納米SiO2微粒對泡沫混凝土性能影響分析

肖文淇,趙洪凱

(吉林建筑科技學院,吉林 長春 130114)

民用建筑節(jié)能已成為全球能源危機背景下最迫切需要解決的難題之一[1]。保溫隔熱材料的應用,在降低現(xiàn)代民用建筑使用壽命周期能耗的同時,還能明顯減少建筑圍護層的熱損失。

目前在一些國家,建筑能耗已超過總能耗的35%[2-3],為了降低建筑能耗,許多國家都出臺了相關政策,例如使用保溫材料[4-6]。絕熱材料多為多孔輕質材料,一般可分為兩大類[7-8],一類為有機絕熱材料,另一類為無機絕熱材料。由于有機保溫材料具有可循環(huán)利用和節(jié)約資源的優(yōu)點,在過去幾十年中,有機保溫材料的應用非常廣泛[9]。然而,在發(fā)生的火災中,發(fā)現(xiàn)有機保溫材料存在火災安全隱患[10-11]。許多國家已在建筑外保溫系統(tǒng)中應用無機保溫材料,逐步取代了耐火性能好的有機保溫材料。泡沫混凝土則成為常用的無機保溫材料之一,泡沫混凝土是以水泥為基礎材料,經(jīng)物理發(fā)泡或化學發(fā)泡制備而成,與有機保溫材料相比,其保溫性能較好,但由于結構不穩(wěn)定,在一定程度上限制了其應用領域。

近年來,在執(zhí)行各種建筑能效評級制度的基礎上,大力推廣高能效建筑。因此,用于改善建筑的各種絕緣體的實用方法也逐漸被國際建筑界重視。生產絕緣體所必需的材料聚苯乙烯發(fā)泡塑料具有極好的絕緣性和較輕的質量。但潛在的危險是,因為它燃燒速度快,釋放的有害氣體很多,暴露在火場里[12]。因此,逐漸提高了對無機絕緣體的低傳熱性能的要求。

作為建筑行業(yè)的保溫材料,泡沫混凝土由于孔隙連接增多,在潮濕環(huán)境中,孔隙結構經(jīng)常表現(xiàn)為連續(xù)性、高吸水性, 因而造成泡沫混凝土熱傳遞阻力的提升。此外,泡沫混凝土的連續(xù)孔隙結構,如受凍破裂或霉菌擴散等,吸收的水分往往會引起二次損害。因為成本低,制備方便,孔隙率高,熱導率低,防火性能好,所以倍受重視[13]。本文擬在泡沫混凝土中摻入不同占比的納米SiO2,分析摻入納米SiO2微粒后泡沫混凝土的保溫性能和力學性能。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥為吉林亞泰水泥股份有限公司提供的鼎鹿牌普通硅酸鹽水泥,強度為 P.O 42.5,比表面積為 800 m2/kg,符合 《硅酸鹽通用水泥》(GB 175—2020)標準。發(fā)泡劑為山東制造生產的動物蛋白發(fā)泡劑,外表呈深褐色液體、氣味明顯。納米SiO2(Nano-silica,NS)來源于德國瓦克制備生成,粒徑處于30 nm～40 nm范圍之間,表面積為110 m2/g～140 m2/g之間不等。水為實驗室自制去離子水。羥丙基甲基纖維素(HPMC)、鋁酸鈉和聚丙烯纖維均為鼎盛孚美科技發(fā)展有限公司生產。

1.2 試驗方案

1.2.1 配合比設計

泡沫混凝土中添加了一定量的HPMC、鋁酸鈉和聚丙烯纖維三種材料,以改變泡沫混凝土材料的性能。羥丙基甲基纖維素(HPMC)可以提高溶液的濃稠性,使得泡沫的穩(wěn)定性得到提高;鋁酸鈉能夠促進水泥的水化反應;而聚丙烯纖維能夠有效抑制收縮開裂,同時可略微提高強度。試驗主要應用了單因素變量法,確定納米SiO2的摻量,以基本試樣為對照組,通過納米SiO2不同摻量的添加,研究并分析試樣干密度、抗壓強度、導熱性能及微觀結構。具體配比設計如表1所示。

