料浆流动度对双氧水泡沫混凝土浆体稳定性的影响.pdf

钎 建巍 粉 中 国 科 技 核 心 期 刊 料浆流动度对双萤水泡沫混凝土 浆傩稳定畦硇影响 李驰 ， 方从启 ( 上海 交通 大学 船舶海洋与建筑工程学院土木工程 系， 上海2 0 0 2 4 0 ) 摘要 ： 以普通硅酸盐水泥为胶凝材料， 使用粉煤灰替代部分水泥， 利用化学发泡法制备泡沫混凝土， 系统地研究了在不同料浆 流动度条件下泡沫混凝土浆体稳定性及其力学性能。结果表明， 料浆稳定膨胀的基本条件是： 大量发泡阶段料浆极限剪应力值或塑 性 强度值 应小， 但又不能过小 ， 恰能阻止气泡升浮 。发泡结束后 ， 浆体极 限剪应力 与塑性强度应迅速增长 ， 加强 已形成 的气孔 结构； 泡沫 混凝土的最 佳发泡料浆流动度为 3 5 0 - 4 5 0 mm。 关键词： 泡沫混凝土； 流动度； 双氧水： 稳定性 中图分类号： T U 5 5 1 3 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 5 ) 0 8 0 0 0 1 0 4 I n f l u e n c e o f s l u r r y r h e o l o g y o n t h e s t a b i l i t y o f h y d r o g e n p e r o x i d e f o a m c o n c r e t e L 1 C h i ， F ANG C o n g q i ( S h a h 【g h a i J i a o To n g Un i v e r s i t y， S c h o o l o f Na v a l Ar c h i t e c t u r e ， Oc e a n Ci v i l En g i n e e r i n g ， S h a n g h m 2 0 0 2 4 0， C h i n a ) Abs t r ac t ： I t i s pr e p a r a t i o n o f f o a m c o n c r e t e b y us i n g c h e mi c a l f o a mi n g， wi t h P o rtl a n d c e me n t a s t h e c e me n t ma t e r i a l ， a n d t h e u s e o f f l y a s h r e p l a c i n g p a r t o f c e me n t S y s te ma t i c a l l y s t u d i e d foa m c o n c r e t e s l u r r y s t a b i l i t y a n d i t s me c h a n i c a l p r o pe i e s u n d e r d i f f e r e n t d e g r e e s o f s l u r r y r h e o l o g y Th e r e s u l t s s h o we d t h a t ： t h e b a s i c s t a b l e e x pa n s i o n c o n d i t i o n o f s l u r r y i s t h a t i n f o a mi n g s t a g e ， s l u r r y l i mi t s h e a r s t r e s s o r p l a s t i c s t r e n g t h s h o u l d b e s mall ， b u t n o t t o o s ma l l ， i t c a n p r e v e n t b u b b l e s f l o a t i n g Af t e r t h e e n d o f f o a mi n g ， i n o r d e r t o s t r e n gth e n a l r e a d y f o r me d s t o ma t al s t r u c t u r e ， s l u r r y u l t i ma t e s h e a r s t r e s s a n d p l a s t i c s t r e n gth s h o u l d be o f r a p i d g r o wt h； t h e b e s t s l u r r y r h e o l o g y r a ng e f o r f o a m c o n c r e t e i s 3 5 0 4 5 0IT U T Ke y wo r ds ： foa m c o n c r e t e ， r h e o l o g y ， h y d r o g e n p e r o x i d e， s t ab i l i t y 泡沫混凝土具有轻质、 保温隔热、 隔声、 不燃、 抗震、 低碳、 成本低廉、 易加工等特性。