鋁發泡劑改性水泥基復合發泡材料的制備及性能研究*

程希瑩，楊瑞敏，馬 露

(安徽科技學院 建筑學院，安徽 蚌埠 233000)

0 引 言

近年來，隨著我國經濟的飛速進步，對于能源的需求越來越大，而目前我國的能源供應主要依靠煤炭、石油、天然氣等傳統化石燃料，按照我國當前的需求速度，預計使用的期限不超過200年，能源危機已逐漸成為阻礙發展的問題。為了保證可持續發展，節能降耗、綠色環保建筑必定是未來的發展方向[1-5]。在節能降耗的工程中，提升建筑外圍結構的保溫性是最主要的方法之一[6-7]。通常人們會選擇不同的保溫材料來實現保溫和隔熱的目的[8-9]，目前常用的保溫材料按照材質可以劃分為有機保溫隔熱材料、無機保溫隔熱材料和金屬保溫隔熱材料[10-13]。在眾多保溫材料的使用和推廣中，發泡水泥材料憑借其質量輕、抗壓強度大、導熱系數低和隔音效果好等特點脫穎而出，且由于水泥材料的應用較多，在建筑工程中占據了絕大部分，因而發泡水泥材料開始進入了人們的視野[14-16]。發泡水泥保溫材料一般是以膠凝材料為基體，通過引入物理發泡劑或化學發泡劑的方法使其充分發泡，發泡后的水泥經過養護后可形成大量封閉氣孔，該混凝土內部形成封閉的泡沫孔，因此可實現輕質化和保溫隔熱的目的[17]。近些年來，越來越多的研究者開始對發泡劑的種類以及改性效果進行研究。李小龍等[18]采用改性纖維對發泡保溫復合材料進行增強，研究了纖維增強發泡保溫復合材料的力學性能和耐水性能，探討了改性泡沫和改性纖維對發泡保溫復合材料的增強機制，結果表明，摻加泡沫明顯降低了發泡保溫復合材料的密度和導熱系數，泡沫改性可有效改善發泡保溫復合材料的強度和軟化系數，摻加改性泡沫試樣的抗折強度、抗壓強度和軟化系數較摻加乳膠粉試樣的分別提高了21.05%，21.43%和13.56%。李凱斌等[19]以P.O42.5水泥為膠凝材料，雙氧水為發泡劑，摻雜釩尾礦等固體廢棄物，并添加減水劑等多種外加劑制備發泡水泥保溫材料，探討了減水劑用量對發泡水泥各種性能的影響。結果表明，隨著減水劑用量由2.5 g增加至4.5 g，發泡水泥的泡孔結構得以改善，泡孔變得致密且分布均一，干密度從0.233下降至0.221 g/cm3，吸水率呈現增大的趨勢，耐水性隨之下降，力學強度則隨著減水劑用量的增加呈現先增大后減小的趨勢。本文在硅酸鹽水泥的基礎上引入酚醛樹脂，通過摻入不同含量(0，3%，6%和9%)(質量分數)的鋁發泡劑，制備出了鋁發泡劑改性水泥基復合發泡材料，研究了鋁發泡劑的摻量對該復合發泡材料各項性能的影響，力求制備出性能最佳的復合發泡材料。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

硅酸鹽水泥：P.I 42.5，濟寧三石生物科技有限公司，水泥的化學成分如表1所示；酚醛樹脂：CAS：9003-35-4，濟寧三石生物科技有限公司；鋁發泡劑：國藥集團化學試劑有限公司；硅粉：CAS：7440-21-3，濟寧三石生物科技有限公司；聚丙烯纖維：短纖維，國藥集團化學試劑有限公司。

表1 硅酸鹽水泥的化學成分

1.2 樣品的制備

本實驗中水料比固定為1∶0.6，酚醛樹脂、硅酸鹽水泥、鋁發泡劑、硅粉、聚丙烯纖維等原材料配比如表2所示。首先，將酚醛樹脂、聚丙纖維溶于油酸中并充分攪拌2 h；其次，按照比例稱取硅酸鹽水泥、硅粉和糖濾泥充分攪拌 2 h；然后，混合加入不同質量分數的鋁發泡劑和固化劑充分攪拌2 h；最后，將混合料澆筑到模具中進行發泡、養護及脫模處理24 h，即得不同鋁發泡劑摻量的水泥基復合發泡材料。

