化學(xué)發(fā)泡水泥的研究現(xiàn)狀*

譚明洋 呂憲俊 姜梅芬 吳 蓬

(山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院)

化學(xué)發(fā)泡水泥的研究現(xiàn)狀*

譚明洋 呂憲俊 姜梅芬 吳 蓬

(山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院)

概述了化學(xué)發(fā)泡水泥的原料組成，并對(duì)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，針對(duì)目前存在的問(wèn)題，提出了化學(xué)發(fā)泡水泥推廣應(yīng)用和研究發(fā)展的方向。

化學(xué)發(fā)泡水泥 膠凝材料 發(fā)泡劑 穩(wěn)泡劑 摻合料 工程纖維

隨著有機(jī)保溫材料弊端的日益顯現(xiàn)，發(fā)泡水泥作為一種無(wú)機(jī)不燃的保溫材料越來(lái)越受到社會(huì)的重視。發(fā)泡水泥是一種具有獨(dú)立封閉氣孔結(jié)構(gòu)的材料，具有輕質(zhì)、抗老化、不燃、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，且具有環(huán)保性。發(fā)泡水泥可分為物理發(fā)泡水泥和化學(xué)發(fā)泡水泥，化學(xué)發(fā)泡水泥是采用化學(xué)發(fā)泡劑與水泥材料本身或者受外界環(huán)境作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣體用以成孔的。

1 原料組成

化學(xué)發(fā)泡水泥制備方法簡(jiǎn)單，但是對(duì)原材料和工藝參數(shù)要求較高，否則很難成型或達(dá)到相應(yīng)的性能要求，制備化學(xué)發(fā)泡水泥的原料有膠凝材料、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、摻合料、外加劑和工程纖維等。

1.1 膠凝材料

發(fā)泡水泥主要的膠凝材料是水泥，約占固體原料的60%～90%，是發(fā)泡水泥強(qiáng)度的主要來(lái)源。大部分水泥均可作為發(fā)泡水泥的膠凝材料，一般認(rèn)為快硬、快凝是泡沫混凝土成功的前提，因此硫、鐵鋁硅酸鹽水泥應(yīng)用廣泛，但是高鋁水泥會(huì)出現(xiàn)后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不足的問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)膠凝材料選用硫鋁(鐵鋁)酸鹽水泥與普硅水泥的復(fù)合體系，生產(chǎn)出的無(wú)機(jī)化學(xué)發(fā)泡水泥兼具硫鋁(鐵鋁)酸鹽水泥的快硬，和普通硅酸鹽水泥后期強(qiáng)度無(wú)倒縮的優(yōu)點(diǎn)[1]。普通硅酸鹽水泥原料來(lái)源廣泛，是發(fā)泡水泥膠凝材料主要的發(fā)展方向之一。

1.2 發(fā)泡劑

能夠在水泥基漿體中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生氣體的物質(zhì)均可用做化學(xué)發(fā)泡劑。目前適于化學(xué)發(fā)泡水泥的主要有碳化鈣、銨鹽、鋁粉和雙氧水，在其中加入一些激發(fā)劑[2]能夠促進(jìn)化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡。這些化學(xué)發(fā)泡劑中應(yīng)用最廣泛的是雙氧水，承德市宏鳴新型墻體材料有限公司已具備成熟的生產(chǎn)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。碳化鈣遇水會(huì)發(fā)生劇烈反應(yīng)很難控制其發(fā)泡速率，銨鹽類發(fā)泡劑發(fā)泡時(shí)需要提高其所處環(huán)境的堿性，且研究發(fā)現(xiàn)即使溫度升高，其發(fā)泡速率也非常緩慢，而且逸出的氨氣對(duì)人的皮膚和眼睛有腐蝕和刺激作用。雙氧水在pH值為3.5～4.5時(shí)最穩(wěn)定，在堿性溶液或較高的水溫環(huán)境中極易分解成水和氧氣，氧氣形成了氣泡，水和水泥起水化反應(yīng)，故生產(chǎn)工藝過(guò)程中無(wú)廢水和廢氣排放[3]。

1.3 穩(wěn)泡劑

泡沫的質(zhì)量直接影響發(fā)泡水泥的質(zhì)量，如何才能產(chǎn)生均一、穩(wěn)定性好的氣泡(氣孔)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

泡沫具有較大的表面自由能，易發(fā)生破裂。顧軍等[4]認(rèn)為影響泡沫穩(wěn)定性的因素有氣液界面張力的影響和Laplace壓力差的影響。為提高氣泡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要加入少量大分子物質(zhì)、硅樹(shù)脂聚醚乳液類(MPS)、非離子表面活性劑等[1]穩(wěn)泡劑，其主要作用是增大液膜黏度，阻礙液體的流動(dòng)。其中，以表面活性劑應(yīng)用居多，加入表面活性劑，能降低表面張力，保持泡沫的熱力學(xué)穩(wěn)定性。

