穩(wěn)泡劑對粉煤灰泡沫玻璃性能影響研究

申鵬飛，秦子鵬，田艷，李 剛，劉燦華

(石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

粉煤灰泡沫玻璃是一種內(nèi)部充滿大量封閉氣孔的新型綠色環(huán)保建筑材料，其具有熱工性能優(yōu)良、力學(xué)強(qiáng)度高、隔音效果好、耐腐蝕性強(qiáng)、不易變形和不易燃、耐久性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，已在建筑水利工程、園林綠化、石油化工等領(lǐng)域，作為保溫隔熱材料、吸聲隔音材料、保水固土材料得到廣泛的應(yīng)用[2]。粉煤灰泡沫玻璃以粉煤灰和玻璃粉為主要原料，實(shí)現(xiàn)了廢物資源化利用，符合可持續(xù)發(fā)展理念。目前，在泡沫玻璃生產(chǎn)過程中，制品常出現(xiàn)大氣泡、連通孔、孔分布不均、孔徑差異大等缺陷[3-5]，而這些缺陷很大程度上與穩(wěn)泡劑的種類和摻量有關(guān)[6-9]。不同的穩(wěn)泡劑所制成泡沫玻璃制品的孔徑與孔壁厚薄存在差異，合理的選擇穩(wěn)泡劑有益于改善制品的孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升制品的保溫隔熱性能[10,11]。

穩(wěn)泡劑是指能夠提高氣泡穩(wěn)定性，延長氣泡破滅半衰期的物質(zhì)。按照其穩(wěn)泡機(jī)理的差異分為兩類，一類穩(wěn)泡劑是在高溫條件下產(chǎn)生游離陽離子而降低液膜陰離子表面活性劑及陰離子基團(tuán)的排斥力從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)泡，如氧化鐵、二氧化鈦等；另一類穩(wěn)泡劑是高溫條件下發(fā)生分解反應(yīng)，其生成物具有四面體結(jié)構(gòu)，易形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，提高熔融物的粘度，從而實(shí)現(xiàn)氣泡的穩(wěn)定和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，如磷酸三鈉、磷酸三鉀、硼酸等在高溫條件下分別生成的P2O5、P2O5、B2O3都有一定的穩(wěn)泡作用。

發(fā)泡劑是指使對象物質(zhì)成孔的物質(zhì)，根據(jù)發(fā)泡原理的不同分為兩大類，一類是氧化型發(fā)泡劑，其和玻璃粉或粉煤灰中的含氧組分發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生氣體，如碳粉、碳化硅等；另一類是分解型發(fā)泡劑，其自身在高溫條件下發(fā)生分解生成氣體，如碳酸鈉、碳酸鈣等。

本試驗(yàn)以粉煤灰和玻璃粉為主要原料，以碳酸鈉為發(fā)泡劑，硼砂為助熔劑，分別以二氧化鈦、氧化鐵、磷酸三鈉、磷酸三鉀、硼酸為穩(wěn)泡劑制備泡沫玻璃，并對制品的物理性能進(jìn)行測定[12,13]，研究探討不同穩(wěn)泡劑及摻量對粉煤灰泡沫玻璃性能的影響，為泡沫玻璃的生產(chǎn)及科研工作提供一定的借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

(1)粉煤灰：產(chǎn)自新疆石河子天富南熱電廠，粉煤灰化學(xué)組分測定按照GB/T1574-2007中規(guī)定的成分分析方法，主要化學(xué)成分及物理指標(biāo)見表1。

(3)導(dǎo)熱系數(shù)采用北京世紀(jì)建通環(huán)境技術(shù)有限公司研制的單試樣雙熱流計(jì)式JTRG-III型熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀，進(jìn)行智能化測量。

預(yù)熱階段：從室溫以5 ℃/min升溫至400 ℃，并在400 ℃保溫30 min，以去除坯體中的游離水、吸附水、結(jié)合水等；發(fā)泡階段：以10 ℃/min的升溫速率將坯體加熱到860 ℃，并在此溫度保溫30 min，以使產(chǎn)生的氣體被熔融的玻璃液包裹而不外溢，形成較為均勻的氣泡結(jié)構(gòu)；穩(wěn)泡與退火階段：以15 ℃/min的速率降溫至600 ℃，并在此溫度保溫30 min，以使形成的氣泡結(jié)構(gòu)迅速穩(wěn)定下來，避免坯體在最后的階段氣體外溢造成下陷，隨后關(guān)閉電源，待電阻爐降至室溫后，取出泡沫玻璃樣品。實(shí)驗(yàn)室制備的泡沫玻璃試樣如圖1所示。

