化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土塌模機理研究

劉文斌，周 慧

(常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164)

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化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土塌模機理研究

劉文斌，周 慧

(常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164)

通過引入極限剪切力這一技術(shù)參數(shù)，研究了溫度變化、水灰比及粉煤灰摻量變化對化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土料漿的流平性與穩(wěn)定性的影響。研究表明：當(dāng)料漿剛完成發(fā)氣時，極限剪切應(yīng)力應(yīng)在25～40Pa之間。當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束2h左右，極限切應(yīng)力達到75Pa以上，不易出現(xiàn)塌模、下沉等現(xiàn)象。通過對料漿進行受力分析，得出料漿不塌模的數(shù)學(xué)模型。通過水灰比、速凝劑和穩(wěn)泡劑對極限切應(yīng)力進行調(diào)控表明：水灰比為0.54～0.58，速凝劑為水泥用量的2%左右，穩(wěn)泡劑為1.6%左右對料漿的塌?？善鸬胶芎玫目刂谱饔?。

化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土; 極限切應(yīng)力; 塌模機理; 料漿

1 引 言

化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土保溫板用于外墻外保溫系統(tǒng)已在中國得到廣泛應(yīng)用，且由第一代硫鋁酸鹽水泥泡沫混凝土向硅酸鹽水泥泡沫混凝土轉(zhuǎn)變[1]。PanZhihua等研究了化學(xué)發(fā)泡方法制備150kg/m3和 300kg/m3的超輕泡沫混凝土，其強度分別達到0.33MPa和1.1MPa，吸水率為6.6% 和 8.3%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05W/mK和0.07W/mK[2]。梁磊等研究了雙氧水發(fā)泡體系對無機聚合物發(fā)泡混凝土硬化性能的影響，結(jié)果表明：水膠比為0.50、礦粉摻量為66%、二氧化錳摻量為0.45%、纖維素醚摻量為0.8%、雙氧水摻量為3%，硅灰摻量為4.5%為較優(yōu)制備工藝參數(shù)[3]。研究表明，大多數(shù)研究一般都局限于物理性能和原材料的關(guān)系及至力于尋找最佳配方和工藝。而關(guān)于泡沫混凝土的塑性階段，內(nèi)部水化溫度、氣泡的穩(wěn)定性、凝結(jié)時間、壓力、塌模機理，一般僅著定性的描述[4-6]，無具體的量化技術(shù)指標，也無模型可供參考。但不少企業(yè)對于硅酸鹽水泥進行化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土的生產(chǎn)和技術(shù)研究并不成熟，生產(chǎn)的水泥基泡沫混凝土保溫板容重達不到技術(shù)要求，吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)和強度不能滿足技術(shù)規(guī)程，生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)塌模、下沉等問題?；瘜W(xué)發(fā)泡泡沫混凝土料漿是一種典型的彈-黏-塑性體，在應(yīng)力作用下將會發(fā)生復(fù)雜的流變行為[7]，對在應(yīng)力作用下料漿發(fā)生流動與變形的規(guī)律展開研究，有利于深刻認識化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土流變特性與發(fā)氣穩(wěn)定性，有利于分析清楚塌模、下沉等問題[8]。本文主要針對泡沫混凝土的塌模問題進行深入研究，探究出現(xiàn)塌模的原因、影響因素，并找出其解決方案。

2 實 驗

2.1 實驗材料

2.1.1 水 泥

P·O42.5水泥，主要物理性能見表1。

表1 水泥的基本性能

2.1.2 粉煤灰

Ⅱ級粉煤灰，主要技術(shù)指標見表2。

表2 粉煤灰的基本性能

2.1.3 發(fā)泡劑

雙氧水，濃度：27.5%。

2.1.4 穩(wěn)泡劑

硬脂酸鹽系列，以硬脂酸鈣為主的復(fù)合穩(wěn)泡劑。

2.1.5 速凝劑

以氯鹽、硫酸鹽和萘系減水劑為主的復(fù)合速凝劑。

2.2 實驗方法

將膠凝材料、粉煤灰和各種外加劑等混合、加水?dāng)嚢杈鶆?，控制料漿溫度在25～35 ℃，控制攪拌速度(90～120r/min)和攪拌時間(2.5～3min)；攪拌均勻后，迅速加入發(fā)泡劑持續(xù)攪拌約30s； 最終將拌合均勻的料漿傾倒入模具內(nèi)靜停發(fā)泡，待一定強度后拆模養(yǎng)護即可。