近年来， 我国泡沫混凝土产业得到 快速发展， 在建筑节能领域和建筑工程中发挥着越来越重要的 作用【 1 ， 在全国范围内大量生产和应用。所谓泡沫混凝土浆体 的稳定性是指， 发泡与料浆稠化这一对矛盾相统一， 即发泡速 度与料浆稠化速度相适应， 发泡混凝土多孔结构才能形成。 也 就是说， 在大量发泡阶段料浆要缓慢稠化， 料浆具有好的流动 性使发泡顺畅； 同时料浆具有好的保气能力， 使气泡不升浮逸 出。整个发泡过程应在料浆丧失流动性前结束， 一旦发泡结 基金项 目： 国家 自然科 学基 金项 目( 5 1 1 7 8 2 6 4， 5 1 o 4 8 o o 1 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 2 1 3 ： 修 订 日期： 2 0 1 5 0 3 1 7 作者 简介 ： 李 驰， 男， 1 9 9 0年生 ， 上海人 ， 硕 士研究 生， 研究 方 向为 新 型节能环保材料 、 混凝土 结构 耐久 性。 E m a i l ： 1 c 9 0 4 1 7 1 6 3 c o m。 通讯 作者： 方从启， 地址： 上海市闵行区东川路 8 0 0号 上海交通大学木兰 船建大楼 A5 1 7室， 电话： 0 2 1 3 4 2 0 6 7 2 7 ， E m ail ： e q f a n g s j t u e d u C B 。 束， 料浆应迅速稠化丧失流动性， 稳住已形成的气孔结构。 可 见， 研究料浆流动度对泡沫混凝土的影响尤为重要。 目前， 有 关化学法发泡泡沫混凝土的研究集中于水灰比对泡沫混凝 土发泡效果的影响， 如陈志纯等翻 研究了不同水灰比对化学 发泡泡沫混凝土材料性能的影响得出，水胶比在0 5 5 0 6 5 时发泡效果最好； 张云飞等例 根据经验， 将水灰比设定为0 5 0 ， 采用化学法发泡制备泡沫混凝土， 通过测量浆体发泡体积来 表征泡沫混凝土的稳定性。但是， 以上研究均未提及料浆流 动度对泡沫混凝土浆体稳定性的影响。 本研究主要以化学方法产生气泡制备 8 0 0 1 5 0 0 k g m ， 的 泡沫混凝土， 主要研究了 在不同 料浆流动度条件下泡沫混 凝土浆体稳定性及其力学性能。 1 理论与分析 1 1 泡沫混凝土料浆发泡顺畅的条件 双氧水在料浆中的分解过程放出大量的气体必然使得 N E W BUl L DI NG MAT E RI AL S 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李驰， 等： 料浆流动度对双氧水泡沫混凝土浆体稳定性的影响 浆体体积膨胀。以下分析料浆能够顺利发泡膨胀的条件。 先假设料浆中有上下邻近的2 个气泡， 上面气泡的压力为 P ， ， 下面气泡的压力为P ， 2 个气泡相距 ， 2 个气泡半径均为 r 。 再假设2 个气泡间形成了1 个半径为r 、 长度为 的浆体 圆柱体。那么， 当作用在圆柱体上的外力F能够克服圆柱体 表面上的极限剪应力 所形成的阻力 时， 料浆才能流动， 因此浆体发泡膨胀的条件为： 。其中： ( P r p 1-p g a h ) r ? = Ca p - p g h h ) rrr 2 ( 1 ) F= 2 tr r A h 0 ( 2 ) 所以D 可以写为： C a p - p g a h ) 盯 r Z 2 7 r r A h l 0 ， 即 r 0 ( - - p g A h ) r 2 A h ( 3 ) 式中： P l 、 p 厂压力， k N ； 间距， m ； 广气泡半径， r n ； 一 外力， k N ； 竹一 极限剪应力， M P a ； 一 阻力， k N ； p 浆体密度， k g m ； r引力常数。 对某一定的料浆来说， P 为一定值， 因此料浆体积膨胀的 必要条件是不等式( 3 ) 成立， 而影响不等式右边数值大小的因 素为r 、 和 。 