發(fā)泡水泥料漿的流變特性研究

戴永剛,馬夢(mèng)蘭,張國(guó)濤

(廣東金意陶陶瓷集團(tuán)有限公司，廣東 佛山 528031)

發(fā)泡水泥保溫板作為一種輕質(zhì)、絕熱、隔音、不燃的綠色節(jié)能建筑材料，非常適用于外墻保溫及防火隔離帶， 也適用于制作輕質(zhì)隔墻板夾芯芯材，在全國(guó)范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和批量化、規(guī)模化生產(chǎn)[1-2]。

發(fā)泡水泥料漿的穩(wěn)定性決定了產(chǎn)品的質(zhì)量，而流變性能可以反映料漿的穩(wěn)定性。本文對(duì)發(fā)泡水泥漿體的流變性能進(jìn)行研究，分別探究泡沫、水泥漿體、發(fā)泡水泥漿體的流變特性，利用高級(jí)流變儀進(jìn)行同軸旋轉(zhuǎn)剪切、振幅振蕩模式測(cè)試表征，獲得發(fā)泡水泥料漿的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)對(duì)發(fā)泡水泥料漿流變性能的研究，為研制高質(zhì)量的發(fā)泡水泥制品提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)原料與方法

試驗(yàn)用水泥為黃石某水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級(jí)水泥，并選用FS20減水劑、HT復(fù)合發(fā)泡劑(工業(yè)級(jí)，液體)。

取一定量的水泥，配制不同水灰比的水泥漿體。根據(jù)水泥粉體的質(zhì)量，加入0.2 wt%的減水劑FS20，與水泥粉體一起置于燒杯中，加水充分?jǐn)嚢?，即制得水泥漿體[3-4]。

利用奧地利安東帕公司生產(chǎn)的MCR301型流變儀測(cè)試水泥漿體的流變性能。測(cè)試時(shí)選用同軸圓筒夾具，型號(hào)為CC17的轉(zhuǎn)子。流變儀使用2個(gè)同心圓筒的環(huán)隙做物質(zhì)函數(shù)的測(cè)定，轉(zhuǎn)子除了能對(duì)水泥料漿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)剪切(穩(wěn)態(tài)剪切)，測(cè)定懸浮液的表觀黏度、剪切應(yīng)力，還能以一定的頻率作振幅振蕩來(lái)測(cè)量圓筒中懸浮液的非穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，對(duì)水泥料漿進(jìn)行振幅振蕩剪切(動(dòng)態(tài)剪切)，測(cè)得懸浮液的模量、剪切應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 泡沫的流變特性

振幅掃描確定的線性粘彈區(qū)是其他流變曲線的基礎(chǔ)，線性粘彈區(qū)之外研究體的結(jié)構(gòu)已破壞，失去研究的意義[5-6]。以HT發(fā)泡劑∶水=1∶30配制的泡沫的振幅掃描曲線如圖1所示。由圖1可知，HT發(fā)泡劑的線性粘彈區(qū)(LVE)范圍為0～8%，此范圍內(nèi)剪切應(yīng)力呈線性變化。在此之后，儲(chǔ)能模量(G′)開始下降，逐漸與損耗模量(G′′)靠近相交，表示泡沫結(jié)構(gòu)破壞，在交點(diǎn)后表現(xiàn)為流動(dòng)性，剪切應(yīng)力也不再線性變化。

圖1 以HT發(fā)泡劑∶水=1∶30配制的泡沫的振幅掃描

試驗(yàn)觀察到，長(zhǎng)時(shí)間放置的泡沫并不穩(wěn)定，泡沫會(huì)變少變大。靜置時(shí)間對(duì)泡沫結(jié)構(gòu)的影響如圖2所示。由圖2可知，對(duì)于剛配置的泡沫，G′下降快，是由于泡沫中不穩(wěn)定的部分迅速被破壞。隨著靜置時(shí)間延長(zhǎng)，泡沫整體趨于穩(wěn)定，G′隨著應(yīng)變?cè)黾泳徛郎p少[7]。但是再隨著時(shí)間的推移，根據(jù)表面與界面化學(xué)理論，由于彎曲液面附加壓力的作用，小泡內(nèi)的氣體壓力總是高于大泡，因而氣體自高壓的小泡透過(guò)液膜，擴(kuò)散到低壓的大泡中去，使小泡變小直至消失，大泡變大，最終導(dǎo)致氣泡破裂，成為流體[8]。

