新型高性能磷酸鎂水泥泡沫混凝土的制備與研究

張文之

（濰坊科技學院，山東 濰坊 262700）

0 前言

目前，我國建筑普遍存在能耗大、效率低、圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能差等問題，導致夏季空調(diào)用電量大、冬季采暖能耗高[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國的建筑能耗約占全社會總能耗的30%，其中采暖和空調(diào)的能耗約占建筑總能耗的55%，而且隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提升呈急劇上升趨勢[2]。隨著人們對節(jié)能環(huán)保材料的重視度越來越高，泡沫混凝土作為新型節(jié)能環(huán)保材料受到越來越多的關(guān)注。泡沫混凝土是將膠凝材料、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輕質(zhì)多孔材料[3]，具有保溫隔熱性能好、隔聲、吸波性能優(yōu)異、抗震性能好等優(yōu)點[4-5]，已被廣泛應(yīng)用于保溫材料、現(xiàn)澆泡沫混凝土低層住宅、路基處理及采礦區(qū)的充填體等方面?，F(xiàn)階段研究泡沫混凝土所使用的水泥主要是普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥，而對其他品種水泥制備泡沫混凝土的研究還較少。磷酸鎂水泥是氧化鎂、磷酸鹽和緩凝劑通過酸-堿反應(yīng)及物理作用而凝結(jié)硬化的一種新型水泥基材料，其早期漿體呈酸性、凝結(jié)硬化快、早期強度高、耐久性好、環(huán)境適應(yīng)性廣，已經(jīng)被應(yīng)用于高速公路、機場跑道、橋面的快速修補以及放射性物質(zhì)的固化等方面[6-7]。然而，很少有學者研究以磷酸鎂水泥為膠凝材料制備泡沫混凝土。

本文以磷酸鎂水泥為膠凝材料，碳酸氫鹽為發(fā)泡劑，充分利用磷酸鎂水泥漿體早期呈酸性并能夠電離出H+與碳酸氫鹽中的發(fā)生反應(yīng)生成CO2氣體的特點，制備了磷酸鎂水泥泡沫混凝土，并研究了其相關(guān)性能。

1 試驗

1.1 原材料

氧化鎂（MgO）：煅燒溫度為1700℃，密度為3.42 g/cm3，比表面積為410 m2/kg，化學組成見表1；磷酸二氫鉀（KDP）：市售工業(yè)級，純度大于99%；緩凝劑：硼砂（Na2B4O7·10H2O），純度大于95%，市售工業(yè)級；發(fā)泡劑：碳酸氫鉀（KHCO3），上海阿拉丁生化科技股份有限公司，純度大于99.5%；穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；水：自來水。

1.2 制備工藝

（1）將氧化鎂、磷酸二氫鉀、硼砂和穩(wěn)泡劑硬脂酸鈣依次加入凈漿攪拌鍋，慢攪1 min，使粉料混合均勻，其中氧化鎂與磷酸二氫鉀的質(zhì)量比為4∶1，硼砂摻量為氧化鎂質(zhì)量的12%，硬脂酸鈣摻量為氧化鎂質(zhì)量的0.2%。

（2）將預先準備好的水加入混合均勻的粉料中，快速攪拌3 min，然后再加入發(fā)泡劑碳酸氫鉀，快速攪拌15 s，得到泡沫混凝土漿體。

（3）將泡沫混凝土漿體澆注到模具中，靜停發(fā)泡，20 min后即可脫模，將脫模后的試件放入養(yǎng)護室，養(yǎng)護至相應(yīng)的時間后測試泡沫混凝土的相關(guān)性能。

1.3 測試方法

泡沫混凝土的干密度、抗壓強度、吸水率、軟化系數(shù)依據(jù)GB/T11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能測試方法》進行測試；導熱系數(shù)采用穩(wěn)態(tài)平板法進行測試；流動度按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試；黏度采用NDJ-89型旋轉(zhuǎn)黏度計進行測試；泡沫混凝土孔徑分布采用Image-Pro plus 6.0圖像處理軟件進行統(tǒng)計分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水膠比對泡沫混凝土體積密度及黏度的影響

圖1為發(fā)泡劑摻量為磷酸鎂水泥質(zhì)量的1%時，水膠比對泡沫混凝土體積密度的影響。

圖1 水膠比對泡沫混凝土體積密度的影響

從圖1可以看出，隨著水膠比的增大，泡沫混凝土的體積密度呈先減小后增大的趨勢。當水膠比為0.14時，泡沫混凝土的體積密度達到最低，為502 kg/m3。為了分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，試驗過程中分別測試了不同水膠比條件下泡沫混凝土漿體的黏度及流動度，結(jié)果如圖2和表2所示。

