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发泡水泥砖的制备及性能

2018-06-15韩维业马瑞廷

沈阳理工大学学报 2018年2期
关键词:发泡剂介电常数泡沫

韩维业,马瑞廷

(沈阳理工大学 a.理学院,b.材料科学与工程学院,沈阳 110159)

我国建筑外墙保温材料约90%为有机保温材料,耐火性差,达不到消防安全的要求;同时电磁污染已成为一大公害,日益干扰人们的正常生活[1-2]。发泡水泥是一种性能优良的无机保温材料,是以水泥、发泡剂、掺合料、增强纤维及外加剂等为原料经发泡制成的轻质多孔材料[3-5]。

发泡水泥因其具有质量轻、保温效果好、耐高温、减震、环保隔音等优点,又因其所需投资少且生产施工方便,并可大量利用工业废渣,所以受到国内外材料工作者的高度重视,并得到广泛的应用和深入的研究。王翠花等[6]发现烷基苯磺酸盐对发泡剂性能有明显提高,使得泡沫剂发泡倍数达到16.7倍,泡沫稳定时间超过3h。扈士凯等[7]研究找出了泡沫掺量与泡沫混凝土性能之间的关系:泡沫数量会影响泡沫混凝土的强度,泡沫掺量在 70~90g/L 时混凝土的性能最佳;随泡沫掺量增加,泡沫混凝土的容重、强度降低;泡孔大小及孔径分布不均匀,力学性能较低。Prinya等[8]研究了容重等级为1600kg/m3的轻质泡沫混凝土的干缩性能,试验发现发泡混凝土的干缩可以用乙二醇复合物进行改善,用粉煤灰代替部分水泥和砂也能减少泡沫混凝土干缩。R.Montman等[9]指出,不同比重泡沫水泥浆体能够满足不同抗压强度、孔隙度和渗透性等物理性能要求,总结出泡沫水泥浆体比重的调节范围为0.42~1.68之间。

本文采用L9(34)正交设计试验,通过测试发泡水泥的干密度、抗压强度和孔隙率等物理参数,确定发泡水泥的最优制备方案,并在测试频率为2~20GHz(厘米波段)范围内,考察发泡水泥的微波吸收性能。

1 实验方法

1.1 实验试剂和仪器

表1为实验所用的化学试剂,其中纳米镍锌铁氧体采用聚丙烯酰胺溶胶凝胶法自制,详细制备方法见文献[10]。表2为实验所用仪器。

表1 实验试剂

表2 实验仪器

1.2 发泡水泥的制备

采用L9(34)正交试验制备发泡水泥试样,表3为实验的影响因素和水平;表4为L9(34)正交试验的排列表[11];表5为每组原料的加入量。以水泥和煤矸石总量700g为基准,根据正交试验表设计的各因素配比,再向每组实验中掺杂占水泥和煤矸石总量2%无水硫酸钠作为稳泡剂和2%的Ni-Zn铁氧体作为吸波材料,得出每组水泥各个原料的配合比(因为浓度为30%过氧化氢含有70%的水,所以在计算实际用水量时应减去过氧化氢中的水量,即:实际所用自来水=理论用水量-70%过氧化氢含量)。

表3 正交试验因素与水平

表4 正交试验设计表

表5 原料用量 g

详细制备过程如下:

(1)干料的混合。将水泥、煤矸石、聚丙烯纤维、无水硫酸钠和纳米镍锌铁氧体放到球磨机中12h,使其混合均匀;

(2)溶液配制。将无水硫酸钠加入到去离子水中溶解,然后加入过氧化氢,混合均匀;

(3)水泥浆的制备。将上述溶液加入到混合均匀的固体原料中,沿同一方向搅拌泥浆约0.5min;

(4)装模成型。将搅拌好的水泥浆迅速倒入已涂好油膜的100mm×100mm×100mm模具中,使其静止发泡20min,并用保鲜膜将已发泡成型的水泥块盖好;

(5)脱模养护。将含有水泥块的模具放置24h后脱模,送入混凝土标准养护室进行28d养护。

1.3 材料的表征

(1)干密度测试方法

发泡水泥的干密度指的是体积密度,按照《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GBT11969-2008)测试,计算公式为

V=a×b×cρ0=M0/V×106

(1)

式中:ρ0为干密度,kg/m3;M0为试件烘干后质量,g;V为试件体积,mm3;本实验制备的试块尺寸为100mm×100mm×100mm,故a、b、c均为100mm。

(2) 抗压强度测试方法

抗压强度pk按下列公式进行计算

pk=Pn/S×10-1

(2)

(3)孔隙率测试方法

采用“李氏密度瓶”法测出试样的纯密度,计算出试样的孔隙率,计算公式为

P=(ρ2-ρ0)/ρ2

(3)