圖7 是穩(wěn)泡劑對泡沫玻璃試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響曲線。從圖7可以得出，隨著穩(wěn)泡劑摻量的增加，A、B兩組試樣的導(dǎo)熱系數(shù)呈逐漸增大的趨勢，A、B試樣表觀密度的變化可以間接反映其導(dǎo)熱系數(shù)的變化；對C、D、E三組試樣其導(dǎo)熱系數(shù)呈先下降后趨于平緩，說明當(dāng)穩(wěn)泡劑的摻量超過一定的限度后，其對導(dǎo)熱系數(shù)的影響已不顯著；采用磷酸三鈉作

染料植物種類繁多、分布廣泛，在日常生活中較為常見。但許多學(xué)生對染料植物仍不夠熟悉。因此，在“調(diào)查周邊環(huán)境中的生物”時(shí)，教師可以讓學(xué)生調(diào)查身邊的染料植物，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識和了解身邊的染料植物資源。還可在學(xué)習(xí)“生物的多樣性及其保護(hù)”時(shí)，在課堂上補(bǔ)充染料植物的資料，讓學(xué)生嘗試對染料植物進(jìn)行分類，認(rèn)識染料植物的多樣性；同時(shí)讓學(xué)生學(xué)習(xí)染料植物的命名，認(rèn)識“雙名法”及其應(yīng)用。最后，讓學(xué)生認(rèn)識到染料植物多樣性保護(hù)的重要性，加強(qiáng)染料植物保護(hù)的宣傳并種植染料植物，促進(jìn)染料植物的可持續(xù)性開發(fā)與利用，保護(hù)植物多樣性及壯族文化傳承。

圖5 為穩(wěn)泡劑對孔隙率的影響曲線。從圖5可以看出，采用穩(wěn)泡劑A制得試樣的孔隙率較小、變化不大，在20%上下起伏；由B制得的試樣孔隙率呈遞減的趨勢，當(dāng)其摻量超過6%時(shí)，孔隙率變化較為平緩，為15%左右，說明氧化鐵和二氧化鈦的摻入導(dǎo)致材料內(nèi)部形成小氣孔且孔與孔之間的孔壁較厚，宏觀表現(xiàn)為由A、B兩種穩(wěn)泡劑制得的試樣孔隙率過小，這正是導(dǎo)致其表觀密度過大和強(qiáng)度較高的原因；采用C、D、E制得的試樣，其孔隙率整體先上升后趨于平緩，當(dāng)C、D、E摻量為8%時(shí)，三種試樣孔隙率在70%左右，說明隨著三種穩(wěn)泡劑摻量增加，氣泡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高，但隨著氣泡的充分發(fā)育，孔與孔之間厚度變薄，其孔隙率趨于平緩；當(dāng)采用C穩(wěn)泡劑摻量為6%時(shí)，制得的泡沫玻璃試樣孔隙率較大為80%。

1.2 試件的制備

(1)吸水率與含水率，采用尺寸為40 mm × 40 mm× 40 mm的試件，依照GBT5486-2008《無機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》、JC/T647-2014《泡沫玻璃絕熱制品》及GB/T10297-1998《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定》進(jìn)行測定。

(4)脫模劑：氮化硼離型噴劑，型號：JD-3028AAA。

1.3 制品性能測試

中午,盧一平早早來到食堂,打好飯,找張桌子坐下。剛坐下,幾個(gè)年輕人從門外闖進(jìn)來了。見到盧一平,吵吵嚷嚷地圍上來,有奪飯碗的,有奪筷子的。不奪的,也是附在盧一平耳畔嚷。盧主席,別吃啦。我們到小餐廳吃吧,有人請啦！

(2)抗折強(qiáng)度采用40 mm×40 mm×160 mm的試件，用無錫建儀儀器機(jī)械有限公司生產(chǎn)的DKZ-5000型電動抗折試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折強(qiáng)度的測定；抗壓強(qiáng)度用無錫市錫儀建材儀器廠生產(chǎn)的40 mm×40 mm水泥抗壓夾具，在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試。