圖2 靜置時(shí)間對(duì)泡沫結(jié)構(gòu)的影響

不同發(fā)泡劑和水質(zhì)量比的泡沫的穩(wěn)定性曲線如圖3所示。由圖3可知，在一定的范圍內(nèi)，加水量對(duì)外加發(fā)泡劑HT發(fā)泡劑的流變性影響不大，因而試驗(yàn)過(guò)程中可忽略加水量的影響。

圖3 不同發(fā)泡劑和水質(zhì)量比的泡沫的穩(wěn)定性曲線

綜上所述，對(duì)于外加發(fā)泡劑法，試驗(yàn)過(guò)程中制備泡沫時(shí)宜選取發(fā)泡劑和水質(zhì)量比為1∶30，泡沫靜置時(shí)間為10 min左右，振幅為0.003%。

2.2 水泥料漿的流變特性

水泥料漿(水灰比為1∶2)的振幅掃描曲線如圖4所示。由圖4可知，水泥料漿的線性粘彈區(qū)(LVE)為0.015%。試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定振幅為0.003%。

圖4 水泥料漿的振幅掃描曲線

不同水灰比及減水劑對(duì)水泥料漿儲(chǔ)能模量的影響曲線如圖5所示。由圖5可知，在具有流動(dòng)性的前提下，水灰比為1∶3的儲(chǔ)能模量G′大于水灰比為1∶2的儲(chǔ)能模量G′。水灰比為1∶3的料漿加入減水劑后，水泥料漿的儲(chǔ)能模量G′降低，其大小與1∶2接近，說(shuō)明加入減水劑降低了水泥料漿的強(qiáng)度，減小了料漿的膠凝速度。這主要是由于減水劑的加入提高了漿體的分散性，顆粒團(tuán)聚固定的水被釋放出來(lái)，體系中自由水的含量增高[9-10]，相當(dāng)于間接地降低了水灰比。在相同施工流動(dòng)性能的前提下，加入減水劑能夠減少水泥漿體的加水量，使得水灰比提高，水泥漿體強(qiáng)度得到提高。

圖5 不同水灰比及減水劑對(duì)水泥料漿儲(chǔ)能模量的影響曲線

2.3 發(fā)泡水泥料漿的流變特性

探究水泥料漿加入0.2%發(fā)泡劑后的流變特性，即在水泥結(jié)合氧化鋁料漿中加入發(fā)泡劑。泡沫水泥料漿的振幅掃描曲線如圖6所示。從圖6中對(duì)比分析可知，加入發(fā)泡劑后泡沫水泥料漿的模量值下降，線性粘彈區(qū)變窄，由0.03%降到0.01%，穩(wěn)定性有所降低。這是因?yàn)榧尤氚l(fā)泡劑發(fā)泡改變了料漿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，變?yōu)榱蠞{包裹泡沫[11]。此時(shí)由于泡沫本身的不穩(wěn)定以及料漿顆粒與泡沫接觸，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致泡沫破壞，從而使泡沫料漿的整體穩(wěn)定性降低。

圖6 泡沫水泥料漿的振幅掃描曲線

水泥料漿加入發(fā)泡劑后，需要快速攪拌形成泡沫料漿。不同的攪拌速率對(duì)泡沫的發(fā)泡率的影響不同，因而泡沫料漿有不同的流變行為。在水泥料漿中加入0.2%發(fā)泡劑后，其在不同剪切速率下的儲(chǔ)能模量如圖7所示。從圖7中可知，攪拌速度越快，泡沫漿體的儲(chǔ)能模量G′越大，泡沫料漿的線性粘彈區(qū)(LVE)越大。其主要原因?yàn)?，在高速攪拌下，發(fā)泡劑發(fā)泡效果越好，泡沫漿體的穩(wěn)定性越好。

圖7 泡沫料漿在不同剪切速率下的儲(chǔ)能模量

3 結(jié)論

1)泡沫的線性粘彈區(qū)為0～8%，在線性粘弾區(qū)范圍內(nèi)滿足胡克定律，發(fā)生彈性形變。靜置一段時(shí)間后其儲(chǔ)能模量變大。

2)水泥的水灰比越高，初始強(qiáng)度產(chǎn)生越快，且強(qiáng)度越高。水灰比低的水泥料漿具有較好的流變行為，水灰比高的料漿加入減水劑后，能顯著提高其流動(dòng)性能。

3)泡沫加入料漿后，泡沫漿體的穩(wěn)定性顯著降低，線性粘彈區(qū)變窄，由0.03%降到0.01%。隨著剪切速率的增大，泡沫料漿的模量值變大。