輕質發泡水泥保溫材料的制備研究

魯海波 王俊偉

摘要：本論文以42．5R普通硅酸鹽水泥代替硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料制備密度約為220kg/m3的發泡水泥保溫材料(簡稱輕質發泡水泥保溫材料，下同)，研究了其適宜促凝劑種類、減水劑對其性能的影響以及最佳配合比，并進行了相關機理討論，以期能為發泡水泥保溫材料的發展與技術進步提供一定的參考和理論指導。

關鍵詞：發泡水泥;促凝劑;減水劑;泡孔結構

中圖分類號：C93文獻標識碼： A

一、實驗原料與方法

1、實驗原料

42．5R普通硅酸鹽水泥，福州水泥公司生產;雙氧水，質量分數27．5%，市售;聚羧酸減水劑，固含量30%，最佳摻量0．5%，減水率28．5%(廠家提供數值)，市售;硬脂酸鈉，市售;自來水。

2、凝結時間測定

按照GB/T 1346－2013《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》中規定方法對水泥(或水泥+促凝劑)凝結時間測定。

3、發泡水泥試樣制備

發泡水泥試樣制備方法可簡述如下:準確稱量水泥、水、外加劑等原料，稱量結束后將液體類外加劑加入水中混合均勻，固體類外加劑與水泥混合均勻;將固體物料加入水中攪拌1～2min后再加入雙氧水攪拌30～60s，然后將料漿注入模具中發泡成型(模具溫度約為45℃，所用水溫為60℃，攪拌速度約為100r/min)。料漿發泡結束后，在試樣表面覆蓋薄塑料膜以防止水分蒸發并將模具放入45℃烘箱內恒溫養護;放入烘箱中6h后脫模，脫模后用鋸條切除試樣上部超出模具上沿部分，再將試樣放入標準養護箱(25℃，相對濕度95%)中養護至規定齡期。

4、性能測試

按照《無機硬質絕熱制品試驗方法》中規定方法對試樣28d抗折及抗壓強度、體積吸水率進行測定;按照《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》對試樣導熱系數進行測定。

2、結果與討論

2．1促凝劑的選擇

發泡水泥制備時，料漿的發泡過程往往在加入發泡劑后1～3分鐘左右即完成，此時如果料漿的凝結硬化速度過慢，料漿中產生的氣泡就會發生兼并最終從試樣表面溢出，導致試樣塌模。目前對于密度小于250kg/m3的發泡水泥保溫材料主要采用硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，這是因為此類水泥凝結硬化時間短、早期強度發展快，其凝結硬化速率與氣體產生速率一致性好。硫鋁酸鹽水泥雖具有上述優點，但其價格要遠高于普通硅酸鹽水泥，顯著增加了產品生產成本，并且其制品耐久性差，尤其用于建筑外墻時，在風吹日曬、冰霜雨露等自然環境作用下，其制品使用壽命會大大縮短。

針對硫鋁酸鹽水泥的弊端，本論文中采用42．5R普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，并通過加入促凝劑來克服其凝結硬化時間慢的缺點。根據已有試驗經驗，要求選用的促凝劑必須能使42．5R普通硅酸鹽水泥凝結時間滿足表1中要求，此時水泥的凝結硬化速率與氣體的產生速率協調性好。分別研究了硫酸鈉、偏鋁酸鈉以及三乙醇胺對42．5R普通硅酸鹽的促凝效果，結果如下所述。

硫酸鈉對水泥凝結時間的影響，硫酸鈉為水泥和混凝土最常用的無機早強劑。本節研究了硫酸鈉不同摻量(水泥的質量比，下同)對水泥凝結時間的影響，結果如圖1所示。

由圖1可見，硫酸鈉加入雖能縮短水泥的初、終凝時間，但其促凝作用很弱，在1．0%～3．0%摻量下，遠無法滿足表1中要求。同時試驗中發現，當其摻量大于2．0%后，試樣表面將出現泛霜現象。由上可見，硫酸鈉無法滿足本論文中對促凝劑要求。

三乙醇胺對水泥凝結時間的影響，三乙醇胺為混凝土中最常用的有機早強劑，其能顯著提

高水泥及混凝土早期強度，且對后期強度也有一定的增強作用。本節中研究了其不同摻量對水泥凝結時間的影響，結果如圖2所示。

由圖2可見，隨著三乙醇胺摻量的增加，水泥初、終凝時間均呈現先降低后增高趨勢，拐點出現在0．03%處。摻量小于0．03%時，其對水泥起促凝作用，隨著其摻量的增加，試樣初、終凝時間逐漸降低，而當摻量大于0．03%后，隨著其摻量的增加，試樣初、終凝時間逐漸增加，并且當其摻量大于0．04%后，此時初、終凝時間反而比空白試樣更長，即開始起緩凝作用。當摻量為0．03%時，此時初、終凝時間達到最低，分別為140min和208min，較空白試樣降低很少，即促凝作用很弱?？梢娙掖及窡o法滿足本課題中對促凝劑要求。

偏鋁酸鈉對水泥凝結時間的影響，NaAlO2作為傳統水泥速凝劑的主要成分，推測其對水泥應該具有顯著促凝作用。按照這種推測，研究了其不同摻量對水泥凝結時間的影響，結果如圖3所示。