2.2.1 極限切應(yīng)力的測試

實驗中采用極限切應(yīng)力作為表征料漿流變性能的一個重要指標。極限切應(yīng)力的物理概念是:當(dāng)料漿在外力作用下產(chǎn)生的切應(yīng)力等于或大于極限切應(yīng)力時，將發(fā)生可以覺察到的流動(形變隨時間而變化)[4]。極限切應(yīng)力是靜態(tài)應(yīng)力的最大值。由此可見，極限切應(yīng)力越大，料漿表現(xiàn)出的固體性越強；反之，料漿表現(xiàn)出液體性越強。圖1采用拉力計(精度為0.001N)鉤住埋在料漿中的塑料片。塑料片是用表面稍粗糙的玻璃纖維增強的電工絕緣薄板，薄片的尺寸為5×7.5cm2, 料漿的極限切應(yīng)力可由下式求得：

式中：F為拉力計的測量值(N)；b為薄板的寬度(cm)；h為薄板埋入料漿的深度(cm)。

圖1 極限切應(yīng)力的示意圖Fig.1 Test method for ultimate shear stress and schematic diagram

圖2 泡沫混凝土內(nèi)部測溫裝置Fig.2 Temperature collector and probe arrangement

2.2.2 泡沫混凝土內(nèi)部溫度的測定

實驗中采用一種高性能、低價位的8通道泡沫混凝土溫度測試儀，并配合測溫探頭，以每2s測溫一次，多點溫度記錄、溫度采集、溫度分析。

2.2.3 物理性能檢測

研制的樣品根據(jù)行業(yè)標準JC/T2200-2013分別檢測其密度、流動度、吸水率、拉拔強度、3d、28d強度，導(dǎo)熱系數(shù)等物理性能。

2.2.4 微觀分析測試

(1)采用X粉末衍射儀對泡沫混凝土進行分析。

(2)采用SEM對泡沫混凝土進行微觀性能的觀察。

2.3 實驗用配合比

采用單因素變化法，對配合比進行調(diào)整，研究不同溫度、不同水灰比和不同粉煤灰摻量對硅酸鹽水泥基泡沫混凝土塑性階段極限切應(yīng)力的影響，找出料漿塌模的區(qū)間、分析塌模機理。表3、4、5為實驗設(shè)計配比。

表3 不同溫度下的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土配合比

表4 不同水料比的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土配合比

表5 不同粉煤灰摻量的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土配合比

續(xù)表

3 結(jié)果與分析

通過圖3可知：在相同的容積內(nèi)，對于相同配比的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土，不同的溫度對發(fā)泡高度有一定的影響。在溫度為35 ℃時，初始上升速度要大于25 ℃和30 ℃時的上升速度，但后期高度并未最高，主要是由于高溫使得料漿的水化加快和雙氧水的快速分解，初期上升速度很快，但大量氣體快速生成，也造成部分氣體逸出，導(dǎo)致后期高度不夠。且泡沫混凝土的氣孔偏大，泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)缺陷增多，28d強度達不到設(shè)計要求。檢測結(jié)果表明25 ℃時，28d強度為0.45MPa；35 ℃時，28d抗壓強度為0.36MPa。從時間上看，35 ℃料漿的發(fā)氣持續(xù)時間較25 ℃的短，發(fā)氣持續(xù)時間一般為6min左右，而25 ℃的料漿發(fā)氣持續(xù)時間一般為8min左右。通過圖4時間與極限剪切力的相關(guān)性實驗可知：隨時間的增加，料漿的極限切力也相應(yīng)增加，通過曲線擬合后，得到一組斜率不同的直線，其中25 ℃時，方程為：y=8.254x+46.583；30 ℃時，方程為： y=5.144x+36.962；35 ℃時，y=2.580x+18.405。從方程的斜率可知：隨初始溫度的升高，料漿的極限切力是呈現(xiàn)下降趨勢。可看出，25 ℃料漿的極限切力在料漿稠化過程中要大于35 ℃的極限切力，說明較低的溫度有利于氣泡的穩(wěn)定，減少料漿在快速發(fā)氣過程中的缺陷。當(dāng)然考慮到雙氧水的分解溫度，發(fā)泡時料漿溫度也不宜太低。實驗表明(圖5)，溫度為20 ℃時，料漿的體積膨脹較小，容重、導(dǎo)熱系數(shù)等達不到設(shè)計要求。故后續(xù)實驗設(shè)計都以25 ℃的水溫進行。

