發(fā)泡水泥力學性能測試及管道保溫試驗研究

郭巍，姜偉，馬令勇，劉功良，李清，杜彬

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學土木水利學院，大慶 163319；2.東北石油大學土木建筑工程學院；3.大慶市碧千里科技開發(fā)有限公司）

鑒于全球能源逐步消耗的嚴峻形勢，如何提高能源利用率及開展節(jié)能減排是研究工作中重點關注的問題。由《中國建筑能耗研究報告2020》可知，建筑能耗在總能耗中的比重較大，2018 年全國建筑全壽命周期能耗總量占全國能源消費總量的比重為46.5%[1]。因此，研究如何降低建筑能耗的損耗率具有重要意義。近年來，從降低建筑能耗角度出發(fā)，我國大規(guī)模推廣綠色建筑，因此各種新型建筑材料不斷涌現(xiàn)，其中節(jié)能保溫建筑材料的研究及推廣受到廣泛的關注。如何獲得導熱系數(shù)較低而強度較高的建筑保溫材料一直是研究追求的目標，發(fā)泡水泥因其具有保溫性、耐火性、防水性、抗凍性好以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢成為研究的重點方向。李凱斌等[2]通過在發(fā)泡水泥中摻入聚乙烯醇（PVA）纖維，探討了纖維用量對材料性能的影響。朱正發(fā)[3]針對常見發(fā)泡水泥質(zhì)量缺陷提出了相應的應對措施。樸春愛等[4]從微觀角度研究了發(fā)泡混凝土內(nèi)部氣泡的形成與遷移過程。姜林伯等[5]通過研究工藝條件之間的關聯(lián)發(fā)現(xiàn)了其對加壓發(fā)泡混凝土性能的影響規(guī)律。巫文靜等[6]分別探討了粉煤灰、氣凝膠、CaO 等對雙氧水發(fā)泡混凝土性能的影響。

因發(fā)泡水泥的保溫性能良好，節(jié)能優(yōu)勢明顯，目前多將其應用于有保溫隔熱要求的工業(yè)、民用及農(nóng)業(yè)建筑的墻體保溫，取得良好的節(jié)能效果，研究成果較為豐富[7-10]。供熱管道、輸油管道、蒸汽管道等高溫管道的保溫材料目前多為玻璃棉氈、氣凝膠、巖棉、泡沫玻璃、硅酸鈣、珍珠巖等[11-14]，受地下土層壓力、反復凍融、吸水率、腐蝕等因素影響，常用的保溫材料各有不足，而將發(fā)泡水泥應用于高溫管道保溫層的研究鮮有發(fā)現(xiàn)。

大慶市碧千里科技開發(fā)有限公司研發(fā)了一種新型發(fā)泡水泥，委托本科研團隊對其性能測試，得出發(fā)泡水泥的基本物理力學參數(shù)和熱工性能，為其推廣提供數(shù)據(jù)支撐。研究主要通過調(diào)整雙氧水比例控制發(fā)泡量從而得到不同密度的發(fā)泡水泥模型，研究發(fā)泡水泥的導熱系數(shù)、抗壓強度、抗折強度、凍融質(zhì)量損失率、干表觀密度、吸水率等性能隨密度變化的規(guī)律。并結(jié)合此規(guī)律將其應用于高溫管道的保溫層進行保溫試驗研究，觀察發(fā)泡水泥的耐高溫性能以及在高溫情況下導熱系數(shù)的穩(wěn)定性，為此材料在高溫管道的保溫推廣應用中提供理論依據(jù)。

1 實驗原料

普通硅酸鹽水泥、快硬硫酸鹽水泥、粉煤灰、硅灰、碳酸鋰、硬脂酸鈣、甲基纖維素、分散乳膠粉、工程纖維、減水劑、水和雙氧水等。

2 發(fā)泡水泥試樣制備

研究采用的發(fā)泡水泥試樣成分配比方案參考自大慶市碧千里科技開發(fā)有限公司發(fā)明專利（201310227221.8）中所述的水泥發(fā)泡體優(yōu)選重量份數(shù)配比范圍[15]。具體成分配比組成值如表1 所示。

表1 發(fā)泡水泥試樣按重量配比組成Table 1 Foamed cement samples according to the weight of proportion