Maldonado-Valderrama等[5]研究了蛋白質(zhì)-表面活性劑復(fù)合體系發(fā)泡劑對(duì)泡沫穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)和活性劑分子吸附在膜表面，可以使膜更加致密且彈性強(qiáng)，泡沫內(nèi)氣體難以通過(guò)液膜向外擴(kuò)散，因此泡沫能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在。

在實(shí)際生產(chǎn)中，特別是生產(chǎn)化學(xué)發(fā)泡水泥過(guò)程中，硬脂酸鈣應(yīng)用較多，不僅起到穩(wěn)泡的作用，而且能提高發(fā)泡水泥的防水性。

1.4 摻合料

在發(fā)泡水泥中摻加摻合料，其作用和水泥混合材類似，主要為了降低生產(chǎn)成本，同時(shí)能夠降低發(fā)泡水泥漿體的水化熱，減小發(fā)泡水泥的開(kāi)裂現(xiàn)象。常用摻合料包括粉煤灰、硅灰、建筑廢棄細(xì)粉[6]、煤矸石粉[7]等，其中以粉煤灰應(yīng)用最為廣泛，粉煤灰是煤粉經(jīng)燃燒后，其中一些不燃物以高溫熔融狀態(tài)隨煙氣流向爐尾的時(shí)候急冷形成的，成分以SiO2、Al2O3為主，其玻璃體物質(zhì)含量較高，是潛在活性的主要來(lái)源。

喬歡歡等[8]研究了硅灰、粉煤灰2種活性摻合料對(duì)泡沫混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入硅灰可以明顯提高在泡沫混凝土的早期強(qiáng)度，但會(huì)增加吸水率，因此抗凍性能較差；粉煤灰的摻加可提高抗凍性，摻入經(jīng)粉磨處理的粉煤灰可明顯增加后期強(qiáng)度，降低吸水率，但對(duì)抗凍性的改善作用不大。

M.R.Jones等[9]將未經(jīng)處理的低鈣粉煤灰替代部分水泥，研究其對(duì)泡沫混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)制備出的泡沫混凝土有較高的強(qiáng)度，干密度為1 000， 1 200，1 400 kg/m3時(shí)，對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到了6.4， 7.0，10.2 MPa。

摻合料替代部分水泥提高了發(fā)泡水泥性能的同時(shí)，也存在一些問(wèn)題，如導(dǎo)致膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，產(chǎn)品吸水率過(guò)高，整體強(qiáng)度下降等問(wèn)題。采用一定的活化方法，提高摻合料的反應(yīng)活性具有重要的意義

1.5 外加劑

發(fā)泡水泥實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中通常要加入一些外加劑來(lái)提高其性能和應(yīng)用領(lǐng)域，這些物質(zhì)添加量不大，但卻起著至關(guān)重要的作用，外加劑包括早強(qiáng)劑、防水劑、調(diào)凝劑等。

邵洪江等[10]認(rèn)為摻加CaCl2可以提高發(fā)泡水泥的早期強(qiáng)度，這是因?yàn)镃a2+和Cl-的存在以及鹽效應(yīng)、同離子效應(yīng)的影響，可以加速水泥的水化和粉煤灰中活性組分的溶解，促進(jìn)晶核的生成和晶體生長(zhǎng)，此外CaCl2還可以參與反應(yīng)生成不溶性的復(fù)鹽及固溶體。李小龍等[11]發(fā)現(xiàn)適量生石灰的摻加，其生成的Ca(OH)2放熱能促進(jìn)水泥水化，增強(qiáng)漿體硬化效應(yīng)；同時(shí)也能提高溶液的黏度，防止氣泡的合并，提高料漿“殼”的強(qiáng)度，進(jìn)而有效增強(qiáng)材料的強(qiáng)度。

徐文等[12]認(rèn)為化學(xué)發(fā)泡水泥可以成型的關(guān)鍵在于使發(fā)泡劑發(fā)泡的速率與料漿凝結(jié)硬化速率相一致，達(dá)到一種動(dòng)態(tài)的平衡。因此發(fā)泡水泥中一般需要加入適量調(diào)凝劑。韓建國(guó)等[13]得出鋰鹽類促凝劑可以使水泥水化誘導(dǎo)期消失的結(jié)論，水泥加水后直接進(jìn)入水化加速期，從而與發(fā)泡劑的發(fā)泡時(shí)間或泡沫穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到一致。

