高韌性輕質(zhì)硫鋁酸鹽水泥基發(fā)泡保溫材料的制備及性能研究

婁冬，曹京京

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

高韌性輕質(zhì)硫鋁酸鹽水泥基發(fā)泡保溫材料的制備及性能研究

婁冬，曹京京

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004）

為制備較高韌性的輕質(zhì)水泥基發(fā)泡保溫材料，研究了粉煤灰摻量、粉煤灰激活劑摻量、輕骨料比率及聚乙烯醇纖維摻量等對(duì)發(fā)泡體系性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，粉煤灰能明顯降低發(fā)泡體系的溫度和干密度，當(dāng)其摻量大于30%時(shí)，試件早期強(qiáng)度大幅降低，因此粉煤灰摻量應(yīng)小于30%；粉煤灰激活劑能明顯提高試件的早期強(qiáng)度，當(dāng)其摻量為2.5%時(shí)，效果最佳；隨輕骨料比率增大，干混體系空隙率先減小后增大，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，當(dāng)輕骨料比率為24%時(shí)，空隙率最小而導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定；聚乙烯醇纖維能明顯改善試件的韌性和表面微觀形貌，綜合考慮纖維摻量不應(yīng)大于1%。

泡沫水泥；輕質(zhì)保溫材料；硫鋁酸鹽水泥；聚乙烯醇纖維

0 前言

建筑能耗約占我國(guó)能源總消耗量的30%，且呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)[1-2]，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能對(duì)節(jié)約能源和資源十分重要。目前，我國(guó)的建筑保溫材料主要有泡沫型保溫材料、復(fù)合硅酸鹽保溫材料、硅酸鹽絕熱制品保溫材料和纖維質(zhì)保溫材料[3-5]。其中發(fā)泡水泥保溫材料是新型節(jié)能墻體保溫材料的一個(gè)重要領(lǐng)域。而傳統(tǒng)的發(fā)泡水泥保溫材料具有自重大、韌性差和制備工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)[6-8]，無(wú)法滿足極端條件的考驗(yàn)。因此，開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、高韌性與建筑物同壽命的水泥基發(fā)泡保溫材料，不僅能夠拓寬現(xiàn)有無(wú)機(jī)保溫材料的種類(lèi)，而且有利于促進(jìn)傳統(tǒng)保溫材料的綠色升級(jí)，并最大限度實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目的。相比于普通硅酸鹽水泥，硫鋁酸鹽水泥具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、高抗?jié)B和高韌性等優(yōu)點(diǎn)[9-10]，而傳統(tǒng)的水泥基發(fā)泡保溫材料主要以普通硅酸鹽水泥為主要膠凝材料[11-13]，將硫鋁酸鹽水泥用于水泥基發(fā)泡保溫材料制備鮮有研究。本文以硫鋁酸鹽水泥、粉煤灰和輕骨料為主要原料，制備輕質(zhì)水泥基發(fā)泡保溫材料，并以聚乙烯醇纖維對(duì)其進(jìn)行增韌，實(shí)現(xiàn)了水泥基發(fā)泡保溫材料的輕質(zhì)化和高韌性，為無(wú)機(jī)保溫材料的推廣應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

硫鋁酸鹽水泥：陜西咸陽(yáng)水泥廠生產(chǎn)；粉煤灰：咸陽(yáng)某電力廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰，水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見(jiàn)表1。粉煤灰激活劑：氧化鈣粉末，河北井陘縣鑫陽(yáng)鈣業(yè)有限公司生產(chǎn)，摻量0～4.0%；發(fā)泡劑：煙臺(tái)某建筑節(jié)能公司生產(chǎn)的植物改性泡沫劑；輕骨料：青島某礦業(yè)公司生產(chǎn)的閉孔微珠，工業(yè)級(jí)；聚乙烯醇纖維：重慶英筑建材有限公司生產(chǎn)，長(zhǎng)度約6.0 mm。