其他成分配比不變，通過調(diào)整雙氧水的重量配比，制成不同密度的發(fā)泡水泥試樣。分別取雙氧水15、14、13、12、11、10、9 kg·m-3，對應制備200、250、300、350、400、450、500 kg·m-3密度發(fā)泡水泥。確定配比后，將普通硅酸鹽水泥、快硬硫酸鹽水泥、粉煤灰、硅灰、碳酸鋰、硬脂酸鈣、甲基纖維素、分散乳膠粉、工程纖維混合，之后加減水劑和水，控制溫度在20～35 ℃下攪拌15～30 s，然后加雙氧水，攪拌均勻，快速澆筑入模具內(nèi)，發(fā)泡定型，進行養(yǎng)護。由于施工誤差，制備后的發(fā)泡水泥實際密度值會稍有波動。

3 基礎物性測試

3.1 測試方法

傳統(tǒng)的材料基礎物性的測量方法是穩(wěn)態(tài)法，其主要特征是保持樣品內(nèi)部的溫度梯度不變，建立理想穩(wěn)態(tài)傳熱模型，再由傅里葉定律得出被測樣品的導熱系數(shù)。但是穩(wěn)態(tài)法對試樣尺寸要求較高，測量過程時間長且裝置比較復雜，已經(jīng)不能滿足實際的生產(chǎn)和質(zhì)量監(jiān)控的需要，因此非穩(wěn)態(tài)測量方法開始被采用。

研究主要采用非穩(wěn)態(tài)測量方法中的瞬態(tài)平面熱源法（Hot Disk 法）進行基礎物性測量[16]。Hot Disk 測量系統(tǒng)由可導電的雙螺旋機構(gòu)繞線探頭、熱常數(shù)分析儀和計算機組成。進行測量時，探頭由支架固定，探頭與被測材料平整接觸，適當施加電流。由于熱效應使探頭溫度升高，探頭電阻發(fā)生變化從而在其兩端產(chǎn)生電壓變化，通過記錄在一段時間內(nèi)電壓和電流的變化可以較為準確的得到探頭和被測樣品中的熱流信息。

3.2 測試結(jié)果分析

利用Hot Disk 測量法進行了21 組測量，試驗板規(guī)格為：300 mm×300 mm×30 mm。測試結(jié)果如圖1 和表2，試驗照片如圖2。

圖2 發(fā)泡水泥導熱系數(shù)實驗照片F(xiàn)ig.2 Test photo of thermal conductivity of foamed cement

表2 發(fā)泡水泥導熱系數(shù)Table 2 Thermal conductivity of foamed cement

圖1 發(fā)泡水泥導熱系數(shù)結(jié)果Fig.1 Results of thermal conductivity of foamed cement

分析21 組數(shù)據(jù)結(jié)果可知，密度平均值為469.11 kg·m-3時，導熱系數(shù)平均值為0.036W/（m·K）-1。如圖1 所示各試件密度與平均值之間的差值范圍-58.643～101.635 kg·m-3，導熱系數(shù)與平均值的差值范圍-0.004～0.002 W/（m·K）-1，說明在密度差值160 kg·m-3左右的范圍內(nèi)，導熱系數(shù)基本穩(wěn)定。發(fā)泡水泥導熱系數(shù)數(shù)值較低，屬于高效保溫材料。

4 結(jié)構(gòu)性能測試

4.1 抗壓測試

4.1.1 測試方法

采用室內(nèi)試驗測試發(fā)泡水泥的抗壓強度。按照150 mm×150 mm×150 mm 規(guī)格的模具制備5 組試件、每組4 個，共計20 個試件，送入標養(yǎng)室養(yǎng)護至規(guī)定齡期，依照GB/T 5486-2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》[17]，采用HYE-300B 型電腦控制壓力試驗機進行抗壓強度測試，試驗照片見圖3。

圖3 發(fā)泡水泥抗壓強度試驗照片F(xiàn)ig.3 Photo of compressive strength test of foamed cement

每個試件的抗壓強度按照下式計算，精確至0.01 MPa。

式中：σ——試件的抗壓強度（MPa）；

P1——試件的破壞荷載（N）；

S——試件的受壓面積（mm2）。

4.1.2 測試結(jié)果分析

發(fā)泡水泥在制模成型過程中因發(fā)生物理化學反應會產(chǎn)生大量大小不均勻的氣孔，所以導致個別試件數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，但是分析各組數(shù)據(jù)平均值后，可見抗壓強度平均值隨密度平均值的增大呈上升趨勢，密度越大孔隙越少，抗壓強度也越高，如圖4 所示。