由圖3可見，正如推測所想，NaAlO2的加入確實對水泥具有顯著的促凝作用。當摻量小于1．00%時，隨著摻量的增加，水泥初、終凝時間迅速降低，而摻量大于1．00%后，隨著摻量的增加，水泥初、終凝時間趨于穩定。摻量為1．00%時，此時水泥的初、終凝時間分別為40min和82min，已滿足表1中要求，可見NaAlO2能夠作為本課題的促凝劑。為了節省其用量，其摻量取1．00%為最佳。

圖4為空白及1．00%NaAlO2摻量試樣3d齡期的SEM圖。對比圖4(a)與4(b)可見，未摻NaAlO2時，試樣內部水化產物主要為C－S－H凝膠，并且C－S－H凝膠結構較疏松，內部存在大量空隙、孔洞。而加入NaAlO2后，試樣內部的C－S－H凝膠結構較空白試樣要明顯致密，除此之外，還存在有大量針狀鈣礬石。造成上述現象的原因是由于加入NaAlO2后，其會迅速與水泥漿體中的Ca(OH)2以及石膏發生反應，生成鈣礬石(如式(1)所示)。生成的鈣礬石在水泥顆粒間迅速相互交叉形成三維網絡結構，使得水泥呈現速凝現象。同時上述反應的進行，降低了水泥料漿中Ca(OH)2的液相濃度，從而加劇水泥組分溶解速率，促進了C3S和C2S的水化，使得C－S－H凝膠結構變得更加致密。

促凝劑確定后，分別確定輕質發泡水泥保溫材料的最佳水灰比和最佳發泡劑摻量，得出輕質發泡水泥保溫材料的配合比，如表2所示，其中硬脂酸鈉為穩泡劑和防水劑。此時試樣干密度、28d抗折及抗壓強度、體積吸水率和導熱系數如表3所示。

2、減水劑對發泡水泥保溫材料性能的影響

減水劑可在保證發泡水泥料漿和易性相同的情況下，顯著降低料漿水灰比，提高泡孔壁的致密度，從而提高制品的力學性能、熱工性能等。在1#號配比的基礎上，加入聚羧酸減水劑，研究其對輕質發泡水泥保溫材料性能的影響。試樣配合比如表4所示，試樣干密度、28d抗折及抗壓強度、體積吸水率和導熱系數如表5所示。

由表5可見，與未加減水劑的1#配比試樣相比，加入減水劑后試樣的28d抗折、抗壓強度分別增加了26．3%及18．9%，試樣力學強度提高明顯。同時試樣導熱系數和體積吸水率分別降低了10．7%和15．7%，試樣保溫隔熱性能及防水性能均得到提升。圖5為加入減水劑前后試樣泡孔結構圖。

由圖5(a)可見，未摻加減水劑時，試樣內部泡孔粗大、大小不一，形狀不規則，泡孔間連通率較高。而摻入減水劑后試樣內部泡孔變得細小、大小均一、類球形度高，泡孔間連通率顯著降低，試樣的泡孔結構得到明顯改善。由物理學知識可知，試樣內部泡孔尺寸越細小、大小越均一、形狀越接近于球形、連通率越低，則受力時應力分布就越均勻，應力集中就越小，因而使得力學強度顯著提高。此外試樣內部泡孔的相互連通會為水及熱量傳遞提供通道，使得熱量在試樣中的傳遞速率更快，水分更容易滲透到試樣內部。摻入減水劑后，試樣泡孔間連通率降低，阻塞了水及熱量傳遞的通道，因而試樣的導熱系數及吸水率得到降低。

聚羧酸減水劑對發泡水泥泡孔結構的改善作用主要來源于兩點:(1)發泡水泥中的氣泡是被一層極薄的液膜相互隔開，氣泡的穩定性主要取決于液膜的表面粘度、液膜彈性以及液膜內水泥料漿的粘度。聚羧酸減水劑分子中含有大量的—OH、—O—及—COOH集團，這些集團能與水分子間通過氫鍵締合形成一層具有一定機械強度的溶劑化水膜，從而一方面提高了液膜內水泥料漿的粘度，降低了液膜內水泥料漿的排液速度;另一方面其吸附在氣體與水泥料漿界面上，增強了液膜的表面粘度與液膜彈性，從而使得氣泡的穩定性顯著增強。(2)聚羧酸減水劑的加入顯著降低了料漿的水灰比，從而減少了水泥石中毛細孔及孔隙數量，使得泡孔壁的致密度明顯提高。

結束語

綜上所述，NaAlO2可滿足輕質發泡水泥保溫材料中對促凝劑的要求，其最佳摻量為1．00%。聚羧酸減水劑可顯著改善發泡水泥保溫材料的內部泡孔結構，從而可使其力學強度、保溫隔熱性能以及防水性能均得到提升。輕質發泡水泥保溫材料的最佳配合比為:水泥100g、水灰比0．47、偏鋁酸鈉1．00%、發泡劑6．0%、聚羧酸減水劑0．5%、硬脂酸鈉1．5%。此時試樣密度為215kg/m3，28d抗折、抗壓強度分別為0．24MPa和0．44MPa，導熱系數為0．056W/(m·k)，體積吸水率7．5%。

參考文獻

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