一种发泡混凝土的制备及性能研究

安朝霞

摘要：本文采用快硬硫铝酸盐水泥为胶凝材料，以双氧水（27.5%）和硬脂酸钙，分别作为发泡剂和稳定剂，同时添加促凝早强剂制备了一种发泡混凝土材料。通过改变发泡剂的掺量分析干密度、吸水率、力学性能以及导热系数等性能的变化规律。

关键词：快硬硫铝酸盐水泥；发泡混凝土；发泡剂掺量；性能

0. 前言

发泡混凝土通常是用机械方法将泡沫剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂组成的浆料中[1]。经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种多孔材料。也可通过原位发泡[2]（化学反应生成气体）制备泡沫，例如铝粉在碱性环境中释放氢气；双氧水生成氧气等。由于具备质轻、隔热、耐火、抗冻性好等特点，发泡混凝土及其制品具有广阔的应用前景[3]，发泡混凝土砌块、发泡混凝土轻质墙板等已经应用于建筑节能墙体材料中。此外发泡混凝土制品属于燃烧等级为A级的不燃材料，因此将其作为保温材料领域的应用将越来越广，制品方面的研究也会越来越多。但发泡混凝土作为保温材料使用时，得到的制品普遍强度偏低，吸水率高，影响了其推广及应用。另一方面，作为发泡混凝土的主要组成部分，发泡剂的研制和开发，对于发泡混凝土的性能和应用具有关键性的作用[4]。由于目前发泡剂的种类多种多样，且检测方法不统一， 使得发泡剂的选择与应用存在很大困难。本文采用双氧水（27.5%）与硬脂酸钙，分别作为发泡混凝土的发泡剂和稳定剂，制备了一种发泡混凝土材料。经测试，该材料各项指标均符合标准规范的要求。同时，通过调整泡沫掺量可以控制发泡混凝土材料的容重等级，并探讨其对干密度、吸水率、力学性能、热工性能等方面的影响，为发泡混凝土的设计与应用提供参考。

1. 试验原材料及方法

1.1.1原材料

水泥： 42.5级快硬硫铝酸盐水泥

发泡剂：27.5%双氧水

稳定剂：硬脂酸钙

促凝剂：锂盐类促凝早强剂

减水剂：三聚氰胺减水剂

1.1.2 试验仪器

SHT4305-W 微机控制电液伺服万能试验机

CD-DR3030 导热系数测定仪

数显鼓风恒温干燥箱

恒温水槽

1.2试验方法

1.2.1 发泡混凝土材料的制备

将水泥，泡沫稳定剂，水泥促凝剂，减水剂等材料混合均匀，加水搅拌120S至浆体均匀。在浆体中加入双氧水，继续搅拌至均匀为止。通过检测发泡混凝土的容重等级，控制材料的均匀性与泡沫的致密性。硬化成型的试样在室内自然养护，1天后脱模，养护至试验龄期。

1.2.2 原材料作用

（1）胶凝材料中的快硬硫铝酸盐水泥可用粉煤灰部分取代；

（2）硬脂酸钙可以增大浆体的粘度，使泡沫致密、稳定；

（3）锂盐类促凝剂可以使水泥水化诱导期消失[5]，水泥加水后直接进入水化加速期，从而与双氧水的发泡时间相一致；

（4）三聚氰胺减水剂降低水灰比，提高材料的强度。

1.2.3 性能测试方法

测试试样的绝干密度、吸水率、导热系数和3d、7d、28d龄期的抗压强度。试样的绝干密度，吸水率测试参照GB/T11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》、抗压强度测试参照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌块》、导热系数测试参照 GB/T10294《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》。

