粉煤灰基水泥發泡保溫板的制備及性能優化

劉輝，逯云飛，孫輝濤

（1. 河北軍存預拌混凝土有限公司，河北 石家莊 050000；2. 廣東鴻宇建筑與工程設計顧問有限公司，廣東 東莞 523000）

實踐技術

粉煤灰基水泥發泡保溫板的制備及性能優化

劉輝1，逯云飛2，孫輝濤1

（1. 河北軍存預拌混凝土有限公司，河北 石家莊 050000；2. 廣東鴻宇建筑與工程設計顧問有限公司，廣東 東莞 523000）

以硅酸鹽水泥、粉煤灰為原料，通過物理發泡法制備了一種具有優良阻燃性能、較高強度的水泥發泡保溫板。重點考察了發泡劑的加入量對發泡水泥的干密度、抗折強度、抗壓強度、保溫性能等的影響。結果表明：利用動物蛋白為發泡劑，當發泡劑用量為 2500ml/kg 時，樣品的干密度可以達到 379kg/m3，抗折強度為 0.62MPa，抗壓強度為 0.78MPa，符合工業生產應用的要求。

發泡水泥；粉煤灰；力學強度；保溫材料；物理發泡

0 前言

隨著我國建設資源節約型社會要求的提出和國家節能降耗政策的相繼出臺，節能型建筑材料勢必成為今后新型建材的發展方向[1]。而研究高強度、低成本和高防火性、低密度的泡沫材料是亟待解決的課題。隨著發泡技術的進步，發泡水泥將以一種全新的輕型保溫建筑材料出現在大家的面前[2-3]。發泡水泥，是通過發泡劑與水按比例混合并高速攪拌制出泡沫，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后進行現澆施工或模具成型，經自然養護所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫材料。它屬于氣泡狀絕熱材料，突出特點是在混凝土內部形成封閉的泡沫孔，使混凝土輕質化和保溫隔熱化[4-5]。

本文以硅酸鹽水泥、粉煤灰為原料，將粉煤灰與一定量的水泥混合，通過添加泡沫、各種強堿激發劑、水泥早強劑等的物理發泡法制備了一種具有優良阻燃性能、較高強度且成本低廉的發泡水泥保溫板，探討了發泡劑的加入量對發泡水泥的干密度、抗折強度、抗壓強度、保溫性能等的影響。

1 實驗部分

1.1 原料和設備

粉煤灰原灰：平均粒徑為 54μm，西柏坡電廠；硅酸鹽水泥為 P·O42.5 級普通水泥；動物蛋白發泡劑；各種強堿激發劑、水泥早強劑、表面活性劑等。實驗過程中使用的蒸餾水及各種原材料和試劑均為同一批。

水泥膠砂試體振實臺：ZT-96 型，無錫市錫儀建材儀器廠；水泥膠砂攪拌機，JJ-5 型，無錫市錫儀建材儀器廠；抗折抗壓實驗機，TYE-300 型，無錫市錫儀建材儀器廠；臺式掃描顯微鏡，TM3000 型，日本日立公司。

1.2 發泡水泥的制備

先稱取一定量的水泥倒入水泥攪拌機中，然后按照水灰比 0.3 加入水，再稱取一定量的粉煤灰，一起攪拌成水泥漿，待用。然后將一定量的發泡劑[6]與水按照 1:30 的比例混合，倒入三頸瓶中，高速攪拌 5 分鐘，直到發泡穩定，將泡沫倒入攪拌機中與水泥漿一起攪拌 3 分鐘后倒入三聯模中40mm×40mm×160 mm，以聚乙烯薄膜密封，最后在 60℃下養護 24h 后脫模，并測試其養護 7d、28d 后的抗壓、抗折強度。

1.3 發泡水泥性能測試

1.3.1 干密度

將養護后的樣品取出測定其體積和質量。其計算公式：

ρ＝M/V×106

其中：ρ——樣品干密度，kg/m3；

M——樣品質量，kg；

V——樣品體積，mm3。

1.3.2 抗折、抗壓強度

抗折、抗壓強度采用 JG/T 266—2011《泡沫混凝土》規定的方法進行：將養護后的樣品取出，放入 TYE-300型抗折抗壓實驗機進行測試。當樣品折斷時，記錄試驗機上的數據，得到樣品的抗折強度；之后將樣品裁剪成40mm×40mm×40mm 的大小，放入 TYE-300 型抗折抗壓實驗機中，均勻地對樣品進行加荷，直至破壞，記錄破壞荷載。按照公式；

