所必需的材料聚苯乙烯發(fā)泡塑料具有極好的絕緣性和較輕的質(zhì)量。但潛在的危險(xiǎn)是,因?yàn)樗紵俣瓤?釋放的有害氣體很多,暴露在火場里[12]。因此,逐漸提高了對無機(jī)絕緣體的低傳熱性能的要求。

作為建筑行業(yè)的保溫材料,泡沫混凝土由于孔隙連接增多,在潮濕環(huán)境中,孔隙結(jié)構(gòu)經(jīng)常表現(xiàn)為連續(xù)性、高吸水性, 因而造成泡沫混凝土熱傳遞阻力的提升。此外,泡沫混凝土的連續(xù)孔隙結(jié)構(gòu),如受凍破裂或霉菌擴(kuò)散等,吸收的水分往往會(huì)引起二次損害。因?yàn)槌杀镜?制備方便,孔隙率高,熱導(dǎo)率低,防火性能好,所以倍受重視[13]。本文擬在泡沫混凝土中摻入不同占比的納米SiO2,分析摻入納米SiO2微粒后泡沫混凝土的保溫性能和力學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為吉林亞泰水泥股份有限公司提供的鼎鹿牌普通硅酸鹽水泥,強(qiáng)度為 P.O 42.5,比表面積為 800 m2/kg,符合 《硅酸鹽通用水泥》(GB 175—2020)標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)泡劑為山東制造生產(chǎn)的動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑,外表呈深褐色液體、氣味明顯。納米SiO2(Nano-silica,NS)來源于德國瓦克制備生成,粒徑處于30 nm～40 nm范圍之間,表面積為110 m2/g～140 m2/g之間不等。水為實(shí)驗(yàn)室自制去離子水。羥丙基甲基纖維素(HPMC)、鋁酸鈉和聚丙烯纖維均為鼎盛孚美科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 配合比設(shè)計(jì)

泡沫混凝土中添加了一定量的HPMC、鋁酸鈉和聚丙烯纖維三種材料,以改變泡沫混凝土材料的性能。羥丙基甲基纖維素(HPMC)可以提高溶液的濃稠性,使得泡沫的穩(wěn)定性得到提高;鋁酸鈉能夠促進(jìn)水泥的水化反應(yīng);而聚丙烯纖維能夠有效抑制收縮開裂,同時(shí)可略微提高強(qiáng)度。試驗(yàn)主要應(yīng)用了單因素變量法,確定納米SiO2的摻量,以基本試樣為對照組,通過納米SiO2不同摻量的添加,研究并分析試樣干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能及微觀結(jié)構(gòu)。具體配比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)配比

1.2.2 試樣制備

先將HPMC與水混合攪拌,然后將水泥、鋁酸鈉、聚丙烯纖維和納米SiO2按照試驗(yàn)要求的比例混合攪拌均勻,然后將兩者混合攪拌在一起,按照規(guī)定的攪拌時(shí)間和速率攪拌成均勻穩(wěn)定的漿料,再加入發(fā)泡劑繼續(xù)均勻攪拌,最后注入試模。并按照相應(yīng)的性能測定標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試樣的維護(hù)和處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiO2對泡沫混凝土性能影響

2.1.1 干密度

通過對制備的泡沫混凝土試樣進(jìn)行測試,探究納米SiO2的質(zhì)量占比與泡沫混凝土干密度之間的關(guān)系。干密度隨NS質(zhì)量占比關(guān)系如圖1所示。泡沫混凝土干密度增高是由于NS密度大于水溶液密度,隨著溶液中NS摻量的增加使得泡沫混凝土密度增高。

