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水泥基超轻质泡沫混凝土的比例和表征

黄昭明a，b，c，张胜生a，文子云

a华南理工大学材料科学与工程学院，广州510640

b中山市成盛建筑材料研发有限公司，中国中山528447

c中山建筑设计研究院有限公司，中国中山528403

重点：

·成功制备了超轻型波特兰水泥基泡沫混凝土。

·通过加入增稠剂和稳定乳液可以避免崩塌和气孔逃逸。

·最佳发泡温度和W / CM比分别为45℃和0.55。

·超轻质泡沫混凝土中的大多数孔是尺寸为2.0-4.0mm的非连接孔。

·超轻的泡沫混凝土显示较低的导热性，所需的机械性能。

摘要：由于人们期望好的隔热性能，优异的耐火性和更高的耐久性，建议使用超轻量的泡沫混凝土以实现建筑物的能量效率。通常，铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和其他快速硬化水泥材料用于控制泡沫混凝土中空气间隙的稳定性，这些特殊的水泥材料相对昂贵并且不普遍可用，阻碍了泡沫混凝土的应用和普及。在本研究中，研究了波特兰水泥基超轻质泡沫混凝土的配比和性能。结果表明，使用波特兰水泥、飞灰、过氧化氢和化学混合物可制备表观密度为100-300kg / m ³的超轻质泡沫混凝土。通过向泡沫混凝土中加入增稠剂和泡沫稳定乳液可以避免破裂和空隙逃逸。超轻质泡沫混凝土中的大多数孔是尺寸为2.0-4.0mm的非连接孔，导致较低的导热性，所需的压缩和拉伸强度。

关键词：硅酸盐水泥；泡沫混凝土；超轻重量；过氧化氢；导热系数

1 前言

由于将“可持续性”作为评估材料和建筑物的关键标准的广泛采用，人们对建筑和建筑的整个使用寿命期间的能源效率和二氧化碳减排越来越关注，因此，绝热材料广泛用于建筑物中。与聚苯板和发泡聚苯乙烯（EPS）轻质混凝土等有机热绝缘材料相比，泡沫混凝土具有理想的隔热性能，优越的耐火性和耐久性[1–4]。

泡沫混凝土是通过在水泥浆或水泥砂浆中加入发泡剂来制造的[5]。 制备过程的关键是泡沫混凝土的发泡过程和硬化过程的匹配，因此铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥和其他快速硬化水泥材料通常用于控制泡沫混凝土中气泡的稳定性[6]。 然而，这些泡沫混凝土表现出差的耐久性和高成本，并且特殊水泥的可用性相对困难，所有这些都导致泡沫混凝土的应用和普及的限制。此外，对密度为600-1500 kg / m³的泡沫混凝土的组成，物理性质和应用进行了许多研究[7-11]，而对超轻质泡沫混凝土（lt;300kg / m ³）的组成和性能进行了少量研究，其表现出优于前者的绝热性能[12]。

表1 实验中使用的波特兰水泥和飞灰的化学成分

图1 波特兰水泥和飞灰的粒度分布

在本文中，使用波特兰水泥，飞灰，过氧化氢和化学添加剂制备超轻质泡沫混凝土。 研究了影响超轻质泡沫混凝土性能的因素，并评估了泡沫混凝土的抗压强度，导热系数和表观密度之间的关系。研究结果将对波特兰水泥基超轻质泡沫混凝土的制备和应用非常有用，从而对建筑物的能源效率很有益处。

2 实验流程

2.1原料

在实验中使用波特兰水泥和低钙飞灰（根据ASTMC 618 [13]的F类飞灰），它们的化学组成和粒度分布在表1和图2中给出。波特兰水泥的基本性质列于表2中。选择浓度为27.5质量％的工业过氧化氢溶液作为发泡剂。聚丙烯纤维的尺寸为ɸ 30mu;m * 9mm，以提高泡沫混凝土的抗开裂性（参见图2）。使用增稠剂（黄原胶，纤维素醚和可再分散乳液粉末的混合物）来增加糊料的稠度和泡沫混凝土中气隙的壳厚度。泡沫稳定乳液（由硬脂酸（CH 3（CH 2）16 COOH），NaOH，KOH和氨合成）也用于在液体 - 蒸气界面处形成双电层并加速水泥糊的凝固。

表2 实验中使用的波特兰水泥的基本性能

图2 超轻型泡沫混凝土中使用的聚丙烯纤维的照片

2.2泡沫混凝土的制备

在环境室中在20plusmn;1℃下根据表3中所列的比例制备泡沫混凝土。该过程如图3所示,并规定如下：首先，在加热到所需温度（35,40,45,50,55℃）后，将一定量的自来水注入搅拌槽中，然后将波特兰水泥，飞灰，聚丙烯纤维，泡沫稳定乳液和增稠剂逐渐加入搅拌槽中。搅拌210秒后，将过氧化氢倒入搅拌槽中，再搅拌11秒。然后立即将发泡糊料浇铸到36*36*46 cm³模具中，直到填充约30％的深度（将2cm塑料片放置在钢模的内侧以保持泡沫混凝土的温度，并且塑料片的内侧也用聚乙烯膜覆盖以避免泄漏） 。当发泡过程完成（约18分钟）时，用聚乙烯膜覆盖暴露的顶表面以避免水分蒸发，然后用2cm塑料片密封。在20plusmn;1℃下固化6天后进行脱模处理，然后将每个样品完全用聚乙烯膜覆盖并在20plusmn;1℃下再固化28天。最后，将试样分别切割成板的导热率试验和抗压强度试验，所有试样在60℃下干燥直至达到恒重。