式中,P为孔隙率,ρ2为纯密度。

(4)介电常数和反射率的测试方法

采用矢量网络分析仪测试发泡水泥试样的介电常数和反射率,型号为Z5071C,生产厂家为Agilent Technologies。

2 结果与讨论

2.1 确定发泡水泥制备的最优方案

表6为L9(34)正交试验设计表,表中给出了发泡水泥的干密度、抗压强度和孔隙率的测试结果,同时也给出了三个参数的极差分析结果。

从表6可以看出,对于试样的抗压强度和干密度,影响最大的因素为水料比(B),发泡剂(C)次之,抗压强度平均值ki达到最大,为1.34MPa,干密度为554.05kg/m3。对于抗压强度,其数值越大越好;从发泡剂成本考虑,应尽可能的选择发泡剂掺量较少的水平;故第一因素应选择B2,第二因素应选C1。A因素和D因素对抗压强度和干密度影响较小,当因素指标为A2时,抗压强度为1.25MPa,仅比A1时的最大压强小0.02MPa;干密度为552.81kg/m3,仅比A3时的最低密度小1.39kg/m3,故第三因素应选A2。当因素指标为D2时,28d抗压强度平均值ki达到最大为1.28MPa,干密度为559.37kg/m3;当指标因素为D3时,强度为1.16MPa,干密度为549.51kg/m3。D2和 D3两因素之间压强和干密度差别不是很大,从抗压和成本考虑,第四因素应选D2。

通过以上综合平衡分析法,选择最优组合为A2、B2、C1、D2,即煤矸石掺量为30%,水料比为0.46,发泡剂掺量为5%,聚丙烯纤维掺量为0.4%。

表6 正交试验与极差分析表

2.2 介电常数及反射性能的检测

确定实验序号4,即煤矸石掺量为30%,水料比为0.46,发泡剂掺量为5%,聚丙烯纤维掺量为0.4%,以此为原料制备发泡水泥试样,测试其介电常数和发射率。图1为该试样的介电常数实部(ε')和虚部(ε")随测试频率的变化曲线,由图1可以看出,在测试频率2~20GHz范围内,材料的介电常数实部的数值在3.24~3.72之间,介电常数虚部的数值在0.54~1.17之间;介电损耗(ε"/ε')的数值在0.17~0.31之间,表明制备的材料具有一定的介电损耗。

图1 材料的介电常数实部和虚部随测试频率的变化曲线

图2为该试样的反射率随测试频率的变化曲线,在测试频率2~20GHz范围内,材料出现了3个反射峰,在18GHz处,出现最大的反射峰,达到了-6.2dB,表明材料具有一定的微波吸收性能。这是因为纳米镍锌铁氧体是一种软磁性物质,具有介电损耗和磁损耗[10,12],制备的发泡水泥中掺杂了一定量的纳米镍锌铁氧体,从而使材料具有了一定的微波吸收性能。

图2 材料的反射率随测试频率的变化曲线

3 结论

(1)采用L9(34)正交试验制备发泡水泥砖,以干密度、抗压强度和孔隙率为考查指标,通过极差分析方法确定了发泡水泥砖的最优原料配比:煤矸石掺量为30%,水料比为0.46,发泡剂掺量为5%,聚丙烯纤维掺量为0.4%。

(2)采用矢量网络分析仪测试了发泡水泥砖的介电常数和反射率,表明材料具有较好的微波吸收性能。

参考文献:

[1] 刘阳,唐明,宋学君.混凝土发泡剂的研究进展[J].混凝土,2012(9):57-58.

[2] 邱军付,罗淑湘,鲁虹.大掺量粉煤灰泡沫混凝土保温板的试验研究[J].硅酸盐通报,2013,32(2):363-367.

[3] 马一平,王洋,李奎,等.超轻发泡水泥保温材料的制备及力学性能[J].建筑材料学报,2017,20(3):424-430.

[4] 林益军,刘萍,王健雁,等.聚氨酯后处理对发泡水泥保温板性能的影响[J].功能材料,2016,47(11):11068-11071.

[5] 石行波,霍冀川,李娴.动物蛋白发泡剂制备泡沫混凝土的研究[J].硅酸盐通报,2009,28(3):609-613.

[6] 王翠花,潘志华.蛋白质类发泡剂的合成及其泡沫稳定性[J].南京工业大学学报,2006,28(4):92-95.

[7] 扈士凯,李应权,段策,等.矿物掺和料对泡沫混凝土基本性能的影响[J].新型墙材,2009(11):27-29.

[8] Prinya Chindaprasirt,Ubolluk Rattanasak.Shrink age behavior of structural foam lightweight concrete containing glycol compounds and flyash[J].Materials and Design,2011(32):723-727.

[9] Kearsley,Wainwright.The effect of porosity on the strength of foamed concrete[J].Cement and Concrete Research,2002(32):233-239.

[10] Ruiting Ma,Yi Wang,Yanwen Tian,et al.Synthesis,characterization and electromagnetic studies on nanocrystalline nickel zinc ferrite by polyacrylamide gel[J].Journal of Materials Science & Technology,2008,24(3):419-422.

[11] 郑少华,姜奉华.试验设计与数据处理[M].北京:中国建材工业出版社,2004.

[12] Yan W,Jiang W,Zhang Q H,et al.Structure and magnetic properties of nickel-zinc ferrite microsphere synthesized by solvothermal method[J].Materials Science and Engineering B,2010(171):144-148.

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