氣凝膠含量對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)及性能的影響

付平 ，吳會(huì)軍 ，2，李朋威

（1.廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學(xué) 建筑節(jié)能研究院，廣東 廣州 510006）

0 前言

泡沫混凝土是一種節(jié)能、環(huán)保型墻體保溫材料，具有密度小、隔聲、保溫隔熱性好、耐火性強(qiáng)和抗震性優(yōu)良等特點(diǎn)，被廣泛用于建筑節(jié)能等領(lǐng)域[1-4]。為了制備高性能泡沫混凝土，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，將各種性能不同的摻合料加入泡沫混凝土中，從而改善泡沫混凝土的性能。Aljoumaily等[5]研究了高爐礦渣作為粘合劑和填料對(duì)泡沫混凝土性能的影響，得出泡沫混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度雖從5.81 MPa提高至6.31 MPa，但其干表觀密度達(dá)1300 kg/m3；鄭念念等[6]研究了大摻量粉煤灰泡沫混凝土的性能，粉煤灰的摻量從30%增大至60%，抗壓強(qiáng)度均在3.0 MPa以上，但泡沫混凝土的密度卻超過了600 kg/m3。潘志華等[7]將礦渣、粉煤灰和硅灰混合料加入泡沫混凝土中，制得泡沫混凝土密度為430～1500 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.16～0.75 W/（m·K）、抗壓強(qiáng)度為1.1～23.7 MPa；賈興文等[8]以發(fā)泡劑摻量為水泥的2.5%，石墨摻量為水泥的15%，制得石墨泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度為0.7 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)為0.083 W/（m·K）。由此可見，各種外加料的摻入在增強(qiáng)泡沫混凝土某一方面的性能時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其他性能減弱。強(qiáng)度高，密度與導(dǎo)熱系數(shù)大；密度低，強(qiáng)度低或難以成型的矛盾仍然是泡沫混凝土存在的最大問題。

氣凝膠是一種輕質(zhì)多孔、非晶體固體材料，具有超級(jí)保溫隔熱性能[9-11]。常溫下其導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.013 W/（m·K）、比表面積為1000 m2/g、密度為0.003 g/cm3，同時(shí)還具有高疏水性及良好的吸聲和減震功能[12-13]。因此，將氣凝膠摻入泡沫混凝土中具有降低泡沫混凝土的自重和填充氣孔孔隙的潛在優(yōu)勢(shì)，有望在低孔隙率下制備出低密度、低導(dǎo)熱系數(shù)的泡沫混凝土。

為此，本研究以水泥為膠凝材料、輕質(zhì)納米多孔結(jié)構(gòu)的氣凝膠為填充材料，采用機(jī)械發(fā)泡法制備泡沫混凝土，主要探討了氣凝膠配比對(duì)泡沫混凝土的干表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率和抗壓強(qiáng)度的影響，并對(duì)氣凝膠泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)及孔徑分布進(jìn)行了表征。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料與儀器設(shè)備

1.1.1 原材料

（1）水泥：海螺牌 P·O42.5水泥，密度為 3100 kg/m3。

（2）輕骨料：SiO2氣凝膠粉體，自制，以正硅酸乙酯為原料，經(jīng)常壓干燥制得，再經(jīng)攆碎、篩分而得，平均粒徑0.25 mm，孔隙率99.3%，導(dǎo)熱系數(shù)0.022 W/（m·K）、密度170 kg/m3。

（3）發(fā)泡劑：雙氧水，福建漳州萬可涂節(jié)能建材公司生產(chǎn)，稀釋倍數(shù)20倍，發(fā)泡倍數(shù)35倍，發(fā)泡后泡沫密度為50 kg/m3。

1.1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

發(fā)泡機(jī)：YH-FP50，廣州市永昊建設(shè)工程有限公司生產(chǎn)；電子秤：T1000，常熟市雙杰測(cè)試儀器廠生產(chǎn)；恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱：HJ-84型，天津市路達(dá)建筑儀器有限公司產(chǎn)；導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀：Hot Disk2500 s，瑞典Hot Disk公司生產(chǎn)；電熱鼓風(fēng)干燥箱：GZX-9240 MBE，上海市博訊實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)；微機(jī)電子萬能試驗(yàn)機(jī)：CMT 6503，深圳三思科技有限公司生產(chǎn)。