式中；R——樣品的抗壓強度，MPa；P——破壞荷載，N；F——受壓面積，mm2。

1.3.3 保溫性能

將養護后的樣品取出，將未發泡及物理發泡的樣品分別裁剪成 40mm×40mm×15mm 大小，在上面放置固體石蠟塊，下面用酒精燈加熱，記錄石蠟從未熔至全熔的時間。

1.3.4 電鏡分析

將養護后的樣品取出，分別在電鏡（TM3000，日立臺視顯微鏡）下觀察未發泡及物理發泡制備樣品的微觀結構，分析決定其性質的根本因素。

2 結果與討論

2.1 泡沫含量對干密度的影響

從表 1 可以看出，發泡水泥的干密度隨著泡沫含量的增加而減少，因為泡沫本身是含有少量空氣的，所以在同體積條件下，水泥漿中添加泡沫制備出來的發泡水泥的質量要比純水泥制備出來的要輕的多，發泡水泥的干密度要低的多，而隨著泡沫含量的增加，孔隙率越來越高，樣品中的空氣也越來越多，所以干密度越來越低。

表 1 泡沫含量對樣品干密度的影響

2.2 泡沫含量對抗折、抗壓強度的影響

發泡水泥添加泡沫后可以顯著地降低樣品的干密度，但是同時也使樣品的抗折、抗壓強度下降，對不同泡沫含量的抗折，抗壓強度進行測試，結果見表 2。

從表 2 可以看出，隨著泡沫含量的增加，樣品的抗折、抗壓強度都有顯著的降低。比較表 2 中數據可知，養護時間為 7 天的樣品的抗折、抗壓強度比養護 28 天后的樣品的強度要低一些，而且下降趨勢也有不同，這是因為樣品的水灰比與其中空氣含量都對材料的抗折、抗壓強度有很大影響，添加泡沫，既增加了空氣含量，也提高了水灰比。隨著泡沫的添加，樣品中空氣含量增加，硬化漿體中閉合氣孔數增多，導致試樣受壓面內單位面積上凈壓面減小，強度下降幅度較大；泡沫繼續增大，漿體中穩定存在的氣泡減少，強度下降減緩，當泡沫含量繼續增大時，漿體中水灰比進一步增大，強度顯著下降[7]。

表 2 泡沫含量對抗折強度的影響

2.3 保溫性能

為了對比發泡水泥保溫板的隔熱效果，試驗選取未加入發泡劑的水泥與加入發泡劑的樣品進行對照試驗。用火焰高度為 4cm 的酒精燈火焰（外焰溫度約為 600℃）灼燒樣品（保溫板樣品厚度為 15mm），樣品上方放置石蠟。未發泡水泥板上，經過 4.5min 的灼燒，石蠟熔化得非常多，已經不能保持原形。但是發泡水泥板上，經過 4.5min 的灼燒后，石蠟只是少部分熔化。經過 4.5min 灼燒保溫板樣品背面的溫度僅為 50℃ 左右。這是因為發泡水泥材料中添加了泡沫，使得水泥中的孔隙率增加，形成了許多均勻分布的微細閉合氣泡，導熱系數下降，很好地阻止了熱量的傳遞，起到了隔熱、保溫的效果。灼燒兩種材料使石蠟全熔所用的時間見表3。

表 3 發泡方法對保溫性能的影響

2.4 微觀結構分析

為了分析發泡水泥保溫板的保溫性能的決定性因素，分別對未發泡及物理發泡的方法制備出的保溫材料進行了電鏡分析，觀察了材料放大 50 倍及 1000 倍的微觀結構。

圖 1 中電鏡圖片顯示，使用水泥與粉煤灰，未加發泡劑制備出的材料致密均勻，內部不存在較大的孔。此外，未發泡材料的其他物理參數也存在著質量大、導熱系數高等問題，不符合作為建筑材料的國家標準。

經物理發泡劑作用，加入相應填料制的材料，在放大50倍的情況下可以清楚的發現平均孔徑 0.4mm 的氣孔，導致其密度大大下降；繼續在高倍鏡下觀察，可以觀測到孔內的微觀結構，孔內壁明顯細小的顆粒聚集而成，但結合并不緊密，因此也導致了由物理發泡方法所制備材料的低強度。

圖 1 樣品的 SEM 照片

3 結論

本實驗通過將泡沫添加到硅酸鹽水泥材料與粉煤灰中，制備出了發泡水泥保溫材料。這種保溫材料的隔熱保溫性能遠高于普通的水泥材料，而且其干密度比普通的水泥材料要低的多。實驗中通過改變泡沫的添加量，并測量了在不同的添加量下，樣品的干密度、抗折強度、抗壓強度、保溫性能以及電鏡分析，得出了結論，利用物理發泡法，當發泡劑用量為 2500mL/kg 時，樣品經過 28 天養護后，樣品的干密度為379kg/m3，抗折強度為 0.62MPa，抗壓強度為 0.78MPa，滿足工業生產的條件。

