鋁發(fā)泡劑改性水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的制備及性能研究*

程?，?，楊瑞敏，馬 露

(安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院，安徽 蚌埠 233000)

0 引 言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的飛速進步，對于能源的需求越來越大，而目前我國的能源供應(yīng)主要依靠煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石燃料，按照我國當(dāng)前的需求速度，預(yù)計使用的期限不超過200年，能源危機已逐漸成為阻礙發(fā)展的問題。為了保證可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能降耗、綠色環(huán)保建筑必定是未來的發(fā)展方向[1-5]。在節(jié)能降耗的工程中，提升建筑外圍結(jié)構(gòu)的保溫性是最主要的方法之一[6-7]。通常人們會選擇不同的保溫材料來實現(xiàn)保溫和隔熱的目的[8-9]，目前常用的保溫材料按照材質(zhì)可以劃分為有機保溫隔熱材料、無機保溫隔熱材料和金屬保溫隔熱材料[10-13]。在眾多保溫材料的使用和推廣中，發(fā)泡水泥材料憑借其質(zhì)量輕、抗壓強度大、導(dǎo)熱系數(shù)低和隔音效果好等特點脫穎而出，且由于水泥材料的應(yīng)用較多，在建筑工程中占據(jù)了絕大部分，因而發(fā)泡水泥材料開始進入了人們的視野[14-16]。發(fā)泡水泥保溫材料一般是以膠凝材料為基體，通過引入物理發(fā)泡劑或化學(xué)發(fā)泡劑的方法使其充分發(fā)泡，發(fā)泡后的水泥經(jīng)過養(yǎng)護后可形成大量封閉氣孔，該混凝土內(nèi)部形成封閉的泡沫孔，因此可實現(xiàn)輕質(zhì)化和保溫隔熱的目的[17]。近些年來，越來越多的研究者開始對發(fā)泡劑的種類以及改性效果進行研究。李小龍等[18]采用改性纖維對發(fā)泡保溫復(fù)合材料進行增強，研究了纖維增強發(fā)泡保溫復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐水性能，探討了改性泡沫和改性纖維對發(fā)泡保溫復(fù)合材料的增強機制，結(jié)果表明，摻加泡沫明顯降低了發(fā)泡保溫復(fù)合材料的密度和導(dǎo)熱系數(shù)，泡沫改性可有效改善發(fā)泡保溫復(fù)合材料的強度和軟化系數(shù)，摻加改性泡沫試樣的抗折強度、抗壓強度和軟化系數(shù)較摻加乳膠粉試樣的分別提高了21.05%，21.43%和13.56%。李凱斌等[19]以P.O42.5水泥為膠凝材料，雙氧水為發(fā)泡劑，摻雜釩尾礦等固體廢棄物，并添加減水劑等多種外加劑制備發(fā)泡水泥保溫材料，探討了減水劑用量對發(fā)泡水泥各種性能的影響。結(jié)果表明，隨著減水劑用量由2.5 g增加至4.5 g，發(fā)泡水泥的泡孔結(jié)構(gòu)得以改善，泡孔變得致密且分布均一，干密度從0.233下降至0.221 g/cm3，吸水率呈現(xiàn)增大的趨勢，耐水性隨之下降，力學(xué)強度則隨著減水劑用量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。本文在硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上引入酚醛樹脂，通過摻入不同含量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋁發(fā)泡劑，制備出了鋁發(fā)泡劑改性水泥基復(fù)合發(fā)泡材料，研究了鋁發(fā)泡劑的摻量對該復(fù)合發(fā)泡材料各項性能的影響，力求制備出性能最佳的復(fù)合發(fā)泡材料。

1 實 驗

1.1 實驗原材料

硅酸鹽水泥：P.I 42.5，濟寧三石生物科技有限公司，水泥的化學(xué)成分如表1所示；酚醛樹脂：CAS：9003-35-4，濟寧三石生物科技有限公司；鋁發(fā)泡劑：國藥集團化學(xué)試劑有限公司；硅粉：CAS：7440-21-3，濟寧三石生物科技有限公司；聚丙烯纖維：短纖維，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