1.2 泡沫混凝土的制備

1.2.1 氣凝膠泡沫混凝土配比設(shè)計(jì)

根據(jù)CJJ/T 177—2012《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》，配合比中各材料用量計(jì)算應(yīng)符合式（1）的規(guī)定[9]，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配比以固定泡沫體積含量為40%，選取了氣凝膠體積含量分別為5%、10%、15%、20%、25%及不含氣凝膠的普通泡沫混凝土共6組配比，其各組材料用量及占比如表1所示。

式中：mc——水泥用量，kg/m3；

ρc——水泥密度，取3100 kg/m3；

mw——用水量，kg/m3；

ρw——水的密度，取1000 kg/m3；

mf——泡沫用量，kg/m3；

ρf——泡沫密度，取50 kg/m3；

ma——?dú)饽z用量，kg/m3；

ρa(bǔ)——?dú)饽z密度，取170 kg/m3

表1 泡沫混凝土試驗(yàn)配比

1.2.2 氣凝膠泡沫混凝土的制備

氣凝膠泡沫混凝土的制備工藝流程如圖1所示。

圖1 預(yù)制泡混合法制備泡沫混凝土的工藝流程

（1）配料：依照事先設(shè)定的配合比，分別稱取各組分物料，然后依次將水泥、氣凝膠粉體、少量速凝劑等固體物料混合，均勻攪拌5～10 min后，將水倒入后繼續(xù)攪拌均勻，這一過程持續(xù)10 min左右，在此過程中還需加入少量的增稠劑，一方面，增強(qiáng)泡沫混凝土的強(qiáng)度，另一方面，使得氣凝膠與水泥漿體均勻混合，防止氣凝膠漂浮在漿體表面。

（2）發(fā)泡制漿：將發(fā)泡劑與水以質(zhì)量比1∶40的比例倒入發(fā)泡機(jī)中，制出的泡沫須立即倒入混合料漿中并迅速攪拌，持續(xù)攪拌均勻后將泡沫混凝土漿體倒入預(yù)先制好的模具內(nèi)，并蓋上保鮮膜，以防止水分蒸發(fā)和泡沫消除過快。

（3）養(yǎng)護(hù)：靜置1 d后拆模，小心脫去模具后立即放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期（3 d）后，再取出至常溫下自然養(yǎng)護(hù)，28 d后對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，養(yǎng)護(hù)期間注意間隔一定時(shí)間在試樣表面灑水，以保持試塊表面濕潤(rùn)，防止水分蒸發(fā)而引起試塊表面收縮開裂。

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 形貌與孔結(jié)構(gòu)表征

采用日立S-3400掃描電鏡以60倍放大倍數(shù)拍攝試樣斷面獲取照片，用圖像處理軟件對(duì)照片進(jìn)行二值化處理，圖2為氣凝膠泡沫混凝土試樣的顯微照片與二值化圖像。運(yùn)用Image-ProPlus圖像分析軟件從二值化圖像上得出孔隙率、孔徑分布及平均孔徑等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 氣凝膠泡沫混凝土的顯微照片與二值化圖像

1.3.2 抗壓強(qiáng)度

按照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》測(cè)試泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)前將砌塊置于溫度為（60±5）℃干燥箱內(nèi)烘干至前后2次相隔4 h質(zhì)量差不大于0.1 g的恒質(zhì)量。

1.3.3 干密度

按照J(rèn)G/T 266—2011測(cè)試泡沫混凝土的絕干密度，試驗(yàn)前取3塊相同試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，在105～120℃下烘干直到質(zhì)量恒定；取3個(gè)試樣測(cè)試結(jié)果的平均值。

1.3.4 導(dǎo)熱系數(shù)

試驗(yàn)前先將試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在（105±5）℃連續(xù)烘干4 h，然后取出試件，放至干燥器中冷卻至室溫，按照GB 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。

1.3.5 吸水率

按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行泡沫混凝土的吸水率測(cè)試，試驗(yàn)前取3個(gè)相同試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱，在（60±5）℃保溫 24 h，在（80±5）℃保溫 24 h，然后（105±5）℃下烘干至m0。烘干后冷卻至室溫，放入恒溫20℃的水槽，加水到試件高度1/3養(yǎng)護(hù)24 h，繼續(xù)加水到高度2/3再養(yǎng)護(hù)24 h，再加水將試件覆蓋等待24 h。最后取出試件并擦掉水分，稱取試件質(zhì)量計(jì)為m1，并按式（2）計(jì)算樣品的體積吸水率ω：

