四种外加剂对泡沫混凝土保温板性能的影响.pdf

2 0 1 4年 第 9期 (总 第 2 9 9期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No ． 2 9 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原 材料及辅助物料 M ATE RI AI AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 - 3 5 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 1 6 四种外加剂对泡沫混凝土保温板性能的影响 谷亚新 ， 。王延钊 ，王晴 ， ，杨学会 2 W王小萌 1 l a ，韩淑娜 1 , 4 ( 1 ． 沈 阳建筑大学 材料学院，辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 8 ；2 ． 沈阳市城乡基础设施建设投资发展有限公司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 1 3 ； 3 ． 中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6 ； 4 ． 沈阳万隆新型建材有限公司，辽宁 沈阳 1 1 1 0 0 0 ) 摘要： 轻质泡沫混凝土作为一种新型节能环保建筑材料， 拥有广泛的应用空间和极高的关注度。 本试验应用化学发泡法制备泡 沫混凝土保温板， 利用正交试验法设计试验， 研究了憎水剂 、 激发剂 、 氧化钙和发泡剂的用量对泡沫混凝土保温板抗压强度、 体积吸 水率及导热系数的影响， 分析影响强度最大的因子， 并讨论出最佳的试验配合比方案。 关键词 ： 泡沫混凝土 ；化学发泡 ；外加剂；性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 4 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 9 — 0 0 6 4 — 0 4 E ffe c t s o f f o u r k i n d s o f a d dit i v e s o n t h e p r o pe r t i e s o f f o a me d c o n c r e t e i n s u l a t i o n b o a r d GUY a x i n ， WANGYa n z h a o ， WANGQi n g ， YANGXu e h u i 2 WANGXi a o me n g ， H ANS h u n a ’ ( 1 ． S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g J i a n z h uUn i v e r s i t y， S h e n y a n g1 1 0 1 6 8 ， Ch i n a ； 2． Sh e ny a n gur ba nand r u r a l i n f r a s t r uc t u r e c o n s t r uc t i o ni nv e s t me n ta ndDe v e l o pme n tCo． Lt d． ， S he n y a n g1 1 0 01 3， Ch i na； 3． Ch i n aNo r t he a s t e rn Ar c h i t e c t u r eDe s i gnan dRe s e a r c hI n s t i t u t e， S he n y a n g 1 1 00 0 6， Ch i na ； 4 ． S h e n y a n g Wa n L o n g N e wB u i l d i n g Ma t e ri a l s C o ． ， L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 1 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： L i g h t w e i g h t f o a m c o n c r e t e a s an n e w ty p e o f e n e r g y - s a v i n g b u i l d i n g m a t e ri a l s ， h a s b r o a d a p p l i c a t i o n s p a c e and h i 曲 a t t e n — t i o n ． I t p r e p are d f o a m c o n c r e t e