由于發(fā)泡水泥的摻合料多為微細(xì)粉料，這勢(shì)必要增加發(fā)泡水泥的吸水率，因此防水劑必不可少。研究[14]發(fā)現(xiàn)不同種類的防水劑對(duì)發(fā)泡水泥影響不同，因此應(yīng)選擇合適的防水劑。

外加劑的種類很多，根據(jù)所用膠凝材料和摻合料的性質(zhì)的不同選用最佳的外加劑是制備高性能發(fā)泡水泥的關(guān)鍵因素，但是從目前研究來(lái)看對(duì)外加劑的作用機(jī)理研究仍然較少。

1.6 工程纖維

纖維的摻入可抑制試樣中新生裂紋的產(chǎn)生，約束初始裂紋的延伸和擴(kuò)展，降低混凝土內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)，從而進(jìn)一步提高試樣抗折及抗壓強(qiáng)度[15]。無(wú)機(jī)發(fā)泡水泥中比較常見(jiàn)的纖維有聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維和玻璃纖維。

詹炳根等[16]研究了玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的摻加改善了無(wú)機(jī)化學(xué)發(fā)泡水泥的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，抑制了早期干縮開(kāi)裂現(xiàn)象，且對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)影響不大。鄭念念等[17]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維能有效減小無(wú)機(jī)化學(xué)發(fā)泡水泥的干縮，但是纖維摻量不應(yīng)過(guò)大。李啟金等[15]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維摻加量大于0.7%時(shí)，試樣抗折及抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于纖維摻量過(guò)多，纖維分散性變差而成團(tuán)，導(dǎo)致試樣強(qiáng)度下降。

2 研究現(xiàn)狀

發(fā)泡水泥具有輕質(zhì)環(huán)保、保溫耐火、隔音抗震以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，用于保溫材料具有良好的前景。發(fā)泡水泥與其他幾種保溫材料的性能對(duì)比見(jiàn)表1。

與物理發(fā)泡水泥相比，化學(xué)發(fā)泡水泥無(wú)須借助發(fā)泡劑，其發(fā)泡迅速，效率高，產(chǎn)生泡沫豐富，泡體穩(wěn)定性好。而且通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)泡劑用量和所處外界環(huán)境便于調(diào)整氣泡產(chǎn)生量和泡體大小，生產(chǎn)不同規(guī)格產(chǎn)品，使生產(chǎn)低容重產(chǎn)品成為可能。

發(fā)泡水泥技術(shù)已經(jīng)比較成熟，而且在很多地區(qū)已經(jīng)生產(chǎn)出了質(zhì)量較高的產(chǎn)品，化學(xué)發(fā)泡水泥大都采用雙氧水作為發(fā)泡劑，因此對(duì)其發(fā)泡劑的研究較少，目前對(duì)化學(xué)發(fā)泡水泥的研究主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)。

表1 常見(jiàn)保溫材料的性能對(duì)比

注：抗壓強(qiáng)度為所列材料對(duì)應(yīng)密度范圍的抗壓強(qiáng)度值。

2.1 提高摻合料用量

增大摻合料用量是降低發(fā)泡水泥生產(chǎn)成本的有效方式，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。徐建軍[18]等研究了大摻量粉煤灰在發(fā)泡水泥中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為20%～40%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，發(fā)泡水泥的抗壓強(qiáng)度并無(wú)明顯的降低，當(dāng)超過(guò)40%后，其抗壓強(qiáng)度急劇下降。Kearsleya和Wainwright[19]對(duì)大摻量粉煤灰代替水泥后泡沫混凝土的性能進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡水泥的強(qiáng)度主要與干密度有關(guān)，受粉煤灰的摻量影響較小。但是目前化學(xué)發(fā)泡水泥的摻合料仍局限于粉煤灰，當(dāng)前粉煤灰已供應(yīng)不足且價(jià)格也在上漲，開(kāi)發(fā)其他摻合料迫在眉睫。

2.2 纖維增強(qiáng)性能

相比其他混凝土產(chǎn)品已具有較大的優(yōu)勢(shì)，但是同時(shí)滿足低容重、高強(qiáng)度特點(diǎn)的產(chǎn)品仍然較少，添加工程纖維用來(lái)提高其抗折和抗壓強(qiáng)度也是研究的方向之一。

