关于发泡水泥材料制备与研究的重要性

摘要：本文根据水泥和粉煤灰为复合胶凝材料做介绍。主要讲解了关于发泡水泥材料制备与研究的几个问题作为分析。

关键词：水泥材料;导热系数;泡沫掺量;孔结构

Abstract: in this paper, according to cement and fly ash as the composite cement materials do is introduced. Main explained about foamed cement materials preparation and studies some problems as analysis.

Keywords: cement materials; Coefficient of thermal conductivity; Foam dosage; Pore structure

中图分类号： U214.1+5 文献标识码：A文章编号：

前言

当今市场上墙体保温材料主要分为有机质和无机质两大类。有机质类就是包括聚苯乙烯泡沫塑料和聚氨酯硬质泡沫塑料等，这种类材料具有轻质、保温、隔

热、防水等作用，但防火能不好；无机类主要包括膨胀珍珠岩类保温材料、加气混凝土砌块等等，该类材料最大的优点就是防火能力强，然而容重、导热系数均偏高[2-3]。发泡水泥是在水泥浆体里掺加泡沫而形成的轻质保温材料,最早应用在油田固井的施工工艺中[4]。与传统的保温材料相比，发泡水泥保温材料不但轻质高强、保温隔热，而且防火能力强、绿色环保，是一种具有广阔应用前景的新型墙体保温材料。

一、试验

1.1 原材料

水泥：某水泥厂生产的42.5R 普通硅酸盐水泥，其化学组成见表1；粉煤灰：取自某热电厂Ⅱ级粉煤灰，其化学组成见表2，按照GB/T1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》对其进行检测，各项指标均符合要求；发泡剂：自主研制的高效复合发泡剂，属于胶体复合蛋白类，其发泡倍数为20，1h泌水量为70ml，1h 沉陷距为8mm；促凝剂：实验室配制，主要成分为半水石膏；胶粉：购于市场，主要起增稠作用；水：自来水。

表1 水泥的化学组成（%）

1.2 试验方法

1.2.1 干密度测定

试样在尺寸为100mm×100mm×100mm 的试模中成型，脱模后在标准养护箱（温度20℃， 相对湿度95%）内养护至规定龄期。取出试样后，测定其体积和

质量，再将试样放入电热鼓风干燥箱内，在（60±5）℃下保温24h，然后在（80±5）℃下保温24h，再在（105±5）℃下烘至恒重。干密度按公式（1）计算：

（1）

式中： —试样干密度（kg/m3）；

—试样烘干后质量（g）；

—试样体积（mm3）

1.2.2 抗压强度测定

试样在尺寸为100mm×100mm×100mm 的试模中成型，脱模后在标准养护箱内养护至规定龄期。先测定试样尺寸，精确至1mm，并计算试样的受压面积，再采用液压式万能试验机以（2.0±0.5）kN/s 的速度连续而均匀地对试样进行加荷，直至破坏，记录破坏荷载。抗压强度按公式（2）计算：

（2）

式中： —试样抗压强度（MPa）；

—破坏荷载（N）；

—受压面积（mm2）。

1.2.3 导热系数测定

试样在尺寸为200mm×200mm×10mm 试模中成型，脱模后标准养护至规定龄期后烘干，然后参照GB/ T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定

防护热板法》，在DRH-lll导热系数测试仪（护热平板法）上测定试样的导热系数。

1.2.4 试验配比与工艺设计

以水泥为胶凝材料，通过掺加一定量的促凝剂来控制料浆的凝结时间，并利用胶粉的增稠作用，增加泡沫在料浆中的稳定性，试样配比见表3。试样采用泡

浆分开混合法制备，主要步骤为：水泥料浆制备、泡沫制备、泡浆混合搅拌、浇注成型、养护，见图1。

表3 水泥发泡材料试验配比

图1 发泡水泥轻质保温材料制备工艺流程

二、结果与分析

2.1 干密度

发泡水泥轻质保温材料的干密度与其本身的孔隙率有直接关系，孔隙率越高，干密度就越低。对不同泡沫掺量试样进行干密度测定，结果见图2。

图2 泡沫掺量对发泡水泥保温材料干密度的影响

由图2 可知，随着泡沫掺量的增加，试样的干密度呈现出先减小后增大的趋势。其原因主要是：随着泡沫掺量的增加，在水泥浆体中能够稳定存在的泡沫

量增加，从而使硬化浆体中孔隙率增大，试样干密度降低。然而，由于泡沫中含有一定水量，当泡沫掺量过大时，浆体流动度增大，导致泡沫在浆体中的稳定性

下降，出现泡沫上浮甚至破灭，使硬化浆体中孔分布不均匀、孔隙率下降，试样干密度增大。本试验研究条件下，当泡沫掺量为2250ml/kg 时，试样干密度取得最小值，为339kg/m3。