圖3 不同溫度下的發(fā)泡高度 Fig.3 Foam height at different temperatures

圖4 不同溫度下時間與極限剪切力關(guān)系圖 Fig.4 The relationship between time and ultimate shear force at different temperatures

圖5 實驗中20 ℃水溫發(fā)泡后高度Fig.5 The high of foam concrete at 20 ℃ degrees

圖6 不同水灰比下流動度 Fig.6 Flow rate of sample under different water

通過不同水灰比的設(shè)計，考察用水量對于料漿塌模的影響，分析不同水灰比與極限剪切應(yīng)力的關(guān)系。實驗采用自流平砂漿流動度測試方法(JC/T985-2005)進行料漿流動度的測試。從圖6中可知：隨水灰比增加，料漿流動度增加。當(dāng)水灰比為0.5時，料漿發(fā)泡后，表面出現(xiàn)開裂，有氣泡逸出現(xiàn)象(見圖7)；水灰比為0.58時，正常穩(wěn)定狀態(tài)(圖8)；當(dāng)水灰比為0.7時，則出現(xiàn)沸騰塌模現(xiàn)象(見圖9)。表6為B組不同時間點所測量的極限切應(yīng)力。由于早期塌模后無法測其極限切應(yīng)力，圖10為前四組不同水灰比下極限切力與時間的關(guān)系圖，從表6和圖10可知：當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束初始時(30min前后)，極限剪切應(yīng)力應(yīng)在25～40Pa之間，過大則出現(xiàn)憋氣、開裂現(xiàn)象；過小則出現(xiàn)沸騰、塌?，F(xiàn)象。當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束2h左右，極限剪切應(yīng)力達到75Pa以上，不會出現(xiàn)因自重而塌模、下沉現(xiàn)象。通過對內(nèi)部水泥水化溫度的測定(圖11)知，在試模的邊緣部位料漿的溫度從混合開始到2h左右達到最低點，這也導(dǎo)致料漿內(nèi)氣泡的壓力P達到最低點。而中心位置溫度較高，塌模不會從中心出現(xiàn)。圖12則為2h左右出現(xiàn)的料漿塌?，F(xiàn)象。

表6 B組不同時間的極限剪切應(yīng)力

圖7 水灰比0.5時開裂現(xiàn)象Fig.7 Cracking phenomenon under 0.5 of w/c

圖8 水灰比0.58時，穩(wěn)定狀態(tài)Fig.8 The stability state under 0.58 of w/c

圖9 水灰比0.7時，沸騰塌模Fig.9 The collapse phenomenon under 0.7 of w/c

圖10 不同水灰比下時間與極限剪切力關(guān)系圖Fig.10 The relationship between the time and the ultimate shear strength under different water cement ratio

通過對極限切應(yīng)力的實驗分析，基本上對化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土的塌模可以進行預(yù)測。為了驗證其合理性，對摻不同粉煤灰量泡沫混凝土進行了研究分析。圖13為不同粉煤灰摻量的泡沫混凝土極限切應(yīng)力與時間的關(guān)系。從圖中可知，極限切應(yīng)力與時間為正相關(guān)性，雖然，極限剪切應(yīng)力與時間無法用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型進行表征。但從圖中可以看出：隨粉煤灰用量的減少，極限切應(yīng)力不斷增大。只要極限切應(yīng)力在時間上滿足當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束初始時，極限剪切應(yīng)力應(yīng)在25～40Pa之間，當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束2h左右，極限剪切應(yīng)力達到75Pa以上，就不會出現(xiàn)發(fā)氣不正?，F(xiàn)象。而采用純水泥時，極限剪切力并沒有達到最大，是由于純水泥料漿的保氣性沒有摻粉煤灰的保氣性好所至。