表2 水泥基復合發泡材料的配比

1.3 性能測試

抗壓強度測試：按照《GB/T 5486-2008 無機硬質絕熱制品試驗方法》，在萬能材料試驗機上測試試樣的抗壓強度，斷口面與加載方向垂直，加載速率為2 mm/min，每組測試10個樣品，隨后取平均值作為測試結果。容重測試：水泥在自然狀態下單位體積的質量稱之為水泥容重，一般用水泥容重的變化來表征水泥基復合發泡材料發泡前后的變化。對不同鋁發泡劑摻量的水泥基復合發泡材料試樣的容重進行測試，分別記錄試樣的容重。導熱系數測試：將水泥基復合發泡材料切割制備為標準尺寸300 mm×300 mm×30 mm的試樣，在65 ℃下烘烤至前后兩次相隔4 h的質量差≤1 g，隨后自然冷卻到室溫下，打磨直至表面無掉渣現象為止，控制熱板溫度為35 ℃，使用平板導熱儀對試樣的導熱系數進行測試。吸水率測試：用吸水率來表征復合發泡材料的吸水性能，進行了吸水率測試，在測試過程中，干燥試樣的質量記為M1，隨后將試樣浸入水中，待試樣吸水飽和后，測試濕潤試樣的質量記為M2，吸水率按照式(1)計算

W=(M2-M1/M1)×100%

(1)

2 結果與討論

2.1 抗壓強度測試

對不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)的水泥基復合發泡材料脫模后的抗壓強度進行了測試，結果如圖1所示。從圖1可以看出，摻入鋁發泡劑后，基體的抗壓強度有了明顯提高，隨著鋁發泡劑含量的增加，水泥基復合發泡材料的抗壓強度呈現出先升高后降低的趨勢。由圖1可知，當鋁發泡劑的含量為0時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為2.9，3.2和3.8 MPa；當鋁發泡劑的含量為3%(質量分數)時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為3.4，4.1和4.9 MPa；當鋁發泡劑的含量為6%(質量分數)時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為5.1，6.3和7.2 MPa；當鋁發泡劑的含量為9%(質量分數)時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為4.6，5.4和6.1 MPa。可知，當鋁發泡劑含量在3%～6%(質量分數)時，試樣的抗壓強度迅速升高，且當鋁發泡劑的含量為6%(質量分數)時，試樣的抗壓強度達到最大值，為7.2 MPa；而當鋁發泡劑含量在6%～9%(質量分數)時，試樣的抗壓強度逐漸降低。這是因為摻入適量的鋁發泡劑可以加速基體中部分氣泡的逸出，從而增大試樣的抗壓強度；但當鋁發泡劑的含量超過6%(質量分數)時，基體中氣泡的含量增加，氣泡較多時吸水率增大，且過多氣泡會突出基體的表面，導致試樣的結合力變差，從而使得整體的抗壓強度降低。

圖1 不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料在3，7和28 d的抗壓強度

2.2 容重測試

圖2為不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料的容重。從圖2可以看出，隨著鋁發泡劑含量的增加，水泥基復合發泡材料的容重呈現出先降低后略微升高的趨勢。當鋁發泡劑的含量為0，3%，6%和9%(質量分數)時，試樣的容重分別為251.3，231.6，217.4和221.3 kg/m3。可知，當鋁發泡劑的含量為6%(質量分數)時，試樣的容重達到最小值，為217.4 kg/m3，這是因為摻入鋁發泡劑后，導致基體中的氣泡較快逸出，且鋁發泡劑的加入阻礙了酚醛樹脂與水的反應，產生的氣體量減少，從而使基體的容重持續下降，而當鋁發泡劑含量超過6%(質量分數)時，容重有略微升高的趨勢，這是因為鋁發泡劑過多導致基體的氣孔增多，從而對水化過程產生了一定的阻礙作用[20]，基體中存在過多的開口氣孔使得試樣的容重略有升高。

