工藝條件對泡沫混凝土發(fā)泡過程的影響

周冬冬 ，廖洪強 ，高宏宇 ，李溪 ，程芳琴

（1.山西大學 資源與環(huán)境工程研究所，國家環(huán)境保護煤炭廢棄物資源化高效利用技術重點實驗室，煤電污染控制及廢棄物資源化利用山西省重點實驗室，山西低附加值煤基資源高值利用協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太原 030006；2.山西省建筑科學研究院，山西 太原 030001）

0 引言

發(fā)泡混凝土具有生產成本低、利于固體廢棄物的資源化綜合利用、防火、保溫、吸聲等優(yōu)勢，有著十分廣闊的應用前景[1]。發(fā)泡混凝土對質量的要求是高強度、低密度、孔結構均勻，但在實際制備中，發(fā)泡混凝土的強度和密度之間的矛盾難以平衡，孔結構難以控制，致使產品質量難以滿足市場的需求，如何解決發(fā)泡混凝土的強度、密度和孔結構定向控制等關鍵技術問題，一直是科技研發(fā)的努力方向。許多研究表明[2-4]，發(fā)泡混凝土的制備過程是一個極其復雜的物理化學過程，涉及復雜的發(fā)泡、穩(wěn)泡、水化膠凝與硬化機理，也涉及到原料配方、攪拌與養(yǎng)護等工藝條件優(yōu)化。

本文以粉煤灰、鋼渣粉、水泥為原料，以鋁粉為發(fā)泡劑，通過在線記錄漿體發(fā)泡過程，來系統(tǒng)考察發(fā)泡溫度、水灰比、發(fā)泡劑摻量等工藝條件對漿體發(fā)泡速率的影響，以期為發(fā)泡混凝土的生產提供基礎數(shù)據(jù)。

1 實驗

1.1 實驗原料

水泥：市售，普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：取自山西某矸石電廠循環(huán)流化床鍋爐除塵灰，經過超微粉化加工制得中位徑D50=3μm的粉煤灰超微粉；鋼渣粉：某鋼廠產生的鋼渣尾渣，經過超微粉化加工制得中位徑D50=2.5μm的鋼渣超微粉；發(fā)泡劑：市售鋁粉，銀灰色松散顆粒狀。原料的化學成分見表1。

表1 原料的化學成分 %

1.2 實驗方法

利用分析天平（北京賽多斯儀器公司，BS214D）分別稱取水泥20g、粉煤灰15 g、鋼渣粉15 g加入100 ml燒杯中，并用玻璃棒先將水泥、粉煤灰、鋼渣粉攪拌均勻；將一定量的50℃水（水灰比分別為 0.65、0.75、0.80、0.85、0.95）加入混合好的干粉物料中，并置于實驗室分散機（上海環(huán)境工程技術公司，F(xiàn)S-400）中攪拌制漿，攪拌速度為1200 r/min，攪拌時間為3 min；然后，向燒杯中迅速加入不同配比的鋁粉發(fā)泡劑（鋁粉摻量占總灰量分別為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%），再持續(xù)攪拌約30 s；將玻璃杯中料漿倒入事先準備好的100 ml量筒中，并將量筒迅速移入不同溫度（發(fā)泡溫度分別為 20、40、60、80、90℃）的透明水浴鍋中（常州國宇儀器制造有限公司，76-1A一體式數(shù)顯玻璃恒溫水浴鍋）中，并采取手機定位在線錄像的方法對量筒中漿體的動態(tài)發(fā)泡過程進行全程錄制，最后將錄像中的發(fā)泡動態(tài)過程在電腦中轉化為發(fā)泡數(shù)據(jù)進行處理，得出動態(tài)發(fā)泡曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理

定義：發(fā)泡體積（V）和動態(tài)發(fā)泡速率（S）。發(fā)泡體積差（ΔV）定義為i時刻漿體在量筒內的體積Vi與漿體倒入量筒內發(fā)泡前體積V0之差，即：