圖4 發(fā)泡水泥密度與抗壓強度關系圖Fig.4 Diagram of density and compressive strength of foamed cement

4.2 抗折測試

4.2.1 測試方法

抗拉、抗彎、抗剪強度均由抗折試驗測試得出的抗折強度表達。采用室內(nèi)試驗測試發(fā)泡水泥的抗折強度。按照100 mm×100 mm×400 mm 規(guī)格的模具制備5 組試件、每組4 個，共計20 個試件，試件送入標養(yǎng)室養(yǎng)護至規(guī)定齡期，依照GB/T 5486-2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》[17]，采用KZJ-500 型電動抗折試驗機進行抗折強度測試，如圖5 所示。

每個試件的抗折強度按照下式計算，精確至0.01 MPa。

圖5 發(fā)泡水泥抗折強度試驗照片F(xiàn)ig.5 Photo of foamed cement flexural strength test

式中：R——試件的抗折強度（MPa）；

P2——試件的破壞荷載（N）；

L2——下支座輥軸中心間距（mm）；

b——試件寬度（mm）；

h——試件厚度（mm）。

4.2.2 測試結(jié)果分析

發(fā)泡水泥的各組抗折強度平均值隨密度平均值的變化規(guī)律總體上升，構(gòu)件越密實，內(nèi)部的微裂縫少，抗折時裂縫開展緩慢，抗折能力越強如圖6 所示。

圖6 發(fā)泡水泥密度與抗折強度關系圖Fig.6 Diagram of density and flexural strength of foamed cement

4.3 凍融性能測試

4.3.1 測試方法

采用快凍法抗凍試驗（GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[18]），將100 mm×100 mm×100 mm 規(guī)格的模具制備5 組試件、每組4 個，共計20 個試件放入凍融箱內(nèi)進行試驗。凍融試驗照片見圖7。單個試件的質(zhì)量損失率按照下式計算：

圖7 發(fā)泡水泥凍融試驗照片F(xiàn)ig.7 Photo of freeze-thaw test of foamed cement

式中：ΔWni—N 次凍融循環(huán)后第i 個混凝土試件的質(zhì)量損失率（%）；

W0i—凍融循環(huán)試驗前第i 個混凝土試件的質(zhì)量（g）；

Wni—N 次凍融循環(huán)后第i 個混凝土試件的質(zhì)量（g）。

一組試件的平均質(zhì)量損失率按照下式計算：

式中：ΔWn—N 次凍融循環(huán)后一組混凝土試件的平均質(zhì)量損失率（%）

4.3.2 測試結(jié)果分析

在溫度變化-20～20 ℃范圍內(nèi)，經(jīng)過200 次凍融循環(huán)，試驗如圖7 所示。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)密度越大質(zhì)量損失率越低，密度達到240 kg·m-3以上時平均質(zhì)量損失率低于5%（見圖8），發(fā)泡水泥的抗凍等級F200，耐寒性強。

圖8 發(fā)泡水泥密度與凍融質(zhì)量損失率關系圖Fig.8 Diagram of density of foamed cement and loss rate of freeze-thaw quality

4.4 干表觀密度測試

4.4.1 測試方法

等抗折試驗結(jié)束后，5 組試件中分別選出4 個，共計20 個試件，切割成100 mm×100 mm×100 mm 尺寸備用。依照GB/T 5486-2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》[17]試驗，干表觀密度按照下式計算，精確至0.1。該組試件的干密度值應為4 塊試件干密度的平均值。

式中：ρ0—干密度（kg·m-3）；

m0—試件烘干質(zhì)量（g）；

V—試件的體積（mm3）。

4.4.2 測試結(jié)果分析

雙氧水比例越大，發(fā)泡后孔隙越多，發(fā)泡水泥密度越小，見圖9。

圖9 發(fā)泡水泥密度與干表觀密度關系圖Fig.9 Diagram of density and dry apparent density of foamed cement

4.5 吸水率試驗測試

4.5.1 測試方法

按照規(guī)范要求用吸水率表達發(fā)泡水泥的孔隙率。采用干表觀密度測試結(jié)束后的5 組試件，每組4個，共計20 個100 mm×100 mm×100 mm 試件。依照GB/T 5486-2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》[17]試驗，試驗照片見圖10。按照下式計算吸水率，精確至0.01%。

