輕質(zhì)隔熱材料泡沫膠凝料漿的流變性能

鐘雨青，岳帥洲，胡小龍，余鵬偉，張銀鳳

(湖北理工學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

0 引言

采用泡沫法制備輕質(zhì)保溫材料，工藝簡單、成本較低，適用于工業(yè)化生產(chǎn)[1]。通過泡沫法可以制備出閉氣孔率較高、孔徑小、孔形狀規(guī)則的微孔隔熱材料，且形狀多變可控，其孔結(jié)構(gòu)最終由料漿中泡沫的大小和數(shù)量決定[2]。因此，發(fā)泡劑的選擇極為重要。

發(fā)泡劑實(shí)質(zhì)上是一種表面活性物質(zhì)。泡沫是空氣在液相中的分散體系，以空氣為分散相，以液體為氣泡分離的分散介質(zhì)[3]。在以泡沫法制備輕質(zhì)隔熱材料時(shí)，將泡沫混入料漿中，形成氣-液-固三相體系，同時(shí)由于泡沫受到水和物料顆粒的相互作用，其穩(wěn)定存在的時(shí)間較短[4]。這就需要引入膠凝材料，使泡沫在短時(shí)間固定，并經(jīng)養(yǎng)護(hù)、干燥后形成多孔的生坯。在從料漿到生坯的轉(zhuǎn)變過程中，泡沫膠凝料漿的流變特性是制備輕質(zhì)隔熱材料的關(guān)鍵，直接決定了成型性能(如強(qiáng)度、氣孔率、體積密度等)，最終決定了材料的使用性能。當(dāng)前，關(guān)于發(fā)泡法制備輕質(zhì)隔熱材料的研究主要集中在對發(fā)泡劑種類的選擇上，并沒有系統(tǒng)研究發(fā)泡工藝參數(shù)的變化對隔熱材料流變性的影響[5-7]。因此，本文采用發(fā)泡法制備輕質(zhì)隔熱材料，通過高級流變儀對泡沫膠凝料漿流變性能進(jìn)行系統(tǒng)的表征，探索泡沫、膠凝材料和固體顆粒對泡沫膠凝料漿流變性能的影響，獲得提高泡沫膠凝料漿穩(wěn)定性的有效途徑。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)用氧化鋁為板狀剛玉，粒徑小于0.2 mm，為球狀粉末。鋁酸鈣水泥(CAC)，鋁鎂酸鈣水泥(CMA)，減水劑FS20，PT-10、HTQ-1系列復(fù)合發(fā)泡劑，NG-10發(fā)泡劑均從市場購置。

1.2 實(shí)驗(yàn)與測試方法

通過MCR301型流變儀測量料漿的流變學(xué)特性，采用平板法測試泡沫的流變性，采用圓筒法測試料漿的流變性。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥料漿的流變特性

CMA水泥料漿的流變曲線如圖1所示。由圖1可知，其表現(xiàn)為典型的剪切變稀特性，粘度隨著剪切速率的增加而降低。通過對不同水灰比CMA水泥料漿的粘度曲線分析，水灰比越大，粘度曲線整體下移，即在相同剪切速率下，水灰比越大，粘度越小。

圖1 CMA水泥料漿的流變曲線

在未受到剪切力作用時(shí)，CMA水泥料漿由于水泥的水化作用，將料漿顆粒連接起來，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在剪切應(yīng)力的作用下，懸浮液的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒受到的束縛減小，顆粒和水一起自由流動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為粘度降低，且隨著剪切速率的進(jìn)一步增大，粘度降低更加劇烈。但當(dāng)剪切速率增加到一定程度后，粘度變化較為緩慢，此時(shí)懸浮液接近牛頓流體的特性。

不同水灰比及減水劑對CMA水泥料漿彈性模量G′的影響曲線如圖2所示。由圖2可知，在具有流動(dòng)性的前提下，水灰比為1∶3的CMA水泥料漿的彈性模量大于水灰比為1∶2的彈性模量；減水劑對CMA水泥料漿的彈性模量G′的影響不大，即CMA水泥的水灰比越大，初始強(qiáng)度產(chǎn)生越快。水灰比小的CMA水泥料漿具有較好的流變行為，水灰比大的CMA水泥料漿加入減水劑后，其流動(dòng)性能顯著提高。因此，加入減水劑后，CMA水泥料漿的彈性模量產(chǎn)生速率變化不大，但能產(chǎn)生較高的模量值，改善其施工性能。

圖2 不同水灰比及減水劑對CMA水泥料漿彈性模量G′的影響曲線

對于單純的泡沫而言，產(chǎn)品的性能決定了發(fā)泡劑的發(fā)泡倍數(shù)范圍。因此，在這個(gè)范圍內(nèi)，水的加入量對于泡沫的流變性沒有明顯的影響。通過實(shí)驗(yàn)觀察可知，泡沫靜置許久后會(huì)破滅。而通過流變儀的測定可知，在泡沫制備的初期，靜置稍許時(shí)間后(10 min左右)，極不穩(wěn)定的泡沫會(huì)迅速破滅而趨于穩(wěn)定；根據(jù)表面與界面學(xué)原理，當(dāng)靜置時(shí)間過久，由于彎曲液面附加壓力的作用，小泡內(nèi)的氣體壓力總是高于大泡，因而氣體自高壓的小泡透過液膜，擴(kuò)散到低壓的大泡中去，造成小泡變小直至消失，大泡變大，最終導(dǎo)致氣泡破裂，成為流體。