表1 實驗配比

1.2.2 試樣制備

先將HPMC與水混合攪拌,然后將水泥、鋁酸鈉、聚丙烯纖維和納米SiO2按照試驗要求的比例混合攪拌均勻,然后將兩者混合攪拌在一起,按照規(guī)定的攪拌時間和速率攪拌成均勻穩(wěn)定的漿料,再加入發(fā)泡劑繼續(xù)均勻攪拌,最后注入試模。并按照相應的性能測定標準要求進行試樣的維護和處理。

2 結果與討論

2.1 納米SiO2對泡沫混凝土性能影響

2.1.1 干密度

通過對制備的泡沫混凝土試樣進行測試,探究納米SiO2的質量占比與泡沫混凝土干密度之間的關系。干密度隨NS質量占比關系如圖1所示。泡沫混凝土干密度增高是由于NS密度大于水溶液密度,隨著溶液中NS摻量的增加使得泡沫混凝土密度增高。

圖1 NS的質量占比對干密度的影響

2.1.2 抗壓強度

泡沫混凝土在3 d、7 d、28 d齡期抗壓強度的測定結果見圖2。

圖2 不同NS摻量的抗壓強度

由圖2可知,對于不同摻量的泡沫混凝土試樣,隨養(yǎng)護時間的增加,其強度也隨之增加。當NS摻量為2%時,測得3 d、7 d、28 d的抗壓強度分別為0.85 MPa、3.33 MPa、5.40 MPa。摻量增加至10%時,其3 d、7 d、28 d的抗壓強度分別為1.19 MPa、4.18 MPa、6.47 MPa。相比NS摻量為2%增加40.9%、25.6%、19.8%。這表明,隨著NS摻量的增加,抗壓強度顯著提高。泡沫混凝土中NS的摻量為2%,4%,6%,8%,10%時,泡沫混凝土28 d的抗壓強度為5.42 MPa,5.68 MPa,5.9 MPa,6.21 MPa,6.49 MPa,較基準試樣強度有明顯提高,28 d基準試樣強度為3.59 MPa。與此值相比,NS 摻量為2%和10%的抗壓強度分別為基準試樣抗壓強度的1.5倍和 1.8倍。

由文獻[14]可知,大部分納米SiO2都會反映出一定程度的火山灰活性,這種屬性主要是由于其自身存在的比表面積大量的水化硅酸鈣(C-S-H)出現(xiàn)在水化產物Ca(OH)2的化學反應中,對應的方程式被表述為:

3Ca(OH)2+nH2O+2SiO2→3CaO·2SiO2·(n+3)H2O

由于納米SiO2微粒附著在泡沫混凝土表面,NS與氫氧化鈣發(fā)生化學反應,可使孔壁內部的孔隙填平,繼而使孔壁強度增高,從而顯著增強泡沫混凝土的力學性能,在孔壁內生成一層無片狀水化物,即 C-S-H 水化物。

2.1.3 納米SiO2對泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響

導熱系數(shù)越小其保溫性能越好,為了降低導熱系數(shù),通過改變納米SiO2摻量,使得材料起到較好的保溫效果。

由圖3可知,當添加不同摻量的NS時,導熱系數(shù)隨摻量的增加而減小,保溫性能逐漸變好。在NS摻量為2%和10%的情況下,泡沫混凝土的導熱系數(shù)分別為0.118 W/(m·K)和0.088 W/(m·K),與之相比降低了 25.8%。隨著NS摻量的增加,其絕熱性能顯著提升。

圖3 不同NS摻量的泡沫混凝土的導熱系數(shù)

由于氣泡尺寸分布變窄,泌水通道逐漸變成結點,同時結點和通道處聚集了大量的納米SiO2聚合體,導致泌水通道被堵塞,水分吸收量減少,通道表面被完全包住,從而更好地分離氣泡,導致泌水通道的連通程度降低。影響熱傳導因素主要有三點:氣泡孔大小、氣孔構造、氣泡孔穩(wěn)固性。

