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      白泥纖維對發(fā)泡水泥性能影響的研究

      2014-06-27 05:58:04蘇秀霞曹鵬妮鄭小鵬
      陜西科技大學學報 2014年3期
      關鍵詞:白泥泡孔抗壓

      蘇秀霞, 曹鵬妮, 鄭小鵬

      (1.陜西科技大學 教育部輕化工助劑化學與技術重點實驗室, 陜西 西安 710021; 2.上海潔聯環(huán)??萍加邢薰?,上海 201721)

      0 引言

      發(fā)泡水泥是以水泥為膠凝材料,通過添加適當的外加劑(發(fā)泡劑除外),加水混合,攪拌成均勻的漿體,然后,在漿體中,加入化學發(fā)泡劑產生氣泡,經過硬化成型,養(yǎng)護而制成的一種含有大量封閉氣孔的輕質多孔材料[1,2].它因具有防火性能等級高,環(huán)保、耐老化、成本低等優(yōu)點[3],而受到了人們的關注,是目前市場上較為理想的新型墻體保溫材料,可是,與傳統(tǒng)的有機保溫材料相比,其導熱系數高、干密度大[4],嚴重阻礙了其在市場上的推廣使用,因此,本論文通過添加白泥纖維的方法,來改善發(fā)泡水泥的性能,以此來降低其導熱系數,提高力學性能和降低干密度[5].白泥纖維疏水性很強,易結團、絮聚[6],因此使用白泥纖維時,必須對其進行均勻的分散,方能體現其在發(fā)泡水泥試樣中的功能.本實驗以羧甲基纖維素鈉(CMC)為分散劑對白泥纖維進行分散[7],通過濁度法[8]分別選擇出不同摻量纖維的最佳分散劑濃度,然后將不同摻量的白泥纖維加入料漿中,制備出白泥纖維發(fā)泡水泥外墻外保溫材料,研究測試試樣的力學性能,并對發(fā)泡水泥試樣斷面的泡孔結構進行觀察和分析.

      1 實驗部分

      1.1 原料及儀器

      (1)原料:白泥纖維,上海潔聯環(huán)??萍加邢薰咎峁?;42.5復合硅酸鹽水泥,陜西某水泥廠提供;分散劑:羧甲基纖維素鈉,實驗純;化學發(fā)泡劑:H2O2(30%);催化劑:MnO2,化學純;穩(wěn)泡劑:硬脂酸鈣,化學純.

      (2)儀器:JB90-D型強力電動攪拌機,上海標本模型廠制造;PT-1036PC型萬能材料實驗機,臺灣寶大國際儀器有限公司;電子天平;模具.

      1.2 實驗方法

      1.2.1 白泥纖維的分散

      首先,在100 mL自來水中加入不同質量的散劑,配置不同質量分數的分散劑溶液,然后,將相同量的白泥纖維依次加入分散劑溶液中,添加方式以少量多次為宜,攪拌使其分散均勻,制備出一系列分散質的量相同,而分散劑濃度不同的分散體系.

      1.2.2 白泥纖維增強發(fā)泡水泥的試樣制備

      發(fā)泡水泥試樣包括空白發(fā)泡水泥A0;添加最佳量的分散劑,使白泥纖維均勻的分散在分散劑溶液中,制備白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣A1~A7;未添加分散劑對白泥纖維進行分散的白泥纖維增強發(fā)泡水泥A8.三種配比如表1所示,其中:白泥纖維、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、催化劑的摻量均為與水泥的質量比,試樣的制備方法:(1)空白發(fā)泡水泥,先將水泥、穩(wěn)泡劑、催化劑混合均勻,加入盛有一定量水的攪拌桶中,運用攪拌器快速攪拌均勻,再加入化學發(fā)泡劑攪拌30 s,然后將料漿注入10 cm×10 cm×10 cm模具中,靜停發(fā)泡,硬化成型,脫模,在室溫下養(yǎng)護,最終得產品;(2)添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥,在最佳量的分散劑溶液中,加入白泥纖維,攪拌使其分散均勻,然后向其中加入已混合均勻的固體料(水泥、穩(wěn)泡劑、催化劑),重復上述操作,制備出添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣;(3)未添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥,首先,將白泥纖維加入水中,攪拌使其盡量分散開,然后向其中加入混合均勻的固體料,重復上述操作,制備出未添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣.

      表1 白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣配比(與水泥的質量比)

      1.2.3 分散劑濃度的優(yōu)化

      以沉降法來表征白泥纖維在分散劑溶液中的分散性,不同的分散體系其分散質沉降的速度不同,分別觀察記錄B1~B7七組不同質量比的白泥纖維在0.00%、0.70%、0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%、1.50%的分散劑濃度下沉降的時間,即當纖維均勻的分散在分散劑溶液中開始計時,分散體系開始出現分層狀態(tài)停止計時,該段時間記為纖維沉降的時間[9],纖維摻量沉降時間越長,表明白泥纖維分散的更為均勻[10].

      1.2.4 力學性能的測試

      將按A0~A8配比制備的試樣,養(yǎng)護28 d后,用鋸條切去上表面的面包頭,使試樣上下面相互平行,呈長方體形,參照GB/T17671-1999,在萬能材料實驗機上測定試樣的抗壓和抗折強度.

      1.2.5 泡孔結構分析

      對空白試樣和添加最佳量分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣以及未添加分散劑的白泥纖維增強發(fā)泡水泥試樣斷面的泡孔結構進行觀察和分析.