圖11 料漿的水化溫度與時間的關(guān)系1# 模具邊緣，深度50 cm；3# 模具中心處，深度50 cmFig.11 The relationship between water temperature and time of slurry

圖12 2 h左右出現(xiàn)的塌?，F(xiàn)象Fig.12 The collapse phenomenonaround 2 h

圖13 不同粉煤灰摻量下時間與極限剪切力關(guān)系圖Fig.13 The relationship between time and ultimate shear force of different fly ash content

圖14 3 d、28 d化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土XRD分析圖譜Fig.14 XRD patterns of chemical foaming foam concrete at 3 d and 28 d

表7為C組泡沫混凝土硬化后各種物理性能的檢測結(jié)果。從表中可知不同量粉煤灰的摻入，對泡沫混凝土的密度影響不大。流動度介于120～140mm之間，24h吸水率基本保持在7%～8%之間，導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.07w/m·k左右。但泡沫混凝土的抗拉強度和抗壓強度則隨粉煤灰用量的增加而減小[9]。將其中的C1組3d、28d后進行XRD和SEM分析(見圖14、15)。從XRD圖中可見，3d時水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣、氫氧化鈣和碳酸鈣。28d時，則以碳酸鈣為主，氫氧化鈣的峰明顯弱化，說明泡沫混凝土在空氣中極易被碳化成碳酸鈣。從SEM圖中可清晰見到發(fā)氣生產(chǎn)的氣孔中有些并不完全閉合，從側(cè)面證明了料漿在硬化過程中有氣體從孔隙中排出，后期稠化過慢則會導(dǎo)致塌模。孔壁以片狀氫氧化鈣和碳酸鈣為主要構(gòu)成物。

表7 摻不同量粉煤灰的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土物理性能

圖15 28 d化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土SEM分析圖譜Fig.15 SEM images of chemical foaming foam concrete at 28 d

4 討 論

4.1 水泥基泡沫混凝土塌模機理分析

圖16 發(fā)氣原理分析圖Fig.16 Gas principle analysis chart

由前面的實驗可知，極限剪切應(yīng)力與塌模存在著一定的關(guān)系。作者借鑒黃士元[10]在加氣混凝土中對氣泡的分析理論，對水泥基泡沫混凝土進行分析。設(shè)在料漿內(nèi)部當(dāng)雙氧水加入后，開始分解出氧氣，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT可知，分解迫使氣泡內(nèi)壓力增大，體積膨脹從而推動物料上浮。由圖16可知：設(shè)有上下兩個氣孔，上面氣孔內(nèi)壓力為P1，下面的氣孔內(nèi)壓力為P2，兩個氣孔的距離為△h，孔徑為r。設(shè)想半徑為r、長度為△h的圓柱體，當(dāng)作用在這圓柱體上的外力能克服圓柱表面上極限剪切應(yīng)力所造成的阻力時，料漿才能流動。由此，可知：

(P2-P1-ρg△h)πr2≥2πr△hτm

在實際生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)料漿塌模、下沉一般為在發(fā)氣結(jié)束初期和結(jié)束2h左右(生產(chǎn)常在這兩個階段出現(xiàn)塌模、下沉)。對于第一種情況，主要原因是由于料漿的保氣性不好，氣泡上浮，合并成大氣泡逸出，而出現(xiàn)塌模、沸騰。對于第二種情況，料漿在發(fā)氣結(jié)束后，由于模內(nèi)某一局部的不穩(wěn)定。出現(xiàn)氣孔破壞，初凝的料漿嚴重下沉，并牽動其余部位的料漿也失去平衡而依次逐漸形成不同程度的破壞，因而有時會出現(xiàn)塌半模的情況。