圖1 NS的質(zhì)量占比對干密度的影響

2.1.2 抗壓強(qiáng)度

泡沫混凝土在3 d、7 d、28 d齡期抗壓強(qiáng)度的測定結(jié)果見圖2。

圖2 不同NS摻量的抗壓強(qiáng)度

由圖2可知,對于不同摻量的泡沫混凝土試樣,隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,其強(qiáng)度也隨之增加。當(dāng)NS摻量為2%時(shí),測得3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為0.85 MPa、3.33 MPa、5.40 MPa。摻量增加至10%時(shí),其3 d、7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度分別為1.19 MPa、4.18 MPa、6.47 MPa。相比NS摻量為2%增加40.9%、25.6%、19.8%。這表明,隨著NS摻量的增加,抗壓強(qiáng)度顯著提高。泡沫混凝土中NS的摻量為2%,4%,6%,8%,10%時(shí),泡沫混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度為5.42 MPa,5.68 MPa,5.9 MPa,6.21 MPa,6.49 MPa,較基準(zhǔn)試樣強(qiáng)度有明顯提高,28 d基準(zhǔn)試樣強(qiáng)度為3.59 MPa。與此值相比,NS 摻量為2%和10%的抗壓強(qiáng)度分別為基準(zhǔn)試樣抗壓強(qiáng)度的1.5倍和 1.8倍。

由文獻(xiàn)[14]可知,大部分納米SiO2都會(huì)反映出一定程度的火山灰活性,這種屬性主要是由于其自身存在的比表面積大量的水化硅酸鈣(C-S-H)出現(xiàn)在水化產(chǎn)物Ca(OH)2的化學(xué)反應(yīng)中,對應(yīng)的方程式被表述為:

3Ca(OH)2+nH2O+2SiO2→3CaO·2SiO2·(n+3)H2O

由于納米SiO2微粒附著在泡沫混凝土表面,NS與氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),可使孔壁內(nèi)部的孔隙填平,繼而使孔壁強(qiáng)度增高,從而顯著增強(qiáng)泡沫混凝土的力學(xué)性能,在孔壁內(nèi)生成一層無片狀水化物,即 C-S-H 水化物。

2.1.3 納米SiO2對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

導(dǎo)熱系數(shù)越小其保溫性能越好,為了降低導(dǎo)熱系數(shù),通過改變納米SiO2摻量,使得材料起到較好的保溫效果。

由圖3可知,當(dāng)添加不同摻量的NS時(shí),導(dǎo)熱系數(shù)隨摻量的增加而減小,保溫性能逐漸變好。在NS摻量為2%和10%的情況下,泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.118 W/(m·K)和0.088 W/(m·K),與之相比降低了 25.8%。隨著NS摻量的增加,其絕熱性能顯著提升。

圖3 不同NS摻量的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)

由于氣泡尺寸分布變窄,泌水通道逐漸變成結(jié)點(diǎn),同時(shí)結(jié)點(diǎn)和通道處聚集了大量的納米SiO2聚合體,導(dǎo)致泌水通道被堵塞,水分吸收量減少,通道表面被完全包住,從而更好地分離氣泡,導(dǎo)致泌水通道的連通程度降低。影響熱傳導(dǎo)因素主要有三點(diǎn):氣泡孔大小、氣孔構(gòu)造、氣泡孔穩(wěn)固性。

2.2 納米SiO2對泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

試樣SEM掃描電鏡圖片如圖4所示。圖4(a)為試樣Ref的SEM圖,由于沒有摻加納米NS顆粒,可以在孔壁的內(nèi)壁上清晰看見大量的氫氧化鈣存在。圖4(b)為試樣NS5的SEM圖,在此試樣中摻入了10%的納米NS顆粒,可見其內(nèi)部不產(chǎn)生氫氧化鈣,而是產(chǎn)生水化產(chǎn)物,即水化硅酸鈣(C-S-H),將試樣孔壁中的孔隙通過C-S-H填充,使孔壁強(qiáng)度升高,同樣試樣的抗壓強(qiáng)度也相對增強(qiáng)。

圖4 NS泡沫混凝土孔壁形貌圖

2.3 納米SiO2對泡沫混凝土孔徑結(jié)構(gòu)影響及其分布測定

借助電子顯微鏡觀察不同NS摻量泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)見圖5。

(a) NS1 (b) NS2 (c) NS3 (d) NS4 (e) NS5圖5 不同NS摻量的泡沫混凝土的掃描電子顯微鏡(上)及對應(yīng)的二值化圖像(下)