式中：m0——泡沫混凝土試塊的干燥時(shí)質(zhì)量，g；

m1——泡沫混凝土試塊的吸水后質(zhì)量，g；

V——泡沫混凝土試塊的體積，m3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣凝膠配比對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

2.1.1 氣凝膠泡沫混凝土的微觀形貌

圖3是采用掃描電子顯微鏡以60倍放大倍數(shù)掃描氣凝膠泡沫混凝土試塊斷面而得到的微觀照片。

從圖3可初步得出，在加入泡沫量相同的情況下，試件的孔壁厚度、抗壓強(qiáng)度和表觀密度與氣凝膠的含量有直接關(guān)系。圖3（a）為普通泡沫混凝土，氣孔孔徑較小，微小氣孔居多，孔壁相對(duì)較厚。隨著氣凝膠體積含量增大[見圖 3（b）～（e）]，氣孔數(shù)量明顯減少，小顆粒氣凝膠附著泡沫混凝土中也逐漸可見，這不僅降低了泡沫混凝土的密度與孔隙率，而且有助于提高其保溫隔熱性能，但大孔徑氣孔數(shù)量增多，孔徑分布不均勻程度增加，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度不斷下降。

2.1.2 氣凝膠體積含量對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

采用Image-ProPlus軟件，分析了氣凝膠體積含量對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)（孔徑分布、平均孔徑大小、孔隙率）的影響。

圖4（a）～（e）為5種不同配比下的氣凝膠泡沫混凝土孔徑分布直方圖，從圖中可知，氣凝膠泡沫混凝土孔徑分布符合高斯正態(tài)分布規(guī)律，隨著氣凝膠體積含量的增大，孔徑正態(tài)分布的峰值朝氣孔孔徑越大的方向移動(dòng)。

圖4（f）為氣凝膠泡沫混凝土孔徑累計(jì)分布直方圖，隨著氣凝膠體積含量增大，泡沫混凝土內(nèi)小孔（<100 μm）含量減少，中孔與大孔含量（>300 μm）逐漸增加。例如氣凝膠體積含量為20%時(shí)，與普通泡沫混凝土相比，小于100 μm的氣孔百分比從72.5%降低至61.8%。大于300 μm的氣孔百分比從3.4%上升至9.8%。

圖3 不同氣凝膠體積含量的泡沫混凝土SEM照片

圖4 氣凝膠泡沫混凝土孔徑分布及孔徑累計(jì)分布直方圖

表2為氣凝膠泡沫混凝土部分孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

從表2可見，隨氣凝膠體積摻量的增大，平均孔徑逐漸增大，但孔隙率卻逐漸減小。傳統(tǒng)泡沫混凝土的孔隙率取決于單位體積內(nèi)泡沫含量的大小，而氣凝膠泡沫混凝土中由于氣凝膠為輕質(zhì)納米多孔結(jié)構(gòu)，相對(duì)于泡沫混凝土孔徑大小，氣凝膠顆粒的孔隙尺寸可以忽略不計(jì)，因此，氣凝膠的摻入填充了部分孔隙，摻量越大，泡沫混凝土孔隙率就越小。

2.2 氣凝膠含量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

2.2.1 氣凝膠含量對(duì)泡沫混凝土干表觀密度、導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度的影響（見圖5）

圖5 氣凝膠體積含量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

由圖5（a）可知，泡沫混凝土的表觀密度與氣凝膠體積含量呈線性關(guān)系，隨著氣凝膠體積含量增大，密度逐漸減小。在相同泡沫加入量下，當(dāng)氣凝膠的體積含量為20%時(shí)，與普通泡沫混凝土相比，氣凝膠泡沫混凝土密度從719 kg/m3降低至512 kg/m3，密度下降達(dá)28.8%。

