新型低密度泡沫混凝土建筑保溫材料的制備與性能研究

張同鈺

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

全球能源形勢日益緊張，如何實(shí)現(xiàn)能源的高效利用是目前各國共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，建筑能耗在總能耗中所占的比例較高，因此，對建筑能耗的高效利用以及減少建筑能耗對于解決能耗較高的問題有重要意義。在解決建筑能耗較高的問題的過程中，泡沫混凝土以其阻燃、隔熱、環(huán)保、節(jié)能、耐老化、強(qiáng)度高等優(yōu)勢引起人們的重點(diǎn)關(guān)注[1]。

泡沫混凝土是指將通過物理或者化學(xué)方法制備的泡沫加入到水泥、摻合料、水等制成的水泥漿體中，攪拌均勻、成型養(yǎng)護(hù)，從而得到內(nèi)部分布大量細(xì)小均勻氣孔的多孔混凝土[2]。因為泡沫混凝土具有大量封閉氣孔的這一特點(diǎn)，使其密度與普通混凝土相比要低很多，同時也因這一特點(diǎn)其導(dǎo)熱系數(shù)也較低，密度越小其導(dǎo)熱系數(shù)降低越多，在作為保溫材料應(yīng)用時具有優(yōu)異的隔熱性能，從而有效降低建筑能耗[3-5]。另外，泡沫混凝土運(yùn)用于建筑保溫材料可以在一定程度上減小建筑的自重，從而減小承重構(gòu)建的尺寸，進(jìn)一步減少建筑成本，縮短建設(shè)工期和工程量[6-7]。隨著發(fā)展和生活需求標(biāo)準(zhǔn)越來越高，建筑領(lǐng)域?qū)ε菽炷恋男阅芤髽?biāo)準(zhǔn)也更嚴(yán)格，既要泡沫混凝土的密度較低，同時又要滿足其強(qiáng)度要求和耐久性要求。

1 實(shí)驗部分

1.1 實(shí)驗原料

普通硅酸鹽水泥、雙氧水發(fā)泡劑、促凝劑、減水劑、聚乙烯醇穩(wěn)泡劑、硬脂酸鈉防水劑、過氧化苯甲酰、二甲苯、丙烯酸、丙酮等。

1.2 低密度發(fā)泡混凝土試樣制備

由于預(yù)制泡混合法澆筑制備的泡沫混凝土整體性較好，且制備過程中消耗的發(fā)泡劑較少，因此，本實(shí)驗采用預(yù)制泡混合法進(jìn)行發(fā)泡混凝土試樣的制備。制備過程如下：

稱量水泥、水、外加劑等原料，固體類外加劑與水泥等放入水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌均勻，然后將液體類外加劑與水混合均勻同樣加入水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌，攪拌3min待混合料攪拌均勻后得到混凝土漿體。將雙氧水按照一定的比例稀釋，然后放入發(fā)泡機(jī)中進(jìn)行發(fā)泡，發(fā)泡完成后，稱取適量泡沫加入上述水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌40s左右，使泡沫與混凝土漿體混合均勻，得到泡沫混凝土漿體。在制備混凝土的模具涂抹潤滑油，以便混凝土脫模，將上述泡沫混凝土漿體注入模具中，待其注滿模具后，將多余的泡沫混凝土漿體刮掉，保持表面平整。將模具放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為溫度45℃左右、濕度(60±5)%，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，然后將脫模后的泡沫混凝土試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至實(shí)驗所需的齡期。

2 配合比設(shè)計及性能研究

為了保障泡沫混凝土的密度低，同時又高強(qiáng)度以及耐久性較好的要求，對混凝土制備的配合比進(jìn)行了設(shè)計研究，通過單因素法分析了水灰比以及促凝劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等原料的摻量對泡沫混凝土性能的影響，確定了最優(yōu)的配合比。

2.1 水灰比

在研究不同水灰比對發(fā)泡混凝土性能的影響，固定其他參量不變，考察不同水灰比對低密度泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果見表1。

表1 水灰比對低密度泡沫混凝土密度的影響Table 1 The influence of water-cement ratio on the density of low-density foam concrete

由表1數(shù)據(jù)可以看出，泡沫混凝土的密度先減小后增大，在水灰比在0.57～0.63范圍時，其密度逐漸減小，可能是因為隨著水灰比的增大，混凝土漿體的黏度逐漸減小，稠化速率降低，產(chǎn)生的氣泡逐漸增多；當(dāng)水灰比為0.63時，其密度最小為250kg/m3；在水灰比大于0.63后，其密度增大，可能是因為混凝土漿體的黏度過小，稠化速率過低，產(chǎn)生的氣泡從漿體中排出，使混凝土試樣發(fā)生塌陷，氣泡總體積減小，從而使密度增加。因此在水灰比為0.63時，泡沫混凝土的密度最低。