由圖5可知,基準(zhǔn)試樣的泡沫混凝土內(nèi)部孔徑較大,且孔徑分布不均,存在孔洞相連的現(xiàn)象,隨著NS摻量增加泡沫混凝土大孔隙相對含量不斷降低,小孔隙顯著增加,孔隙連通得到明顯改善,孔徑分布趨于均勻。且不存在連通孔的現(xiàn)象。

不同NS摻量孔徑分布情況參考圖6。由圖6(a)發(fā)現(xiàn)基準(zhǔn)試樣的孔徑分布范圍較寬,孔徑大小相對不均勻,在1 000 μm～2 000 μm的范圍內(nèi),仍有許多泡孔存在,且孔徑尺寸越大,對泡沫混凝土吸水率的影響越大,導(dǎo)熱性能的影響也就越大,但隨著NS摻量的逐漸增加。發(fā)現(xiàn)NS1、NS2、NS3、NS4、NS5試樣的孔徑分布范圍逐漸變窄,并且在小孔徑范圍內(nèi)分布較多,孔徑大小分布相對均勻。與基準(zhǔn)試樣相比,圖6(d)試樣NS3的孔徑尺寸在200 μm～600 μm范圍分布較多,但在1 000 μm～2 000 μm范圍也存在少量的泡孔。當(dāng)NS摻量為5%時(shí),試樣NS5的孔徑尺寸在200 μm～400 μm范圍的較多,而1 000 μm～2 000 μm范圍的大孔徑的泡孔幾乎沒有,如圖6(f)所示。這說明,隨著 NS 摻量的增加,孔徑尺寸細(xì)化,分布更加均勻,主要是由于納米NS在氣泡表面排布,阻礙了氣泡的運(yùn)動(dòng),使生成的氣泡內(nèi)部完整存在,因此,NS的摻量增加,孔徑尺寸也就更加均勻。

圖6 不同NS摻量的泡沫混凝土的孔徑分布圖

2.4 三相泡沫穩(wěn)定機(jī)理分析

Jones M R[15]在其開展的相關(guān)研究中表示,對于大多數(shù)泡沫混凝土來說,其呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)的主要因素其實(shí)是泡沫受到的浮力,造成泡沫不易控制,容易脫離漿料,從而使氣相固相完全分離,泡沫混凝土漿體塌陷,如圖7所示。

圖7 超低密度泡沫混凝土塌陷示意圖

泡沫與水泥漿料混合后,氣泡會(huì)出現(xiàn)一定的分離現(xiàn)象,不同類型的力作用于氣泡表面,由于表面活性劑的作用,在一定程度上影響了泡沫的表面張力,同時(shí)也影響了氣泡浮力,從而產(chǎn)生了相應(yīng)的變化。氣泡受力圖如圖8所示,圖8(a)顯示了漿料中普通泡沫所施加的力,氣泡在每個(gè)力的作用下逐漸趨于平衡。在具體的反應(yīng)過程中,氣泡受到浮力的影響不斷呈現(xiàn)上升的趨勢,上升導(dǎo)致極限力(Fc)減小,氣泡的體積不斷增大,與空氣接觸后,受到表面張力的變化產(chǎn)生聚結(jié),再次長大,一旦與表面接觸就會(huì)發(fā)生破裂,出現(xiàn)坍塌。

圖8 普通氣泡受力圖和摻加NS受力圖

圖8(b)主要表述為HPMC和NS在泥漿中施加的力的示意圖。HPMC在摻入水泥基漿料中時(shí),由于NS顆粒可自由吸附在氣泡表面,受時(shí)間影響,表面張力呈下降趨勢,因此可實(shí)現(xiàn)液膜強(qiáng)度的顯著提高,再加上氣泡逐漸被納米顆粒表面包裹,使得水泥漿和氣泡之間的表面積不斷增大,導(dǎo)致移動(dòng)摩擦阻力不斷增大,進(jìn)而在漿體內(nèi)泡孔能夠穩(wěn)定存在,隨著引入納米NS的摻量增加,摩擦阻力相對變大,氣泡也越難移動(dòng)。由此可見,基于多孔材料完成水泥的制備,能夠有效實(shí)現(xiàn)氣泡尺寸的細(xì)化,實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的提升。