[1] 張水，李國忠．發泡水泥輕質保溫材料的制備及性能研究[J]．墻材革新與建筑節能，2011,(5): 33-36．

[2] 謝吉星，印杰，陳俊靜．地聚合材料固化處理垃圾焚燒飛灰[J]．環境工程學報，2010,4(4): 935-939．

[3] 張書政，龔克成．地聚合物[J]．材料科學與工程學報，2003,21(3): 430-436．

[4] 張巨松，楊合，曾尤．國內外混凝土發泡劑及發泡技術分析[J]．低溫建筑技術，2001(4): 66-67．

[5] J. G. S. Van Jaarsveld, J. S. J. Van Deventer, G. C. Lukey. The characterisation of source materials in fly ash-based geopolymers[J]. Materials Letters, 2003，57: 1272-1280．

[6] 王玉婷，蔣友新，李玉香．發泡劑在水泥基多孔吸聲混凝土中的應用[J]．混凝土，2008(4): 42-46．

[7] 王翠花，潘志華．蛋白質類發泡劑的合成及其泡沫穩定性[J]．南京工業大學學報，2006，28(4): 92-96．

［通訊地址］河北省石家莊市裕華區方興路西京北村東（050000）

建材工業“十三五”規劃編制工作啟動

行業中長期規劃是推進行業管理體系和管理能力現代化的重要手段。為科學編制建材工業“十三五”發展規劃，工信部原材料司日前委托中國建筑材料工業規劃研究院組織研究建材工業“十三五”規劃前期重大問題，旨在梳理建材工業“十三五”規劃思路，理清建材工業“十三五”發展方向、重點產業和領域發展趨勢、路徑、舉措等。

中國建筑材料工業規劃研究院是全國建材行業唯一一家專門從事建材產業發展戰略咨詢、規劃咨詢、工程咨詢、信息咨詢和管理咨詢等綜合性產業咨詢機構，具有品牌、技術、人才、研究等綜合優勢。目前，該院主要從事建材行業全國、地區和企業的中長期發展規劃的編制，建材工業發展戰略、產業政策、生產力布局、技術經濟政策和行業重大經濟問題研究。

據悉，根據工業和信息化部原材料司的有關要求，中國建筑材料工業規劃研究院此次將組織業內專家，面對 2020 年全面建成小康社會、全面深化改革在重要領域和關鍵環節取得決定性成果、轉變經濟發展方式取得實質性進展等重大任務，立足建材工業實際，把握建材工業發展態勢，分析建材工業改革發展面臨的重大問題以及新任務、新要求。

除此之外，重大問題研究還要圍繞統籌建材工業傳統產業改造提升、新興產業培育壯大、生產服務業發展，聚焦綠色建材、無機非金屬新材料、非金屬礦深加工和節能減排、兩化融合、技術創新、結構調整及安全生產等領域組織相關專家展開討論。

此次前期工作的展開將會形成強化建材工業的全球視野和戰略思維，正確處理政府和市場的關系，凝練建材工業發展的新思路、新舉措，研究提出建材工業總體與重點產業、重點領域之間層次清晰、結構合理、相互銜接的研究報告，為建材工業“十三五”規劃編制提供有效的支撐。

來源：中國建材報

Preparation and performance optimization of cement foam insulation board based on fly ash

Liu Hui1, Lu Yunfei2, Sun Huitao1
(1. Hebei Juncun Ready-mixed Concrete Co., Ltd., Hebei Shijiazhuang 050000; 2. Guangdong Hongyu Construction and Engineering Eesign Consultants Co., Ltd., Guangdong Dongguan 523000)

With the portland cement and fly ash as raw material, a kind of cement foam insulation board was made with a physical foaming method, which has excellent flame retardant properties and high strength. The effect of the amount of blowing agent on the dry density, flexural strength, compressive strength and thermal insulation properties was studied. The results showed that using of animal protein as the blowing agent, when the amount of foaming agent is 2500ml/kg, the dry density of the sample can be achieved 379 kg/m3, with a flexural strength 0.62MPa and a compressive strength 0.78MPa, which can meet the requirements of industrial applications.

foam cement; fly ash; mechanical strength; insulation materials; physical foaming

劉輝（1974,4—），女，工程師，河北軍存預拌混凝土有限公司，試驗室主任。