發(fā)泡速度（S'）定義為：單位時間內發(fā)泡體積的變化值，計算式為發(fā)泡體積（V'）與對應發(fā)泡時間（t）的比值求導，即：

平均發(fā)泡速度SA定義為：各時間點的發(fā)泡速度S'之和除以發(fā)泡完成時對應時間t，即：

發(fā)泡倍率K定義為：發(fā)泡終止體積Vf與發(fā)泡初始體積V0的比值，即：

2 結果與討論

2.1 發(fā)泡劑摻量對漿體發(fā)泡過程的影響

發(fā)泡劑鋁粉摻量是影響漿體發(fā)泡的重要因素，由于在實際生產中發(fā)泡劑鋁粉摻量調節(jié)范圍有限，過低的發(fā)泡劑鋁粉摻量不利于發(fā)泡，過高的鋁粉摻量易導致發(fā)泡速度過快和發(fā)泡倍率過大導致塌模，因此實際生產中發(fā)泡劑鋁粉摻量總是在一定范圍內進行調控[5]。實驗考察了在水灰比為0.75和發(fā)泡溫度為60℃的條件下，不同鋁粉摻量分別為總灰量的0.1%、0.3%、0.5%、0.7%和0.9%時漿體體積隨發(fā)泡時間的變化規(guī)律，見圖1。

圖1 不同鋁粉摻量條件下漿體發(fā)泡體積與發(fā)泡時間的關系

從圖1可以看出，隨著發(fā)泡時間的延長，漿體動態(tài)發(fā)泡體積整體均出現(xiàn)先升高后恒定的變化趨勢。隨鋁粉摻量增加，在相同發(fā)泡時間內所對應的發(fā)泡體積整體呈增大趨勢，完成發(fā)泡所需的時間整體上隨鋁粉摻量增加而縮短。

將圖1進行微分可得到不同發(fā)泡劑鋁粉摻量所對應發(fā)泡速度與發(fā)泡時間的關系，結果如圖2所示。

圖2 不同鋁粉摻量條件下漿體發(fā)泡速度與發(fā)泡時間的關系

從圖2可以看出，發(fā)泡速度隨鋁粉摻量變化較大，當鋁粉摻量為0.1%、0.3%和0.5%時，發(fā)泡速度隨發(fā)泡時間延長呈現(xiàn)“二次發(fā)泡”現(xiàn)象，且第一次發(fā)泡均出現(xiàn)先增加后減少現(xiàn)象，初始發(fā)泡速度和最大發(fā)泡速度均隨鋁粉摻量增加而增大，而達到最大發(fā)泡速度和完成第一次發(fā)泡的時間均隨鋁粉摻量增加而縮短；當鋁粉摻量增加至0.7%和0.9%時，漿體僅出現(xiàn)一次發(fā)泡，且發(fā)泡一開始就達最大值，隨后速度降低直至為0。

設定發(fā)泡最大體積（VM）、發(fā)泡終止時間（TF）、發(fā)泡倍率（K）、發(fā)泡初始速度（SS）、發(fā)泡最高速度（SM）和發(fā)泡平均速度（SA）為發(fā)泡特征參數(shù)。不同鋁粉摻量條件下漿體發(fā)泡特征參數(shù)如表2所示。

表2 不同鋁粉摻量下漿體的發(fā)泡特征參數(shù)

從表2可以看出，鋁粉摻量從0.1%增加至0.9%，漿體最大發(fā)泡體積從25.5 ml增加至65 ml，增幅達154.9%，完成發(fā)泡的時間從36 min縮短到8 min，減少幅度達77.8%，發(fā)泡倍率從1.5增至2.3，增幅達53.3%，起始發(fā)泡速度從1.0 ml/min升高至8.5 ml/min，增幅達750%，最大發(fā)泡速度和平均發(fā)泡速度分別從1.8 ml/min升高至8.5 ml/min和從0.4 ml/min升高至2.6 ml/min,對應增幅分別達372.2%和550%。

