新型低密度泡沫混凝土建筑保温材料的制备与性能研究

张同钰

（咸阳职业技术学院，陕西咸阳 712000）

全球能源形势日益紧张，如何实现能源的高效利用是目前各国共同关注的热点问题。根据调查统计发现，建筑能耗在总能耗中所占的比例较高，因此，对建筑能耗的高效利用以及减少建筑能耗对于解决能耗较高的问题有重要意义。在解决建筑能耗较高的问题的过程中，泡沫混凝土以其阻燃、隔热、环保、节能、耐老化、强度高等优势引起人们的重点关注[1]。

泡沫混凝土是指将通过物理或者化学方法制备的泡沫加入到水泥、掺合料、水等制成的水泥浆体中，搅拌均匀、成型养护，从而得到内部分布大量细小均匀气孔的多孔混凝土[2]。因为泡沫混凝土具有大量封闭气孔的这一特点，使其密度与普通混凝土相比要低很多，同时也因这一特点其导热系数也较低，密度越小其导热系数降低越多，在作为保温材料应用时具有优异的隔热性能，从而有效降低建筑能耗[3-5]。另外，泡沫混凝土运用于建筑保温材料可以在一定程度上减小建筑的自重，从而减小承重构建的尺寸，进一步减少建筑成本，缩短建设工期和工程量[6-7]。随着发展和生活需求标准越来越高，建筑领域对泡沫混凝土的性能要求标准也更严格，既要泡沫混凝土的密度较低，同时又要满足其强度要求和耐久性要求。

1 实验部分

1.1 实验原料

普通硅酸盐水泥、双氧水发泡剂、促凝剂、减水剂、聚乙烯醇稳泡剂、硬脂酸钠防水剂、过氧化苯甲酰、二甲苯、丙烯酸、丙酮等。

1.2 低密度发泡混凝土试样制备

由于预制泡混合法浇筑制备的泡沫混凝土整体性较好，且制备过程中消耗的发泡剂较少，因此，本实验采用预制泡混合法进行发泡混凝土试样的制备。制备过程如下：

称量水泥、水、外加剂等原料，固体类外加剂与水泥等放入水泥胶砂搅拌机中搅拌均匀，然后将液体类外加剂与水混合均匀同样加入水泥胶砂搅拌机中搅拌，搅拌3min待混合料搅拌均匀后得到混凝土浆体。将双氧水按照一定的比例稀释，然后放入发泡机中进行发泡，发泡完成后，称取适量泡沫加入上述水泥胶砂搅拌机中搅拌40s左右，使泡沫与混凝土浆体混合均匀，得到泡沫混凝土浆体。在制备混凝土的模具涂抹润滑油，以便混凝土脱模，将上述泡沫混凝土浆体注入模具中，待其注满模具后，将多余的泡沫混凝土浆体刮掉，保持表面平整。将模具放入标准养护室中进行养护，养护条件为温度45℃左右、湿度(60±5)%，养护24h后脱模，然后将脱模后的泡沫混凝土试块置于标准养护室中继续养护至实验所需的龄期。

2 配合比设计及性能研究

为了保障泡沫混凝土的密度低，同时又高强度以及耐久性较好的要求，对混凝土制备的配合比进行了设计研究，通过单因素法分析了水灰比以及促凝剂、发泡剂、稳泡剂等原料的掺量对泡沫混凝土性能的影响，确定了最优的配合比。

2.1 水灰比

在研究不同水灰比对发泡混凝土性能的影响，固定其他参量不变，考察不同水灰比对低密度泡沫混凝土性能的影响，结果见表1。

表1 水灰比对低密度泡沫混凝土密度的影响Table 1 The influence of water-cement ratio on the density of low-density foam concrete

由表1数据可以看出，泡沫混凝土的密度先减小后增大，在水灰比在0.57～0.63范围时，其密度逐渐减小，可能是因为随着水灰比的增大，混凝土浆体的黏度逐渐减小，稠化速率降低，产生的气泡逐渐增多；当水灰比为0.63时，其密度最小为250kg/m3；在水灰比大于0.63后，其密度增大，可能是因为混凝土浆体的黏度过小，稠化速率过低，产生的气泡从浆体中排出，使混凝土试样发生塌陷，气泡总体积减小，从而使密度增加。因此在水灰比为0.63时，泡沫混凝土的密度最低。

