发泡水泥力学性能测试及管道保温试验研究

郭巍，姜伟，马令勇，刘功良，李清，杜彬

（1.黑龙江八一农垦大学土木水利学院，大庆 163319；2.东北石油大学土木建筑工程学院；3.大庆市碧千里科技开发有限公司）

鉴于全球能源逐步消耗的严峻形势，如何提高能源利用率及开展节能减排是研究工作中重点关注的问题。由《中国建筑能耗研究报告2020》可知，建筑能耗在总能耗中的比重较大，2018 年全国建筑全寿命周期能耗总量占全国能源消费总量的比重为46.5%[1]。因此，研究如何降低建筑能耗的损耗率具有重要意义。近年来，从降低建筑能耗角度出发，我国大规模推广绿色建筑，因此各种新型建筑材料不断涌现，其中节能保温建筑材料的研究及推广受到广泛的关注。如何获得导热系数较低而强度较高的建筑保温材料一直是研究追求的目标，发泡水泥因其具有保温性、耐火性、防水性、抗冻性好以及节能环保等优势成为研究的重点方向。李凯斌等[2]通过在发泡水泥中掺入聚乙烯醇（PVA）纤维，探讨了纤维用量对材料性能的影响。朱正发[3]针对常见发泡水泥质量缺陷提出了相应的应对措施。朴春爱等[4]从微观角度研究了发泡混凝土内部气泡的形成与迁移过程。姜林伯等[5]通过研究工艺条件之间的关联发现了其对加压发泡混凝土性能的影响规律。巫文静等[6]分别探讨了粉煤灰、气凝胶、CaO 等对双氧水发泡混凝土性能的影响。

因发泡水泥的保温性能良好，节能优势明显，目前多将其应用于有保温隔热要求的工业、民用及农业建筑的墙体保温，取得良好的节能效果，研究成果较为丰富[7-10]。供热管道、输油管道、蒸汽管道等高温管道的保温材料目前多为玻璃棉毡、气凝胶、岩棉、泡沫玻璃、硅酸钙、珍珠岩等[11-14]，受地下土层压力、反复冻融、吸水率、腐蚀等因素影响，常用的保温材料各有不足，而将发泡水泥应用于高温管道保温层的研究鲜有发现。

大庆市碧千里科技开发有限公司研发了一种新型发泡水泥，委托本科研团队对其性能测试，得出发泡水泥的基本物理力学参数和热工性能，为其推广提供数据支撑。研究主要通过调整双氧水比例控制发泡量从而得到不同密度的发泡水泥模型，研究发泡水泥的导热系数、抗压强度、抗折强度、冻融质量损失率、干表观密度、吸水率等性能随密度变化的规律。并结合此规律将其应用于高温管道的保温层进行保温试验研究，观察发泡水泥的耐高温性能以及在高温情况下导热系数的稳定性，为此材料在高温管道的保温推广应用中提供理论依据。

1 实验原料

普通硅酸盐水泥、快硬硫酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、碳酸锂、硬脂酸钙、甲基纤维素、分散乳胶粉、工程纤维、减水剂、水和双氧水等。

2 发泡水泥试样制备

研究采用的发泡水泥试样成分配比方案参考自大庆市碧千里科技开发有限公司发明专利（201310227221.8）中所述的水泥发泡体优选重量份数配比范围[15]。具体成分配比组成值如表1 所示。

表1 发泡水泥试样按重量配比组成Table 1 Foamed cement samples according to the weight of proportion

其他成分配比不变，通过调整双氧水的重量配比，制成不同密度的发泡水泥试样。分别取双氧水15、14、13、12、11、10、9 kg·m-3，对应制备200、250、300、350、400、450、500 kg·m-3密度发泡水泥。确定配比后，将普通硅酸盐水泥、快硬硫酸盐水泥、粉煤灰、硅灰、碳酸锂、硬脂酸钙、甲基纤维素、分散乳胶粉、工程纤维混合，之后加减水剂和水，控制温度在20～35 ℃下搅拌15～30 s，然后加双氧水，搅拌均匀，快速浇筑入模具内，发泡定型，进行养护。由于施工误差，制备后的发泡水泥实际密度值会稍有波动。