2.2 納米SiO2對泡沫混凝土微觀結構分析

試樣SEM掃描電鏡圖片如圖4所示。圖4(a)為試樣Ref的SEM圖,由于沒有摻加納米NS顆粒,可以在孔壁的內壁上清晰看見大量的氫氧化鈣存在。圖4(b)為試樣NS5的SEM圖,在此試樣中摻入了10%的納米NS顆粒,可見其內部不產生氫氧化鈣,而是產生水化產物,即水化硅酸鈣(C-S-H),將試樣孔壁中的孔隙通過C-S-H填充,使孔壁強度升高,同樣試樣的抗壓強度也相對增強。

圖4 NS泡沫混凝土孔壁形貌圖

2.3 納米SiO2對泡沫混凝土孔徑結構影響及其分布測定

借助電子顯微鏡觀察不同NS摻量泡沫混凝土微觀結構見圖5。

(a) NS1 (b) NS2 (c) NS3 (d) NS4 (e) NS5圖5 不同NS摻量的泡沫混凝土的掃描電子顯微鏡(上)及對應的二值化圖像(下)

由圖5可知,基準試樣的泡沫混凝土內部孔徑較大,且孔徑分布不均,存在孔洞相連的現(xiàn)象,隨著NS摻量增加泡沫混凝土大孔隙相對含量不斷降低,小孔隙顯著增加,孔隙連通得到明顯改善,孔徑分布趨于均勻。且不存在連通孔的現(xiàn)象。

不同NS摻量孔徑分布情況參考圖6。由圖6(a)發(fā)現(xiàn)基準試樣的孔徑分布范圍較寬,孔徑大小相對不均勻,在1 000 μm～2 000 μm的范圍內,仍有許多泡孔存在,且孔徑尺寸越大,對泡沫混凝土吸水率的影響越大,導熱性能的影響也就越大,但隨著NS摻量的逐漸增加。發(fā)現(xiàn)NS1、NS2、NS3、NS4、NS5試樣的孔徑分布范圍逐漸變窄,并且在小孔徑范圍內分布較多,孔徑大小分布相對均勻。與基準試樣相比,圖6(d)試樣NS3的孔徑尺寸在200 μm～600 μm范圍分布較多,但在1 000 μm～2 000 μm范圍也存在少量的泡孔。當NS摻量為5%時,試樣NS5的孔徑尺寸在200 μm～400 μm范圍的較多,而1 000 μm～2 000 μm范圍的大孔徑的泡孔幾乎沒有,如圖6(f)所示。這說明,隨著 NS 摻量的增加,孔徑尺寸細化,分布更加均勻,主要是由于納米NS在氣泡表面排布,阻礙了氣泡的運動,使生成的氣泡內部完整存在,因此,NS的摻量增加,孔徑尺寸也就更加均勻。

圖6 不同NS摻量的泡沫混凝土的孔徑分布圖

2.4 三相泡沫穩(wěn)定機理分析

Jones M R[15]在其開展的相關研究中表示,對于大多數(shù)泡沫混凝土來說,其呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)的主要因素其實是泡沫受到的浮力,造成泡沫不易控制,容易脫離漿料,從而使氣相固相完全分離,泡沫混凝土漿體塌陷,如圖7所示。

圖7 超低密度泡沫混凝土塌陷示意圖

泡沫與水泥漿料混合后,氣泡會出現(xiàn)一定的分離現(xiàn)象,不同類型的力作用于氣泡表面,由于表面活性劑的作用,在一定程度上影響了泡沫的表面張力,同時也影響了氣泡浮力,從而產生了相應的變化。氣泡受力圖如圖8所示,圖8(a)顯示了漿料中普通泡沫所施加的力,氣泡在每個力的作用下逐漸趨于平衡。在具體的反應過程中,氣泡受到浮力的影響不斷呈現(xiàn)上升的趨勢,上升導致極限力(Fc)減小,氣泡的體積不斷增大,與空氣接觸后,受到表面張力的變化產生聚結,再次長大,一旦與表面接觸就會發(fā)生破裂,出現(xiàn)坍塌。

