新型低密度泡沫混凝土建筑保溫材料的制備與性能研究

張同鈺

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

全球能源形勢日益緊張，如何實(shí)現(xiàn)能源的高效利用是目前各國共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，建筑能耗在總能耗中所占的比例較高，因此，對(duì)建筑能耗的高效利用以及減少建筑能耗對(duì)于解決能耗較高的問題有重要意義。在解決建筑能耗較高的問題的過程中，泡沫混凝土以其阻燃、隔熱、環(huán)保、節(jié)能、耐老化、強(qiáng)度高等優(yōu)勢引起人們的重點(diǎn)關(guān)注[1]。

泡沫混凝土是指將通過物理或者化學(xué)方法制備的泡沫加入到水泥、摻合料、水等制成的水泥漿體中，攪拌均勻、成型養(yǎng)護(hù)，從而得到內(nèi)部分布大量細(xì)小均勻氣孔的多孔混凝土[2]。因?yàn)榕菽炷辆哂写罅糠忾]氣孔的這一特點(diǎn)，使其密度與普通混凝土相比要低很多，同時(shí)也因這一特點(diǎn)其導(dǎo)熱系數(shù)也較低，密度越小其導(dǎo)熱系數(shù)降低越多，在作為保溫材料應(yīng)用時(shí)具有優(yōu)異的隔熱性能，從而有效降低建筑能耗[3-5]。另外，泡沫混凝土運(yùn)用于建筑保溫材料可以在一定程度上減小建筑的自重，從而減小承重構(gòu)建的尺寸，進(jìn)一步減少建筑成本，縮短建設(shè)工期和工程量[6-7]。隨著發(fā)展和生活需求標(biāo)準(zhǔn)越來越高，建筑領(lǐng)域?qū)ε菽炷恋男阅芤髽?biāo)準(zhǔn)也更嚴(yán)格，既要泡沫混凝土的密度較低，同時(shí)又要滿足其強(qiáng)度要求和耐久性要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

普通硅酸鹽水泥、雙氧水發(fā)泡劑、促凝劑、減水劑、聚乙烯醇穩(wěn)泡劑、硬脂酸鈉防水劑、過氧化苯甲酰、二甲苯、丙烯酸、丙酮等。

1.2 低密度發(fā)泡混凝土試樣制備

由于預(yù)制泡混合法澆筑制備的泡沫混凝土整體性較好，且制備過程中消耗的發(fā)泡劑較少，因此，本實(shí)驗(yàn)采用預(yù)制泡混合法進(jìn)行發(fā)泡混凝土試樣的制備。制備過程如下：

稱量水泥、水、外加劑等原料，固體類外加劑與水泥等放入水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌均勻，然后將液體類外加劑與水混合均勻同樣加入水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌，攪拌3min待混合料攪拌均勻后得到混凝土漿體。將雙氧水按照一定的比例稀釋，然后放入發(fā)泡機(jī)中進(jìn)行發(fā)泡，發(fā)泡完成后，稱取適量泡沫加入上述水泥膠砂攪拌機(jī)中攪拌40s左右，使泡沫與混凝土漿體混合均勻，得到泡沫混凝土漿體。在制備混凝土的模具涂抹潤滑油，以便混凝土脫模，將上述泡沫混凝土漿體注入模具中，待其注滿模具后，將多余的泡沫混凝土漿體刮掉，保持表面平整。將模具放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為溫度45℃左右、濕度(60±5)%，養(yǎng)護(hù)24h后脫模，然后將脫模后的泡沫混凝土試塊置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至實(shí)驗(yàn)所需的齡期。

2 配合比設(shè)計(jì)及性能研究

為了保障泡沫混凝土的密度低，同時(shí)又高強(qiáng)度以及耐久性較好的要求，對(duì)混凝土制備的配合比進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，通過單因素法分析了水灰比以及促凝劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等原料的摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，確定了最優(yōu)的配合比。

2.1 水灰比

在研究不同水灰比對(duì)發(fā)泡混凝土性能的影響，固定其他參量不變，考察不同水灰比對(duì)低密度泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果見表1。

表1 水灰比對(duì)低密度泡沫混凝土密度的影響Table 1 The influence of water-cement ratio on the density of low-density foam concrete

由表1數(shù)據(jù)可以看出，泡沫混凝土的密度先減小后增大，在水灰比在0.57～0.63范圍時(shí)，其密度逐漸減小，可能是因?yàn)殡S著水灰比的增大，混凝土漿體的黏度逐漸減小，稠化速率降低，產(chǎn)生的氣泡逐漸增多；當(dāng)水灰比為0.63時(shí)，其密度最小為250kg/m3；在水灰比大于0.63后，其密度增大，可能是因?yàn)榛炷翝{體的黏度過小，稠化速率過低，產(chǎn)生的氣泡從漿體中排出，使混凝土試樣發(fā)生塌陷，氣泡總體積減小，從而使密度增加。因此在水灰比為0.63時(shí)，泡沫混凝土的密度最低。