圖10 吸水率試驗照片F(xiàn)ig.10 Photo of water absorption test

式中：WR—吸水率（%）；

m0—試件烘干后質(zhì)量（g）；

mg—試件吸水后質(zhì)量（g）。

4.5.2 測試結(jié)果分析

各組試件的吸水率應為4 塊試件吸水率的平均值。由圖11 可知吸水率與密度關系不大，吸水率數(shù)值相對穩(wěn)定。各組吸水率平均值均小于10%，滿足規(guī)范要求。

圖11 發(fā)泡水泥密度與吸水率關系圖Fig.11 Foamed cement density and water absorption rate diagram

為量化展示結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，將抗壓強度、抗折強度、凍融性能、干表觀密度、吸水率試驗各組平均值結(jié)果列于表3。

表3 發(fā)泡水泥結(jié)構(gòu)性能試驗結(jié)果（各組取平均值）Table 3 Results of structural performance test of foamed cement（average value for each group）

5 發(fā)泡水泥應用于管道保溫性能測試

將管道周圍環(huán)繞伴熱帶后，將管道用40 mm 厚度PVC 塑料管將其環(huán)套，中間澆筑發(fā)泡水泥厚度為64 mm，性能測試過程中并采用伴熱帶加熱管道。對采取現(xiàn)澆發(fā)泡水泥保溫形式的管道進行冬季試驗數(shù)據(jù)監(jiān)測，主要包括保溫層內(nèi)壁面溫度、保溫層外壁面溫度、塑料管道外壁面溫度。通過計算獲得瞬態(tài)導熱系數(shù)，對溫度升高狀態(tài)下保溫材料保溫性能變化，長期運行對保溫材料保溫性能影響展開研究。

圖12 管道保溫測試現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.12 Photo of pipe insulation test

5.1 測試方案

試驗選取設置油井管道并添加保溫層進行現(xiàn)澆發(fā)泡水泥保溫性能測試試驗。測試方案如下：

（1）在油井管道外設置塑料管道，之間填充現(xiàn)澆發(fā)泡水泥，結(jié)合之前所述發(fā)泡水泥的導熱系數(shù)受密度影響較小，根據(jù)結(jié)構(gòu)性能測試結(jié)果分析，選取數(shù)據(jù)均較接近平均值的第3 組配合比方案制備發(fā)泡水泥。管道內(nèi)部填充流體，作為熱源以設定溫度加熱。

（2）測試試驗中設置多個溫度測點。在發(fā)泡水泥內(nèi)壁（油井管道外壁）、發(fā)泡水泥外壁（塑料管道內(nèi)壁）分別設置兩個監(jiān)測點，并在塑料管外壁設置溫度檢測點并設置備用測點，用膠帶將熱電偶固定在相應測點位置，對測點進行依次編號并將熱電偶連接至安捷倫數(shù)據(jù)采集儀器，進行長時間段溫度監(jiān)測，設置10 s 為1 次讀取溫度數(shù)據(jù)間隔，獲取試驗數(shù)據(jù)。

（3） 測試時間選取大慶冬季（2021.01.31—2021.03.15），為探究現(xiàn)澆發(fā)泡水泥保溫性能，進行以下實驗：

①加熱測試：首先開啟熱源，設定熱源溫度，通過儀器監(jiān)測各個測點數(shù)據(jù)，計算保溫層內(nèi)外壁溫差、塑料管內(nèi)外溫差等數(shù)據(jù)，分析加熱狀態(tài)下保溫性能的變化情況。

②長期運行測試：通過設定相同熱源溫度，長時間通過儀器監(jiān)測各個測點數(shù)據(jù)，監(jiān)測在不同熱源溫度下長期運行的溫度實驗數(shù)據(jù)，分析保溫材料在長期使用后保溫性能衰減的情況。

（4）整理計算測試所得實驗數(shù)據(jù)，計算保溫材料瞬態(tài)導熱系數(shù)并進行分析。

5.2 保溫性能分析

根據(jù)數(shù)據(jù)采集儀器采集管道所布測點溫度數(shù)據(jù)，通過計算獲得管道穩(wěn)態(tài)傳熱量及瞬態(tài)導熱系數(shù)，進而通過所得數(shù)據(jù)分別對比分析溫度、長期運行對現(xiàn)澆發(fā)泡水泥保溫性能的影響。