表1 硫鋁酸鹽水泥和粉煤灰的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

以硫鋁酸鹽水泥和粉煤灰為主要膠凝材料，發(fā)泡劑選用植物改性泡沫劑，水膠比為0.5，研究單一摻加粉煤灰、粉煤灰激活劑、輕骨料和聚乙烯醇纖維摻量對(duì)水泥基輕質(zhì)發(fā)泡保溫材料物理力學(xué)性能的影響，測(cè)試了試樣的絕熱溫升、干密度、強(qiáng)度、空隙率和導(dǎo)熱系數(shù)，并利用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)試樣表面形貌，確定了合理的材料組成。

1.3 制備工藝

水泥基輕質(zhì)保溫材料是通過(guò)發(fā)泡劑的發(fā)泡系統(tǒng)用機(jī)械方式把發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到水泥漿中，經(jīng)混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種多孔材料。

2 粉煤灰對(duì)水泥基發(fā)泡體系性能的影響

2.1 粉煤灰摻量對(duì)發(fā)泡體系絕熱升溫性能的影響

為了研究粉煤灰摻量對(duì)發(fā)泡體系絕熱溫升性能的影響，保持水灰比為0.5，穩(wěn)泡劑摻量為0.4%，攪拌時(shí)間90 s以及攪拌速率3000 r/min不變，控制粉煤灰替代水泥的比例分別為15%、25%、35%和45%，測(cè)試發(fā)泡體系的絕熱溫升隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 粉煤灰摻量對(duì)水泥基發(fā)泡體系絕熱升溫性能的影響

從圖1可以看出，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，發(fā)泡體系的溫度出現(xiàn)先升高后降低的變化規(guī)律，當(dāng)時(shí)間為360min時(shí)，溫度達(dá)到最高值。這是因?yàn)樗嗟哪Y(jié)硬化是一個(gè)放熱的過(guò)程，隨時(shí)間延長(zhǎng)，水泥水化產(chǎn)生的熱使發(fā)泡體系的溫度逐漸升高，而當(dāng)時(shí)間大于360min后，水泥的水化相對(duì)減弱，前期水化產(chǎn)生熱量逐漸釋放，因此發(fā)泡體系的溫度有所降低。當(dāng)時(shí)間相同時(shí)，隨粉煤灰摻量的增多，發(fā)泡體系絕熱溫升的最高溫度逐漸降低，如當(dāng)粉煤灰量由15%增大至35%和45%時(shí)，發(fā)泡體系絕熱溫升的最高溫度由62.1℃降低為35.5℃和30.0℃，分別降低42.8%和51.7%。這是因?yàn)榉勖夯宜瘯r(shí)的放熱量小于水泥，粉煤摻量越多膠凝材料中水泥的比例越少，因此發(fā)泡體系的絕熱溫升越低。另外，粉煤灰能與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次火山灰反應(yīng)，且水化活性低于水泥，因此降低了發(fā)泡體系的絕熱溫升。

2.2 粉煤灰摻量對(duì)水泥基發(fā)泡體系物理力學(xué)性能的影響

控制攪拌時(shí)間為100 s，攪拌速度為2500 r/min，漿料溫度為35℃，測(cè)試粉煤灰替代水泥摻量對(duì)發(fā)泡體系干密度和7 d抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)水泥基發(fā)泡體系物理力學(xué)性能的影響

從圖2可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，發(fā)泡體系的干密度逐漸減小。當(dāng)粉煤灰摻量大于35%時(shí)，干密度隨粉煤灰摻量的變化趨勢(shì)減弱；當(dāng)粉煤摻量由15%增大至35%時(shí)，發(fā)泡體系的干密度由380 kg/m3降低為310 kg/m3，降低了18.4%。這是因?yàn)?，粉煤灰的密度低于水泥，因此用粉煤灰替代水泥可以降低發(fā)泡體系的密度，進(jìn)而降低其干密度，且粉煤灰摻量越多，干密度降低幅度越大。但是隨著粉煤灰摻量的不斷增大，發(fā)泡體系的物理力學(xué)性能均發(fā)生明顯變化，當(dāng)粉煤灰摻量大于35%時(shí)，泡沫在漿體中的穩(wěn)定性下降，從而導(dǎo)致干密度下降趨勢(shì)放緩。發(fā)泡體系的7 d抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加逐漸降低，且當(dāng)粉煤灰摻量大于30%時(shí)，再增加粉煤灰摻量，會(huì)使7 d抗壓強(qiáng)度急劇降低，因此，從抗壓強(qiáng)度角度考慮，粉煤灰摻量不宜大于30%，綜合考慮粉煤灰的最佳摻量為30%。