2.2 促凝剂

选用NaAlO2作为促凝剂，研究其掺入量的不同对水泥凝结时间的影响，结果如图1所示。

图1 促凝剂掺入量对水泥凝结时间的影响Fig. 1 The influence of the amount of accelerator added on the setting time of cement

由图1可以看出，随着促凝剂掺入量的增加，水泥的凝结时间越来越短，在掺入量小于0.60%的范围内，随着促凝剂掺入量的增加，水泥的凝结时间下降较快；当掺入量超过0.60%时，水泥的凝结时间仍旧缩短，但是下降趋势变缓。而当掺入量为1.00%时，水泥初凝时间为30min，终凝时间为65min，满足水泥凝结时间要求。当掺入量为1.20%时，水泥的凝结时间不满足其制备要求。因此，可以得出结论，选用NaAlO2作为促凝剂时其最佳掺量在1.00%时较为合适。

2.3 发泡剂

同样的，为了研究发泡剂掺入量对低密度泡沫混凝土材料的性能的影响，固定其他掺量不变，实验结果见表2。

表2 发泡剂对低密度泡沫混凝土材料性能的影响Table 2 The influence of foaming agent on the performance of low-density foam concrete materials

由表2数据可以看出，低密度泡沫混凝土的干密度随发泡剂掺入量的增加先减小后增大。在掺入量小于7.0%范围内时，低密度泡沫混凝土的干密度随发泡剂掺入量的增加逐渐减小；当掺入量为7.0%，其干密度最小为178kg/m3；当掺入量大于7.0%时，其干密度增大。因此从表中数据可以得出结论，在发泡剂掺入量为6.5%时已经满足密度需求，因此在发泡剂掺入量为6.5%时较好。

2.4 稳泡剂

稳泡剂是指具有延长和稳定泡沫保持长久性能的表面活性剂，主要作用是改善泡沫混凝土泡孔结构。不同掺入量稳泡剂对低密度泡沫混凝土强度和导热系数的影响结果如图2所示。

图2 不同掺入量稳泡剂对低密度泡沫混凝土强度和导热系数的影响Fig. 2 The effect of foam stabilizer in different dosages on the strength and thermal conductivity of low-density foam concrete

由图2可以看出，低密度泡沫混凝土强度随着混凝土稳泡剂掺入量的增加逐渐增强，在稳泡剂掺入量小于3.0%范围内，其强度增加趋势较为明显，随后增加趋势趋于平稳；导热系数随稳泡剂掺入量的增加而逐渐减小，同样，在稳泡剂掺入量小于3.0%范围内，导热系数减小趋势较为明显，而随后其减小趋势趋于平稳。因此，从强度以及导热系数的变化趋势来说，在稳泡剂掺入量为3.0%左右时，低密度泡沫混凝土的强度和保温效果均处于较好的范围。

在确定上述物质的最佳掺入量之后，为了保障在此配合比设计下，低密度泡沫混凝土的强度和保温性能等也满足建筑施工的要求。因此，在上述配合比的设计下制备了低密度泡沫混凝土试样，对其抗折、抗压强度以及导热系数进行了测试，结果见表3。

表3 最优配合比时低密度泡沫混凝土的性能Table 3 Performance of low-density foam concrete at the optimal mix ratio

3 结语

节能减排措施是“十一五”期间提出的政策措施，建筑节能是《节能中长期专项规划》中十大重点节能工程之一。保温材料作为建筑材料的一部分在建筑节能中发挥重要作用，有机保温材料虽然保温效果较好，但是其极易燃烧，容易引发火灾，且环保性较差。因此，无机保温材料便是目前建筑保温材料的重点研究方向。泡沫混凝土具有成本低廉、防火性能好、无毒无害、节能环保等优势，在无机保温材料中脱颖而出，但是在目前的制备工艺水平下，由其制备的保温材料导热系数较高、容重较大。为了克服泡沫混凝土的这一缺陷，本文研究了不同水灰比，促凝剂、发泡剂、稳泡剂等对其性能的影响，优化最佳配合比，制备出了密度较低，同时强度、保温性能均较好的低密度泡沫混凝土保温材料，有助于建筑节能减排。