蘇秀霞， 曹鵬妮， 鄭小鵬

(1.陜西科技大學 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室， 陜西 西安 710021； 2.上海潔聯環(huán)?？萍加邢薰?，上海 201721)

0 引言

發(fā)泡水泥是以水泥為膠凝材料，通過添加適當的外加劑(發(fā)泡劑除外)，加水混合，攪拌成均勻的漿體，然后，在漿體中，加入化學發(fā)泡劑產生氣泡，經過硬化成型，養(yǎng)護而制成的一種含有大量封閉氣孔的輕質多孔材料[1,2].它因具有防火性能等級高，環(huán)保、耐老化、成本低等優(yōu)點[3]，而受到了人們的關注，是目前市場上較為理想的新型墻體保溫材料，可是，與傳統(tǒng)的有機保溫材料相比，其導熱系數高、干密度大[4]，嚴重阻礙了其在市場上的推廣使用，因此，本論文通過添加白泥纖維的方法，來改善發(fā)泡水泥的性能，以此來降低其導熱系數，提高力學性能和降低干密度[5].白泥纖維疏水性很強，易結團、絮聚[6]，因此使用白泥纖維時，必須對其進行均勻的分散，方能體現其在發(fā)泡水泥試樣中的功能.本實驗以羧甲基纖維素鈉(CMC)為分散劑對白泥纖維進行分散[7]，通過濁度法[8]分別選擇出不同摻量纖維的最佳分散劑濃度，然后將不同摻量的白泥纖維加入料漿中，制備出白泥纖維發(fā)泡水泥外墻外保溫材料，研究測試試樣的力學性能，并對發(fā)泡水泥試樣斷面的泡孔結構進行觀察和分析.

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

(1)原料：白泥纖維，上海潔聯環(huán)?？萍加邢薰咎峁?；42.5復合硅酸鹽水泥，陜西某水泥廠提供；分散劑：羧甲基纖維素鈉，實驗純；化學發(fā)泡劑：H2O2(30%)；催化劑：MnO2，化學純；穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣，化學純.

(2)儀器：JB90-D型強力電動攪拌機，上海標本模型廠制造；PT-1036PC型萬能材料實驗機，臺灣寶大國際儀器有限公司；電子天平；模具.

1.2 實驗方法

1.2.1 白泥纖維的分散

首先，在100 mL自來水中加入不同質量的散劑，配置不同質量分數的分散劑溶液，然后，將相同量的白泥纖維依次加入分散劑溶液中，添加方式以少量多次為宜，攪拌使其分散均勻，制備出一系列分散質的量相同，而分散劑濃度不同的分散體系.

1.2.2 白泥纖維增強發(fā)泡水泥的試樣制備

發(fā)泡水泥試樣包括空白發(fā)泡水泥A0；添加最佳量的分散劑，使白泥纖維均勻的分散在分散劑溶液中，制備白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣A1～A7；未添加分散劑對白泥纖維進行分散的白泥纖維增強發(fā)泡水泥A8.三種配比如表1所示，其中：白泥纖維、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、催化劑的摻量均為與水泥的質量比，試樣的制備方法：(1)空白發(fā)泡水泥，先將水泥、穩(wěn)泡劑、催化劑混合均勻，加入盛有一定量水的攪拌桶中，運用攪拌器快速攪拌均勻，再加入化學發(fā)泡劑攪拌30 s，然后將料漿注入10 cm×10 cm×10 cm模具中，靜停發(fā)泡，硬化成型，脫模，在室溫下養(yǎng)護，最終得產品；(2)添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥，在最佳量的分散劑溶液中，加入白泥纖維，攪拌使其分散均勻，然后向其中加入已混合均勻的固體料(水泥、穩(wěn)泡劑、催化劑)，重復上述操作，制備出添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣；(3)未添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥，首先，將白泥纖維加入水中，攪拌使其盡量分散開，然后向其中加入混合均勻的固體料，重復上述操作，制備出未添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣.

表1 白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣配比(與水泥的質量比)

1.2.3 分散劑濃度的優(yōu)化

以沉降法來表征白泥纖維在分散劑溶液中的分散性，不同的分散體系其分散質沉降的速度不同，分別觀察記錄B1～B7七組不同質量比的白泥纖維在0.00%、0.70%、0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%、1.50%的分散劑濃度下沉降的時間，即當纖維均勻的分散在分散劑溶液中開始計時，分散體系開始出現分層狀態(tài)停止計時，該段時間記為纖維沉降的時間[9]，纖維摻量沉降時間越長，表明白泥纖維分散的更為均勻[10].