2.3 粉煤灰激活劑對(duì)水泥基發(fā)泡體系抗壓強(qiáng)度的影響

發(fā)泡體系中無(wú)機(jī)膠凝材料所占的比例直接決定著泡沫水泥的力學(xué)性能，而水泥是泡沫水泥力學(xué)性能的主要來(lái)源。粉煤灰雖然能夠降低發(fā)泡體系的水化熱，但是粉煤灰替代部分水泥必然導(dǎo)致發(fā)泡體系力學(xué)性能的降低，尤其對(duì)早期強(qiáng)度的影響更加明顯。為了使發(fā)泡體系的力學(xué)性能滿足使用要求，必須對(duì)粉煤灰造成的強(qiáng)度衰減進(jìn)行補(bǔ)償。本文選用粉煤灰激活劑激發(fā)發(fā)泡體系，進(jìn)而提高發(fā)泡體系的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)保持粉煤灰摻量為30%，水灰比為0.5，穩(wěn)泡劑摻量為0.4%，攪拌時(shí)間為90 s以及攪拌速率3000 r/min不變，粉煤灰激活劑摻量為0～4.0%，測(cè)試不同粉煤灰激活劑摻量下發(fā)泡體系的7 d抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 粉煤灰激活劑摻量對(duì)發(fā)泡體系抗壓強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，隨著粉煤灰激活劑摻量的增加，發(fā)泡體系的7 d抗壓強(qiáng)度逐漸提高，在發(fā)泡體系中加入2.5%的粉煤灰激活劑，使抗壓強(qiáng)度由0.41 MPa升高至0.58 MPa；當(dāng)粉煤灰激活劑摻量大于2.5%時(shí)，繼續(xù)增加摻量對(duì)早期抗壓強(qiáng)度的提高不再明顯。其原因主要為粉煤灰激活劑中的CaO對(duì)粉煤灰具有活化作用，CaO遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Ca（OH）2，而Ca（OH）2中的鈣離子可以促使粉煤灰生成水硬性膠凝材料，因此提高了發(fā)泡體系早期的抗壓強(qiáng)度。

3 輕骨料對(duì)水泥基發(fā)泡體系性能的影響

干料經(jīng)攪拌后會(huì)留有一定的空隙，再經(jīng)過(guò)發(fā)泡作用后漿料包裹泡沫形成孔壁，干料形成的空隙會(huì)存留在孔壁內(nèi)，雖然此空隙內(nèi)的空氣能起到一定的隔熱作用，但對(duì)水泥基材料的力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此，需要通過(guò)干混試驗(yàn)來(lái)獲得結(jié)構(gòu)致密的堆積結(jié)構(gòu)，即確定合理的粉煤灰/輕骨料相對(duì)比例，使干混體系能夠達(dá)到最佳的密實(shí)狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)控制粉煤灰/輕骨料干混體系中輕骨料比率（輕骨料用量除以粉煤灰和輕骨料的總用量）為20%～28%，測(cè)試水泥基發(fā)泡體系的空隙率和導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 輕骨料比率對(duì)水泥基發(fā)泡體系空隙率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