3 基础物性测试

3.1 测试方法

传统的材料基础物性的测量方法是稳态法，其主要特征是保持样品内部的温度梯度不变，建立理想稳态传热模型，再由傅里叶定律得出被测样品的导热系数。但是稳态法对试样尺寸要求较高，测量过程时间长且装置比较复杂，已经不能满足实际的生产和质量监控的需要，因此非稳态测量方法开始被采用。

研究主要采用非稳态测量方法中的瞬态平面热源法（Hot Disk 法）进行基础物性测量[16]。Hot Disk 测量系统由可导电的双螺旋机构绕线探头、热常数分析仪和计算机组成。进行测量时，探头由支架固定，探头与被测材料平整接触，适当施加电流。由于热效应使探头温度升高，探头电阻发生变化从而在其两端产生电压变化，通过记录在一段时间内电压和电流的变化可以较为准确的得到探头和被测样品中的热流信息。

3.2 测试结果分析

利用Hot Disk 测量法进行了21 组测量，试验板规格为：300 mm×300 mm×30 mm。测试结果如图1 和表2，试验照片如图2。

图2 发泡水泥导热系数实验照片Fig.2 Test photo of thermal conductivity of foamed cement

表2 发泡水泥导热系数Table 2 Thermal conductivity of foamed cement

图1 发泡水泥导热系数结果Fig.1 Results of thermal conductivity of foamed cement

分析21 组数据结果可知，密度平均值为469.11 kg·m-3时，导热系数平均值为0.036W/（m·K）-1。如图1 所示各试件密度与平均值之间的差值范围-58.643～101.635 kg·m-3，导热系数与平均值的差值范围-0.004～0.002 W/（m·K）-1，说明在密度差值160 kg·m-3左右的范围内，导热系数基本稳定。发泡水泥导热系数数值较低，属于高效保温材料。

4 结构性能测试

4.1 抗压测试

4.1.1 测试方法

采用室内试验测试发泡水泥的抗压强度。按照150 mm×150 mm×150 mm 规格的模具制备5 组试件、每组4 个，共计20 个试件，送入标养室养护至规定龄期，依照GB/T 5486-2008《无机硬质绝热制品试验方法》[17]，采用HYE-300B 型电脑控制压力试验机进行抗压强度测试，试验照片见图3。

图3 发泡水泥抗压强度试验照片Fig.3 Photo of compressive strength test of foamed cement

每个试件的抗压强度按照下式计算，精确至0.01 MPa。

式中：σ——试件的抗压强度（MPa）；

P1——试件的破坏荷载（N）；

S——试件的受压面积（mm2）。

4.1.2 测试结果分析

发泡水泥在制模成型过程中因发生物理化学反应会产生大量大小不均匀的气孔，所以导致个别试件数据产生偏差，但是分析各组数据平均值后，可见抗压强度平均值随密度平均值的增大呈上升趋势，密度越大孔隙越少，抗压强度也越高，如图4 所示。

图4 发泡水泥密度与抗压强度关系图Fig.4 Diagram of density and compressive strength of foamed cement

4.2 抗折测试

4.2.1 测试方法

抗拉、抗弯、抗剪强度均由抗折试验测试得出的抗折强度表达。采用室内试验测试发泡水泥的抗折强度。按照100 mm×100 mm×400 mm 规格的模具制备5 组试件、每组4 个，共计20 个试件，试件送入标养室养护至规定龄期，依照GB/T 5486-2008《无机硬质绝热制品试验方法》[17]，采用KZJ-500 型电动抗折试验机进行抗折强度测试，如图5 所示。

每个试件的抗折强度按照下式计算，精确至0.01 MPa。

图5 发泡水泥抗折强度试验照片Fig.5 Photo of foamed cement flexural strength test

式中：R——试件的抗折强度（MPa）；

P2——试件的破坏荷载（N）；

L2——下支座辊轴中心间距（mm）；

b——试件宽度（mm）；

h——试件厚度（mm）。

4.2.2 测试结果分析

发泡水泥的各组抗折强度平均值随密度平均值的变化规律总体上升，构件越密实，内部的微裂缝少，抗折时裂缝开展缓慢，抗折能力越强如图6 所示。

图6 发泡水泥密度与抗折强度关系图Fig.6 Diagram of density and flexural strength of foamed cement

4.3 冻融性能测试

4.3.1 测试方法

采用快冻法抗冻试验（GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[18]），将100 mm×100 mm×100 mm 规格的模具制备5 组试件、每组4 个，共计20 个试件放入冻融箱内进行试验。冻融试验照片见图7。单个试件的质量损失率按照下式计算：