將發(fā)泡倍率K與鋁粉摻量作圖考察漿體發(fā)泡倍率與發(fā)泡劑鋁粉摻量之間的對應關系，結果如圖3所示。

圖3 漿體發(fā)泡倍率與發(fā)泡劑鋁粉摻量的關系

從圖3可知，漿體發(fā)泡倍率K與鋁粉摻量x成正比關系，其關系式為：

結果表明，發(fā)泡劑鋁粉摻量直接影響到發(fā)氣量，發(fā)氣量直接決定了最大發(fā)泡體積。

2.2 水灰比對漿體發(fā)泡過程的影響

在鋁粉摻量0.3%、發(fā)泡溫度60℃的條件下，考察水灰比分別為0.65、0.75、0.80、0.85和0.95時，發(fā)泡體積與發(fā)泡時間的對應關系，見圖4。

圖4 不同水灰比條件下漿體發(fā)泡體積與發(fā)泡時間的關系

從圖4可以看出，水灰比從0.65、0.75增加至0.85時，所對應的最大發(fā)泡體積增加明顯，且完成發(fā)泡所需的時間縮短；當水灰比從0.85增加至0.95時，對應的發(fā)泡體積幾乎相同且完成發(fā)泡所對應的時間較為接近。上述實驗結果說明，水灰比從0.65增加至0.85時，對漿體發(fā)泡影響較大，當水灰比超過0.85時，水灰比對漿體發(fā)泡影響不明顯。

將圖4進行微分可得到不同水灰比所對應發(fā)泡速度（S）與發(fā)泡時間的關系，結果如圖5所示。

圖5 不同水灰比條件下漿體發(fā)泡速度與發(fā)泡時間的關系

從圖5可以看出，在所有水灰比條件下，漿體發(fā)泡速度S均在發(fā)泡時間為8 min附近出現(xiàn)最大值，且該最大值的變化規(guī)律隨水灰比變化較大，當水灰比為0.65時，其最大發(fā)泡速度較低；當水灰比為0.75和0.80時，其最大發(fā)泡速度相近且居中；當水灰比為0.85和0.95時，其最大發(fā)泡速度相近且較大。此外，漿體初始發(fā)泡速度和平均發(fā)泡速度整體上隨水灰比增大而升高。不同水灰比條件下漿體發(fā)泡特征參數(shù)見表3。

表3 不同水灰比條件下漿體的發(fā)泡特征參數(shù)

從表3可以看出，水灰比從0.65增加至0.95時，漿體最大發(fā)泡體積從28.0 ml增加至59.0 ml，增幅達110.7%，完成發(fā)泡的時間從30 min縮短到12 min，減幅達60%，發(fā)泡倍率從1.8增至2.0，增幅達11.1%，起始發(fā)泡速度從1.5 ml/min升高至3.8 ml/min，增幅達153.3%，最大發(fā)泡速度和平均發(fā)泡速度分別從2.3 ml/min升高至6.8 ml/min和從0.5 ml/min升高至2.6 ml/min，對應增幅分別達195.7%和420%。

綜合上述分析，隨水灰比增大，漿體發(fā)泡時間整體縮短，發(fā)泡倍率和發(fā)泡速度整體增大。這說明水灰比增加，漿體黏度降低，氣體在漿體中的聚集阻力減小，相同產氣速度和產氣量的條件下，宏觀上表現(xiàn)出發(fā)泡體積和發(fā)泡速度增大，相應的發(fā)泡終止的時間縮短；相反，對于低水灰比的漿體而言，漿體黏度較高，氣體發(fā)泡阻力增加，相同產氣速度和產氣量的條件下，宏觀上表現(xiàn)為發(fā)泡體積和發(fā)泡速度降低，發(fā)泡終止的時間延長。