1.2.4 力學性能的測試

將按A0～A8配比制備的試樣，養(yǎng)護28 d后，用鋸條切去上表面的面包頭，使試樣上下面相互平行，呈長方體形，參照GB/T17671-1999，在萬能材料實驗機上測定試樣的抗壓和抗折強度.

1.2.5 泡孔結構分析

對空白試樣和添加最佳量分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣以及未添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣斷面的泡孔結構進行觀察和分析.

2 結果與討論

2.1 分散劑濃度對白泥纖維分散的影響

觀察記錄每個分散體系分散質白泥纖維的沉降時間，結果如表2所示.

表2 分散劑濃度對白泥纖維分散的影響

分析上述實驗結果可發(fā)現：(1)當白泥纖維摻量為0.71%、1.43%、2.14%、2.86%、3.57%、4.29%、5.00%時，隨著分散劑濃度的增加，白泥纖維在分散體系沉降的時間先增長后縮短，而將白泥纖維加入無分散劑的水中時，產生絮狀，即分散效果很差.(2)對不同摻量的白泥纖維，沉降的時間最長、分散效果好的分散劑濃度為：0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%.CMC分散劑結構圖如下：

CMC結構中含有親水基團羥基、羧基和憎水基團烴基，其中，分子中的親水基團與水中的羥基形成氫鍵，使得分散劑溶液的表面張力急劇下降，故增加了白泥纖維的親水性和潤濕性，提高了分散性，形成了類膠體分散體系[11]，同時，在纖維表面的非極性物質極易吸附分散劑中的非極性基團，降低了白泥纖維和水溶液之間的表面張力，進一步提高了纖維在水溶液中的自由分散能力.但若CMC濃度過大,溶液的黏度變大, 影響了分散體系的流動性,反而阻礙了白泥纖維的分散[12].

2.2 白泥纖維對發(fā)泡水泥力學性能的影響

對試樣A0～A8分別進行抗壓和抗折強度的測試，其測試結果如圖1所示.

(a)纖維摻量對發(fā)泡水泥試樣抗壓強度的影響

(b)纖維摻量對發(fā)泡水泥試樣抗折強度的影響圖1 纖維摻量對發(fā)泡水泥試樣抗壓、抗折強度的影響

觀察圖1，可見：(1)與空白試樣相比，不同摻量的白泥纖維發(fā)泡水泥試樣其抗壓和抗折強度均有不同程度的提高；(2)當白泥纖維摻量4.29%時，隨著白泥纖維摻量增加，試樣的抗壓和抗折強度逐漸增大，而當白泥纖維摻量>4.29%時，隨著白泥纖維摻量的增加，試樣的抗壓和抗折強度總體上均呈現下降趨勢，因此，當白泥纖維摻量為4.29%時，試樣的抗壓和抗折強度最佳；(3)序號A7試樣，白泥纖維摻量為4.29%，抗壓強度和抗折強度分別為0.81 MPa、0.34 MPa.

發(fā)泡水泥試樣的抗壓強度和抗折強度主要取決于兩個條件：(1)制備試樣所選取的水泥種類、試樣干密度以及試樣水灰比；(2)試樣斷面的泡孔結構.很顯然，序號A0～A8試樣的第1個條件都相同，故條件2是影響試樣抗壓強度和抗折強度的主要因素，由力學知識可知，試樣斷面的孔越接近球形，大小越均勻，其尺寸也就越小，試樣受力時，應力的分布就越均勻[13]，白泥纖維的摻入，使試樣斷面泡孔結構變得更加均勻，更加細小，因此，提高了試樣的抗壓和抗折強度[14]，同時，利用纖維之間的相互交織作用提高產品的抗裂性與耐久性，增加了試樣的強度；然而當試樣中白泥纖維的摻量>4.29%時，在水泥料漿中，纖維絮凝，結團，導致試樣的抗壓和抗折強度降低[15].