即， 较大的气泡和较大的压差有利于气泡克 服料浆的极限剪应力， 促成浆体的流动， 实现料浆的体积膨胀。 显然， 值大的料浆将对发泡膨胀产生较大的阻力， 料浆膨胀 困难。而当大于不等式右边的数值时， 料浆将不再膨胀。 由此可见， 泡沫混凝土料浆发泡顺畅的基本条件是浆体 的极限剪应力低于某一定值。 1 2 泡沫混凝土料浆内气泡不升浮逸 出的条件 如果料浆塑性强度过低， 就不能保住气体。 气泡会上浮， 并 可能与相邻气泡合并成大泡逸出， 造成 沸腾” 冒 泡。 气泡的升力值按式( 4 ) 计算( 参照图1 ) ： 丌 料 浆 式中： 卜升力， k N ； ( 4 ) 广_气泡半径， m ； y 料 浆 浆体容重， k N m ； 从理想液体容重向发泡混凝土浆体容重过渡的 系数( 1 ) 。 浆体对气泡产生一个阻力， 阻止气泡上浮。阻力F由料 浆塑性强度 r 值决定。它是球形气泡表面阻力的总和： n d r 2 ， 2 J O in oclA = J 0 r rc o s sin to 2 1rr2d o= 卉 P (5 ) 2 新型建筑材料 2 0 1 5 8 式中： 广料浆塑性强度， M P a 。 欲使气泡不升浮逸出而是悬浮于料浆内， 则气泡升力值 应小于或等于介质阻力， 由此得出气泡不逸出的条件是： 争 仃 料 浆 竹 (6 ) 可见， 料浆要有足够的塑性强度才能保住气体。 图 1 氧气泡上升时力的分布状态 综上所述， 从力学角度出发， 料浆稳定膨胀的基本条件是： 大量发泡阶段料浆极限剪应力值或塑性强度值应小，但又不 能过小， 恰能阻止气泡升浮。发泡结束后， 浆体极限剪应力与 塑性强度应迅速增长， 加强已形成的气孔结构。 2 试验 2 1 原材料 水泥： 上海海螺4 2 5 级普通硅酸盐水泥； 粉煤灰： 上海闵 行发电厂级粉煤灰； 化学发泡剂： 市售双氧水， 质量浓度 3 0 ； 减水剂： 聚羧酸高效减水剂， 固含量4 0 ； 自 制稳泡剂： 其组成为 V ( 油酸) ： ( 三乙醇胺) ： ( 水) = 1 ： 3 ： 3 6 ； 水： 自来水。 水泥和粉煤灰的化学成分见表 1 。 表 1 试验用水泥和粉煤 灰的主要化学成分 项 目 S i O 2 A 1 2 0 3 F e z O 3 C a O Mg O Rz O S O 3 L o s s 水泥 2 1 6 0 4 1 3 4 5 7 6 4 4 4 1 0 6 0 6 7 1 7 4 0 7 6 粉煤灰5 4 9 O 2 5 8 0 6 9 0 8 7 0 1 8 0 0 1 0 0 6 0 0 2 0 2 2 样品制备及试验方法 试验基准配比( k g m 3 ) 为： m( 水泥) ： m( 粉煤灰) ： m( 水) = 3 8 5 0 ： 3 0 8 ： 1 4 5 5 ， 双氧水、 稳泡剂掺量分别占胶凝材料质量的 2 5 、 0 3 ， 通过调节减水剂掺量来控制料浆的流动度。 双氧 水发泡混凝土的制备方法为： 将水泥、 粉煤灰等除化学发泡剂 以外的其它材料按照试验所需配比搅拌均匀，加入配比要求 的自来水后在砂浆搅拌机中搅拌2 3 ra i n ：在高速搅拌的同 时， 迅速加入双氧水， 继续搅拌约5 1 0 s ： 将搅拌均匀的浆体 迅速倒入标准模具中， 静置发泡， 发泡稳定后2 4 h 拆模。 2 3 测 试方 法 料浆流动度按G B T 8 0 7 7 -2 0 0 0 泥混凝土外加剂均质 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李驰， 等- 料浆流动度对双氧水泡沫混凝土浆体稳定性的影响 力， 造成泡沫混凝土胚体回落甚至塌陷。故当料浆流动度为 3 5 0 , - 4 5 0 m m时， 制得的泡沫混凝土能稳定存在且成型良好。 3 2 水泥料浆流动度对泡沫混凝土绝干密度的影响 依据前述试验方法， 制备1 0 0 m m x l O 0 m m x l O 0 m m的标准 试块， 在( 2 0 -z -_ 3 ) q C 、 相对湿度大于9 0 条件下养护2 4 h 后脱模， 然后在( 2 O 2 ) o C 、 相对湿度大于9 O 的 养护室内养护至2 8 d 龄 期。水泥料浆流动度对泡沫混凝土绝干密度的影响见图3 。 相 H - 图 3 料浆流动度对泡沫混凝土绝干密度的影响 从图3 可以看出， 在相同双氧水掺量情况下， 随着水泥料 浆流动度的增大， 泡沫混凝土的绝干密度先降低后缓慢升高。 