2.2 促凝劑

選用NaAlO2作為促凝劑，研究其摻入量的不同對水泥凝結(jié)時間的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 促凝劑摻入量對水泥凝結(jié)時間的影響Fig. 1 The influence of the amount of accelerator added on the setting time of cement

由圖1可以看出，隨著促凝劑摻入量的增加，水泥的凝結(jié)時間越來越短，在摻入量小于0.60%的范圍內(nèi)，隨著促凝劑摻入量的增加，水泥的凝結(jié)時間下降較快；當(dāng)摻入量超過0.60%時，水泥的凝結(jié)時間仍舊縮短，但是下降趨勢變緩。而當(dāng)摻入量為1.00%時，水泥初凝時間為30min，終凝時間為65min，滿足水泥凝結(jié)時間要求。當(dāng)摻入量為1.20%時，水泥的凝結(jié)時間不滿足其制備要求。因此，可以得出結(jié)論，選用NaAlO2作為促凝劑時其最佳摻量在1.00%時較為合適。

2.3 發(fā)泡劑

同樣的，為了研究發(fā)泡劑摻入量對低密度泡沫混凝土材料的性能的影響，固定其他摻量不變，實(shí)驗結(jié)果見表2。

表2 發(fā)泡劑對低密度泡沫混凝土材料性能的影響Table 2 The influence of foaming agent on the performance of low-density foam concrete materials

由表2數(shù)據(jù)可以看出，低密度泡沫混凝土的干密度隨發(fā)泡劑摻入量的增加先減小后增大。在摻入量小于7.0%范圍內(nèi)時，低密度泡沫混凝土的干密度隨發(fā)泡劑摻入量的增加逐漸減小；當(dāng)摻入量為7.0%，其干密度最小為178kg/m3；當(dāng)摻入量大于7.0%時，其干密度增大。因此從表中數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，在發(fā)泡劑摻入量為6.5%時已經(jīng)滿足密度需求，因此在發(fā)泡劑摻入量為6.5%時較好。

2.4 穩(wěn)泡劑

穩(wěn)泡劑是指具有延長和穩(wěn)定泡沫保持長久性能的表面活性劑，主要作用是改善泡沫混凝土泡孔結(jié)構(gòu)。不同摻入量穩(wěn)泡劑對低密度泡沫混凝土強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同摻入量穩(wěn)泡劑對低密度泡沫混凝土強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig. 2 The effect of foam stabilizer in different dosages on the strength and thermal conductivity of low-density foam concrete

由圖2可以看出，低密度泡沫混凝土強(qiáng)度隨著混凝土穩(wěn)泡劑摻入量的增加逐漸增強(qiáng)，在穩(wěn)泡劑摻入量小于3.0%范圍內(nèi)，其強(qiáng)度增加趨勢較為明顯，隨后增加趨勢趨于平穩(wěn)；導(dǎo)熱系數(shù)隨穩(wěn)泡劑摻入量的增加而逐漸減小，同樣，在穩(wěn)泡劑摻入量小于3.0%范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)減小趨勢較為明顯，而隨后其減小趨勢趨于平穩(wěn)。因此，從強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢來說，在穩(wěn)泡劑摻入量為3.0%左右時，低密度泡沫混凝土的強(qiáng)度和保溫效果均處于較好的范圍。

在確定上述物質(zhì)的最佳摻入量之后，為了保障在此配合比設(shè)計下，低密度泡沫混凝土的強(qiáng)度和保溫性能等也滿足建筑施工的要求。因此，在上述配合比的設(shè)計下制備了低密度泡沫混凝土試樣，對其抗折、抗壓強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試，結(jié)果見表3。

表3 最優(yōu)配合比時低密度泡沫混凝土的性能Table 3 Performance of low-density foam concrete at the optimal mix ratio

3 結(jié)語

節(jié)能減排措施是“十一五”期間提出的政策措施，建筑節(jié)能是《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》中十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。保溫材料作為建筑材料的一部分在建筑節(jié)能中發(fā)揮重要作用，有機(jī)保溫材料雖然保溫效果較好，但是其極易燃燒，容易引發(fā)火災(zāi)，且環(huán)保性較差。因此，無機(jī)保溫材料便是目前建筑保溫材料的重點(diǎn)研究方向。泡沫混凝土具有成本低廉、防火性能好、無毒無害、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，在無機(jī)保溫材料中脫穎而出，但是在目前的制備工藝水平下，由其制備的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)較高、容重較大。為了克服泡沫混凝土的這一缺陷，本文研究了不同水灰比，促凝劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等對其性能的影響，優(yōu)化最佳配合比，制備出了密度較低，同時強(qiáng)度、保溫性能均較好的低密度泡沫混凝土保溫材料，有助于建筑節(jié)能減排。