2.3 白泥纖維對發(fā)泡水泥泡孔結構的影響

圖2為空白發(fā)泡水泥試樣和添加分散劑濃度1.30%、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥及未添加分散劑、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥斷面泡孔結構圖：

(a)空白試樣

(b)1.30%分散劑、4.29%纖維試樣

(c)無分散劑、4.29%纖維試樣圖2 白泥纖維對發(fā)泡水泥的泡孔結構

觀察圖2，由圖可見：(1)空白發(fā)泡水泥試樣斷面泡孔的孔徑大小居于圖2(b)和圖2(c)之間；(2)試樣泡孔的形狀分別為：(a)球形，(b)球形，(c)橢圓形；(3)試樣泡孔的分布情況：(a)較均勻，(b)均勻，(c)不均勻.分散劑被包覆在白泥纖維表面，而分散劑本身含有親水基團，使得纖維表面親水性增大，與水泥料漿之間的潤濕性增大，化學鍵合力也得到進一步增強[16]，因此，圖2(b)孔徑小、泡孔的形狀為球形，泡孔分布的更加均勻.

3 結論

(1)白泥纖維分散的是否均勻極大地影響著發(fā)泡水泥的性能，對于白泥纖維摻量為0.71%、1.43%、2.14%、2.86%、3.57%、4.29%、5.00%，沉降時間長、對白泥纖維分散效果好的分散劑濃度為0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%.

(2)白泥纖維能夠顯著地增加發(fā)泡水泥的力學性能，當添加分散劑濃度為1.30%、白泥纖維摻量為4.29%時，發(fā)泡水泥試樣的抗壓和抗折強度分別達到最大值，即為：0.81 MPa和0.34 MPa.

(3)均勻分散的白泥纖維能夠明顯改善發(fā)泡水泥斷面的泡孔結構，與空白試樣以及未添加分散劑、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥相比，添加分散劑濃度1.30%，白泥纖維4.29%的發(fā)泡水泥斷面的泡孔結構得到了很大地改善，其孔徑小，形狀為球形且分布均勻.

[1] 潘志華,程 麟,李東旭,等.新型高性能泡沫混凝土制備技術研究[J].新型建筑材料,2002(5):1-5.

[2] 丁 曼.防水性泡沫混凝土研究[D].湖南:湖南大學, 2011.

[3] 劉亮森,劉志云.重慶地區(qū)外墻外保溫技術[J].中國建材科技,2013(4):28-31.

[4] 鄒 焱,商宏偉.淺談建筑墻體的節(jié)能技術[J].應用能源技術,2000(1):21-22.

[5] Muhammad Mamun,Vivek Bindiganavile.Sulphate resistance of fibre reinforced cement-based foams[J].Construction and Building Materials,2011,25(8):3 427-3 442.

[6] 王金山,朱官花,王本康,等.粉煤灰纖維復合紙增強方法的研究[J].天津造紙,2009(1):25-31.

[7] 于海霞,鄒玉林,孟祥瑞,等.新型陶瓷坯體增強劑的研制[J].中國陶瓷,2013,49(11):63-65.

[8] 景元琳.粉煤灰纖維分散、軟化及應用實驗研究[D].天津:天津大學,2010.

[9] 劉淑鵬,張小偉,朱長亮,等.纖維水鎂石的分散性基礎研究[J].礦產保護與利用,2008(6):29-33.

[10] 錢覺時,謝從波,邢海娟,等.聚羧酸減水劑對水泥基材料中碳纖維分散性的影響[J].功能材料, 2013,44(16):2 389-2 392,2 396.

[11] 李 勍,陳文帥,于海鵬,等.纖維素納米纖維增強聚合物復合材料研究進展[J].林業(yè)科學,2013,49(8):126-131.

[12] 傅獻彩.物理化學[M].北京:高等教育出版社,2005.

[13] 杜傳偉,李國忠.新型發(fā)泡水泥材料的研究制備[J].建筑砌塊與砌塊建筑,2013(2):52-54.

[14] 鄧富泉.EVA/POE/EPDM/OMMT納米復合發(fā)泡材料的制備與性能研究[D].西安：陜西科技大學,2013.

[15] 李啟金,李國忠,杜傳偉.改性聚丙烯纖維對發(fā)泡水泥性能的影響[J].復合材料學報,2013,30(3):15-20.

[16] Ramesh Rengarajan,Vetkav R.Parameswaran,Sunggyu Lee,et al.N.m.r.analysis of polypropylene-maleic anhydride copolymer[J].Polymer,1990,31(9):1 703-1 706.