轻质发泡水泥保温材料的制备研究

鲁海波 王俊伟

摘要：本论文以42．5R普通硅酸盐水泥代替硫铝酸盐水泥作为胶凝材料制备密度约为220kg/m3的发泡水泥保温材料(简称轻质发泡水泥保温材料，下同)，研究了其适宜促凝剂种类、减水剂对其性能的影响以及最佳配合比，并进行了相关机理讨论，以期能为发泡水泥保温材料的发展与技术进步提供一定的参考和理论指导。

关键词：发泡水泥;促凝剂;减水剂;泡孔结构

中图分类号：C93文献标识码： A

一、实验原料与方法

1、实验原料

42．5R普通硅酸盐水泥，福州水泥公司生产;双氧水，质量分数27．5%，市售;聚羧酸减水剂，固含量30%，最佳掺量0．5%，减水率28．5%(厂家提供数值)，市售;硬脂酸钠，市售;自来水。

2、凝结时间测定

按照GB/T 1346－2013《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》中规定方法对水泥(或水泥+促凝剂)凝结时间测定。

3、发泡水泥试样制备

发泡水泥试样制备方法可简述如下:准确称量水泥、水、外加剂等原料，称量结束后将液体类外加剂加入水中混合均匀，固体类外加剂与水泥混合均匀;将固体物料加入水中搅拌1～2min后再加入双氧水搅拌30～60s，然后将料浆注入模具中发泡成型(模具温度约为45℃，所用水温为60℃，搅拌速度约为100r/min)。料浆发泡结束后，在试样表面覆盖薄塑料膜以防止水分蒸发并将模具放入45℃烘箱内恒温养护;放入烘箱中6h后脱模，脱模后用锯条切除试样上部超出模具上沿部分，再将试样放入标准养护箱(25℃，相对湿度95%)中养护至规定龄期。

4、性能测试

按照《无机硬质绝热制品试验方法》中规定方法对试样28d抗折及抗压强度、体积吸水率进行测定;按照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》对试样导热系数进行测定。

2、结果与讨论

2．1促凝剂的选择

发泡水泥制备时，料浆的发泡过程往往在加入发泡剂后1～3分钟左右即完成，此时如果料浆的凝结硬化速度过慢，料浆中产生的气泡就会发生兼并最终从试样表面溢出，导致试样塌模。目前对于密度小于250kg/m3的发泡水泥保温材料主要采用硫铝酸盐水泥作为胶凝材料，这是因为此类水泥凝结硬化时间短、早期强度发展快，其凝结硬化速率与气体产生速率一致性好。硫铝酸盐水泥虽具有上述优点，但其价格要远高于普通硅酸盐水泥，显著增加了产品生产成本，并且其制品耐久性差，尤其用于建筑外墙时，在风吹日晒、冰霜雨露等自然环境作用下，其制品使用寿命会大大缩短。

针对硫铝酸盐水泥的弊端，本论文中采用42．5R普通硅酸盐水泥为胶凝材料，并通过加入促凝剂来克服其凝结硬化时间慢的缺点。根据已有试验经验，要求选用的促凝剂必须能使42．5R普通硅酸鹽水泥凝结时间满足表1中要求，此时水泥的凝结硬化速率与气体的产生速率协调性好。分别研究了硫酸钠、偏铝酸钠以及三乙醇胺对42．5R普通硅酸盐的促凝效果，结果如下所述。

硫酸钠对水泥凝结时间的影响，硫酸钠为水泥和混凝土最常用的无机早强剂。本节研究了硫酸钠不同掺量(水泥的质量比，下同)对水泥凝结时间的影响，结果如图1所示。

由图1可见，硫酸钠加入虽能缩短水泥的初、终凝时间，但其促凝作用很弱，在1．0%～3．0%掺量下，远无法满足表1中要求。同时试验中发现，当其掺量大于2．0%后，试样表面将出现泛霜现象。由上可见，硫酸钠无法满足本论文中对促凝剂要求。

三乙醇胺对水泥凝结时间的影响，三乙醇胺为混凝土中最常用的有机早强剂，其能显著提

高水泥及混凝土早期强度，且对后期强度也有一定的增强作用。本节中研究了其不同掺量对水泥凝结时间的影响，结果如图2所示。

由图2可见，随着三乙醇胺掺量的增加，水泥初、终凝时间均呈现先降低后增高趋势，拐点出现在0．03%处。掺量小于0．03%时，其对水泥起促凝作用，随着其掺量的增加，试样初、终凝时间逐渐降低，而当掺量大于0．03%后，随着其掺量的增加，试样初、终凝时间逐渐增加，并且当其掺量大于0．04%后，此时初、终凝时间反而比空白试样更长，即开始起缓凝作用。当掺量为0．03%时，此时初、终凝时间达到最低，分别为140min和208min，较空白试样降低很少，即促凝作用很弱。可见三乙醇胺无法满足本课题中对促凝剂要求。

偏铝酸钠对水泥凝结时间的影响，NaAlO2作为传统水泥速凝剂的主要成分，推测其对水泥应该具有显著促凝作用。按照这种推测，研究了其不同掺量对水泥凝结时间的影响，结果如图3所示。

