水泥基多孔材料的研究進展

阿拉騰沙嘎 蒙永昊 陳星 陳冠宏

摘 要：為滿足我國建筑業(yè)快速發(fā)展的需要，近年來研究人員正在開發(fā)和改進具有不同結(jié)構(gòu)和功能的水泥基材料，其中水泥基多孔材料作為重要的一種被廣泛研究。筆者首先介紹了水泥基多孔材料的結(jié)構(gòu)和性能特點，然后綜述了發(fā)泡法、添加輕骨料法和冷凍鑄造法制備水泥基多孔材料的研究進展，重點闡述了水泥基多孔材料的結(jié)構(gòu)和性能之間的響應(yīng)關(guān)系，展望了水泥基多孔材料的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：多孔結(jié)構(gòu);水泥基;結(jié)構(gòu)和性能;功能材料

中圖分類號：TU528 ? ? 文獻標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）5-0028-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.05.006

Research Progress of Cement-Based Porous Materials

Alateng Shaga1 ? ?MENG Yonghao2 ? ?CHEN Xing3 ? ?CHEN Guanhong4

（School of Materials Science and Engineering， Jilin Jianzhu University， Changchun 130117，China）

Abstract： To meet the needs of rapid industrial development in China， cement-based materials with different structures and functions are being developed and improved at a deep level， and cement-based porous materials， as one of their important teams， have been widely studied in recent years. The author firstly introduces the structure and performance characteristics of cement-based porous materials， and then reviews the research progress on the preparation of cement-based porous materials by foaming method， Introduction of light aggregates and freeze casting method， focuses on the response relationship between structure and performance of porous materials， and looks forward to the development prospect of inorganic functional materials.

Keywords： functional materials; porous structure; cement-based; structure and properties

0 引言

水泥基多孔材料在土木工程建設(shè)中不僅作為一種結(jié)構(gòu)材料使用，而且發(fā)揮著保溫、吸附、噪聲吸收等功能[1-5]。水泥基多孔材料是由孔隙及其旁壁組成，具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。常見的水泥基多孔材料包括加氣混凝土、泡沫混凝土和輕骨料混凝土等[6]。多孔水泥基材料因其重量輕、節(jié)材、隔熱、吸聲、抗震性能好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)建筑的保溫、吸聲和工業(yè)廢水重金屬去除[7-8]。超輕化的水泥基多孔材料具有氣孔結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了它的保溫、吸聲等性能，但不可避免降低材料力學(xué)性能，難以有效兼顧材料功能與力學(xué)性能，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。研究水泥基多孔材料不同的制備工藝對其結(jié)構(gòu)和性能的影響，對發(fā)展綠色節(jié)能建材具有重要意義[7-8]。

1 水泥基多孔材料的制備

水泥基多孔材料的孔結(jié)構(gòu)是決定其性能的關(guān)鍵因素，成為廣大學(xué)者的研究核心[9-10]。與傳統(tǒng)的混凝土相比，水泥基多孔材料中除了水化反應(yīng)產(chǎn)生凝膠和毛細(xì)孔外，還能在制備過程中通過使用冰模板（即冷凍鑄造法）、預(yù)制泡沫、輕骨料或添加加氣劑（鋁粉、過氧化氫等）獲得人工孔結(jié)構(gòu)。表1匯總了最近采用以上方法制備的水泥基多孔材料的研究進展。

1.1 發(fā)泡法

制備水泥基多孔材料的發(fā)泡法根據(jù)發(fā)泡方式的不同可以分為物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法。在物理發(fā)泡中，通過將預(yù)發(fā)泡或氣體發(fā)泡工藝產(chǎn)生的氣泡引入到新拌合的混凝土中以產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)[22，23]。而化學(xué)發(fā)泡法是利用無機化合物與水泥發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，從而形成內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)。Luan[14]等人采用直接發(fā)泡法制備了基于硅鎂土（AT）的磷酸鎂多孔材料（AT-MPPCM），微觀結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。該材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、孔隙率和高吸附性。他們研究了不同AT和水的加入量對磷酸鎂多孔復(fù)合材料力學(xué)性能和孔隙率的影響。試驗表明，隨著硅鎂土和水的增多，AT-MPPCM樣品的抗壓強度和孔隙率均呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，如圖3和圖4所示。圖中M1-1- M1-5表示AT所占固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～50%，M2-1- M2-5表示含水率為26.66%～30.37%。在AT所占固相比為30%、含水率為30.37%的條件下，AT-MPPCM的孔隙率和抗壓強度達到最高，分別為79.02%和2.87 MPa。這是由于AT和水的加入延長了其凝結(jié)時間，混合物的流動性得到改善，促進了內(nèi)部的水化反應(yīng)，形成穩(wěn)定的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高了孔隙率和抗壓強度。但隨著繼續(xù)添加，漿料的固相含量降低，氣泡之間的膜壁變薄。當(dāng)發(fā)生水化反應(yīng)時，膜破裂形成不均勻的孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致孔隙率和抗壓強度降低。