從圖4可以看出，隨著輕骨料比率的增大，發(fā)泡體系空隙率先減小后增大，當(dāng)輕骨料比率為24%時(shí)，發(fā)泡體系空隙率最小為17.1%。其原因主要是干混體系中輕骨料顆粒之間形成的空隙會(huì)由粉煤灰填充，當(dāng)輕骨料比率小于24%時(shí)，干混體系中粉煤灰顆粒數(shù)量較多，填充剩余的粉煤灰顆粒撐開(kāi)了輕骨料形成的骨架結(jié)構(gòu)，使輕骨料顆粒懸浮在粉煤灰中，隨著輕骨料比率的增大，可容納粉煤灰顆粒的空間增多，因此填充的密實(shí)性增加，空隙率減??；而當(dāng)輕骨料比率大于24%時(shí)，輕骨料顆粒相互接觸形成的空隙較大，此時(shí)沒(méi)有足夠的粉煤灰顆粒進(jìn)行填充，因此空隙率反而隨輕骨料比率的增大而增大。

干混體系的導(dǎo)熱系數(shù)隨輕骨料比率的增大逐漸降低，當(dāng)輕骨料比率大于24%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)?，閉孔微珠本身的導(dǎo)熱系數(shù)較低，因此將其引入干混體系中會(huì)降低體系的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)其比率大于24%時(shí)，對(duì)體系導(dǎo)熱系數(shù)的降低作用不再明顯。綜合考慮輕骨料最佳比率應(yīng)為24%。

4 聚乙烯醇纖維對(duì)水泥基發(fā)泡體系的增韌作用

4.1 纖維摻量對(duì)水泥基發(fā)泡體系力學(xué)性能的影響

保持粉煤灰摻量為30%、粉煤灰激活劑摻量2.5%、輕骨料比率為24%，改變纖維體積摻量，測(cè)試?yán)w維不同摻量時(shí)泡沫水泥試件的密度、28 d抗壓和抗折強(qiáng)度，并計(jì)算折壓比，結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖5可以看出，聚乙烯醇纖維的加入能明顯降低發(fā)泡體系的干密度，且纖維摻量越大，干密度降低幅度越大，當(dāng)纖維摻量為2%時(shí)，試件的干密度為262 kg/m3。這是因?yàn)槔w維在發(fā)泡體系中均勻分散，當(dāng)纖維摻量較大時(shí)，纖維在發(fā)泡體系中聚集，且表面由水泥組分包裹，在相同發(fā)泡倍率時(shí)，試件體積增大，因此密度降低。

圖5 纖維摻量對(duì)發(fā)泡體系物理力學(xué)性能的影響

隨著纖維摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，抗折強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)纖維摻量由0增大至2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度從0.95 MPa降至0.79 MPa，抗折強(qiáng)度從0.93 MPa提高到1.5 MPa。這是因?yàn)槔w維的摻入在發(fā)泡體系內(nèi)部引入了一定數(shù)量的氣泡，使發(fā)泡水泥試件的密實(shí)度降低，因此抗壓強(qiáng)度下降。而在彎曲荷載作用時(shí)，水泥試件內(nèi)部的纖維受拉分散部分外部荷載，且纖維摻量越多，分散外部荷載作用越明顯，因此抗折強(qiáng)度越大。隨著纖維摻量的增加，折壓比增大，水泥試件韌性逐漸得到改善，當(dāng)纖維摻量大于1.5%時(shí)，折壓比增大不明顯，因此此時(shí)繼續(xù)增大纖維摻量對(duì)韌性的改善效果不顯著，且會(huì)造成其它力學(xué)性能的衰減，因此從力學(xué)角度考慮纖維摻量不應(yīng)大于1.5%。

