發(fā)泡氣體對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

胡勤

（長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020）

0 前言

據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗約占我國總能耗的30%以上，其中采暖和空調(diào)能耗約占建筑總能耗的55%，隨著人們對居住舒適度要求的不斷提高，這一比例還將繼續(xù)增加[1]。為了應(yīng)對嚴(yán)峻的能源危機(jī)，國家出臺了很多相關(guān)的政策，其中就包括與建筑節(jié)能緊密相關(guān)的保溫材料的研發(fā)與推廣方面。由于有機(jī)保溫材料存在易老化、穩(wěn)定性差、易燃燒等缺點(diǎn)正在逐步被取代，無機(jī)保溫材料尤其是泡沫混凝土逐漸受到學(xué)者們的關(guān)注[2]。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，經(jīng)配料、攪拌、澆筑、靜停發(fā)泡制備而成的具有多孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)混凝土[3]。與傳統(tǒng)的混凝土相比，泡沫混凝土具有輕質(zhì)、保溫隔熱、隔聲、緩震、節(jié)約材料等特性，被廣泛應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)外墻保溫、隔聲結(jié)構(gòu)、采礦區(qū)的充填、地基處理、機(jī)場的緩沖緩震結(jié)構(gòu)等方面。與有機(jī)保溫材料相比，泡沫混凝土最大的優(yōu)點(diǎn)是其燃燒等級為A級，能夠有效降低由火災(zāi)造成的損失[4]。諸如以上優(yōu)異的性能，越來越多的專家學(xué)者致力于泡沫混凝土的研究工作。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)高、抗壓強(qiáng)度低、整體性差等[5-6]，其中導(dǎo)熱系數(shù)高是限制泡沫混凝土作為保溫材料使用以及全面取代有機(jī)保溫材料的最主要因素。本文分別從理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面探討了不同種類發(fā)泡氣體對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，以期為改善泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：42.5級普通硅酸鹽水泥（OPC）、42.5級硫鋁酸鹽水泥（SAC），其化學(xué)組成及相關(guān)物理性能指標(biāo)分別如表1、表2所示。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理性能

發(fā)泡劑：動物蛋白發(fā)泡劑，發(fā)泡倍數(shù)為26倍，1 h沉降距為12 mm，1 h泌水率為21%；雙氧水：上海阿拉丁生化科技股份有限公司生產(chǎn)，質(zhì)量濃度為30%，分析純；鋁粉：洛陽發(fā)現(xiàn)者鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)，純度大于99%。

穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

水：20℃的去離子水。

1.2 導(dǎo)熱系數(shù)測試方法

試件尺寸為 300 mm×300 mm×30 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后放入溫度為（50±1）℃的干燥箱內(nèi)烘干至恒重，然后采用穩(wěn)態(tài)平板法進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測試。導(dǎo)熱系數(shù)的取值為3組試件的平均值，精確至0.0001 W/（m·K）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 理論分析發(fā)泡氣體對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

泡沫混凝土是一種輕質(zhì)多孔材料，根據(jù)制備泡沫混凝土發(fā)泡劑種類的不同，孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部充斥著不同種類的發(fā)泡氣體。當(dāng)發(fā)泡劑為表面活性劑、蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑時，泡沫混凝土中的發(fā)泡氣體為空氣[7-8]；當(dāng)發(fā)泡劑為鋁粉或雙氧水時，泡沫混凝土中的發(fā)泡氣體為氫氣或氧氣[9-10]。對同種膠凝材料制備的相同體積密度的泡沫混凝土，排除孔結(jié)構(gòu)帶來的影響，造成泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生差異的最主要原因是發(fā)泡氣體的不同。在理想狀態(tài)下，假設(shè)泡沫混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)完全相同，如果發(fā)泡氣體的導(dǎo)熱系數(shù)越小，那么可以推測泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也越小。

為了理論分析發(fā)泡氣體對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，在試驗(yàn)過程中測試了在干密度等級為2000 kg/m3密實(shí)狀態(tài)下OPC、SAC水泥石的導(dǎo)熱系數(shù)，分別為0.4632、0.4383 W/（m·K）。通過發(fā)泡材料導(dǎo)熱系數(shù)計算公式（1）[11]和幾種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)[12-13]，理論計算出了體積密度為600 kg/m3，膠凝材料分別為OPC、SAC，不同發(fā)泡氣體的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如表3所示，在計算過程中假定泡沫混凝土中所有的孔結(jié)構(gòu)都是閉孔結(jié)構(gòu)。