泡沫混凝土為氣泡和水泥漿料組成的兩相系。當(dāng)混凝土凝結(jié)時(shí),體系開始收縮,而水泥漿料卻開始膨脹。當(dāng)氣泡與水泥漿料混合后,氣泡表面張力穩(wěn)定著材料體系,使其不會(huì)被破壞。但如果時(shí)間過長,表面張力就會(huì)逐漸降低,如果泥漿強(qiáng)度沒有達(dá)到氣泡穩(wěn)定性的下限,氣泡就會(huì)破裂,導(dǎo)致泡沫混凝土無法達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。在本試驗(yàn)中,我們采用了納米顆粒和穩(wěn)定劑,有效地改善了表面張力,當(dāng)泥漿強(qiáng)度剛好達(dá)到氣泡穩(wěn)定性的下限時(shí),泡沫并未破裂,從而使泡沫混凝土的性能指標(biāo)得到了預(yù)期的效果。這就是通過運(yùn)用三相泡沫的實(shí)驗(yàn)方法,有效地改善泡沫混凝土性能的原理。

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)主要完成了納米 NS 顆粒對泡沫混凝土的性能影響和分析,從干密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、微觀孔隙結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱系數(shù)共 5 個(gè)因素進(jìn)行研究,并以此為基礎(chǔ),對泡沫混凝土自身的穩(wěn)定性增強(qiáng)原理進(jìn)行了分析,總結(jié)如下:

(1) 基準(zhǔn)試樣泡沫混凝土的干密度為411.07 kg/m3,隨著納米NS摻入量的增加,其干密度也變大,當(dāng)納米NS顆粒質(zhì)量摻量為10%時(shí),比基準(zhǔn)試樣的干密度增加7.2%,這主要是因?yàn)榧{米NS的密度大于水溶液。因此使得泡沫混凝土的干密度有所增加。

(2) 摻入10%納米SiO2泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度比基準(zhǔn)試樣高80.6%。由于NS吸附在氣泡表面,與水化產(chǎn)物氫氧化鈣實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng),在孔壁上形成了C-S-H凝膠,使孔壁致密均勻,同時(shí)泡沫混凝土的孔徑也因NS的引入而變得更加細(xì)密、分布更加均勻。

(3) 泡沫混凝土干密度的大小與保溫隔熱性能有直接的關(guān)系。納米NS顆粒質(zhì)量摻量為10%時(shí),其導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.088 W/(m·K)。隨著納米NS摻量越來越大,吸水性和導(dǎo)熱性也逐漸變小。由此可見,在不同的節(jié)點(diǎn)區(qū)域中通常會(huì)出現(xiàn)一定量的納米SiO2團(tuán)聚體,導(dǎo)致水分的吸收量變少,泡孔表面被包裹趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此吸水率降低的同時(shí)其保溫性能也相應(yīng)得到改善。

(4) 通過掃描電子顯微鏡觀察泡沫混凝土的孔體結(jié)構(gòu)可以看出,利用納米NS可以提高泡沫混凝土的穩(wěn)定性和力學(xué)性能,隨著時(shí)間的延長,氣泡的表面張力逐漸降低,漿體與氣泡的比表面積增大的同時(shí),其摩擦阻力也隨之增大,從而使氣泡在水泥漿料中穩(wěn)定地排列。孔結(jié)構(gòu)也相應(yīng)得到改善,從而力學(xué)性能增強(qiáng)。

(5) NS的引入之所以增強(qiáng)了泡沫混凝土的穩(wěn)定性,是因?yàn)镹S顆粒在氣泡表面吸附了自由能量,此時(shí)受時(shí)間影響,表面張力呈下降趨勢,使得水泥漿與氣泡的比表面積不斷增大,移動(dòng)摩擦阻力也隨之增大,進(jìn)而在漿體內(nèi)部穩(wěn)定了大量的泡孔,有效的實(shí)現(xiàn)了泡孔尺寸的細(xì)化,因此,NS顆粒在氣泡表面的穩(wěn)定性也有相對提高。