表3 本研究中混合比例制备的泡沫混凝土

*括号中的数字：与水泥质材料的质量比

图3 本研究中超轻量泡沫混凝土的制备程序

2.3测试方法

2.3.1表观密度测量

长宽高为10* 10*10 cm3样品（从36*36*46 cm3样品切下），然后测量样品的体积。同时，测试样品的重量，因此表观密度（rho;A）可以通过方程式（1）计算：

（1）

其中，m是试样的重量，v是试样的体积。具有相同混合比例的六个样品的平均体积密度

被选择作为泡沫混凝土的表观密度。

2.3.2抗压强度和抗拉强度测量

10*10*360 cm³试样和从36*36**46cm³ 中切割的10*10*10cm³样品用于压缩和拉伸强度的测量， 测量每个试样的承载表面积用于计算泡沫混凝土的强度。由于在本研究中制备的泡沫混凝土的强度位于0.1-1.0MPa的范围内，因此负载率设定为0.05kN / s。 记录的最大负荷被认为是破坏负荷，然后泡沫混凝土的抗压强度和拉伸强度计算为六个平行试样的平均值。

2.3.3连通孔体积测量

首先，测量10*10*10cm³的质量记作m1，然后将样品在20plusmn;1℃的水中浸泡24小时后，将试样从水浴中取出，然后在表面剩余的水被擦掉之后立即称重（表示为m2）。泡沫混凝土的连通孔隙体积（c）由式（2）计算：

其中rho;水是水的比密度（1kg / cm ³），ɸ是通过图像分析获得的混凝土泡沫的孔隙率，V是试样的体积（cm³）。

2.3.4热导率测量

使用自动平台热电导率计来测量泡沫混凝土的热导率[5]。 列表标本（300*300*37.5mm ³）置于两块板之间，热和冷板的温度分别设定为35℃和20℃，然后热流速率在达到平衡条件之后测量。 导热系数（k）由式（3）计算：

其中，ɸ是热流率（J / s），d是试样的平均厚度（m），A是试样面积平均值（m2），Delta;T为热冷温差板（℃）。

2.3.5泡沫混凝土孔隙结构的表征

将10*10*360cm ³样品切成几片（50*50*20mm ³），然后使用光学显微镜对横截面进行编号和拍照[14,15]。对于给定的泡沫混凝土，将获得的图像至少50个转换为二进制图像，然后通过Image-pro plus 6.0分析和计算黑白图像，如图4所示。目的孔的直径被认为在0.02-5.00mm的范围内，并且在统计期间忽略边界气隙。

图4 通过图像分析计算泡沫混凝土的空气 - 空气特性的程序

3 结果与讨论

3.1增稠剂对泡沫混凝土中空隙稳定性的影响

在没有增稠剂的泡沫混凝土的发泡过程期间，观察到显着的塌陷并且大量的空气逸出，如图5所示。因此表观密度高达931kg / m³，如表4所示。当加入1％的增稠剂时，在发泡过程中可以避免坍塌和可见的空气逸出，表明在空气 - 泡沫混凝土在添加增稠剂后更加稳定。 表观密度为262kg / m ³，非常接近目标值（250kg / m ³）。相反，当增稠剂的添加量高于1％时，随着增稠剂添加量的增加，产生的气泡体积逐渐减小，因此泡沫混凝土的表观密度急剧增加，如表4所示。

表4 具有和不具有增稠剂的泡沫混凝土中空隙的稳定性

图5 具有不同增稠剂添加剂的泡沫混凝土照片

3.2泡沫稳定乳液对泡沫混凝土中空隙稳定性的影响

为了控制泡沫混凝土硬化过程中气孔的稳定性，加入泡沫稳定乳液以加速水泥浆的水化。表5表明，在没有泡沫稳定乳液的泡沫混凝土的硬化过程中，大量的空气逸出，同时也观察到明显的塌陷。当1％的泡沫稳定乳液加入到泡沫混凝土中时，观察到轻微塌陷和空气逸出，泡沫混凝土中的空隙直径主要为2.0-4.0mm，如图6所示，这可归因于水泥浆的缓慢水化。对于具有3％泡沫稳定乳液的泡沫混凝土，没有测量到破裂和空隙逃逸，泡沫混凝土的表观密度为268kg / m ³，其接近目标密度（250kg / m ³），并且尺寸为1.0-2.0 mm均匀分布在泡沫混凝土中，表明在硬化过程中空气空隙更加稳定。当加入大量的泡沫稳定乳液时，泡沫混凝土的表观密度逐渐增加。具有5％泡沫稳定乳液的泡沫混凝土中的空隙直径主要位于0.5-1.0mm的范围内，导致更高的表观密度。可以推断，随着泡沫混凝土的微结构迅速形成，仅产生小的空气空隙，并且发泡过程缩短。

表5 具有和不具有泡沫稳定乳液的泡沫混凝土中空隙的稳定性

3.3水对水泥质材料的比例对泡沫混凝土的密度和强度的影响

众所周知，水与水泥材料的比例对水泥基材料的强度有显着的影响[16]，因此研究了水对水泥材料比例对超轻质泡沫混凝土性能的影响。 随着水与水泥材料比的

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