由圖5（b）可知，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與氣凝膠體積占比同樣呈線性關(guān)系，氣凝膠粉體含量越大，其導(dǎo)熱系數(shù)越小。當(dāng)氣凝膠體積摻量為20%時(shí)，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從0.188 W/（m·K）降低至0.121 W/（m·K），導(dǎo)熱系數(shù)下降率達(dá)35.6%。

由圖5（c）可知，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與氣凝膠體積含量呈明顯的反比關(guān)系，即隨著氣凝膠體積含量的增大，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸下降。由于氣凝膠含量越大，氣凝膠與水泥漿體的結(jié)合程度反而越差，導(dǎo)致試塊中氣孔孔徑變大，甚至出現(xiàn)微小的細(xì)縫，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度更低。

表3為氣凝膠泡沫混凝土與與普通泡沫混凝土性能對(duì)比。

表3 氣凝膠泡沫混凝土與與普通泡沫混凝土性能對(duì)比

由表3可知，試驗(yàn)制備的氣凝膠泡沫混凝土的主要性能不僅滿足JG/T 266—2011和JTJ/T 341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的主要性能要求，而且綜合性能優(yōu)勢(shì)明顯，即氣凝膠的摻入在大幅度降低泡沫混凝土密度與導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，其抗壓強(qiáng)度仍滿足標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求。

2.2.2 氣凝膠含量對(duì)泡沫混凝土吸水率的影響

（見圖6）

圖6 泡沫混凝土體積吸水率、熱導(dǎo)率隨氣凝膠體積含量的變化規(guī)律

由圖6（a）可知，泡沫混凝土體積吸水率隨氣凝膠體積含量的增大而逐漸下降，普通泡沫混凝土（氣凝膠摻量為0）的體積吸水率為37.3%，而氣凝膠體積摻量為20%的泡沫混凝土體積吸水率為32.2%。氣凝膠的摻入主要改變了泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，氣凝膠作為輕骨料填充材料，摻量越大，孔隙率越小，使得泡沫混凝土的體積吸水率越小。

由圖6（b）可知，泡沫混凝土飽和吸水后的導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于干燥時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)，而且隨著氣凝膠體積含量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)下降更加明顯。此時(shí)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)中的孔隙已全部充滿水分，泡沫混凝土孔隙率對(duì)導(dǎo)熱性能的影響轉(zhuǎn)化為含水率對(duì)導(dǎo)熱性能的影響。20℃時(shí)水的有效導(dǎo)熱系數(shù)[約0.6 W/（m·K）]遠(yuǎn)大于干空氣的有效導(dǎo)熱系數(shù)[0.03 W/（m·K）]，因此氣凝膠體積含量越大，其飽和吸水時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)越小。

2.3 孔隙率對(duì)氣凝膠泡沫混凝土性能的影響（見圖7）

圖7 氣凝膠泡沫混凝土密度、導(dǎo)熱系數(shù)及吸水率與孔隙率的關(guān)系

泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)主要跟基體材料的成分和性質(zhì)、孔的大小和形狀、孔洞間相互連通情況以及內(nèi)部缺陷等因素有關(guān)，孔隙率是影響導(dǎo)熱系數(shù)的主導(dǎo)因素，這些孔隙改變了泡沫混凝土密度與導(dǎo)熱系數(shù)的大小。但氣凝膠泡沫混凝土中氣凝膠的摻入填充了部分孔隙，摻量越大，孔隙填充量越多。因此，氣凝膠的摻入在降低泡沫混凝土的密度與導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，也降低了孔隙率[見圖 7（a）、（b）]。從圖 7（c）可見，泡沫混凝土的吸水性能與孔隙率成線性關(guān)系，其吸水率隨孔隙率的增大而增大。

3 結(jié) 語

（1）以固定泡沫體積含量及水灰比，改變氣凝膠的體積含量，實(shí)驗(yàn)成功制備了一種新型高性能氣凝膠泡沫混凝土。

（2）氣凝膠泡沫混凝土的密度和導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于普通泡沫混凝土，體積吸水率也顯著降低，當(dāng)氣凝膠體積含量為20%時(shí)，氣凝膠泡沫混凝土的密度從719 kg/m3降低至512 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)從0.188 W/（m·K）降低至0.121 W/（m·K），體積吸水率從37.3%降低至32.2%，抗壓強(qiáng)度雖有所降低，但仍符合JG/T 266—2011強(qiáng)度要求。

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