有關文獻研究表明[6]，發(fā)泡混凝土料漿的水灰比對鋁粉發(fā)氣過程有間接的影響。水灰比太小，料漿太稠，其極限剪應力勢必偏大，因而氣泡不易成長和推動料漿膨脹，發(fā)氣過程遲緩甚至受阻。水灰比太大時，料漿粘度太小，保氣性差，氣體容易浮升逃逸，已經形成的氣泡也容易合并、破裂，因而也對發(fā)氣過程有不良影響。在一般情況下水灰比小，料漿稠密化過程中粘度增長的速度快，達到稠化的時間短；水灰比大，料漿粘度增長速度慢，達到稠化的時間長。由于水料比的減小料漿的堿度加強，因此水料比小的料漿其后期發(fā)氣膨脹速度可能會更快而水料比大的料漿則為前期膨脹較快。

將發(fā)泡倍率K與水灰比作圖，考察漿體發(fā)泡倍率與水灰比之間的對應關系，結果如圖6所示。

圖6 漿體發(fā)泡倍率與水灰比的關系

從圖6可知，漿體發(fā)泡倍率K與水灰比x有一定相關關系，其關系式為：

2.3 發(fā)泡溫度對漿體發(fā)泡過程的影響

實驗在固定水灰比0.75和鋁粉摻量0.3%的條件下，考察溫度分別為20、40、60、80和90℃時，發(fā)泡體積與發(fā)泡時間的對應關系，見圖7。

圖7 不同發(fā)泡溫度條件下漿體發(fā)泡體積與發(fā)泡時間的關系

從圖7可以看出，發(fā)泡溫度從20℃升高至80℃，在相同發(fā)泡時間內所對應的發(fā)泡體積整體呈增大趨勢，且發(fā)泡終止所對應的時間縮短；當發(fā)泡溫度從80℃升高至90℃時，在相同發(fā)泡時間內所對應的發(fā)泡體積幾乎相同，甚至沒有80℃的發(fā)泡體積大，可能是由于溫度過高，鋁粉的產氣反應過快，導致漿體的發(fā)氣速率遠遠大于其膠凝速率，導致兩者不匹配而塌模。上述實驗結果說明，發(fā)泡溫度從20℃增加到80℃時，對漿體發(fā)泡影響較大，當發(fā)泡溫度大于80℃時，不利于發(fā)泡。

將圖7進行微分可得到不同發(fā)泡溫度所對應發(fā)泡速度與發(fā)泡時間的關系，結果如圖8所示。

圖8 不同發(fā)泡溫度條件下漿體發(fā)泡速度與發(fā)泡時間的關系

從圖8可以看出，漿體發(fā)泡最大速度幾乎都出現(xiàn)在初始發(fā)泡時間附近，也就是初始發(fā)泡就達到最大發(fā)泡速度。并且最大發(fā)泡速度隨發(fā)泡溫度的升高而增大，當發(fā)泡溫度為20℃和40℃時，發(fā)泡速度隨發(fā)泡時間先快速降低后緩慢降低；當發(fā)泡溫度為60℃時，曲線整體降低，有波動現(xiàn)象；當發(fā)泡溫度為80℃時，發(fā)泡速度的變化呈現(xiàn)三段式，先快速降低后緩慢變化，最后以次于第一段的速率降低。當發(fā)泡溫度為90℃時，發(fā)泡速率直接迅速降低為0。不同發(fā)泡溫度條件下漿體發(fā)泡特征參數(shù)見表4。

從表4可以看出，發(fā)泡溫度從20℃增加至90℃時，漿體的最大發(fā)泡體積從47.0ml增加至115.0ml，增幅達144.7%，完成發(fā)泡的時間從23min縮短到5min，減幅達78.3%，發(fā)泡倍率從1.4增至1.9，增幅達35.7%，起始發(fā)泡速度從10.0 ml/min升高至35.0 ml/min，增幅達250%，最大發(fā)泡速度和平均發(fā)泡速度分別從10.0 ml/min升高至35.0 ml/min和從2.3 ml/min升高至26.5 ml/min，對應增幅分別達250%和1052.2%。