嬰兒時(shí)期的原發(fā)性HCMV感染，尤其是先天性感染和圍生期感染，常累及肝臟，可分為4種臨床類型，即亞臨床型、無黃疸型、急性黃疸型和急性瘀膽型，其中前兩型最常見[4]。本文入選病例以前兩型為主，ALT及AST多為100~200 IU/L，且多數(shù)無黃疸，提示肝損害均不甚嚴(yán)重；檢出聽力損害者僅2例，有嚴(yán)重合并癥 （先天性巨結(jié)腸）僅1例；多數(shù)血HCMV DNA陰性，提示病毒載量低，活動性小。因此，本研究病例總體病情較輕。

模型采用四邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于壁面網(wǎng)格對流體流動特性的模擬結(jié)果影響很大，因此對壁面進(jìn)行網(wǎng)格加密。同時(shí)對5×104～4×106網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到2.2×106時(shí)，壁面摩擦阻力系數(shù)不再變化。因此選取2.2×106網(wǎng)格進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 粉煤灰和玻璃的化學(xué)組分及物理指標(biāo)Tab.1 Chemical composition and physical indicators of fly ash and glass

表2 試驗(yàn)方案分組Tab.2 The grouping of experiment schemes

圖1 不同種類穩(wěn)泡劑下的試樣Fig.1 The samples prepared with different types of foam stabilizers

2 結(jié)果與討論

2.1 穩(wěn)泡劑對表觀密度的影響

在不同信號分段上按照一定的規(guī)律進(jìn)行相位調(diào)制，即改變雷達(dá)發(fā)射信號波形的相位。相位調(diào)制是多相位分段調(diào)制干擾的核心環(huán)節(jié)，其具體規(guī)則如下：

2.2 穩(wěn)泡劑對強(qiáng)度的影響

許多人打電話給警察局，或者跑到醫(yī)院，聲稱自己吃了泰諾速效膠囊后不適，要求緊急治療。警局和醫(yī)院一時(shí)應(yīng)接不暇，不得不通過媒體澄清，食用氰化物會立即導(dǎo)致毒發(fā)身亡，中毒者根本來不及去醫(yī)院或者打電話報(bào)警，所以不用過分敏感。

圖2 穩(wěn)泡劑摻量對表觀密度的影響Fig.2 The influence of foam stabilizer dosage on the apparent density

2.3 穩(wěn)泡劑對孔隙率和吸水率的影響

圖3 穩(wěn)泡劑摻量對抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 The influence of foam stabilizer dosage on the compressive strength

圖4 穩(wěn)泡劑摻量對抗折強(qiáng)度的影響Fig.4 The influence of foam stabilizer dosage on the flexural strength

圖5 穩(wěn)泡劑摻量對孔隙率的影響Fig.5 The influence of foam stabilizer dosage on the porosity

圖2 穩(wěn)泡劑對粉煤灰泡沫玻璃表觀密度的影響曲線。從圖2可以看出，當(dāng)分別以A、B為穩(wěn)泡劑時(shí)，粉煤灰泡沫玻璃的表觀密度逐漸增大，制得的泡沫玻璃的表觀密度均大于0．6 g/cm3，不宜作為建筑保溫材料使用，說明氧化鐵和二氧化鈦的摻入導(dǎo)致熔融玻璃粘度增大，阻礙了氣泡的進(jìn)一步發(fā)育，導(dǎo)致泡沫玻璃密度增大；當(dāng)穩(wěn)泡劑分別為C、D、E時(shí)，泡沫玻璃的表觀密度逐漸減小，說明穩(wěn)泡劑摻量增大之后，氣泡結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，氣泡進(jìn)一步的膨脹會導(dǎo)致試樣表觀密度的減??；當(dāng)E作為穩(wěn)泡劑，泡沫玻璃的表觀密度變化不大，說明磷酸三鉀摻量對表觀密度影響程度不太顯著，制得的泡沫玻璃試樣的表觀密度為0．33 g/cm3左右；當(dāng)以C為穩(wěn)泡劑，摻量為4%時(shí)，表觀密度為0．224 g/cm3，C摻量為8%時(shí)，其表觀密度為0．212 g/cm3，說明當(dāng)穩(wěn)泡劑摻量達(dá)到一定程度時(shí)，材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定，對表觀密度的改善效果變得不明顯。同樣，當(dāng)E的摻量超過2%，D的摻量超過4%時(shí)，也出現(xiàn)表觀密度的減小趨于平緩的現(xiàn)象。當(dāng)穩(wěn)泡劑的摻量一定時(shí)，用C制得的泡沫玻璃表觀密度最小，為相對較優(yōu)的穩(wěn)泡劑。