i n s u l a t i o n b o a r d b y c h e mi c a l foa min g me t h o d ， an d s tud i e d the e f f e c t o f t h e am o u n t o f h y d r o p h o b i c a g e n t ， a c t i v a t o r ， c a l c i u m o x i d e a n d bl o wi ng a g e n t o n the c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， vo l u me t ric wa t e r a b s o r p t i o n an d t h e r ma l c o n d u c t i vi t y of f o am c o n c r e t e i n s u l a t i o n b o a r d b y o r t h o g o n a l t e s t ， An a l y z e ma x i mum i nte n s i ty f a c t o r ， Di s c u s s in g the b e s t e x p e ri me nta l s c h e me ． Ke y w o r d s ： f o am e d c o n c r e t e ； c h e mi c a l b l o wi n g ； a d mi x t u r e ； p e r f o r man c e 泡沫混凝土是通过物理或化学 的发泡方法将空气 、 氮 气 、 二氧化碳或氧气 等气体 引入混凝土浆体 中， 经养护成 型制成含大量细小封闭气孔并具有相 当强度 的混凝土制 品。 自 1 9 2 3 年 ， 欧洲首次提出用预制泡沫法制备泡沫混凝 土 ， 其研究历史 已近百 年【 ” 。 泡沫混凝 土保 温板 以其轻质 、 保温隔热性好 、 隔音耐火性好 、 弹性模量低等特点 ， 应用领 域从 民用扩展到军用 、 航空 、 工业应用等 2 0 多个领域 ， 其 应用领域的不断扩大 ， 加快了工程进度 ， 提高了工程质量 ， 在建筑材料领域占据举 足轻重的地位[ 2 - 3 ] 。 本研究利用化学发泡方法制备密度均在 2 5 0 k g ／ r n 以 下的轻质泡沫混凝土保温板， 制备过程中加入了不同量的 氧化钙 ， 根据其遇水放热及其对粉煤灰活性有激发作用的 性能， 调节生石灰用量达到自调温的目的， 避免加热水温 过程中造成的能源浪费。 试验主要研究憎水剂 、 激发剂 、 氧 化钙和发泡剂的用量对泡沫混凝土保温板性能的影响， 利 收稿 日期：2 0 1 4 - 0 3 — 0 4 基金项 目：中国建筑材料联合会项目( 2 0 1 3 一 M3 — 6 ) 64 用正交试验法 ， 设计试验配合 比 ， 分析得 出四种外加剂对 泡沫混凝土保温板性能影响的强度， 找出试验最佳配合 比。 1 试 验 研 究 1 ． 1 主要原材料 4 2 ． 5 R级硫铝酸盐水泥 ， 唐 山北极 熊建材有 限公 司 ， 4 2 ． 5 R级硅酸盐水泥 ， 唐山北极熊建材有限公 司； 粉煤灰 ： I I 级 ， 沈阳吴木粉煤灰厂 ； 憎水剂 ： 硬质酸钙 ， 沈阳市东兴试剂厂 ； 激发剂 ： 七水合硫酸亚铁， 国药集团化学试剂有限公司； 发泡剂 ： 3 0 ％双氧水 ， 沈阳市东兴试剂厂 ； 纤维 ： 8 ～ 9 m m聚丙烯纤维， 辽宁天兴纤维材料有限公司； 稳泡剂： MP S 稳泡剂， 苏州兴邦化学外加剂有限公司； 氧化钙 ： 天津瑞金特化学品有限公 司； 减水剂： 萘系高效减水剂， 沈阳市依力达建筑外加剂厂。 1 ． 2 主要试验设备 微机控制电子拉力试验机 ： 型号 J Y T ． 5 ， 深圳市华亿 天诚贸易有限公 司； 导热系数测试仪： 型号 D Z D R ． P ， 南京永研电子有限 责任公 司； 增力 电动搅拌器 ： 功率 1 0 0 W ， 北京 永光明仪器有 限 公司。 1 ． 3 泡沫混凝土保温板的化学制备法 化学发泡法制备泡沫混凝土保温板的过程如下 ： 将胶 凝材料 、 外加剂等除发泡剂外的其他材料混合在一起搅拌 均匀 ， 加入水 ， 搅拌 3 mi n左右 ， 在保持高速搅拌的 同时加 入发泡剂双氧水 ， 继续搅拌约 5 s ， 停止搅拌， 将均匀拌和 的料浆倒人模具内静停发泡 ， 养护。 1 ． 4性能测试 抗压强度 ： 按 G B ／ T l 1 9 6 9的规定测试。 体积吸水率 ： 按 G B ／ T 5 4 8 6的规定测试 导热系数 ： 按 G B ／ T 1 0 2 9 4 、 G B 1 0 2 9 5 的规定测试 。 2 结果与讨论 2 ． 