基于高寒地區(qū)化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土制備探究★

宋博文 張 存 邱斌雨 張 雷

(西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000)

·建筑材料及應(yīng)用·

基于高寒地區(qū)化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土制備探究★

宋博文 張 存 邱斌雨 張 雷

(西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000)

為了在西藏高寒地區(qū)制備輕質(zhì)高強(qiáng)的泡沫混凝土，探究了泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)和其中各摻量的定量控制，結(jié)果表明在該地區(qū)雙氧水制備氧氣的產(chǎn)率為55.7%；高錳酸鉀的最適摻量為1.2%；隨著穩(wěn)泡劑摻量的增加最終發(fā)泡高度呈下降趨勢(shì)；隨著雙氧水的加入量的增加泡沫混凝土的干密度呈先下降后小幅度上升的趨勢(shì)；以雙氧水作為發(fā)泡劑制備泡沫混凝土的富余系數(shù)最適參數(shù)應(yīng)在12.5～13.2之間。

泡沫混凝土，配合比設(shè)計(jì)，雙氧水，高錳酸鉀，穩(wěn)泡劑

泡沫混凝土是將泡沫劑水溶液制成的泡沫加入到含硅質(zhì)材料(粉煤灰、砂)、鈣質(zhì)材料(水泥、石灰)、水及外加劑組成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種輕質(zhì)多孔建筑材料[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)墻體材料的改革與建筑節(jié)能政策的推行，節(jié)能型材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，泡沫混凝土正是體現(xiàn)了發(fā)展節(jié)能、利廢、保溫、輕質(zhì)、隔熱等性能的一種材料[2]。相比之下,西藏的泡沫混凝土生產(chǎn)工藝還不成熟，嚴(yán)重影響了泡沫混凝土的質(zhì)量及應(yīng)用。西藏地區(qū)特有的高海拔、低氣壓、溫度低、晝夜溫差大等氣候條件可能使得泡沫混凝土的配合比與平原地區(qū)存在差異，因此，在西藏高寒地區(qū)探究用化學(xué)發(fā)泡法制備泡沫混凝土是必要的。本文在大量實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，探究了在西藏高寒地區(qū)用化學(xué)發(fā)泡法制備泡沫混凝土的最佳配合比，基于目前泡沫混凝土應(yīng)用于承重結(jié)構(gòu)的較少，特對(duì)干密度在800 kg/m3以上承重型泡沫混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期對(duì)泡沫混凝土在西藏地區(qū)的生產(chǎn)和質(zhì)量控制提供參考。

1 試驗(yàn)原材料和方法

1.1 原材料

1)膠凝材料:P.O42.5普通硅酸鹽水泥(西藏高爭(zhēng)建材股份有限公司產(chǎn))；一級(jí)粉煤灰(德令哈市廣遠(yuǎn)再生資源利用有限公司產(chǎn))；石粉(西藏林芝多多石料有限公司產(chǎn))；2)發(fā)泡劑:30%濃度的H2O2(鄭州惠澤生化科技有限公司產(chǎn))；3)其他組分:UNF-1萘系高效減水劑(西藏五色石建材有限公司產(chǎn))；復(fù)合穩(wěn)泡劑；高錳酸鉀(商丘市光源消毒產(chǎn)品有限公司產(chǎn))。

1.2 泡沫混凝土制備工藝

1)按設(shè)計(jì)的配合比稱(chēng)取膠凝材料、穩(wěn)泡劑、高錳酸鉀，量取水、H2O2溶液、減水劑。2)制備砂漿。將稱(chēng)取的穩(wěn)泡劑和高錳酸鉀溶于量取的水溶液中，用玻璃棒攪拌均勻。用砂漿攪拌機(jī)先將干料攪拌60 s，再將制備好的穩(wěn)泡劑和高錳酸鉀的水溶液倒入攪拌均勻的干料中，先低速攪拌60 s，再高速攪拌30 s。3)制備泡沫混凝土。將量取的H2O2溶液加入到制備好的水泥砂漿中，低速攪拌20 s，使發(fā)泡劑均勻的分散在水泥砂漿中，立刻澆筑于100 mm×100 mm×100 mm模具中，并記錄漿體發(fā)泡高度和發(fā)泡時(shí)間。養(yǎng)護(hù)環(huán)境濕度100%、溫度25 ℃,成型后帶模養(yǎng)護(hù)24 h,到達(dá)預(yù)定養(yǎng)護(hù)齡期3 d前取出試件置入120 ℃烘箱連續(xù)烘干3 d后立即測(cè)定密度[3]。絕干密度測(cè)試方法按JC/T 1026—2007泡沫混凝土砌塊進(jìn)行。