1.2.4 材料测试结果

试验中取水灰比分别为0.5，0.6，当制备的材料容重分别为680Kg/m3，610Kg/m3时，各项测试指标结果如表1所示：

表1.材料的测试结果

测试项目 水灰比0.5 水灰比0.6

干密度（Kg/m3） 513 470

吸水率（%） 15 20

28d抗压强度（MPa） 2.65 1.51

导热系数W/（m·K） 0.092 0.088

2 试验结果分析

2.1泡沫掺量对发泡混凝土绝干密度、吸水率的影响

本文中气泡的产生主要通过双氧水的发泡作用，即2H2O2=2H2O+O2↑。双氧水在碱性介质中易分解，泡沫的掺量可以通过双氧水的用量控制，取双氧水掺量为胶凝材料的2%，3.3%，4%，5.3%，6.6%分别成型，养护。根据GB/T11970-1997《加气混凝土体积密度、含水率和吸水率试验方法》测试材料的绝干密度与吸水率。所得结果如图1.2所示：

图1. 泡沫掺量对绝干密度的影响

当双氧水掺量较低时，发泡倍数低，发泡混凝土膨胀小，成型相同体积需要的材料更多，绝干密度较大。双氧水掺量较高时，成型过程中混凝土膨胀较大，但是状态不易保持，泡沫最终沉降、破裂。

图2.泡沫掺量对吸水率的影响

图2中，随着泡沫含量的增多，气孔增多，吸水率变大。当双氧水掺量超过胶凝材料的4%时，吸水率超过40%。

2.2泡沫掺量对发泡混凝土力学性能的影响

硬化成型的试样在室内自然养护，1天后脱模，参照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌块》测试两种不同水灰比（0.5、0.6）下试样的3d，7d，28d抗压强度。图3是两种不同水灰比时，泡沫掺量对28d抗压强度的影响。

图3. 泡沫掺量对抗压强度的影响

由图3可以看出，随着泡沫含量的增多，试样的抗压强度降低。当水灰比为0.6时，双氧水掺量超过胶凝材料的5%，则28d抗压强度<0.4MPa。

2.3泡沫掺量对发泡混凝土导热系数的影响

参照 GB/T10294《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》对试样在两种不同水灰比下的导热系数进行测试。根据标准中的要求，成型试样的尺寸为300mm×300mm×25mm。导热系数随泡沫掺量的变化如下图所示：

图4. 泡沫掺量对导热系数的影响

从上图得到，泡沫掺量的增多，材料的导热系数降低。这是因为随着泡沫的增多，材料内部的封闭气孔增多，而封闭气孔中含有大量的空气，空气的导热性能很差（导热系数0.02w/（m·k）），所以材料的导热系数降低。另一方面，水灰比大的，导热系数相对更低。因为水灰比大时，水泥粒子的分散空间扩大，水泥水化程度增大，导致水泥浆膜增多，界面的增加使得材料中熱能穿透阻力增大，导热系数更低。

3 结论

（1） 以锂盐类为促凝剂，可以调节双氧水发泡时间与快硬硫铝酸盐水泥凝结时间配合较好，从而有利于材料强度的提高与形貌优化。

（2） 泡沫含量增多，发泡混凝土的干密度降低，吸水率增大，抗压强度降低，导热系数变小。但泡沫掺量过大时，导致坍泡多，状态不稳定。

（3） 当双氧水含量>胶凝材料的4%时，材料的吸水率>40%；双氧水含量>胶凝材料5%时，以水灰比0.6制备的材料28d抗压强度<0.4MPa。

（4） 由于界面增加对热能穿透阻力的增大，泡沫掺量相同时，水灰比较大的材料，导热系数更低。

参考文献：

[1] 高倩，王兆利，赵铁军.泡沫混凝土[J].青岛建筑工程学院学报，2002，23（3）：113–115.

[2] 何继敏. 新型聚合物发泡材料及技术[M].化学工业出版社，2008： 37–38.

[3] 张磊，杨鼎宜.轻质泡沫混凝土的研究及应用现状[J].混凝土，2005（8）：44–48.

[4] 高波，王群力，周孝德.混凝土发泡剂及泡沫稳定性的研究[J].粉煤灰综合利用，2004（1）：25–28.

[5] 韩建国，阎培渝.锂化合物对硫铝酸盐水泥水化历程的影响[J].硅酸盐学报，2010，38（4）：608–614.