表4 不同發(fā)泡溫度條件下漿體的發(fā)泡特征參數(shù)

綜上所述，漿體發(fā)泡速度增長得越快，則發(fā)泡速度的衰減也越快。這可能因為在較高的溫度下，介質溶液對反應物和反應產物的溶解速度和溶解度相應增大，這無疑將有利于反應的進行，漿體單位時間內產氣量也越大，漿體中的氣體越多，必然導致發(fā)泡速度加快；相反，發(fā)泡溫度越低，漿體中單位時間產生的氣體量也越少，導致發(fā)泡速度變慢，出現(xiàn)緩慢發(fā)泡現(xiàn)象。

文獻[7-8]研究表明，鋁粉的發(fā)氣反應速度與溫度有密切的關系，通過改變料漿溫度，可以在一定程度上協(xié)調發(fā)氣和稠化過程，當然，這只能在一定范圍之內，而不可能無限地調節(jié)，正像料漿稠化速度的調節(jié)不可能無限制地適應發(fā)氣速度一樣。如果為了適應稠化快的料漿，而過多地升高溫度，這在大多數(shù)情況下在攪拌中就發(fā)氣了，另外也必然會促使料漿更快稠化，效果將適得其反。

將發(fā)泡倍率K與發(fā)泡溫度作圖考察漿體發(fā)泡倍率與發(fā)泡溫度之間的對應關系，結果如圖9所示。

圖9 漿體發(fā)泡倍率與發(fā)泡溫度的關系

從圖9可知，漿體發(fā)泡倍率K與發(fā)泡溫度x有一定相關關系，其關系式為：

2.4 影響漿體發(fā)泡過程的工藝參數(shù)優(yōu)化研究

由表2～表4可見，鋁粉摻量從0.1%增至0.9%時，其發(fā)泡倍率（K）從1.5增加到2.3，K值增加了0.53倍；其發(fā)泡平均速度（SA）從0.4 ml/min增加到2.6 ml/min，SA增加了5.5倍。

水灰比從0.65增至0.95時，其發(fā)泡倍率（K）從1.8增加到2.0，K值增加了0.11倍；其發(fā)泡平均速度（SA）從0.5 ml/min增加到2.6ml/min，SA增加了4.2倍。

發(fā)泡溫度從20℃升高到90℃時，其發(fā)泡倍率（K）從1.4增加到1.9，K值增加了0.36倍；其發(fā)泡平均速度（SA）從2.3 ml/min增加到26.5 ml/min，SA增加了10.52倍。

上述比較結果可以看出，工藝條件對發(fā)泡倍率（K）的影響程度依次為：鋁粉摻量>發(fā)泡溫度＞水灰比；對發(fā)泡平均速度（SA）的影響程度依次為：發(fā)泡溫度＞鋁粉摻量＞水灰比。對漿體發(fā)泡通常希望得到合適的發(fā)泡倍率（K）和發(fā)泡速度（SA），以便于制備輕質高強無機發(fā)泡材料。因此，在實際生產中，建議對鋁粉摻量和發(fā)泡溫度嚴格控制，以便獲得高性能的發(fā)泡混凝土產品。

3 結語

（1）隨著鋁粉摻量、水灰比、發(fā)泡溫度的增大，最大發(fā)泡體積增大，發(fā)泡終止時間縮短，發(fā)泡倍率增大，發(fā)泡初始速度增大，發(fā)泡最高速度增大，發(fā)泡平均速度增大。

（2）工藝條件對發(fā)泡平均速度（SA）的影響程度依次為：發(fā)泡溫度＞鋁粉摻量＞水灰比。對漿體發(fā)泡通常希望得到合適的發(fā)泡倍率（K）和發(fā)泡速度（SA），以便于制備輕質高強無機發(fā)泡材料。