图7 发泡水泥冻融试验照片Fig.7 Photo of freeze-thaw test of foamed cement

式中：ΔWni—N 次冻融循环后第i 个混凝土试件的质量损失率（%）；

W0i—冻融循环试验前第i 个混凝土试件的质量（g）；

Wni—N 次冻融循环后第i 个混凝土试件的质量（g）。

一组试件的平均质量损失率按照下式计算：

式中：ΔWn—N 次冻融循环后一组混凝土试件的平均质量损失率（%）

4.3.2 测试结果分析

在温度变化-20～20 ℃范围内，经过200 次冻融循环，试验如图7 所示。通过对试验数据的分析，发现密度越大质量损失率越低，密度达到240 kg·m-3以上时平均质量损失率低于5%（见图8），发泡水泥的抗冻等级F200，耐寒性强。

图8 发泡水泥密度与冻融质量损失率关系图Fig.8 Diagram of density of foamed cement and loss rate of freeze-thaw quality

4.4 干表观密度测试

4.4.1 测试方法

等抗折试验结束后，5 组试件中分别选出4 个，共计20 个试件，切割成100 mm×100 mm×100 mm 尺寸备用。依照GB/T 5486-2008《无机硬质绝热制品试验方法》[17]试验，干表观密度按照下式计算，精确至0.1。该组试件的干密度值应为4 块试件干密度的平均值。

式中：ρ0—干密度（kg·m-3）；

m0—试件烘干质量（g）；

V—试件的体积（mm3）。

4.4.2 测试结果分析

双氧水比例越大，发泡后孔隙越多，发泡水泥密度越小，见图9。

图9 发泡水泥密度与干表观密度关系图Fig.9 Diagram of density and dry apparent density of foamed cement

4.5 吸水率试验测试

4.5.1 测试方法

按照规范要求用吸水率表达发泡水泥的孔隙率。采用干表观密度测试结束后的5 组试件，每组4个，共计20 个100 mm×100 mm×100 mm 试件。依照GB/T 5486-2008《无机硬质绝热制品试验方法》[17]试验，试验照片见图10。按照下式计算吸水率，精确至0.01%。

图10 吸水率试验照片Fig.10 Photo of water absorption test

式中：WR—吸水率（%）；

m0—试件烘干后质量（g）；

mg—试件吸水后质量（g）。

4.5.2 测试结果分析

各组试件的吸水率应为4 块试件吸水率的平均值。由图11 可知吸水率与密度关系不大，吸水率数值相对稳定。各组吸水率平均值均小于10%，满足规范要求。

图11 发泡水泥密度与吸水率关系图Fig.11 Foamed cement density and water absorption rate diagram

为量化展示结构测试结果，将抗压强度、抗折强度、冻融性能、干表观密度、吸水率试验各组平均值结果列于表3。

表3 发泡水泥结构性能试验结果（各组取平均值）Table 3 Results of structural performance test of foamed cement（average value for each group）

5 发泡水泥应用于管道保温性能测试

将管道周围环绕伴热带后，将管道用40 mm 厚度PVC 塑料管将其环套，中间浇筑发泡水泥厚度为64 mm，性能测试过程中并采用伴热带加热管道。对采取现浇发泡水泥保温形式的管道进行冬季试验数据监测，主要包括保温层内壁面温度、保温层外壁面温度、塑料管道外壁面温度。通过计算获得瞬态导热系数，对温度升高状态下保温材料保温性能变化，长期运行对保温材料保温性能影响展开研究。

图12 管道保温测试现场照片Fig.12 Photo of pipe insulation test

5.1 测试方案

试验选取设置油井管道并添加保温层进行现浇发泡水泥保温性能测试试验。测试方案如下：

（1）在油井管道外设置塑料管道，之间填充现浇发泡水泥，结合之前所述发泡水泥的导热系数受密度影响较小，根据结构性能测试结果分析，选取数据均较接近平均值的第3 组配合比方案制备发泡水泥。管道内部填充流体，作为热源以设定温度加热。