4.2 塌模的調(diào)控方法分析

前面總結(jié)了塌模的原因，分析了塌模原理，并提出了不塌模的條件，明確了主要控制指標：極限切應(yīng)力。具體相關(guān)參數(shù)為：水灰比、速凝劑和穩(wěn)泡劑。要保持料漿穩(wěn)定，則必須要求在平衡階段時，氣泡內(nèi)壓力的減小速度小于極限切應(yīng)力的增長速度。平衡階段時，氣泡內(nèi)物質(zhì)的量、氣泡體積、表面積皆為常數(shù)，對于氣泡內(nèi)壓力的變化影響因素主要為溫度變化和氣泡壁的不完全封閉導(dǎo)致的漏氣。通過穩(wěn)泡劑用量和保持料漿溫度，可達到減小氣泡內(nèi)壓力變化。對于極限切應(yīng)力的變化則可通過水灰比的調(diào)控和速凝劑的增加達到快速提高。從而可對塌模進行調(diào)控。

實驗選取了水灰比為0.5～0.6，溫度為25 ℃，速凝劑為2%，穩(wěn)泡劑為1.6%，進行泡沫混凝土成型實驗驗證，測定結(jié)果如下表。

表8 不同水灰比對塌模影響

結(jié)果可知，只要極限切應(yīng)力滿足平衡階段的要求，就可保持料漿成型穩(wěn)定，不塌模。要使得極限切應(yīng)力滿足平衡階段的要求，必須控制好料漿的水灰比、速凝劑和穩(wěn)泡劑用量。由此可知，水灰比、穩(wěn)泡劑和速凝劑的大小對于料漿的極限切應(yīng)力有著重要的影響，根據(jù)實驗結(jié)果，一般取水灰比為0.54～0.58。速凝劑為水泥用量的2%左右，穩(wěn)泡劑為1.6%左右。

5 結(jié) 論

(1)料漿流動度一般為120～140mm之間比較有利于發(fā)氣的穩(wěn)定。較低溫度相比于高溫度更有利于氣孔的均勻性和料漿的體積穩(wěn)定性。XRD和SEM分析表明，化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土形成的孔并非全部封閉，在28d后有較強的碳化，孔壁的生成物以片狀氫氧化鈣和碳酸鈣為主；

(2)運用極限切應(yīng)力概念來表征泡沫混凝土料漿的發(fā)氣穩(wěn)定性，當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束初始時，極限切應(yīng)力應(yīng)在25～40Pa之間。當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束2h左右，極限切應(yīng)力達到75Pa以上，不會出現(xiàn)塌模和下沉現(xiàn)象；

(3)對料漿出現(xiàn)塌模的二種情況進行了分析，通過對料漿受力分析，得出了料漿不塌模的數(shù)學(xué)模型；

(4)通過水灰比、速凝劑和穩(wěn)泡劑對極限切應(yīng)力進行調(diào)控，結(jié)果表明水灰比為0.54～0.58，速凝劑為水泥用量的2%左右，穩(wěn)泡劑為1.6%左右對料漿的塌?？善鸬胶芎玫目刂谱饔谩?/p>

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Mechanism of Chemical Foaming Foam Concrete Collapse Mode

LIU Wen-bin，ZHOU Hui

(ChangzhouVocationalInstituteofEngineering,Changzhou213164,China)

Effectsoftemperature,watercementratioandflyashquantitychangeofchemicalfoamingfoamconcreteslurrylevelingandstabilitywasstudiedbyintroducinglimitshearstressthetechnicalparameters.Theresearchshowsthattheultimateshearstressshouldbeinthe25-40Pawhentheslurryisfinished.theslurryismixedfor2h,theultimateshearstressreached75Pa,anditisnoteasytoappearthephenomenonofcollapse,sinkingandsoon.Throughtheanalysisoftheslurry,mathematicalmodeloftheslurryisobtained.Thelimitingshearstresswascontrolledbywatercementratio,quicksettingagentandfoamstabilizer,theresultshowsthatthewatercementratiois0.54-0.58,thespeedsettingagentisabout2%ofcementdosage,andthestablefoamagentisabout1.6%.Theycanplayaverygoodcontroleffectonthecollapseoftheslurry.

chemicalfoamingconcrete;thelimitingshearstress;collapsemechanism;slurry

劉文斌(1980-),男，副教授.主要從事砂漿及混凝土應(yīng)用方面的研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4277-09