圖2 不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料的容重

2.3 吸水率測試

圖3為不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料的吸水率。從圖3可以看出，隨著鋁發泡劑含量的增加，水泥基復合發泡材料的吸水率呈現出先快速上升再緩慢下降后快速上升的趨勢。當鋁發泡劑的含量為0，3%，6%和9%(質量分數)時，試樣的吸水率分別為14.4%，18.2%，17.3%和21.7%。可知，當鋁發泡劑的含量為9%(質量分數)時，試樣的吸水率達到最大值，為21.7%。這是因為當鋁發泡劑的含量在0～3%(質量分數)時，基體內氣孔含量略有增加，在漿料固化后內部氣孔導致了吸水率的提高；當鋁發泡劑的含量在3%～6%(質量分數)時，基體內產生的氣體逐漸增多，氣體堆積導致了吸水率的降低；而當鋁發泡劑的含量在6%～9%(質量分數)時，基體內開口氣孔的出現使得水分更容易進入到基體，從而使得試樣的吸水率繼續升高。

圖3 不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料的吸水率

2.4 SEM分析

圖4為不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料的超景深圖。從圖4(a)可以看出，未摻雜鋁發泡劑的基體中的氣孔含量較少，并且分布不均勻；從圖4(b)和(c)可以看出，摻入鋁發泡劑后，氣孔數量明顯增多，并且分布慢慢變得均勻，大尺寸的氣孔數量減少，孔壁處的結構變得更加緊密結實；從圖4(d)可以看出，當鋁發泡劑的含量達到9%(質量分數)時，氣孔數量較多，并且又出現了大尺寸的氣孔，這是因為基體中產生的氣體增加，這些氣體的排出導致表面出現了較多的氣孔[20]，因而使得試樣的抗壓強度出現了略微下降，這也與力學性能測試結果一致。

圖4 不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料的超景深圖

2.5 導熱系數測試

圖5為不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料的導熱系數。從圖5可以看出，隨著鋁發泡劑含量的增加，水泥基復合發泡材料的導熱系數呈現出逐漸下降的趨勢。當鋁發泡劑的含量為0，3%，6%和9%(質量分數)時，試樣的導熱系數分別為0.065、0.051、0.037和0.035 W/(m·K)，當鋁發泡劑的含量為6%和9%(質量分數)時，試樣的導熱系數開始緩慢降低，降低幅度僅為5.41%，因此選擇鋁發泡劑的含量為6%(質量分數)較為適宜。

圖5 不同鋁發泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質量分數)下水泥基復合發泡材料的導熱系數

綜合以上分析可見，隨著鋁發泡劑的摻入，基體的保溫性能均得到了提升，結合力學性能、容重、吸水率等得出鋁發泡劑的最佳摻量為6%(質量分數)。

3 結 論

(1)隨著鋁發泡劑含量的增加，水泥基復合發泡材料的抗壓強度呈現出先升高后降低的趨勢。當鋁發泡劑含量在3%～6%(質量分數)時，試樣的抗壓強度迅速升高，且當鋁發泡劑的含量為6%(質量分數)時，試樣的抗壓強度達到最大值，為7.2 MPa；而當鋁發泡劑含量在6%～9%(質量分數)時，試樣的抗壓強度逐漸降低。

(2)隨著鋁發泡劑含量的增加，水泥基復合發泡材料的容重呈現出先降低后略微升高的趨勢，當鋁發泡劑的含量為6%(質量分數)時，試樣的容重達到最小值，為217.4 kg/m3。

(3)隨著鋁發泡劑含量的增加，水泥基復合發泡材料的吸水率呈現出先快速上升再緩慢下降后快速上升的趨勢，當鋁發泡劑的含量為9%(質量分數)時，試樣的吸水率達到最大值，為21.7%。

(4)超景深圖分析發現，未摻雜鋁發泡劑的基體中氣孔含量較少且分布不均，但大尺寸的氣孔較多，隨著鋁發泡劑的摻入，氣孔的數量明顯增多且分布慢慢變得均勻，而大尺寸的氣孔數量明顯減少，孔壁處的結構變得更加緊密結實。

(5)隨著鋁發泡劑含量的增加，水泥基復合發泡材料的導熱系數呈現出逐漸下降的趨勢，當鋁發泡劑的含量為6%和9%(質量分數)時，試樣的導熱系數開始緩慢降低，降低幅度僅為5.41%，因此選擇鋁發泡劑的含量為6%(質量分數)較為適宜。

綜合分析可知，隨著鋁發泡劑的摻入，基體的保溫性能均得到了提升，結合力學性能、容重、吸水率等得出鋁發泡劑的最佳摻量為6%(質量分數)。