圖2 水膠比對泡沫混凝土漿體黏度的影響

表2 不同水膠比的泡沫混凝土的流動度

從圖2和表2可以看出，隨著水膠比的增大，泡沫混凝土的黏度逐漸降低，流動度逐漸增大，當水膠比為0.14時，泡沫混凝土漿體的黏度和流動度變化率較大。結(jié)合圖1、圖2及表2分析水膠比對泡沫混凝土體積密度產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是：（1）當水膠比從0.10增大到0.14時，漿體的流動度逐漸增大，黏度逐漸降低，漿體對氣泡的束縛作用減小，碳酸氫鉀產(chǎn)生氣體的有效利用率增大，所以泡沫混凝土的體積密度減?。唬?）當水膠比超過0.14時，漿體的黏度繼續(xù)降低，并且降低的幅度較大，漿體對氣泡的穩(wěn)定能力下降，逐漸開始出現(xiàn)破泡現(xiàn)象。水膠比越大，漿體的穩(wěn)泡能力越差，氣泡破裂的數(shù)量越多，所以泡沫混凝土的體積密度逐漸增大。當水膠比為0.14時，泡沫混凝土的體積密度最低，漿體的流動度為195 mm，易于澆筑成型。所以，在制備泡沫混凝土時選擇水膠比為0.14。

2.2 泡沫混凝土的體積密度、抗壓強度、導熱系數(shù)

圖3（a）為泡沫混凝土的體積密度隨發(fā)泡劑摻量的變化；圖3（b）為泡沫混凝土的抗壓強度隨體積密度的變化；圖3（c）為泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨體積密度的變化。

由圖3可以看出：

（1）隨著發(fā)泡劑摻量的增加，泡沫混凝土的體積密度從815 kg/m3逐漸降低到295 kg/m3。

（2）隨著干密度的增大，泡沫混凝土的1、3、28 d的抗壓強度逐漸提高；對相同體積密度的泡沫混凝土而言，隨著養(yǎng)護齡期的延長，泡沫混凝土的抗壓強度也逐漸提高，此外，1 d的抗壓強度約為28 d抗壓強度的70%，這說明了磷酸鎂水泥泡沫混凝土像磷酸鎂水泥一樣也具有早強的特性。相比于普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土[8]，同體積密度的磷酸鎂水泥泡沫混凝土表現(xiàn)出高強的特性，其原因可能是磷酸鎂水泥的強度高于普通硅酸鹽酸鹽水泥的強度所致。

圖3 泡沫混凝土的體積密度、抗壓強度及導熱系數(shù)

（3）隨著體積密度的增大，泡沫混凝土的導熱系數(shù)逐漸增大，與文獻[9]的研究結(jié)果相比較，同體積密度的磷酸鎂水泥泡沫混凝土的導熱系數(shù)相比于普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土的導熱系數(shù)低，可能的原因是是二氧化碳氣體的導熱系數(shù)[0.0143 W/（m·K）]較空氣[0.0242 W/（m·K）]和氧氣[0.0240 W/（m·K）]的低[10]。

2.3 泡沫混凝土的孔徑分布（見表3、圖4）

表3 泡沫混凝土的孔徑分布

圖4 不同體積密度泡沫混凝土的平均孔徑

由表3、圖4可以看出，隨著體積密度的增大，泡沫混凝土小孔所占的比例逐漸增加，大孔的比例逐漸減小，并且泡沫混凝土的平均孔徑逐漸減小。

2.4 泡沫混凝土的吸水率和軟化系數(shù)（見圖5）

圖5 不同體積密度泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)

由圖5可以看出，隨著體積密度的增加，質(zhì)量吸水率幾乎呈直線下降，而軟化系數(shù)幾乎呈直線增大，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是隨著體積密度的增大，泡沫混凝土的小孔數(shù)量逐漸增加，平均孔徑逐漸減小，孔隙率和連通孔的數(shù)量逐漸減少。對于普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土來說，質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)之間的關(guān)系可以用線性函數(shù)來表示[11]。因此，為了更好地分析這種磷酸鎂水泥泡沫混凝土質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)之間的關(guān)系，試驗過程中對質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)進行了擬合，結(jié)果如圖6所示，可以看出這種磷酸鎂水泥泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)之間也存在很好的線性相關(guān)性。

圖6 泡沫混凝土軟化系數(shù)與質(zhì)量吸水率的擬合關(guān)系曲線

3 結(jié)論

（1）以磷酸鎂水泥為膠凝材料，碳酸氫鉀為發(fā)泡劑可以制備了一種新型高性能磷酸鎂水泥泡沫混凝土。隨著水膠比的逐漸增大，泡沫混凝土的體積密度呈先減小后增大的趨勢。當水膠比為0.14時，泡沫混凝土的體積密度最低，漿體的流動度為195 mm，易于澆筑成型。所以，在制備泡沫混凝土時選擇水膠比為0.14。

（2）泡沫混凝土的抗壓強度隨著體積密度的增大和養(yǎng)護齡期的延長都逐漸提高，并且表現(xiàn)出早強、高強的特性；此外，泡沫混凝土的導熱系數(shù)隨著體積密度的增大逐漸增大，導熱系數(shù)與體積密度之間存在很好的相關(guān)性，并且相比于普通硅酸鹽水泥，泡沫混凝土導熱系數(shù)較小。

（3）隨著體積密度的增大，泡沫混凝土小孔所占的比例逐漸增大，大孔比例逐漸減小，并且泡沫混凝土的平均孔徑逐漸減?。慌菽炷恋馁|(zhì)量吸水率和軟化系數(shù)隨著體積密度的增大分別呈現(xiàn)直線下降和直線上升的趨勢，并且它們之間具有很好的線性相關(guān)性。