2.4 穩(wěn)泡劑對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖6 穩(wěn)泡劑摻量對吸水率的影響Fig.6 The influence of foam stabilizer dosage on water absorption

為穩(wěn)泡劑，制得的試樣導(dǎo)熱系數(shù)較小，當(dāng)其摻量為8%時(shí)，材料導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最小值0．049 W/(m·K)。

2.5 穩(wěn)泡劑對孔徑分布的影響

圖8 為不同種類穩(wěn)泡劑在不同摻量下,制得的泡沫玻璃試樣孔徑在0-1 mm、1-2 mm、2-3 mm的分布圖。從圖8中可以看出，A、B兩組試樣孔徑在0-1 mm占了97%左右，1-2 mm的孔徑占3%左右，試樣孔徑幾乎沒有2-3 mm，說明采用A、B穩(wěn)泡劑時(shí)，泡沫玻璃試樣孔徑較小、孔徑分布相對均勻；C、D、E三組試樣0-1 mm的孔徑占50%左右，1-2 mm的孔徑在30%附近浮動，而2-3 mm孔徑的占比3種穩(wěn)泡劑制得的試樣差距較大，說明孔徑大小與分布直接影響到材料表觀密度、孔隙率、機(jī)械強(qiáng)度和吸水率等宏觀性能指標(biāo)。

2.6 穩(wěn)泡劑對平均孔徑的影響

圖7 穩(wěn)泡劑摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.7 The influence of foam stabilizer dosage on the heat conductivity

圖9 穩(wěn)泡劑摻量對平均孔徑的影響Fig.9 The influence of foam stabilizer dosage on the average pore size

圖9 為不同種類穩(wěn)泡劑在不同摻量下,泡沫玻璃試樣的平均孔徑曲線。從圖9中可以看出，采用A、B兩種穩(wěn)泡劑，制得的泡沫玻璃試樣平均孔徑較小，維持在0．4 mm左右，這正是由其制得試樣表觀密度較大的原因，說明A、B穩(wěn)泡劑對材料平均孔徑影響不大；采用E穩(wěn)泡劑制得的試樣平均孔徑變化不大，在1 mm附近上下浮動，說明提高穩(wěn)泡劑的摻量，并不能顯著改變泡沫玻璃的平均孔徑；當(dāng)采用C、D穩(wěn)泡劑時(shí)，平均孔徑呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，其中當(dāng)C穩(wěn)泡劑摻量超過4%之后，制得的試樣平均孔徑變化趨于平緩，說明E穩(wěn)泡劑在一定的范圍內(nèi)可以改善材料內(nèi)部的平均孔徑和孔分布，隨著每個(gè)氣泡的充分發(fā)育，其改善效果逐漸降低。

3 結(jié) 論

穩(wěn)泡劑對泡沫玻璃性能影響較大，通過探究不同種類穩(wěn)泡劑在不同摻量下制得的泡沫玻璃試樣，可以得出以下結(jié)論：

色散準(zhǔn)則關(guān)系式隱含了液體射流表面波增長率與表面波數(shù)之間的關(guān)系。采用穆勒方法，可以對色散準(zhǔn)則關(guān)系式求取數(shù)值解，并繪制出表面波增長率隨表面波數(shù)的變化關(guān)系曲線圖。圖中曲線的最高點(diǎn)為最大表面波增長率點(diǎn)通常稱之為支配表面波增長率（dominate wave growth rate）其所對應(yīng)的波數(shù)稱之為支配波數(shù)（dominate wave number）表示液體最不穩(wěn)定的狀況，也就是最容易碎裂的狀況。因此，穩(wěn)定性分析就是研究液體兩側(cè)氣液流速比之差液流韋伯?dāng)?shù) W el、歐拉數(shù) E ul、雷諾數(shù)Rel 、氣流馬赫數(shù) M agj等因素對曲線圖以及的影響。

(2)以磷酸三鈉、磷酸三鉀、硼酸為穩(wěn)泡劑時(shí)，其制得的試樣性能較為相似。隨著其摻量的增加，其表觀密度、抗壓和抗折強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)呈減小趨勢，孔隙率不斷增大，吸水率變化較為平緩，試樣孔徑在1-3 mm范圍分布相對較為均勻，其平均孔徑為1．1 mm。

(3)綜合考慮泡沫玻璃各性能指標(biāo)，推薦以磷酸三鈉為穩(wěn)泡劑，摻量在2%-6%為宜，其制得的泡沫玻璃試樣性能較為理想。