4.2 纖維摻量對(duì)泡孔結(jié)構(gòu)的影響（見(jiàn)圖6）

圖6 不同纖維摻量時(shí)泡沫水泥試件的表面形貌

從圖6可以看出，纖維的加入明顯改變了泡沫水泥試件的表面形貌，隨著纖維摻量的增加，水泥試件表面孔孔徑逐漸減小，小孔數(shù)量逐漸增多，空隙率逐漸增大。當(dāng)纖維摻量增大至1.0%時(shí)，水泥試件表面有明顯的纖維拔出現(xiàn)象，有明顯的微裂縫出現(xiàn)；當(dāng)纖維摻量達(dá)到1.5%時(shí)，纖維穿過(guò)泡孔，破壞了發(fā)泡體系的原有結(jié)構(gòu)，有塌膜趨勢(shì)；當(dāng)纖維摻量增大至2.0%時(shí)，試件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的塌膜現(xiàn)象，試件的強(qiáng)度急劇降低。由此說(shuō)明，適量的纖維能改善發(fā)泡體系的泡孔結(jié)構(gòu)，而過(guò)量的纖維反而會(huì)阻礙泡孔的形成，從微觀角度考慮，聚乙烯醇纖維摻量不應(yīng)大于1.0%。

5 結(jié)論

（1）粉煤灰能明顯降低水泥基發(fā)泡體系的溫度，以35%的粉煤灰替代水泥使發(fā)泡體系絕熱溫升的最高溫度降低了42.8%；隨著粉煤灰摻量的增加，試件的干密度和早期抗壓強(qiáng)度逐漸減小，且當(dāng)粉煤灰摻量大于30%時(shí)，干密度的減小趨勢(shì)放緩，而抗壓強(qiáng)度的衰減程度加重，因此粉煤灰摻量不應(yīng)大于30%。粉煤灰激活劑能明顯提高試件的早期強(qiáng)度，當(dāng)其摻量為2.5%時(shí)，對(duì)抗壓強(qiáng)度的改善效果最佳。

（2）粉煤灰/輕骨料干混體系中，隨著輕骨料比率的增大，空隙率呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，當(dāng)輕骨料比率為24%時(shí)，空隙率達(dá)到最??；導(dǎo)熱系數(shù)隨著輕骨料比率的增大逐漸減小，當(dāng)輕骨料比率大于24%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，最佳輕骨料相對(duì)比率為24%。

（3）聚乙烯醇纖維的摻入雖然使泡沫水泥試件的干密度和抗壓強(qiáng)度降低，但明顯提高了抗折強(qiáng)度和折壓比，顯著改善了試件的韌性，當(dāng)纖維摻量大于1.5%時(shí)，再增大纖維摻量對(duì)韌性的貢獻(xiàn)不大，相反會(huì)明顯降低抗壓強(qiáng)度。

（4）聚乙烯醇纖維的摻入明顯改變了試件表面的微觀形貌，使表面孔孔徑減小，空隙率增大，當(dāng)纖維摻量大于1.5%時(shí)，試件表面有塌膜趨勢(shì)，使發(fā)泡體系的原有結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成強(qiáng)度的急劇衰減，綜合考慮纖維摻量不宜大于1%。

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Preparation and properties of high toughness lightweight sulfur aluminate cement-based foam insulation material

LOU Dong，CAO Jingjing
（Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，China）

In order to prepare high resilience lightweight cement-based foam insulation material，this paper studied the effect of fly ash，fly ash activator，lightweight aggregate ratio and polyvinyl alcohol fiber content on properties and microstructure of the foam system.The test results show that fly ash can significantly reduce the temperature and dry density of the foam system，when its content is greater than 30%，dramatically reducing early strength of the specimen，so the fly ash content should be less than 30%.Fly ash activator can significantly improve the early strength of the specimen，when its content is 2.5%，the effect of improving is the best，with lightweight aggregate rate increases，dry blending system porosity first decreases and then increases，and thermal conductivity reduces gradually，when the lightweight aggregate ratio is 24%，the porosity is the minimum and the thermal conductivity becomes stabilized.Fiber can significantly improve the toughness and surface morphology of the specimen，comprehensive considering fiber content should not exceed 1%.

foam cement，lightweight insulation material，sulfur aluminate cement，polyvinyl alcohol fiber

55+1.33

A

1001-702X（2016）11-0079-04

2016-04-25

婁冬，女，1981年生，河南開(kāi)封人，講師，碩士。