發(fā)泡材料導(dǎo)熱系數(shù)按式（1）計算：

式中：λ——發(fā)泡水泥或發(fā)泡混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；λ1——泡內(nèi)材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)；λ2——泡壁材質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)；ρ1——發(fā)泡材料產(chǎn)品密度；ρ2——泡壁材質(zhì)密度；y——修正系數(shù)，當(dāng)發(fā)泡材質(zhì)為水泥或混凝土?xí)r，取y=5；z——閉孔率，所有泡為閉孔時，z=1。

表3 不同氣體及其理論計算體積密度為600 kg/m3時OPC、SAC泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)

由表3可以發(fā)現(xiàn)，對于同種膠凝材料制備的相同體積密度的泡沫混凝土來說，泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)泡氣體的導(dǎo)熱系數(shù)越小，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也越小。現(xiàn)階段制備泡沫混凝土所用的發(fā)泡劑主要是動植物蛋白、雙氧水和鋁粉，相對應(yīng)的發(fā)泡氣體為空氣、氧氣和氫氣，在這3種氣體中氧氣的導(dǎo)熱系數(shù)最小，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)最大，理論計算的結(jié)果也表明以氧氣為發(fā)泡氣體的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)小于以氫氣為發(fā)泡氣體的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)泡氣體對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

為了更加明確發(fā)泡氣體的導(dǎo)熱系數(shù)對泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響，試驗(yàn)過程中制備了分別以O(shè)PC和SAC為膠凝材料體積密度等級為300～800 kg/m3的泡沫混凝土，所用的發(fā)泡劑分別為動物蛋白、雙氧水和鋁粉，對應(yīng)的發(fā)泡氣體分別為空氣、氧氣和氫氣。為了使不同發(fā)泡氣體的同一水泥品種的相同體積密度的泡沫混凝土具有相近或相同的孔結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)過程中對同一水泥品種的泡沫混凝土采用相同的水灰比。水灰比過大會引起泡沫混凝土在制備過程中出現(xiàn)塌?；蚴湛s現(xiàn)象，水灰比過小則會導(dǎo)致不起泡的問題，因此在制備泡沫混凝土的過程中需要合適的水灰比[14]。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，最終確定OPC泡沫混凝土采用的水灰比為0.55，相應(yīng)的漿體流動度為175 mm。SAC泡沫混凝土采用的水灰比為0.53，相應(yīng)的漿體流動度為170 mm。將成型的試件養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測試，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同發(fā)泡氣體的OPC、SAC泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)

從圖1（a）可以看出，對于發(fā)泡氣體相同的OPC泡沫混凝土來說，隨著體積密度的增大，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。對于體積密度相同、發(fā)泡氣體不同的OPC泡沫混凝土來說，發(fā)泡氣體為氧氣的OPC泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最小，發(fā)泡氣體為空氣的OPC泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)與發(fā)泡氣體為氧氣的接近，發(fā)泡氣體為氫氣的OPC泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象可能的原因是發(fā)泡氣體的不同，以體積密度為300 kg/m3的OPC泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為例進(jìn)行分析。由表3可知，在20℃時氧氣、空氣和氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.0240、0.0242、0.1760 W/（m·K），圖1中體積密度為300 kg/m3的OPC泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.0613、0.0625、0.2021 W/（m·K）。對比分析可以得出，發(fā)泡氣體的導(dǎo)熱系數(shù)越小，相對應(yīng)的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)越小。由圖1（b）可以得出與圖1（a）相同的規(guī)律，即SAC泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也受到發(fā)泡氣體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，對相同體積密度的SAC泡沫混凝土，發(fā)泡氣體的導(dǎo)熱系數(shù)越小，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也越小。

3 結(jié)論

（1）分別以O(shè)PC和SAC為膠凝材料，氧氣、空氣、氫氣為發(fā)泡氣體制備泡沫混凝土，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以氧氣為發(fā)泡氣體的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最小，以氫氣為發(fā)泡氣體的泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最大，試驗(yàn)結(jié)果與理論計算的結(jié)果相符。

（2）通過理論計算和試驗(yàn)結(jié)果分析，都可以得出發(fā)泡氣體能夠?qū)ε菽炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生影響，并且發(fā)泡氣體的導(dǎo)熱系數(shù)越小，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)越小，這個結(jié)論可以為以后降低泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)提供參考。