SiO2氣凝膠對泡沫混凝土性能的影響

趙同義，張啟志

（黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對生活要求的不斷提高，對節(jié)能環(huán)保型材料的使用呼吁越來越高，泡沫混凝土作為一種新型節(jié)能環(huán)保材料受到越來越多的關(guān)注。泡沫混凝土是將水泥、礦物摻合料、外加劑、發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑按一定的配合比，經(jīng)一定的工藝制備而成的一種多孔輕質(zhì)混凝土[1]，具有燃燒等級為A級、質(zhì)輕、保溫隔熱性能好、隔聲、吸波性能優(yōu)異、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑保溫材料、屋面保溫材料、路基處理等方面[4-9]。然而現(xiàn)階段泡沫混凝土仍然存在一些問題，如導(dǎo)熱系數(shù)大、抗壓強(qiáng)度低、整體性差等。氣凝膠是一種分散介質(zhì)為氣體的凝膠材料，固體相和孔隙結(jié)構(gòu)均為納米量級，由于其結(jié)構(gòu)上的獨(dú)特性，氣凝膠表現(xiàn)出很多獨(dú)特的性質(zhì)，如高孔隙率、高比表面積、低密度、低熱導(dǎo)率等，在隔熱、吸附、航空航天、新能源、環(huán)保等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[10-11]。SiO2氣凝膠是目前研究最多、最成熟的氣凝膠材料，已經(jīng)有學(xué)者將其應(yīng)用于制備保溫隔熱材料或改善保溫材料的熱工性能[12]。本文利用SiO2氣凝膠取代部分水泥制備泡沫混凝土，并探究SiO2氣凝膠對泡沫混凝土性能的影響，以期為改善泡沫混凝土的性能提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，小南海水泥有限公司產(chǎn)，其化學(xué)成分及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1、表2。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理性能指標(biāo)

SiO2氣凝膠：導(dǎo)熱系數(shù)0.019 W/（m·K），密度0.08 g/cm3，粒徑0.1～20 μm，孔徑10～15 nm，蘇州恒球石墨烯科技有限公司。

發(fā)泡劑：雙氧水，質(zhì)量濃度30%，重慶川東化工集團(tuán)有限公司。

穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣，分析純，重慶川東化工集團(tuán)有限公司。

催化劑：二氧化錳，含量≥99.95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

以雙氧水為發(fā)泡劑制備的體積密度為500 kg/m3的普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土為基準(zhǔn)組，SiO2氣凝膠摻量分別為水泥質(zhì)量的 0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、4%、6%、8%、10%，探究SiO2氣凝膠對泡沫混凝土性能的影響，泡沫混凝土的配合比見表3。

表3 泡沫混凝土的配合比

1.3 制備工藝

（1）按照表3配合比將水泥、硬脂酸鈣、二氧化錳加入凈漿攪拌鍋中，用凈漿攪拌機(jī)慢攪1 min。

（2）將預(yù)先準(zhǔn)備好的水倒入混合均勻的混合料干粉中，慢攪1 min，快攪1.5 min，得到均勻的混合料漿體。

（3）將SiO2氣凝膠加入所得到的混合料漿體中，慢攪1 min，快攪1.5 min，然后再加入預(yù)先準(zhǔn)備好的發(fā)泡劑雙氧水，慢攪 10 s，快攪 15 s。

（4）將攪拌均勻的泡沫混凝土料漿注入模具成型，脫模，放入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，測試泡沫混凝土的性能。

1.4 性能測試

1.4.1 體積密度

將體積為V0的泡沫混凝土試件養(yǎng)護(hù)28 d后，放入溫度為（50±1）℃的干燥箱內(nèi)烘干，直至前后2次相隔4 h的質(zhì)量差不大于0.1 g，取出試件放在干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱取試件質(zhì)量m0，精確至0.1 g，質(zhì)量m0與體積V0的比值即為泡沫混凝土的體積密度。

1.4.2 抗壓強(qiáng)度

制備100 mm×100 mm×100 mm的立方體泡沫混凝土試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d后，測試抗壓強(qiáng)度，加壓速度為5 mm/min。

1.4.3 導(dǎo)熱系數(shù)

試件尺寸為 300 mm×300 mm×30 mm，養(yǎng)護(hù) 28 d，然后放入溫度為（50±1）℃的干燥箱內(nèi)烘干至恒重，采用穩(wěn)態(tài)平板法進(jìn)行測試，導(dǎo)熱系數(shù)的取值為3個試件的算數(shù)平均值，精確至0.001 W/（m·K）。

1.4.4 吸水率和軟化系數(shù)

將養(yǎng)護(hù)28 d的泡沫混凝土試件浸入溫度為（22±2）℃的水中，48 h后取出，測試試件的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度，計(jì)算質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土體積密度的影響