2.2 促凝劑

選用NaAlO2作為促凝劑，研究其摻入量的不同對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 促凝劑摻入量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響Fig. 1 The influence of the amount of accelerator added on the setting time of cement

由圖1可以看出，隨著促凝劑摻入量的增加，水泥的凝結(jié)時(shí)間越來越短，在摻入量小于0.60%的范圍內(nèi)，隨著促凝劑摻入量的增加，水泥的凝結(jié)時(shí)間下降較快；當(dāng)摻入量超過0.60%時(shí)，水泥的凝結(jié)時(shí)間仍舊縮短，但是下降趨勢變緩。而當(dāng)摻入量為1.00%時(shí)，水泥初凝時(shí)間為30min，終凝時(shí)間為65min，滿足水泥凝結(jié)時(shí)間要求。當(dāng)摻入量為1.20%時(shí)，水泥的凝結(jié)時(shí)間不滿足其制備要求。因此，可以得出結(jié)論，選用NaAlO2作為促凝劑時(shí)其最佳摻量在1.00%時(shí)較為合適。

2.3 發(fā)泡劑

同樣的，為了研究發(fā)泡劑摻入量對(duì)低密度泡沫混凝土材料的性能的影響，固定其他摻量不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 發(fā)泡劑對(duì)低密度泡沫混凝土材料性能的影響Table 2 The influence of foaming agent on the performance of low-density foam concrete materials

由表2數(shù)據(jù)可以看出，低密度泡沫混凝土的干密度隨發(fā)泡劑摻入量的增加先減小后增大。在摻入量小于7.0%范圍內(nèi)時(shí)，低密度泡沫混凝土的干密度隨發(fā)泡劑摻入量的增加逐漸減??；當(dāng)摻入量為7.0%，其干密度最小為178kg/m3；當(dāng)摻入量大于7.0%時(shí)，其干密度增大。因此從表中數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，在發(fā)泡劑摻入量為6.5%時(shí)已經(jīng)滿足密度需求，因此在發(fā)泡劑摻入量為6.5%時(shí)較好。

2.4 穩(wěn)泡劑

穩(wěn)泡劑是指具有延長和穩(wěn)定泡沫保持長久性能的表面活性劑，主要作用是改善泡沫混凝土泡孔結(jié)構(gòu)。不同摻入量穩(wěn)泡劑對(duì)低密度泡沫混凝土強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同摻入量穩(wěn)泡劑對(duì)低密度泡沫混凝土強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig. 2 The effect of foam stabilizer in different dosages on the strength and thermal conductivity of low-density foam concrete

由圖2可以看出，低密度泡沫混凝土強(qiáng)度隨著混凝土穩(wěn)泡劑摻入量的增加逐漸增強(qiáng)，在穩(wěn)泡劑摻入量小于3.0%范圍內(nèi)，其強(qiáng)度增加趨勢較為明顯，隨后增加趨勢趨于平穩(wěn)；導(dǎo)熱系數(shù)隨穩(wěn)泡劑摻入量的增加而逐漸減小，同樣，在穩(wěn)泡劑摻入量小于3.0%范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)減小趨勢較為明顯，而隨后其減小趨勢趨于平穩(wěn)。因此，從強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢來說，在穩(wěn)泡劑摻入量為3.0%左右時(shí)，低密度泡沫混凝土的強(qiáng)度和保溫效果均處于較好的范圍。

在確定上述物質(zhì)的最佳摻入量之后，為了保障在此配合比設(shè)計(jì)下，低密度泡沫混凝土的強(qiáng)度和保溫性能等也滿足建筑施工的要求。因此，在上述配合比的設(shè)計(jì)下制備了低密度泡沫混凝土試樣，對(duì)其抗折、抗壓強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試，結(jié)果見表3。

表3 最優(yōu)配合比時(shí)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 結(jié)語

節(jié)能減排措施是“十一五”期間提出的政策措施，建筑節(jié)能是《節(jié)能中長期專項(xiàng)規(guī)劃》中十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。保溫材料作為建筑材料的一部分在建筑節(jié)能中發(fā)揮重要作用，有機(jī)保溫材料雖然保溫效果較好，但是其極易燃燒，容易引發(fā)火災(zāi)，且環(huán)保性較差。因此，無機(jī)保溫材料便是目前建筑保溫材料的重點(diǎn)研究方向。泡沫混凝土具有成本低廉、防火性能好、無毒無害、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，在無機(jī)保溫材料中脫穎而出，但是在目前的制備工藝水平下，由其制備的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)較高、容重較大。為了克服泡沫混凝土的這一缺陷，本文研究了不同水灰比，促凝劑、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑等對(duì)其性能的影響，優(yōu)化最佳配合比，制備出了密度較低，同時(shí)強(qiáng)度、保溫性能均較好的低密度泡沫混凝土保溫材料，有助于建筑節(jié)能減排。