2 雙氧水制取氧氣的產(chǎn)率計(jì)算

2.1 試驗(yàn)原理與方法

雙氧水是過(guò)氧化氫氣體的H2O2水溶液，無(wú)色透明液體，可以與眾多物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)放出氣體。試驗(yàn)中利用了雙氧水作為還原劑，與高錳酸鉀溶液反應(yīng)放出氧氣，同時(shí)反應(yīng)生成物之一二氧化錳作為催化劑，還可以促使雙氧水分解，反應(yīng)過(guò)程如式(1)和式(2)所示[4]。

2KMnO4+3H2O2→2MnO2+2KOH+3O2↑+2H2O

(1)

(2)

氧氣的產(chǎn)量直接通過(guò)方程計(jì)算不可行，特采用排水法收集氧氣的方法來(lái)計(jì)算雙氧水制取氧氣的產(chǎn)率，試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 雙氧水制備O2量記錄表

2.3 雙氧水的產(chǎn)率計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓：P1=1.01×105Pa。

西藏林芝地區(qū)的大氣壓：P1=7.01×104Pa。

1 mol氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積：V1=22.4 L。

根據(jù)氣壓換算方程:P1×V1=P2×V2。

林芝地區(qū)1 mol O2的體積V2:

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)算出1 mol雙氧水與高錳酸鉀反應(yīng)制取氧氣體積V3:

雙氧水的產(chǎn)率α：

3 高錳酸鉀對(duì)發(fā)泡時(shí)間的影響

當(dāng)泡沫混凝土中發(fā)泡劑的摻量不變時(shí)，高錳酸鉀是影響泡沫混凝土發(fā)泡速率的主要因素。圖2是高錳酸鉀的不同摻量對(duì)泡沫混凝土發(fā)泡高度和時(shí)間的影響曲線。從圖中可以看出，在發(fā)泡初期，發(fā)泡速率較快，在發(fā)泡后期，發(fā)泡速率較慢；隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，發(fā)泡速率越來(lái)越慢。主要原因有兩個(gè)：1)雙氧水在加入水泥砂漿后，最開(kāi)始進(jìn)行的是雙氧水與高錳酸鉀的反應(yīng)(即第一階段的反應(yīng))，高錳酸鉀比雙氧水的氧化性更強(qiáng)，雙氧水只能作為還原劑，因此第一階段的反應(yīng)比較劇烈；當(dāng)高錳酸鉀反應(yīng)完全后，雙氧水開(kāi)始與二氧化錳反應(yīng)(即第二階段的反應(yīng))，在第二階段中雙氧水既是氧化劑又是還原劑，反應(yīng)的程度沒(méi)有第一階段的劇烈，致使反應(yīng)速率減緩，使泡沫混凝土的發(fā)泡速率降低。2)隨著反應(yīng)的進(jìn)行雙氧水的濃度逐漸減少，使反應(yīng)的速率降低。隨著高錳酸鉀摻量的減少，泡沫混凝土的發(fā)泡時(shí)間在逐漸增加。原因分析：在雙氧水總的摻入量不變的條件下，隨著高錳酸鉀摻量的減少，反應(yīng)進(jìn)程中進(jìn)行第一階段反應(yīng)的時(shí)間變短，第一階段反應(yīng)所消耗的雙氧水就減少，使更多的雙氧水留在第二階段反應(yīng)，因而進(jìn)行第二階段反應(yīng)的時(shí)間將變長(zhǎng)，使混凝土的發(fā)泡時(shí)間增加。當(dāng)高錳酸鉀摻量為3.0%時(shí)，發(fā)泡時(shí)間在2 min左右，泡沫混凝土的發(fā)泡時(shí)間太短暫，不利于裝模。因?yàn)樵谘b模時(shí)對(duì)泡沫混凝土的擾動(dòng)較大，使泡沫混凝土的氣孔遭受破壞，又因反應(yīng)停止使氣孔無(wú)法恢復(fù)。當(dāng)高錳酸鉀摻量為1.0%時(shí)，泡沫混凝土的發(fā)泡高度有所降低，不宜采用。當(dāng)高錳酸鉀的摻量為1.2%時(shí)，發(fā)泡時(shí)間為9 min左右，發(fā)泡高度為15 cm左右，因此高錳酸鉀摻量選為1.2%較為合適。