由图3可见，正如推测所想，NaAlO2的加入确实对水泥具有显著的促凝作用。当掺量小于1．00%时，随着掺量的增加，水泥初、终凝时间迅速降低，而掺量大于1．00%后，随着掺量的增加，水泥初、终凝时间趋于稳定。掺量为1．00%时，此时水泥的初、终凝时间分别为40min和82min，已满足表1中要求，可见NaAlO2能够作为本课题的促凝剂。为了节省其用量，其掺量取1．00%为最佳。

图4为空白及1．00%NaAlO2掺量试样3d龄期的SEM图。对比图4(a)与4(b)可见，未掺NaAlO2时，试样内部水化产物主要为C－S－H凝胶，并且C－S－H凝胶结构较疏松，内部存在大量空隙、孔洞。而加入NaAlO2后，试样内部的C－S－H凝胶结构较空白试样要明显致密，除此之外，还存在有大量针状钙矾石。造成上述现象的原因是由于加入NaAlO2后，其会迅速与水泥浆体中的Ca(OH)2以及石膏发生反应，生成钙矾石(如式(1)所示)。生成的钙矾石在水泥颗粒间迅速相互交叉形成三维网络结构，使得水泥呈现速凝现象。同时上述反应的进行，降低了水泥料浆中Ca(OH)2的液相浓度，从而加剧水泥组分溶解速率，促进了C3S和C2S的水化，使得C－S－H凝胶结构变得更加致密。

促凝剂确定后，分别确定轻质发泡水泥保温材料的最佳水灰比和最佳发泡剂掺量，得出轻质发泡水泥保温材料的配合比，如表2所示，其中硬脂酸钠为稳泡剂和防水剂。此时试样干密度、28d抗折及抗压强度、体积吸水率和导热系数如表3所示。

2、减水剂对发泡水泥保温材料性能的影响

减水剂可在保证发泡水泥料浆和易性相同的情况下，显著降低料浆水灰比，提高泡孔壁的致密度，从而提高制品的力学性能、热工性能等。在1#号配比的基础上，加入聚羧酸减水剂，研究其对轻质发泡水泥保温材料性能的影响。试样配合比如表4所示，试样干密度、28d抗折及抗压强度、体积吸水率和导热系数如表5所示。

由表5可见，与未加减水剂的1#配比试样相比，加入减水剂后试样的28d抗折、抗压强度分别增加了26．3%及18．9%，试样力学强度提高明显。同时试样导热系数和体积吸水率分别降低了10．7%和15．7%，试样保温隔热性能及防水性能均得到提升。图5为加入减水剂前后试样泡孔结构图。

由图5(a)可见，未掺加减水剂时，试样内部泡孔粗大、大小不一，形状不规则，泡孔间连通率较高。而掺入减水剂后试样内部泡孔变得细小、大小均一、类球形度高，泡孔间连通率显著降低，试样的泡孔结构得到明显改善。由物理学知识可知，试样内部泡孔尺寸越细小、大小越均一、形状越接近于球形、连通率越低，则受力时应力分布就越均匀，应力集中就越小，因而使得力学强度显著提高。此外试样内部泡孔的相互连通会为水及热量传递提供通道，使得热量在试样中的传递速率更快，水分更容易渗透到试样内部。掺入减水剂后，试样泡孔间连通率降低，阻塞了水及热量传递的通道，因而试样的导热系数及吸水率得到降低。

聚羧酸减水剂对发泡水泥泡孔结构的改善作用主要来源于两点:(1)发泡水泥中的气泡是被一层极薄的液膜相互隔开，气泡的稳定性主要取决于液膜的表面粘度、液膜弹性以及液膜内水泥料浆的粘度。聚羧酸减水剂分子中含有大量的—OH、—O—及—COOH集团，这些集团能与水分子间通过氢键缔合形成一层具有一定机械强度的溶剂化水膜，从而一方面提高了液膜内水泥料浆的粘度，降低了液膜内水泥料浆的排液速度;另一方面其吸附在气体与水泥料浆界面上，增强了液膜的表面粘度与液膜弹性，从而使得气泡的稳定性显著增强。(2)聚羧酸减水剂的加入显著降低了料浆的水灰比，从而减少了水泥石中毛细孔及孔隙数量，使得泡孔壁的致密度明显提高。

结束语

综上所述，NaAlO2可满足轻质发泡水泥保温材料中对促凝剂的要求，其最佳掺量为1．00%。聚羧酸减水剂可显著改善发泡水泥保温材料的内部泡孔结构，从而可使其力学强度、保温隔热性能以及防水性能均得到提升。轻质发泡水泥保温材料的最佳配合比为:水泥100g、水灰比0．47、偏铝酸钠1．00%、发泡剂6．0%、聚羧酸减水剂0．5%、硬脂酸钠1．5%。此时试样密度为215kg/m3，28d抗折、抗压强度分别为0．24MPa和0．44MPa，导热系数为0．056W/(m·k)，体积吸水率7．5%。

参考文献

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