5.2.1 溫度升高對保溫材料性能影響

圖13 為管道內(nèi)熱源溫度升高情況下，依照實驗測試數(shù)據(jù)得出的現(xiàn)澆發(fā)泡水泥瞬態(tài)導熱系數(shù)的變化情況。由圖可以看出熱源溫度在70～80 ℃之間時，現(xiàn)澆發(fā)泡水泥的導熱系數(shù)隨溫度升高大幅降低，最低為0.039 W/（m·K）-1；在80 ℃至90 ℃之間，導熱系數(shù)隨溫度升高大幅增大；在95～200 ℃之間，導熱系數(shù)隨溫度升高緩慢變大，最高為0.141 W/（m·K）-1；超過200 ℃之后，導熱系數(shù)隨溫度升高緩慢下降，在250 ℃時達到0.089 W/（m·K）-1。因此得出，溫度升高對保溫材料保溫性能的影響并非線性化（不排除實驗測試收集數(shù)據(jù)誤差）。

圖13 熱源溫度升高對現(xiàn)澆發(fā)泡水泥保溫性能影響Fig.13 Influence of heat source temperature rise on thermal insulation performance of cast-in-place foamed cement

5.2.2 長期運行對保溫材料性能影響

圖14~16 為設定相同熱源溫度，長期運行狀態(tài)下，現(xiàn)澆發(fā)泡水泥導熱系數(shù)變化規(guī)律。由圖14~16 可以得出，在相同熱源溫度下，現(xiàn)澆發(fā)泡水泥導熱系數(shù)均隨著運行時間而導熱系數(shù)降低，說明發(fā)泡水泥的保溫性能隨時間的增加效果增強。

圖14 熱源溫度70～85 ℃長期運行對現(xiàn)澆發(fā)泡水泥保溫性能影響Fig.14 Influence of heat source temperature 70-85 ℃long-term operation on thermal insulation performance of cast-in-place foamed cement

6 結(jié)論

深入研究了發(fā)泡水泥用雙氧水控制發(fā)泡量后，得到對應的密度等基本物理參數(shù)、抗壓抗折強度等力學參數(shù)，進行了管道保溫性能測試試驗分析導熱系數(shù)受溫度的影響，得出以下結(jié)論：

（1）發(fā)泡水泥的導熱系數(shù)受密度變化影響不明顯，數(shù)值相對穩(wěn)定，保溫隔熱效果較好。

圖15 熱源溫度90～150 ℃長期運行對現(xiàn)澆發(fā)泡水泥保溫性能影響Fig.15 Influence of heat source temperature 90-150 ℃long-term operation on thermal insulation performance of cast-in-place foamed cement

圖16 熱源溫度170～250 ℃長期運行對現(xiàn)澆發(fā)泡水泥保溫性能影響Fig.16 Influence of heat source temperature 170-250 ℃long-term operation on thermal insulation performance of cast-in-place foamed cement

（2）發(fā)泡水泥的力學性能規(guī)律性明顯：隨著密度的增大，抗壓強度和抗折強度逐漸增大，抗凍性能增強；吸水率與密度關系不大，相對穩(wěn)定。

由管道保溫性能測試試驗可知，在85 ℃以下環(huán)境中，現(xiàn)澆發(fā)泡水泥導熱系數(shù)非常穩(wěn)定，約為0.040 W/（m·K）-1，保溫性能優(yōu)異。在85 ℃以上，發(fā)泡水泥導熱系數(shù)增大并有波動性，約為0.080 W/（m·K）-1；在150 ℃以上導熱系數(shù)增大明顯，表明保溫性能略有衰減跡象。在各種溫度環(huán)境下，現(xiàn)澆發(fā)泡水泥導熱系數(shù)均隨著時間推移明顯減小并趨于穩(wěn)定，說明保溫性能越來越好，越來越穩(wěn)定。

研究結(jié)果表明，大慶市碧千里科技開發(fā)有限公司研制的發(fā)泡水泥的有一定的抗壓能力、吸水率低、抗凍性好、保溫性能優(yōu)異、耐高溫，可以在中高溫輸油、供熱管道等保溫工程中推廣應用。