（見圖1）

圖1 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土體積密度的影響

由圖1可見，隨著氣凝膠摻量的增加，泡沫混凝土的體積密度呈下降趨勢。當(dāng)氣凝膠摻量從0增大到2%時，泡沫混凝土的體積密度從500 kg/m3降低到491 kg/m3，體積密度并沒有發(fā)生較大的變化，一方面，是因?yàn)闅饽z摻量較少，另一方面，是因?yàn)榕菽炷潦且环N多孔結(jié)構(gòu)，含有大量孔隙，氣凝膠由于顆粒較小會進(jìn)入泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部，不會引起泡沫混凝土的體積發(fā)生較大變化，所以體積密度變化較小。當(dāng)氣凝膠摻量從2%增大到10%時，體積密度從491 kg/m3降低到402 kg/m3，變化較大，其主要原因是氣凝膠密度較小，大約只有水泥密度的1/40，同質(zhì)量的氣凝膠與水泥相比，體積增大很多，在制備泡沫混凝土的過程中，雖然有少量的氣凝膠會進(jìn)入泡沫混凝土的孔隙中，但是大部分的氣凝膠仍然只是與泡沫混凝土進(jìn)行簡單的體積疊加，導(dǎo)致泡沫混凝土的體積增幅較大，所以氣凝膠摻量較大時泡沫混凝土的體積密度降低明顯。

2.2 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見圖2）

圖2 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，當(dāng)SiO2氣凝膠摻量從0增大到2%時，隨著摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先提高后降低，其可能原因是SiO2氣凝膠尺寸較小，具有微集料效應(yīng)，填充了泡沫混凝土中水泥石的孔隙，增加了水泥石的密實(shí)度，抗壓強(qiáng)度稍有提高，但當(dāng)氣凝膠摻量超過0.5%后，泡沫混凝土中水泥量降低，因SiO2氣凝膠微集料效應(yīng)提高的強(qiáng)度不足以彌補(bǔ)水泥水化后水化產(chǎn)物減少所降低的強(qiáng)度，所以泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度開始降低。當(dāng)SiO2氣凝膠摻量從0以2%變化增大到10%時，抗壓強(qiáng)度幾乎呈直線下降，其原因與SiO2氣凝膠摻量超過0.5%時泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度降低的原因相同，只是SiO2氣凝膠摻量過大，泡沫混凝土強(qiáng)度下降得更加明顯。

2.3 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

（見圖3）

圖3 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖3可見，隨著氣凝膠的摻量從0增大到10%，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)從0.093 W/（m·K）降低到0.042 W/（m·K），降幅較大，其原因主要包括以下3個方面：（1）泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率存在一定的相關(guān)性，孔隙率越高，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)越低[13]。隨著SiO2氣凝膠摻量從0增大到10%，泡沫混凝土體積密度從500 kg/m3降低到402 kg/m3，孔隙率增大，所以泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低；（2）泡沫混凝土中的熱傳遞包括固體相（水泥基體）的熱傳導(dǎo)和氣體相的熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射[14]，SiO2氣凝膠具有納米結(jié)構(gòu)，孔隙率高，其摻入增加了熱量在泡沫混凝土中傳導(dǎo)的路徑，降低了熱對流的速率，所以導(dǎo)熱系數(shù)會降低；（3）SiO2氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.019 W/（m·K），低于常溫下雙氧水分解所產(chǎn)生氧氣的導(dǎo)熱系數(shù)（0.024 W/（m·K））[15]，所以從這方面來說泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也會降低。

2.4 SiO2氣凝膠摻量對泡沫混凝土吸水率和軟化系數(shù)的影響（見圖4、圖5）

圖4 氣凝膠摻量為0～2%時對泡沫混凝土吸水率和軟化系數(shù)的影響

圖5 氣凝膠摻量為0～10%時對泡沫混凝土吸水率和軟化系數(shù)的影響

從圖4可以看出，隨著SiO2氣凝膠摻量的增加，泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率先減小后增大，軟化系數(shù)先增大后減小。其原因是SiO2氣凝膠顆粒尺寸較小，隨著SiO2氣凝膠摻量的增加，泡沫混凝土漿體的稠度和黏度增大，使泡沫混凝土連通孔含量減小，另一方面，SiO2氣凝膠的微集料效應(yīng)使泡沫混凝土中水泥石中毛細(xì)孔數(shù)量減少，所以質(zhì)量吸水率減小，軟化系數(shù)增大。當(dāng)SiO2氣凝膠摻量超過1.5%時，隨著摻量的增加，水泥含量減少，生成的水化硅酸鈣C-S-H凝膠減少，泡沫混凝土漿體的黏度降低，泡沫混凝土中毛細(xì)孔和連通孔的數(shù)量增加，所以質(zhì)量吸水率增大，軟化系數(shù)減小。結(jié)合圖5（a）可以看出，當(dāng)氣凝膠摻量從2%增加到10%時，質(zhì)量吸水率一直增大，軟化系數(shù)一直降低，其原因與SiO2氣凝膠摻量超過1.5%時泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率增加和軟化系數(shù)降低的原因相同。

從圖 4（b）和圖 5（b）可以看出，當(dāng)氣凝膠摻量從 0以0.5%變化增大到2%和從0以2%變化增大到10%時，質(zhì)量吸水率與軟化系數(shù)擬合曲線具有很好的線性相關(guān)性。

3 結(jié)論

（1）隨著SiO2氣凝膠摻量的增加，泡沫混凝土的體積密度和導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，這說明氣凝膠能夠改善泡沫混凝土的熱工性能，這可為以后研發(fā)低導(dǎo)熱泡沫混凝土提供參考。

（2）泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著SiO2氣凝膠摻量的增加總體呈下降趨勢。當(dāng)氣凝膠摻量低于0.5%，抗壓強(qiáng)度會略有提高，其原因是SiO2氣凝膠具有微集料效應(yīng)。

（3）當(dāng)氣凝膠摻量超過2%時，泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率增大、軟化系數(shù)減小，并且質(zhì)量吸水率與軟化系數(shù)具有很好線性相關(guān)性。