1 试 验 结 果 本试验选择憎水剂 、 激发剂 、 氧化钙和发泡剂 四种外 加剂 ， 采用 四因素三水平的正交试验 ， 按 L 9 ( 3 ) 设计 ， 研究 四种外加剂对泡沫混凝土保温板性能的影 响， 试验设计配 合 比及极差分析如表 1 、 2 、 3 所示。 表 1 因素水平表 表 2 试验方案和结果 2 ． 2 各 因子 对体积 吸水率的影响 根据表 2 、 3中体积吸水率 的结果 ， 图 1 - 4 作 出各 因子 对体积吸水率的影响。 憎水剂用量 ， ％ 图 1 憎水剂用量对体积吸水率的影响 由图 1 可以看出， 泡沫混凝土的体积吸水率随憎水剂 用量 的增 大呈先减小后增 大的趋势 ， 但变化不 明显 ， 因为 加入适量憎水剂降低制 品的吸水率 ， 但憎水剂 的加入改 变 激 发剂用 量 ／ ％ 图 2 激发剂用量对体积吸水率的影响 6 5 褂 * 蛏 氧化 钙用量 ／ ％ 图 3 氧化钙用量对体积吸水率的影响 发 泡 剂 用 量 ， ％ 图 4 发泡剂用量对体积吸水率的影响 混凝土浆体的物理化学性质， 影响其发泡及成型嗍 。 由图 2 可以看 出， 体积吸水率随激发剂 的用量 的增大 呈增大 的趋势 ， 变化较平缓 ， 激发剂 的加入是为了激发发 泡剂进行发泡， 当加入量过多时， 双氧水发泡速度加快， 混 凝土料浆迅速发泡膨胀 ， 料浆凝结硬化速度难与发泡速率 达到一致。 由图 3 可 以看出 ， 体积吸水率随氧化钙用量的增加呈 先减小后增大的趋势 ， 变化不大 ， 试验 中加入氧化钙 ， 根据 其遇水放热的性能 ， 调节生石灰用量 ， 达到制备所需温度 ， 试验过程中生石灰用量较小， 可以根据气温及水温的具体 情况进行调节。 由图 4 可以看出 ， 体积吸水率随发泡剂用量 的增加呈 先增大后小 幅降低趋势 ， 变化较平缓 ， 由于试验中加入了 氧化钙调节温度 ， 因此 当双氧水用量增加时 ， 发泡速度迅 速提高， 料浆凝结速度与发泡速度难以达到平衡一致 ， 会 出 现部分坍泡及泡孔分布不均匀、 泡孑 L 大小不理想的现象， 因此本试验 中发泡剂用量为固体粉料的 4 ％时为最佳 。 2 ． 3 各 因子对抗压强度的影响 图 5 ～ 8 为各 因子对抗压强度的影响。 由图 5 可 以看出， 抗压强度随着憎水剂用量的增加先 减小后增大 ， 图 1 中体积吸水率也呈先减小后增大的趋势 ， 在憎水剂加入为适量时， 混凝土浆体的物理化学性质改变 ， 6 6 1 ． 0 1 ． 2 1 ． 4 1 ．6 1 ． 8 2 ．0 憎水剂用量， ％ 图 5 憎水剂用量对抗压强度的影响 O ． 5 6 O ． 5 4 O．5 2 皇 盍0 ．5 0 48 0 ．46 O． 44 O ． 4 2 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 8 2 ． 0 2．2 2 ． 4 2 ． 6 激发剂 用量 ／ ％ 图 6 激发剂用量对抗压强度的影响 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 氧化 钙用量 ， ％ 图 7 氧化钙用量对抗压强度的影响 4． U 4． 5 5． 0 ． 6． o 发泡 剂用量 ／ ％ 图 8 发泡剂用量对抗压强度的影响 内部结构也有所影响， 当泡孔大小适 当且分布均匀时 ， 混凝 土制品的强度增强。 由图 6 看出抗压强度随着激发剂用量 的增加而减小 ， 硫酸亚铁激发双氧水发泡 ， 当加入量增加时 ， 双氧水发泡 速度过快 ， 泡孔过 大 ， 且 易出现泡孑 L 分布不均匀 以及坍泡 现象 ， 降低混凝土制品强度 。 由图 7 可见 ， 抗压强度 随氧化钙用量的增加先减小后 增大 ， 变化不 明显 ， 氧化钙有调节温度 的作用 ， 且生石灰中 有效 的氧化钙能与粉煤灰 中的二氧化硅反应 ， 生成水化产 物 ， 该水化物有提高制品强度的作用 。 由图 8 可以看出 ， 抗压强度随着发泡剂用量的增加先 减小后增大 ， 化学方法发泡 的泡沫混凝土成型的关键在于 发泡剂的发泡速率与料浆凝结硬化速率相一致， 达到一种 动态平衡 。 将发泡剂加入料浆并适 当搅拌使发泡剂均匀分 散， 在激发剂的作用下发泡剂持续发生化学反应产生气体 ， 形成无数均匀分布 的独立 的气源 ； 随后 ， 气源周 围部分 区 域逐渐产生气压 ， 当气体压力大于料浆 的极 限剪切应力( 黏 滞阻力和静水压力之 和) 时 ， 气源开始迅速膨胀 ， 形成一个 个独立的气泡 ， 料浆开始膨胀。 在气源膨胀过程 中， 由于胶 凝材料水化， 料浆稠度不断增加 ， 因此膨胀所要克服的阻 力也不断增大 ， 同时 ， 随着反应物质的消耗 ， 膨胀 的潜在动 力也在变小[ 。 如 铝 卯 0 0 0 0 0 0 O d I 醴出辖 如 档 钉 0 0 O O O 0 O B d 《 跫坦 诣 钉 O 0 O O O 0 日 自∈ 皤坦 2 ． 