（2）测试试验中设置多个温度测点。在发泡水泥内壁（油井管道外壁）、发泡水泥外壁（塑料管道内壁）分别设置两个监测点，并在塑料管外壁设置温度检测点并设置备用测点，用胶带将热电偶固定在相应测点位置，对测点进行依次编号并将热电偶连接至安捷伦数据采集仪器，进行长时间段温度监测，设置10 s 为1 次读取温度数据间隔，获取试验数据。

（3） 测试时间选取大庆冬季（2021.01.31—2021.03.15），为探究现浇发泡水泥保温性能，进行以下实验：

①加热测试：首先开启热源，设定热源温度，通过仪器监测各个测点数据，计算保温层内外壁温差、塑料管内外温差等数据，分析加热状态下保温性能的变化情况。

②长期运行测试：通过设定相同热源温度，长时间通过仪器监测各个测点数据，监测在不同热源温度下长期运行的温度实验数据，分析保温材料在长期使用后保温性能衰减的情况。

（4）整理计算测试所得实验数据，计算保温材料瞬态导热系数并进行分析。

5.2 保温性能分析

根据数据采集仪器采集管道所布测点温度数据，通过计算获得管道稳态传热量及瞬态导热系数，进而通过所得数据分别对比分析温度、长期运行对现浇发泡水泥保温性能的影响。

5.2.1 温度升高对保温材料性能影响

图13 为管道内热源温度升高情况下，依照实验测试数据得出的现浇发泡水泥瞬态导热系数的变化情况。由图可以看出热源温度在70～80 ℃之间时，现浇发泡水泥的导热系数随温度升高大幅降低，最低为0.039 W/（m·K）-1；在80 ℃至90 ℃之间，导热系数随温度升高大幅增大；在95～200 ℃之间，导热系数随温度升高缓慢变大，最高为0.141 W/（m·K）-1；超过200 ℃之后，导热系数随温度升高缓慢下降，在250 ℃时达到0.089 W/（m·K）-1。因此得出，温度升高对保温材料保温性能的影响并非线性化（不排除实验测试收集数据误差）。

图13 热源温度升高对现浇发泡水泥保温性能影响Fig.13 Influence of heat source temperature rise on thermal insulation performance of cast-in-place foamed cement

5.2.2 长期运行对保温材料性能影响

图14~16 为设定相同热源温度，长期运行状态下，现浇发泡水泥导热系数变化规律。由图14~16 可以得出，在相同热源温度下，现浇发泡水泥导热系数均随着运行时间而导热系数降低，说明发泡水泥的保温性能随时间的增加效果增强。

图14 热源温度70～85 ℃长期运行对现浇发泡水泥保温性能影响Fig.14 Influence of heat source temperature 70-85 ℃long-term operation on thermal insulation performance of cast-in-place foamed cement

6 结论

深入研究了发泡水泥用双氧水控制发泡量后，得到对应的密度等基本物理参数、抗压抗折强度等力学参数，进行了管道保温性能测试试验分析导热系数受温度的影响，得出以下结论：

（1）发泡水泥的导热系数受密度变化影响不明显，数值相对稳定，保温隔热效果较好。

图15 热源温度90～150 ℃长期运行对现浇发泡水泥保温性能影响Fig.15 Influence of heat source temperature 90-150 ℃long-term operation on thermal insulation performance of cast-in-place foamed cement

图16 热源温度170～250 ℃长期运行对现浇发泡水泥保温性能影响Fig.16 Influence of heat source temperature 170-250 ℃long-term operation on thermal insulation performance of cast-in-place foamed cement

（2）发泡水泥的力学性能规律性明显：随着密度的增大，抗压强度和抗折强度逐渐增大，抗冻性能增强；吸水率与密度关系不大，相对稳定。

由管道保温性能测试试验可知，在85 ℃以下环境中，现浇发泡水泥导热系数非常稳定，约为0.040 W/（m·K）-1，保温性能优异。在85 ℃以上，发泡水泥导热系数增大并有波动性，约为0.080 W/（m·K）-1；在150 ℃以上导热系数增大明显，表明保温性能略有衰减迹象。在各种温度环境下，现浇发泡水泥导热系数均随着时间推移明显减小并趋于稳定，说明保温性能越来越好，越来越稳定。

研究结果表明，大庆市碧千里科技开发有限公司研制的发泡水泥的有一定的抗压能力、吸水率低、抗冻性好、保温性能优异、耐高温，可以在中高温输油、供热管道等保温工程中推广应用。