內(nèi)加發(fā)泡劑攪拌生泡，不同的攪拌速率對泡沫的生成及流變性有一定的影響。在鋁酸鈣水泥中加入0.2%的發(fā)泡劑后，其在不同剪切速率下的模量-應(yīng)變曲線如圖3所示。由圖3可知，在一定的剪切速率范圍內(nèi)，相同應(yīng)變對應(yīng)的剪切速率越大，初始儲(chǔ)存模量值越高，料漿越穩(wěn)定。

圖3 CAC水泥泡沫料漿在不同剪切速率下的模量-應(yīng)變曲線

2.2 氧化鋁粉末料漿的穩(wěn)定性

在純氧化鋁粉末中加入20 wt%的水，在室溫下攪拌制得氧化鋁粉末料漿，其振幅掃描曲線如圖4所示。由圖4可以看出，G′和G"的重合度較高，線型很接近，且沒有一定的變化規(guī)律，說明料漿的穩(wěn)定性差。通過觀察發(fā)現(xiàn)，攪拌后的料漿在極短的時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)明顯的沉降，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與曲線所表現(xiàn)的規(guī)律一致，即在無任何外加劑的情況下，氧化鋁粉末料漿極不穩(wěn)定，極易沉降。

圖4 氧化鋁粉末料漿的振幅掃描曲線

進(jìn)一步探究外加劑對料漿穩(wěn)定性的影響。在固相含量為80 %的氧化鋁粉末中加入8.33 wt%的CMC水泥，攪拌制得混合料漿；在氧化鋁粉末中加入20 wt%的水和0.2 wt%的增稠劑，攪拌制得料漿。將2組樣品與純氧化鋁料漿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。含不同外加劑的氧化鋁粉末料漿的振幅掃描曲線如圖5所示。由圖5可知，CMC水泥或增稠劑的加入改變了料漿的凝聚狀態(tài)，減少了顆粒自由活動(dòng)的空間，使顆粒間產(chǎn)生粘結(jié)，粘度增加，沉降作用明顯下降，使料漿的穩(wěn)定性增加。另一方面，CMC水泥粘結(jié)劑的效果比增稠劑的效果明顯很多。

圖5 含不同外加劑的氧化鋁粉末料漿的振幅掃描曲線

2.3 水泥結(jié)合氧化鋁料漿的流變行為

探究剪切速率對不同固相含量氧化鋁料漿(16.67%，18.37%，20%)粘度的影響。不同固相含量的氧化鋁料漿的粘度-剪切速率曲線如圖6所示。由圖6可知，在低剪切速率(≤100 s-1)下，隨著剪切速率的增加，氧化鋁料漿的粘度下降；在高剪切速率(>100 s-1)下，固相含量越高的氧化鋁料漿的粘度值越大，流動(dòng)性越差。

圖6 不同固相含量的氧化鋁料漿的粘度-剪切速率曲線

2.4 泡沫水泥料漿的流變特性

不同攪拌速率對泡沫料漿的發(fā)泡程度的影響不同，使泡沫料漿呈現(xiàn)不同的流變行為。在固相含量為80%的氧化鋁-水泥料漿內(nèi)加入0.2 wt%的NG-10發(fā)泡劑，其在不同剪切速率下的模量-應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖7可知，在一定范圍內(nèi)經(jīng)高速攪拌后的泡沫料漿的儲(chǔ)存模量更大；在較小的應(yīng)變范圍內(nèi)，高剪切速率下的儲(chǔ)存模量更平穩(wěn)；隨著應(yīng)變增加，剪切速率越高，模量下降越緩慢。這表明，在一定范圍內(nèi)，剪切速率越高，儲(chǔ)存模量越大，泡沫水泥料漿的穩(wěn)定性越好。

圖7 泡沫水泥料漿在不同剪切速率下的模量-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

純氧化鋁料漿由于其顆粒度大，顆粒間粘結(jié)力小，在重力場的作用下極易沉降，穩(wěn)定性很差。外加添加劑、增稠劑改變了顆粒間的力場和凝結(jié)狀態(tài)，使顆粒間產(chǎn)生粘結(jié)而形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，粘度增加，使沉降作用明顯減弱。水泥對氧化鋁料漿的作用比PT-10增稠劑作用明顯得多，通過對其不同固相含量的料漿的流變性探究可知，在一定范圍內(nèi)固相含量越高，粘度越大，線性粘彈區(qū)越窄，流動(dòng)性越差。在一定的范圍內(nèi)剪切速率越大，發(fā)泡效果越好，料漿的穩(wěn)定性越高。