4 穩(wěn)泡劑對(duì)發(fā)泡高度的影響

圖3是穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫混凝土發(fā)泡高度的影響。從圖3可以分析出，當(dāng)不摻穩(wěn)泡劑的時(shí)候，發(fā)泡高度較摻加穩(wěn)泡劑組的高。這是由于凈水泥砂漿的粘滯性較摻入穩(wěn)泡劑的水泥砂漿的粘滯性小，發(fā)泡時(shí)克服的粘滯力較小，因而會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)泡高度，但是在發(fā)泡后期存在塌?，F(xiàn)象，對(duì)泡沫混凝土的穩(wěn)定性不利。穩(wěn)泡劑摻量從0.01%～0.15%變化時(shí)，發(fā)泡高度隨穩(wěn)泡劑的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，從試塊的橫、縱斷截面可以看出，隨著穩(wěn)泡劑摻量的增加，泡沫混凝土中形成的氣孔直徑和不均勻性呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。這是由于隨著穩(wěn)泡劑摻量的增加，水泥砂漿的粘性增大，產(chǎn)生氣泡液膜的強(qiáng)度和彈性增大，氣泡內(nèi)的氧氣必然增加，增加的氧氣將產(chǎn)生更大的表面張力，增大的表面張力使氣泡變得更大，從而使氣泡呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

5 引氣劑對(duì)設(shè)計(jì)干密度的影響

圖4是摻入不同濃度的雙氧水對(duì)泡沫混凝土干密度的影響曲線。從圖中可以看出隨著雙氧水摻入量的增加，泡沫混凝土的干密度呈現(xiàn)出先減小，后又小幅度增加的現(xiàn)象；雙氧水是影響泡沫混凝土干密度的主要因素。原因是隨著雙氧水摻入量的增加，產(chǎn)生氧氣的體積不斷增大，從而使水泥砂漿中滯留的氧氣增加，導(dǎo)致泡沫混凝土的孔隙率增大，使泡沫混凝土的干密度降低；后又小幅度增加的原因是在雙氧水摻入量過(guò)大，泡沫混凝土在后期發(fā)泡的情況下，會(huì)存在塌模的情況，使泡沫混凝土的氣孔遭到破壞，泡沫混凝土的體積變小，從而導(dǎo)致泡沫混凝土的干密度增大，但這種增加的幅度是有限的。

圖4中，富余系數(shù)為K>1，主要考慮雙氧水制取的氧氣不能全部被包裹到水泥漿體中而形成損失,具體的關(guān)系請(qǐng)看本文6.2部分。

6 泡沫混凝土配合比

6.1 配合比設(shè)計(jì)的基本原則

本配合比設(shè)計(jì)是在李應(yīng)權(quán)等[5]通過(guò)確定泡沫混凝土的干密度，達(dá)到控制泡沫混凝土強(qiáng)度為目的的基礎(chǔ)上，用水泥—粉煤灰—石粉—泡沫—水為原料體系制備干密度在800 kg/m3以上的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土，基本原則如下：

1)按泡沫混凝土干密度要求,確定水泥、粉煤灰、石粉用量；2)通過(guò)水泥、粉煤灰、石粉用量,確定泡沫混凝土用水量；3)按照膠凝材料、用水量,確定水泥凈漿體積；4)通過(guò)水泥凈漿體積,確定泡沫空隙的體積；5)按泡沫空隙的體積,確定所需的氧氣體積；6)根據(jù)氧氣的體積和西藏林芝地區(qū)雙氧水制取氧氣的產(chǎn)率,確定雙氧水的用量；7)計(jì)算添加劑的量。