圖8 普通氣泡受力圖和摻加NS受力圖

圖8(b)主要表述為HPMC和NS在泥漿中施加的力的示意圖。HPMC在摻入水泥基漿料中時,由于NS顆?？勺杂晌皆跉馀荼砻?受時間影響,表面張力呈下降趨勢,因此可實現(xiàn)液膜強度的顯著提高,再加上氣泡逐漸被納米顆粒表面包裹,使得水泥漿和氣泡之間的表面積不斷增大,導致移動摩擦阻力不斷增大,進而在漿體內泡孔能夠穩(wěn)定存在,隨著引入納米NS的摻量增加,摩擦阻力相對變大,氣泡也越難移動。由此可見,基于多孔材料完成水泥的制備,能夠有效實現(xiàn)氣泡尺寸的細化,實現(xiàn)強度的提升。

泡沫混凝土為氣泡和水泥漿料組成的兩相系。當混凝土凝結時,體系開始收縮,而水泥漿料卻開始膨脹。當氣泡與水泥漿料混合后,氣泡表面張力穩(wěn)定著材料體系,使其不會被破壞。但如果時間過長,表面張力就會逐漸降低,如果泥漿強度沒有達到氣泡穩(wěn)定性的下限,氣泡就會破裂,導致泡沫混凝土無法達到預期的性能指標。在本試驗中,我們采用了納米顆粒和穩(wěn)定劑,有效地改善了表面張力,當泥漿強度剛好達到氣泡穩(wěn)定性的下限時,泡沫并未破裂,從而使泡沫混凝土的性能指標得到了預期的效果。這就是通過運用三相泡沫的實驗方法,有效地改善泡沫混凝土性能的原理。

3 結 論

本試驗主要完成了納米 NS 顆粒對泡沫混凝土的性能影響和分析,從干密度、吸水率、抗壓強度、微觀孔隙結構、導熱系數(shù)共 5 個因素進行研究,并以此為基礎,對泡沫混凝土自身的穩(wěn)定性增強原理進行了分析,總結如下:

(1) 基準試樣泡沫混凝土的干密度為411.07 kg/m3,隨著納米NS摻入量的增加,其干密度也變大,當納米NS顆粒質量摻量為10%時,比基準試樣的干密度增加7.2%,這主要是因為納米NS的密度大于水溶液。因此使得泡沫混凝土的干密度有所增加。

(2) 摻入10%納米SiO2泡沫混凝土的抗壓強度比基準試樣高80.6%。由于NS吸附在氣泡表面,與水化產物氫氧化鈣實現(xiàn)化學反應,在孔壁上形成了C-S-H凝膠,使孔壁致密均勻,同時泡沫混凝土的孔徑也因NS的引入而變得更加細密、分布更加均勻。

(3) 泡沫混凝土干密度的大小與保溫隔熱性能有直接的關系。納米NS顆粒質量摻量為10%時,其導熱系數(shù)分別為0.088 W/(m·K)。隨著納米NS摻量越來越大,吸水性和導熱性也逐漸變小。由此可見,在不同的節(jié)點區(qū)域中通常會出現(xiàn)一定量的納米SiO2團聚體,導致水分的吸收量變少,泡孔表面被包裹趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此吸水率降低的同時其保溫性能也相應得到改善。

(4) 通過掃描電子顯微鏡觀察泡沫混凝土的孔體結構可以看出,利用納米NS可以提高泡沫混凝土的穩(wěn)定性和力學性能,隨著時間的延長,氣泡的表面張力逐漸降低,漿體與氣泡的比表面積增大的同時,其摩擦阻力也隨之增大,從而使氣泡在水泥漿料中穩(wěn)定地排列?？捉Y構也相應得到改善,從而力學性能增強。

(5) NS的引入之所以增強了泡沫混凝土的穩(wěn)定性,是因為NS顆粒在氣泡表面吸附了自由能量,此時受時間影響,表面張力呈下降趨勢,使得水泥漿與氣泡的比表面積不斷增大,移動摩擦阻力也隨之增大,進而在漿體內部穩(wěn)定了大量的泡孔,有效的實現(xiàn)了泡孔尺寸的細化,因此,NS顆粒在氣泡表面的穩(wěn)定性也有相對提高。