当料浆流动度为2 0 0 3 0 0 m m时， 泡沫混凝土的绝干密度均大 于1 0 0 0 k g m ， ， 双氧水分 解的 氧气并未完全释放而浆体已 稠化 完毕， 即浆体未能顺畅膨胀； 当料浆流动度为3 5 0 , 4 5 0 m m时， 泡沫混凝土绝干密度均低于9 0 0 k g m ，且泡沫混凝土发泡顺 畅、 成型良 好， 整个发泡过程在料浆丧失流动性前即己结束， 同 时料浆迅速稠化丧失流动性， 实现了发泡与稠化两个过程的统 一 ，水泥料浆流动度为4 0 7 m m时， 绝干密度达到最低； 当料浆 流动度大于4 5 0 m m时， 泡沫混凝土绝干密度持续增大， 浆体 发泡速度明显大于稠化速度， 且泡沫混凝土无法稳定成型， 出 现塌陷等现象。故水泥料浆的流动度宜控制在3 5 0 4 5 0 m m 。 3 - 3 泡沫混凝土的性能 通过调节减水剂用量， 将料浆流动度控制在3 5 0 4 5 0 m m 内制备了泡沫混凝土试块，按照J C T 1 0 6 2 -2 0 0 7测试各试 块的抗压强度和导热系数。 泡沫混凝土抗压强度、 导热系数与 绝干密度的关系如图4 所示。 日 皇 醴 = 兰 惴 曲 图 4 泡沫混凝土抗压强度、 导热系数与绝干密度的关系 4 新型建筑材料 2 0 1 5 8 由图4 可知， 在给定的料浆流动度( 3 5 0 4 5 0ra m ) 条件 下， 抗压强度和导热系数均随着绝干密度的增加而增大。 通过 与已有研究的比较， 当泡沫混凝土绝干密度在 8 4 0 k g m ， 左右 时， 潘志华等州 制备的泡沫混凝土的抗压强度约为1 9 M P a ， 徐 文等【嘴恪 的泡沫混凝土的导热系数为0 1 6 0 w ( m K ) 。 而本 研究制得的泡沫混凝土当绝干密度为8 3 7 k g m ， 时， 其抗压强 度为7 1 M P a ， 导热系数为0 0 9 5 W ( m K ) ， 也就是说， 相同密 度条件下， 本研究制得的泡沫混凝土的抗压强度较高， 而导热 系数较低。 故当料浆流动度在3 5 0 4 5 0 m m时， 料浆流动度越 大， 相应的泡沫混凝土性能更优良。 4 结论 ( 1 ) 从力学角度出发， 料浆稳定膨胀的基本条件是： 大量 发泡阶段料浆极限剪应力值或塑性强度值应小， 但又不能过 小， 恰能阻止气泡升浮。 发泡结束后， 浆体极限剪应力与塑性 强度应迅速增长， 加强已形成的气孔结构。 ( 2 ) 在相同双氧水掺量情况下， 随着水泥料浆流动度的增 大， 泡沫混凝土的绝干密度先降低后缓慢升高， 当水泥料浆流 动度为4 0 7 m m时， 绝干密度达到最低。 ( 3 ) 在给定的料浆流动度( 3 5 0 4 5 0 m m ) 条件下， 相同密 度的泡沫混凝土， 随着料浆流动度的增大， 泡沫混凝土2 8 d 抗 压强度及导热系数也随之增大。 当料浆流动度在3 5 0 4 5 0 m m 时， 料浆流动度越大， 相应的泡沫混凝土性能更优良。 ( 4 ) 泡沫混凝土发泡需要一定的初始流动度， 且随着料浆 流动度的增大， 泡沫混凝土的力学性能逐渐增强， 通过对各流 动度条件下， 泡沫混凝土的力学性能及其浆体稳定性的比较， 泡沫混凝土的最佳发泡浆体流动度为3 5 0 4 5 0 m m 。 参考文献： 1 】 徐芬莲， 赵晚群 ， 姜雷 山， 等 泡沫混凝土在 国内的研究与应用 现 状 J 】 商品混凝土， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 2 4 2 6 【 2 陈志纯 ， 李应权 ， 扈士凯 ， 等 化学发泡泡沫混凝土材料性 能的影 响因素 J 】 徐州工程学院学报， 2 0 1 4 ， 2 9 ( 2 ) ： 6 3 6 9 【 3 】 张云飞 ， 陈岳敏 ， 郭 中光 ， 等 化 学发泡法泡沫混凝土稳 定性 的研 究 J 混凝土， 2 0 1 3 ( 5 ) ： 1 4 1 1 4 3 4 1 潘志华 ， 程麟 ， 李东旭 ， 等 新型高性能泡沫混凝土制备 技术研 究 J 新型建筑材料， 2 0 0 2( 5 ) ： 1 - 5 5 徐文 ， 钱 冠龙 ， 化子 龙 用化学 方法制备泡 沫混凝 土的试验研 究 J 】 混凝土与水泥制品， 2 0 1 1 ( 1 2 ) ： l _ 4 A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m