      2 結果與討論

      2.1 分散劑濃度對白泥纖維分散的影響

      觀察記錄每個分散體系分散質白泥纖維的沉降時間,結果如表2所示.

      表2 分散劑濃度對白泥纖維分散的影響

      分析上述實驗結果可發(fā)現:(1)當白泥纖維摻量為0.71%、1.43%、2.14%、2.86%、3.57%、4.29%、5.00%時,隨著分散劑濃度的增加,白泥纖維在分散體系沉降的時間先增長后縮短,而將白泥纖維加入無分散劑的水中時,產生絮狀,即分散效果很差.(2)對不同摻量的白泥纖維,沉降的時間最長、分散效果好的分散劑濃度為:0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%.CMC分散劑結構圖如下:

      CMC結構中含有親水基團羥基、羧基和憎水基團烴基,其中,分子中的親水基團與水中的羥基形成氫鍵,使得分散劑溶液的表面張力急劇下降,故增加了白泥纖維的親水性和潤濕性,提高了分散性,形成了類膠體分散體系[11],同時,在纖維表面的非極性物質極易吸附分散劑中的非極性基團,降低了白泥纖維和水溶液之間的表面張力,進一步提高了纖維在水溶液中的自由分散能力.但若CMC濃度過大,溶液的黏度變大, 影響了分散體系的流動性,反而阻礙了白泥纖維的分散[12].

      2.2 白泥纖維對發(fā)泡水泥力學性能的影響

      對試樣A0~A8分別進行抗壓和抗折強度的測試,其測試結果如圖1所示.

      (a)纖維摻量對發(fā)泡水泥試樣抗壓強度的影響

      (b)纖維摻量對發(fā)泡水泥試樣抗折強度的影響圖1 纖維摻量對發(fā)泡水泥試樣抗壓、抗折強度的影響

      觀察圖1,可見:(1)與空白試樣相比,不同摻量的白泥纖維發(fā)泡水泥試樣其抗壓和抗折強度均有不同程度的提高;(2)當白泥纖維摻量4.29%時,隨著白泥纖維摻量增加,試樣的抗壓和抗折強度逐漸增大,而當白泥纖維摻量>4.29%時,隨著白泥纖維摻量的增加,試樣的抗壓和抗折強度總體上均呈現下降趨勢,因此,當白泥纖維摻量為4.29%時,試樣的抗壓和抗折強度最佳;(3)序號A7試樣,白泥纖維摻量為4.29%,抗壓強度和抗折強度分別為0.81 MPa、0.34 MPa.

      發(fā)泡水泥試樣的抗壓強度和抗折強度主要取決于兩個條件:(1)制備試樣所選取的水泥種類、試樣干密度以及試樣水灰比;(2)試樣斷面的泡孔結構.很顯然,序號A0~A8試樣的第1個條件都相同,故條件2是影響試樣抗壓強度和抗折強度的主要因素,由力學知識可知,試樣斷面的孔越接近球形,大小越均勻,其尺寸也就越小,試樣受力時,應力的分布就越均勻[13],白泥纖維的摻入,使試樣斷面泡孔結構變得更加均勻,更加細小,因此,提高了試樣的抗壓和抗折強度[14],同時,利用纖維之間的相互交織作用提高產品的抗裂性與耐久性,增加了試樣的強度;然而當試樣中白泥纖維的摻量>4.29%時,在水泥料漿中,纖維絮凝,結團,導致試樣的抗壓和抗折強度降低[15].

      2.3 白泥纖維對發(fā)泡水泥泡孔結構的影響

      圖2為空白發(fā)泡水泥試樣和添加分散劑濃度1.30%、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥及未添加分散劑、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥斷面泡孔結構圖:

      (a)空白試樣

      (b)1.30%分散劑、4.29%纖維試樣

      (c)無分散劑、4.29%纖維試樣圖2 白泥纖維對發(fā)泡水泥的泡孔結構

      觀察圖2,由圖可見:(1)空白發(fā)泡水泥試樣斷面泡孔的孔徑大小居于圖2(b)和圖2(c)之間;(2)試樣泡孔的形狀分別為:(a)球形,(b)球形,(c)橢圓形;(3)試樣泡孔的分布情況:(a)較均勻,(b)均勻,(c)不均勻.分散劑被包覆在白泥纖維表面,而分散劑本身含有親水基團,使得纖維表面親水性增大,與水泥料漿之間的潤濕性增大,化學鍵合力也得到進一步增強[16],因此,圖2(b)孔徑小、泡孔的形狀為球形,泡孔分布的更加均勻.

      3 結論

      (1)白泥纖維分散的是否均勻極大地影響著發(fā)泡水泥的性能,對于白泥纖維摻量為0.71%、1.43%、2.14%、2.86%、3.57%、4.29%、5.00%,沉降時間長、對白泥纖維分散效果好的分散劑濃度為0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%.

      (2)白泥纖維能夠顯著地增加發(fā)泡水泥的力學性能,當添加分散劑濃度為1.30%、白泥纖維摻量為4.29%時,發(fā)泡水泥試樣的抗壓和抗折強度分別達到最大值,即為:0.81 MPa和0.34 MPa.

      (3)均勻分散的白泥纖維能夠明顯改善發(fā)泡水泥斷面的泡孔結構,與空白試樣以及未添加分散劑、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥相比,添加分散劑濃度1.30%,白泥纖維4.29%的發(fā)泡水泥斷面的泡孔結構得到了很大地改善,其孔徑小,形狀為球形且分布均勻.

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