2.2 抗压强度

掺加泡沫虽然能显著降低保温材料的干密度，但是也降低了保温材料的抗压强度。对不同泡沫掺量试样的抗压强度进行测定，结果见图3。

图3 泡沫掺量对发泡水泥保温材料抗压强度的影响

由图3 可知，随着泡沫掺量的增大，试样的28d 抗压强度逐渐降低，然而在不同泡沫掺量范围内，其下降幅度不相同，呈现出先增大后减小，之后又增大的趋势。当泡沫掺量在1000ml/kg～2000ml/kg 范围时，抗压强度下降幅度较大，最大降幅达22.22%。而后，抗压强度下降幅度减缓，仅为13.64%。但当泡沫掺量超过2250ml/kg时，其下降幅度又开始增大。

发泡水泥轻质保温材料的抗压强度除与水灰比密切相关外，空气含量的多少也是一个极其重要的因素。在水泥浆体中掺加泡沫，不但增加了浆体中的空气含量，同时也间接提高了浆体的水灰比。随着泡沫的掺加，水泥浆体中的空气含量突然增加，硬化浆体中闭合气孔数目增多，导致试样受压面内单位面积上净压面减小，抗压强度下降且下降幅度较大；随着泡沫掺量继续增大，水泥浆体中空气含量逐渐趋向饱和，浆体中能稳定存在的气泡减少，抗压强度下降幅度减缓；然而，当泡沫掺量过大时，浆体中水灰比增大，抗压强度显著下降。

2.3 导热系数

导热系数是衡量保温材料保温性能的一个重要指标，导热系数越小，其保温隔热性能就越好。对不同配比试样进行导热系数测定，结果见图4。

图4 泡沫掺量对发泡水泥保温材料导热系数的影响

由图4 可知，随着泡沫掺量的增加，试样导热系数逐渐减小，当泡沫掺量为2000ml/kg 和2250ml/kg 时，试样导热系数取得最小值，为0.06W/（m·K）然后，随着泡沫掺量的增大，试样导热系数呈现出增大的趋势。

一般来说，保温材料的导热系数主要取决于其孔隙率。当孔隙率不变时，导热系数主要取决于材料内部的气孔尺寸、气孔形状及相互之间的连通情况，而

孔隙率的增加是导热系数降低的主要因素。随着泡沫掺量的增大， 发泡水泥轻质保温材料中的孔隙率增大，导热系数相应下降。但当泡沫掺量过大时，由于水

泥浆体变稀，泡沫在浆体中的稳定性下降，导致硬化浆体中孔隙分布不均匀或降低；同时，泡沫掺量的增大，造成了泡沫之间浆体减少，泡沫之间容易连通，使

封闭的孔减少，大孔或连通孔增多，材料导热系数增大，保温隔热性能下降。

2.4 微观结构

为了进一步研究水泥浆体中孔的分布情况及其性质，利用电子扫描显微镜对试样C5和C7进行微观结构分析，结果见图5。

（a）试样C5 （b）试样C7

图5 发泡水泥微观形貌

图5可知，试样C5中孔的形状比较规则，且多为球型，其孔径较小，主要分布在200μm～300μm 之间，大多数孔封闭独立，可以减少应力集中，提高试样的抗压强度，还可降低试样的透气性，提高其保温性能；试样C7的孔径较大， 主要分布在400μm～600μm之间，且孔的形状呈不规则型或扁形，并形成了较多连通孔，因此，其强度和保温性能均不及试样C5。

发泡水泥轻质保温材料的力学性能及其保温性能，很大程度上是由气孔的结构决定的。球型封闭且孔径分布均匀、细小的气孔，可减少应力集中，提高其

不透气性，从而提高了材料的力学性能和保温性能。想达到这种理想的孔结构， 泡沫的稳定性起很大作用。稳定性不好的泡沫，其液膜缺乏应有的弹性和韧性，抵抗浆体压力的能力小，容易变形或出现连通。在相同发泡剂及发泡工艺条件下，泡沫的稳定性还与浆体的凝结时间及稠度有关。当浆体的凝结时间在泡沫的稳定时间内，即使泡沫破裂也能在浆体中形成气孔。浆体的稠度可使泡沫稳定存在于浆体中，而不至于自由移动，从而使泡沫均匀分布于浆体中。本试验研究通过添加适量的促凝剂和胶粉，改善了泡沫在浆体中的稳定性，提高了硬化浆体的孔隙率。本试验研究条件下，当泡沫掺量不超过2250ml/kg 时，发泡水泥轻质保温材料具有较低的干密度、较高的抗压强度以及较小的导热系数，并满足GB 11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》对其性能的要求。

三、结论

（1）掺加泡沫可增加水泥浆体中空气含量，使硬化浆体中孔隙率增大， 发泡水泥轻质保温材料干密度下降，导热系数和抗压强度减小。当泡沫掺量为2000ml/kg时，发泡水泥轻质保温材料的干密度为367kg/m3，抗压强度为2.2MPa， 导热系数为0.06W/（m·K）， 满足GB11968-2006《蒸压加气混凝土砌块》要求。

（2）发泡沫掺量减少时水泥轻质保温材料中孔形就会受到影响。这个时候多为封闭球型，且孔径较小，分布比较均匀；当泡沫掺量过大时，孔的形状为不规则型或扁形，且孔径较大，并形成了较多连通孔。