4 各 因子对导热 系数的影响 根据测得的导热系数结果 ， 作 出各因子对导热系数 的 影 响 ， 如图 9 ～ 1 2 。 参 1 j{ 5 霰 Ⅲ 鲁 1 蕞 曲 吕 ≥ 籁 蕞 曲 旦 ≥ 辍 1j{ s 蕞 曲 憎 水剂 用量 ， ％ 图 9 憎水剂用量对导热系数的影响 0 6 3 0 6 2 061 0 6 0 0 5 9 1． 4 图 1 O 1 ． 6 l _ 8 2 ．O 2 ． 2 2 ． 4 2 ． 6 激发 剂用量 ／ ％ 激发剂用量对导热系数的影响 0 ． 2 图 1 1 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 氧 化钙 用量 ／ ％ 氧化钙用量对导热系数的影响 发 泡 剂 用 量 ／ ％ 图 1 2 发泡剂用量对导热系数的影响 图 9是憎水 剂对导 热系数 的影 响。 利用化学 发泡方 法制备泡沫混凝土， 其内部以封闭气孔为主， 因此 ， 化学 发泡法制备的泡沫混凝土保温板的导热系数较小 。 憎水 剂硬脂酸钙的加入能够较小程度 的影 响料浆 的发泡与成 型， 起到降低吸水率的作用， 但其对导热系数的影响很小。 图 1 0 、 1 2 所示 为激发剂 和发泡剂的用 量对导热系数 的影响， 导热系数均呈先升高后降低的趋势， 加人激发剂 后 ， 发 泡剂迅 速发泡 ， 当发泡剂 的发泡速率小于料浆 的凝 结速度时， 料浆的膨胀体积过小， 发泡不成功； 当发泡剂的 发泡速率大于料浆 的凝结速率时， 出现泡孔成串溢 出、 泡孔 分布不均匀及坍泡等现象。 只有当发泡速率与料浆的凝结 速率一致达到平衡时 ， 制 品的内部结构才会 以大部分孔径 均匀的封闭气孔为主， 从而降低导热系数。 图 l 1 是导热系数随氧化钙的加人逐渐降低 。 本试验研 究过程中 ， 制备泡沫混凝土的水均为常温 ， 未进行加热 ， 以 化学方法进行发泡时 ， 适宜水温为 2 5 ～ 3 O℃ ， 加 入氧化钙 调节水温 ， 有利于混凝土进行发泡 ， 另外 ， 生石灰中有效的 氧化钙与粉煤灰 中的二氧化硅反应 ， 生成提高制品强度的 水化产物 ， 对其 内部结构产 生影响 ， 导热系数 与泡沫混凝 土的结构组成有关 ， 当制品的泡孔大小及分布达到要求时 ， 其导热系数 降低至达到标准 。 2 ． 5 最优条件确 定 泡沫混凝土保温板通 常要求轻质 、 吸水率低 、 导热系 数低 且抗压强度 能够达到标 准要 求 ， 从上述 分析可 以看 出， 以体积吸水率为指标时， 四种影响因素的主次顺序 为 ： A > B > C > D， 试样 吸水率 的最 优方案是 ： A 2 B 。C 2 D ， 即憎 水剂用量为 1 ． 5 ％； 激发剂用量为 1 ． 5 ％； 氧化钙用量为0 ． 4 ％； 发泡剂用 量为 4 ％。 以抗压强 度为指标 ， 四种 影响 因素 的 主次 顺序 为 ： B > C > A > D， 试样 抗 压强 度 的最 优方 案 是 ： A ] B 。 C 3 D ， 即憎水剂用量 为 2 ％； 激发剂用量 为 1 ． 5 ％； 氧化 钙用量为 0 ． 6 ％； 发泡剂用量 为 6 ％。 以导热系数为指标 ， 四 种影响因素的主次顺序为： D > B > A > C ， 试样导热系数的最 优方案是 ： A 2 B C 3 D ， ， 即憎水剂用量为 1 ． 5 ％； 激发剂用量为 1 ． 5 ％； 氧化钙用量为 0 ． 6 ％； 发泡剂用量为 6 ％。 综合体积 吸 水率、 抗压强度、 导热系数三种性能指标的考核 ， 结合三份最 优方案 ， 最终确定憎水剂用量为 1 ． 5 ％； 激发剂用量为1 ． 5 ％； 氧化钙用量 为 0 ． 6 ％； 发泡剂用 量为 6 ％， 即最终最优 方案 为 ： A z B 1 C 3 。 3结 论 ( 1 ) 以硬脂酸钙为憎水剂 ， 七水合硫酸亚铁为激发剂 ， 双氧水为发泡剂 ， 加入氧化钙， 可以成功制备出密度较低 、 性 能 良好 的泡沫混凝 土保 温板 。 发泡剂 、 激发剂及氧化钙 对试验中所测性能都有显著影响 ， 憎水剂对导热系数 的影 响不显著 。 ( 2 ) 综合体积吸水率 、 抗压强度 、 导热 系数三种指标 的 考核结果 ， 化学发泡法制备泡沫混凝土保温板的最佳试验 方案为 ： 憎水剂用量为 1 ． 5 ％； 激发剂用量 为 1 ． 5 ％； 氧化钙 用量为 0 ． 6 ％； 发泡剂用量为 6 ％( 均为 占固体 粉料 总量 的 质量分数 ) 。 参考文献 ： 【 1 】克利维茨基． 泡沫混凝土与泡沫硅酸盐制件的工厂预制[ M 】 ． 上 海： 上海科学技术出版社， 1 9 6 0 ． [ 2 ] 李文博． 泡沫混凝土技术现状及其发展动态分析【 J 】 - 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