王朝陽(yáng)等[20]研究了不同摻量的聚丙烯纖維和玻璃纖維對(duì)其力學(xué)性能、保溫性能、干燥收縮和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，研究結(jié)果表明:當(dāng)加入膠凝材料總量為0.48%的聚丙烯纖維和玻璃纖維時(shí)，泡沫混凝土的抗折抗壓強(qiáng)度均比空白樣提高約50個(gè)百分點(diǎn)，隨著纖維摻量的增加，對(duì)泡沫混凝土的干燥收縮有一定的抑制作用，對(duì)吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大。蘇秀霞等[21]研究發(fā)現(xiàn)白泥纖維能夠顯著提高發(fā)泡水泥的力學(xué)性能，但是取決于其均勻分散程度，并得出當(dāng)分散劑濃度為1.3%，纖維摻加量為4.29%時(shí)，發(fā)泡水泥的抗壓和抗拉強(qiáng)度分別能達(dá)到0.81 MPa和 0.34 MPa。

從以上研究可以看出，對(duì)纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥的研究仍多采用宏觀性能的表征，而對(duì)機(jī)理研究仍然較少，例如纖維對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的影響等。

2.3 制備工藝的優(yōu)化

化學(xué)發(fā)泡水泥的操作方法簡(jiǎn)單，但是具體工藝參數(shù)要求較高，因此工藝上的細(xì)微調(diào)整可能會(huì)對(duì)發(fā)泡水泥性能產(chǎn)生較大的影響。

2.3.1 水料比

水料比直接決定礦漿的濃度，若水料比過(guò)小，料漿過(guò)稠，料漿均勻性差，同時(shí)雙氧水在料漿中也不易充分混合均勻，導(dǎo)致局部發(fā)泡劇烈；若水料比過(guò)大，漿體過(guò)稀，料漿凝結(jié)硬化延緩，而且容易出現(xiàn)料漿下沉和冒泡現(xiàn)象，影響發(fā)泡穩(wěn)定性[22]。徐建軍等[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水料比小于0.40，料漿攪拌不勻，流平性較差；水料比大于0.65，穩(wěn)定性較差，易塌模。

2.3.2 外加劑的添加量

外加劑的摻加應(yīng)適量，例如摻加防水劑可明顯提高發(fā)泡穩(wěn)定性，防水劑摻量過(guò)少或不摻防水劑時(shí)，發(fā)泡過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象甚至發(fā)泡失敗[3]，摻加量過(guò)多又會(huì)對(duì)水泥的硬化起到緩凝作用，這是因?yàn)檫^(guò)多外加劑會(huì)包裹在水泥表面，減小了水泥與水的接觸面積，減緩了水泥的水化速度。

2.3.3 操作工藝

水泥漿體水化熱過(guò)大會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡水泥內(nèi)部產(chǎn)生大裂紋，除摻加摻合料以降低水泥漿體水化熱以外，特別是對(duì)于化學(xué)發(fā)泡水泥要根據(jù)外界環(huán)境，嚴(yán)格控制好水的溫度和漿體攪拌時(shí)間，防止?jié)沧r(shí)局部溫度過(guò)高。對(duì)發(fā)泡水泥的養(yǎng)護(hù)也非常重要，在水泥終凝之前應(yīng)防止發(fā)泡水泥內(nèi)部產(chǎn)生振動(dòng)，否則會(huì)造成塌模，此外要注意保水，防止表面干裂和體積收縮。

3 化學(xué)發(fā)泡水泥的研究方向

從以上研究現(xiàn)狀可以看出，如何制備出高質(zhì)量的發(fā)泡水泥是目前研究的主體方向，像外加劑的使用、高活性摻合料的制備、結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行工藝的優(yōu)化等，在此基礎(chǔ)上建議著重從以下幾個(gè)方面深入研究及推廣發(fā)泡水泥。

(1)深入研究穩(wěn)泡劑和外加劑的作用機(jī)理以及不同添加劑之間的復(fù)合作用，提高其抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性，降低干縮系數(shù)。

(2)拓寬摻合料的種類，例如大量堆存的礦山選礦尾礦，對(duì)其采用一定的方式活化即可具有火山灰活性。

(3)利用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)手段對(duì)孔結(jié)構(gòu)與發(fā)泡水泥性能的關(guān)系進(jìn)行分析，從微觀理論來(lái)指導(dǎo)宏觀的工藝參數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

發(fā)泡水泥原料組成較為固定，且來(lái)源廣，產(chǎn)品性能優(yōu)異，相比其他保溫材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，符合節(jié)能減排政策的要求。與物理發(fā)泡水泥相比，化學(xué)發(fā)泡水泥一般不使用粗集料，且工藝更為簡(jiǎn)單，更容易制備出低密高強(qiáng)的產(chǎn)品，作為保溫材料具有良好的市場(chǎng)前景。

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