Fu[13]等人以鋅粉為發(fā)泡劑，通過與二氫銨（NH4H2PO4）溶液釋放的氫離子反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣制備了磷酸鎂水泥基多孔材料（MPCPM）。試驗從鋅粉含量、水灰比和NH4H2PO4的粒徑等方面系統(tǒng)地研究了對MPCPM的黏度、溫度變化、抗壓強度、抗折強度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明，隨著鋅粉含量和水灰比的增加，漿料的硬化時間延長，黏度值增加，水化溫度降低，機械強度降低，導(dǎo)熱系數(shù)降低。NH4H2PO4的粒徑對MPCPM性能的影響與鋅粉含量對W/S的影響相似。研究表明，磷酸鎂水泥基多孔材料在保溫隔熱、吸聲隔音等領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

1.2 添加輕骨料

隨著制備水泥基多孔材料方法的層出不窮，學(xué)者們利用輕骨料內(nèi)部孔隙和輕骨料互相之間堆積產(chǎn)生大量微空隙的特性，通過將預(yù)制輕骨料與水泥混合制備出具有穩(wěn)定的孔結(jié)構(gòu)的水泥基多孔材料。常見的輕骨料有玻璃微珠（GB）、膨脹珍珠巖、浮石骨料、粉煤灰、空心微珠、納米二氧化硅球和納米二氧化硅氣凝膠等[24-27]。

Vaganov[24]等人通過添加輕質(zhì)骨料—泡沫玻璃顆粒并結(jié)合化學(xué)發(fā)泡技術(shù)制備了高性能輕質(zhì)水泥基多孔材料。他們研究對比了添加泡沫玻璃顆粒對水泥基多孔材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，輕骨料的引入會促進C-S-H凝膠的孔隙中微晶體的生長，水泥漿的孔隙率減少，混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)被壓實。由于混凝土的多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致抗壓強度增加。另外，由于孔隙結(jié)構(gòu)的改變，降低了水泥基多孔材料的導(dǎo)熱率。Gao[18]等人通過將二氧化硅氣凝膠顆粒摻入混凝土中，制備了輕質(zhì)和絕熱水泥基多孔材料，并研究了氣凝膠含量與水泥基樣品的密度、熱和力學(xué)性能之間的相關(guān)性。研究結(jié)果顯示，隨著氣凝膠含量的增加，水泥基多孔材料的密度、導(dǎo)熱性和機械強度呈線性下降趨勢，而且氣凝膠顆粒在水泥基材料的水化過程中是穩(wěn)定的，這表明將氣凝膠和水泥/混凝土材料用于施工具有可能性。

1.3 冷凍鑄造法

冷凍鑄造法，也被稱為冰模板法，由于成本低廉，操作簡便，環(huán)境友好，普適性強，已被證明是制備具有復(fù)雜和分層結(jié)構(gòu)多孔材料的一種新型制備工藝[28]。與上述方法相比，經(jīng)冷凍成型方法制備的水泥基多孔材料可獲得更精細(xì)化片層尺度、孔隙率高、形狀復(fù)雜多變、性能較好的特點。冷凍鑄造工藝包括四個步驟：漿料配制、定向凝固、冷凍干燥和養(yǎng)護，如圖5所示[20]。

在冷凍鑄造過程中，漿料中溶劑的選擇是影響水泥基材料內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。2016年Dong[20]等人用以叔丁醇作為有機溶劑混合硅酸鹽水泥利用冷凍鑄造技術(shù)制備了具有多級孔隙率的管狀多孔壓塊。系統(tǒng)研究了影響大孔尺寸、中孔尺寸、孔隙率和抗壓強度的各種試驗參數(shù)，包括初始固體含量、凍結(jié)溫度和固化時間。結(jié)果表明，隨著凍結(jié)溫度的降低和固相含量的增加，孔徑顯著減小，抗壓強度顯著提高。此外，除了它們可調(diào)的物理特性之外，硅酸鹽水泥材料具有定向排列的孔隙結(jié)構(gòu)和致密的層表面，表現(xiàn)出高滲透性能和理想的分層能力。這些結(jié)果使得硅酸鹽水泥這種低成本、高性能的建筑材料作為一種新型有序多孔無機材料具有巨大的應(yīng)用潛力[21]。2018年Dong[29]等人在通過結(jié)合冰模板和水化反應(yīng)途徑制備出具有三種不同陶瓷含量的分層多孔硅酸鹽水泥，即陶瓷體積分?jǐn)?shù)分別為40%、50%和60%的樣品，如圖6和圖7所示。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，隨著漿料濃度的提高，漿料中的水含量較少，樣品表面積從86.744 m2/g降至70.707 m2/g，孔隙率從61.8%降低至47.62%，同時層間距減小，抗壓強度從10.76 MPa增加到16.67 MPa，如圖8和圖9所示[29]。

2 結(jié)論

本文系統(tǒng)地總結(jié)了采用發(fā)泡法、引入輕骨料和冷凍鑄造法制備水泥基多孔材料的研究進展，重點闡述了三種制備方法的工藝參數(shù)、材料的微觀結(jié)構(gòu)和材料性能之間的響應(yīng)關(guān)系和影響規(guī)律。雖然目前水泥基多孔材料的制備得到較好發(fā)展，但很難控制制備過程中水化反應(yīng)速率以及強度和孔隙率之間的平衡，需要繼續(xù)優(yōu)化制備工藝流程以及工藝參數(shù)，探究新型水泥基多孔材料的制備，拓展其潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

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