发泡气体对泡沫混凝土导热系数的影响

2018-11-23胡勤

新型建筑材料 2018年11期

胡勤

（长江大学工程技术学院，湖北荆州 434020）

0 前言

据统计，建筑能耗约占我国总能耗的30%以上，其中采暖和空调能耗约占建筑总能耗的55%，随着人们对居住舒适度要求的不断提高，这一比例还将继续增加[1]。为了应对严峻的能源危机，国家出台了很多相关的政策，其中就包括与建筑节能紧密相关的保温材料的研发与推广方面。由于有机保温材料存在易老化、稳定性差、易燃烧等缺点正在逐步被取代，无机保温材料尤其是泡沫混凝土逐渐受到学者们的关注[2]。泡沫混凝土是将胶凝材料、矿物掺合料、外加剂、发泡剂和稳泡剂，经配料、搅拌、浇筑、静停发泡制备而成的具有多孔结构的轻质混凝土[3]。与传统的混凝土相比，泡沫混凝土具有轻质、保温隔热、隔声、缓震、节约材料等特性，被广泛应用在建筑结构外墙保温、隔声结构、采矿区的充填、地基处理、机场的缓冲缓震结构等方面。与有机保温材料相比，泡沫混凝土最大的优点是其燃烧等级为A级，能够有效降低由火灾造成的损失[4]。诸如以上优异的性能，越来越多的专家学者致力于泡沫混凝土的研究工作。然而，现阶段泡沫混凝土仍然存在一些问题，如导热系数高、抗压强度低、整体性差等[5-6]，其中导热系数高是限制泡沫混凝土作为保温材料使用以及全面取代有机保温材料的最主要因素。本文分别从理论分析和试验验证两方面探讨了不同种类发泡气体对泡沫混凝土导热系数的影响，以期为改善泡沫混凝土的导热系数提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥（OPC）、42.5级硫铝酸盐水泥（SAC），其化学组成及相关物理性能指标分别如表1、表2所示。

表1 水泥的化学成分 %

表2 水泥的物理性能

发泡剂：动物蛋白发泡剂，发泡倍数为26倍，1 h沉降距为12 mm，1 h泌水率为21%；双氧水：上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产，质量浓度为30%，分析纯；铝粉：洛阳发现者铝业有限公司生产，纯度大于99%。

稳泡剂：硬脂酸钙，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

水：20℃的去离子水。

1.2 导热系数测试方法

试件尺寸为 300 mm×300 mm×30 mm，标准养护28 d后放入温度为（50±1）℃的干燥箱内烘干至恒重，然后采用稳态平板法进行导热系数的测试。导热系数的取值为3组试件的平均值，精确至0.0001 W/（m·K）。

2 试验结果与讨论

2.1 理论分析发泡气体对导热系数的影响

泡沫混凝土是一种轻质多孔材料，根据制备泡沫混凝土发泡剂种类的不同，孔结构内部充斥着不同种类的发泡气体。当发泡剂为表面活性剂、蛋白质类发泡剂时，泡沫混凝土中的发泡气体为空气[7-8]；当发泡剂为铝粉或双氧水时，泡沫混凝土中的发泡气体为氢气或氧气[9-10]。对同种胶凝材料制备的相同体积密度的泡沫混凝土，排除孔结构带来的影响，造成泡沫混凝土导热系数产生差异的最主要原因是发泡气体的不同。在理想状态下，假设泡沫混凝土内部的孔结构完全相同，如果发泡气体的导热系数越小，那么可以推测泡沫混凝土的导热系数也越小。

为了理论分析发泡气体对导热系数的影响，在试验过程中测试了在干密度等级为2000 kg/m3密实状态下OPC、SAC水泥石的导热系数，分别为0.4632、0.4383 W/（m·K）。通过发泡材料导热系数计算公式（1）[11]和几种气体的导热系数[12-13]，理论计算出了体积密度为600 kg/m3，胶凝材料分别为OPC、SAC，不同发泡气体的泡沫混凝土的导热系数，结果如表3所示，在计算过程中假定泡沫混凝土中所有的孔结构都是闭孔结构。

发泡材料导热系数按式（1）计算：

式中：λ——发泡水泥或发泡混凝土导热系数；λ1——泡内材质导热系数；λ2——泡壁材质导热系数；ρ1——发泡材料产品密度；ρ2——泡壁材质密度；y——修正系数，当发泡材质为水泥或混凝土时，取y=5；z——闭孔率，所有泡为闭孔时，z=1。

表3 不同气体及其理论计算体积密度为600 kg/m3时OPC、SAC泡沫混凝土的导热系数

由表3可以发现，对于同种胶凝材料制备的相同体积密度的泡沫混凝土来说，泡沫混凝土孔结构内部发泡气体的导热系数越小，泡沫混凝土的导热系数也越小。现阶段制备泡沫混凝土所用的发泡剂主要是动植物蛋白、双氧水和铝粉，相对应的发泡气体为空气、氧气和氢气，在这3种气体中氧气的导热系数最小，氢气的导热系数最大，理论计算的结果也表明以氧气为发泡气体的泡沫混凝土的导热系数小于以氢气为发泡气体的泡沫混凝土的导热系数。

2.2 试验验证发泡气体对导热系数的影响

为了更加明确发泡气体的导热系数对泡沫混凝土导热系数的影响，试验过程中制备了分别以OPC和SAC为胶凝材料体积密度等级为300～800 kg/m3的泡沫混凝土，所用的发泡剂分别为动物蛋白、双氧水和铝粉，对应的发泡气体分别为空气、氧气和氢气。为了使不同发泡气体的同一水泥品种的相同体积密度的泡沫混凝土具有相近或相同的孔结构，试验过程中对同一水泥品种的泡沫混凝土采用相同的水灰比。水灰比过大会引起泡沫混凝土在制备过程中出现塌模或收缩现象，水灰比过小则会导致不起泡的问题，因此在制备泡沫混凝土的过程中需要合适的水灰比[14]。结合试验现象，最终确定OPC泡沫混凝土采用的水灰比为0.55，相应的浆体流动度为175 mm。SAC泡沫混凝土采用的水灰比为0.53，相应的浆体流动度为170 mm。将成型的试件养护28 d后进行导热系数的测试，结果如图1所示。

图1 不同发泡气体的OPC、SAC泡沫混凝土的导热系数

从图1（a）可以看出，对于发泡气体相同的OPC泡沫混凝土来说，随着体积密度的增大，泡沫混凝土的导热系数逐渐增大。对于体积密度相同、发泡气体不同的OPC泡沫混凝土来说，发泡气体为氧气的OPC泡沫混凝土的导热系数最小，发泡气体为空气的OPC泡沫混凝土的导热系数与发泡气体为氧气的接近，发泡气体为氢气的OPC泡沫混凝土的导热系数最大。产生上述现象可能的原因是发泡气体的不同，以体积密度为300 kg/m3的OPC泡沫混凝土的导热系数为例进行分析。由表3可知，在20℃时氧气、空气和氢气的导热系数分别为0.0240、0.0242、0.1760 W/（m·K），图1中体积密度为300 kg/m3的OPC泡沫混凝土的导热系数分别为0.0613、0.0625、0.2021 W/（m·K）。对比分析可以得出，发泡气体的导热系数越小，相对应的泡沫混凝土的导热系数越小。由图1（b）可以得出与图1（a）相同的规律，即SAC泡沫混凝土的导热系数也受到发泡气体导热系数的影响，对相同体积密度的SAC泡沫混凝土，发泡气体的导热系数越小，泡沫混凝土的导热系数也越小。