6.2 試配干密度在800 kg/m3以上的泡沫混凝土

在粉煤灰占干粉料總量的25%，石粉占干料總量的10%情況下，生產(chǎn)1 m3的干密度為800 kg/m3泡沫混凝土的配比計(jì)算如下：

普通水泥、粉煤灰、石粉總質(zhì)量：

Mc+Mfa+Ms=800/1.2=666.7 kg。

粉煤灰質(zhì)量：

Mfa=0.25×667=166.7 kg。

石粉的質(zhì)量：

Ms=0.1×667=66.7 kg。

普通水泥質(zhì)量：

Mc=667-167-66.7=433.3 kg。

用水量：

Mw=φ×(Mc+Mfa+Ms)=0.4×666.7=266.7 kg。

凈漿體積：

V1=Mfa/ρfa+Mc/ρc+Ms/ρs+Mw/ρw=166.7/2 600+433.3/3 100+66.7/2 800+266.7/1 000=0.494 m3。

泡沫體積(圖4采用內(nèi)插法可計(jì)算出ρ干=800 kg/m3對(duì)應(yīng)的富余系數(shù)K在12.5～13.2之間，初選K=12.5)：

V2=K×(1-V1)=12.5×(1-0.494)=6.320 m3。

根據(jù)雙氧水與高錳酸鉀反應(yīng)制取氧氣的產(chǎn)率為55.7%，可計(jì)算出在西藏林芝地區(qū)1 mL雙氧水可以產(chǎn)生165 mL左右的氧氣，則雙氧水的體積：

VH2O2=V2×106÷165=38 305.8 mL≈38.3 L。

高錳酸鉀用量：

MKMnO4=VH2O2×1.2%≈459.7 g。

穩(wěn)泡劑用量：

Mw=VH2O2×0.05%≈19.2 g。

減水劑用量：

Mj=Mc×2%=433.3×0.02≈8.7 kg。

按照此種設(shè)計(jì)原則，可以計(jì)算出其他不同干密度的配合比，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)

7 結(jié)語(yǔ)

1)在西藏高寒地區(qū)用雙氧水與高錳酸鉀反應(yīng)制取氧氣的產(chǎn)率為55.7%。

2)在發(fā)泡劑雙氧水的摻量一定時(shí)，發(fā)泡時(shí)間隨著高錳酸鉀的摻量減少而增加，當(dāng)高錳酸鉀的摻量在3.0%～1.2%之間時(shí)對(duì)泡沫混凝土的最終發(fā)泡高度幾乎沒(méi)有影響。

3)隨著穩(wěn)泡劑的摻量增加泡沫混凝土的最終發(fā)泡高度呈下降趨勢(shì)。

4)隨著雙氧水摻入量的增加，泡沫混凝土的干密度呈現(xiàn)出先減小，后又小幅度增加的現(xiàn)象。雙氧水是影響泡沫混凝土干密度的主要因素。

5)西藏林芝地區(qū)用化學(xué)方法制備泡沫混凝土的最佳富余系數(shù)應(yīng)選擇在12.5～13.2之間。

[1] 閆振甲.泡沫混凝土發(fā)展?fàn)顩r與發(fā)展趨勢(shì)[J].混凝土世界，2009(5):48-55.

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Exploration on chemical foaming concrete preparation based on alpine region★

Song Bowen Zhang Cun Qiu Binyu Zhang Lei

(AgricultureandAnimalHusbandryCollege,TibetUniversity,Linzhi860000,China)

In order to prepare high-strength lightweight foam concrete in Tibet alpine region, this paper explored the foam concrete mix ratio design and the quantitative control in its content, the results showed that in the area the oxygen yield was 55.7% of hydrogen peroxide preparation, the optimum dosage was 1.2% of Potassium Permanganate, with the increase of foam stabilizing agent the final foaming height decreased, with the increase of hydrogen peroxide dosage the dry density of foam concrete first increase then small decrease, the spare coefficient optimum parameters should be between the 12.5～13.2 taking the hydrogen peroxide as foaming agent preparation of foam concrete.

foam concrete, mix design, hydrogen peroxide, Potassium Permanganate, foam stabilizing agent

2015-03-29★：西藏自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練項(xiàng)目

宋博文(1992- )，男，在讀本科生； 張 存(1979- )，男，講師； 邱斌雨(1993- )，男，在讀本科生； 張 雷(1991- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)16-0101-03

TU528

A