表1 硅酸鹽水泥的化學(xué)成分

1.2 樣品的制備

本實驗中水料比固定為1∶0.6，酚醛樹脂、硅酸鹽水泥、鋁發(fā)泡劑、硅粉、聚丙烯纖維等原材料配比如表2所示。首先，將酚醛樹脂、聚丙纖維溶于油酸中并充分?jǐn)嚢? h；其次，按照比例稱取硅酸鹽水泥、硅粉和糖濾泥充分?jǐn)嚢?2 h；然后，混合加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鋁發(fā)泡劑和固化劑充分?jǐn)嚢? h；最后，將混合料澆筑到模具中進行發(fā)泡、養(yǎng)護及脫模處理24 h，即得不同鋁發(fā)泡劑摻量的水泥基復(fù)合發(fā)泡材料。

表2 水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的配比

1.3 性能測試

抗壓強度測試：按照《GB/T 5486-2008 無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》，在萬能材料試驗機上測試試樣的抗壓強度，斷口面與加載方向垂直，加載速率為2 mm/min，每組測試10個樣品，隨后取平均值作為測試結(jié)果。容重測試：水泥在自然狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量稱之為水泥容重，一般用水泥容重的變化來表征水泥基復(fù)合發(fā)泡材料發(fā)泡前后的變化。對不同鋁發(fā)泡劑摻量的水泥基復(fù)合發(fā)泡材料試樣的容重進行測試，分別記錄試樣的容重。導(dǎo)熱系數(shù)測試：將水泥基復(fù)合發(fā)泡材料切割制備為標(biāo)準(zhǔn)尺寸300 mm×300 mm×30 mm的試樣，在65 ℃下烘烤至前后兩次相隔4 h的質(zhì)量差≤1 g，隨后自然冷卻到室溫下，打磨直至表面無掉渣現(xiàn)象為止，控制熱板溫度為35 ℃，使用平板導(dǎo)熱儀對試樣的導(dǎo)熱系數(shù)進行測試。吸水率測試：用吸水率來表征復(fù)合發(fā)泡材料的吸水性能，進行了吸水率測試，在測試過程中，干燥試樣的質(zhì)量記為M1，隨后將試樣浸入水中，待試樣吸水飽和后，測試濕潤試樣的質(zhì)量記為M2，吸水率按照式(1)計算

W=(M2-M1/M1)×100%

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強度測試

對不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水泥基復(fù)合發(fā)泡材料脫模后的抗壓強度進行了測試，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，摻入鋁發(fā)泡劑后，基體的抗壓強度有了明顯提高，隨著鋁發(fā)泡劑含量的增加，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的抗壓強度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。由圖1可知，當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為0時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為2.9，3.2和3.8 MPa；當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為3.4，4.1和4.9 MPa；當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為5.1，6.3和7.2 MPa；當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣在3，7和28 d的抗壓強度分別為4.6，5.4和6.1 MPa?？芍?，當(dāng)鋁發(fā)泡劑含量在3%～6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的抗壓強度迅速升高，且當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的抗壓強度達到最大值，為7.2 MPa；而當(dāng)鋁發(fā)泡劑含量在6%～9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的抗壓強度逐漸降低。這是因為摻入適量的鋁發(fā)泡劑可以加速基體中部分氣泡的逸出，從而增大試樣的抗壓強度；但當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量超過6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，基體中氣泡的含量增加，氣泡較多時吸水率增大，且過多氣泡會突出基體的表面，導(dǎo)致試樣的結(jié)合力變差，從而使得整體的抗壓強度降低。

圖1 不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料在3，7和28 d的抗壓強度

2.2 容重測試

圖2為不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的容重。從圖2可以看出，隨著鋁發(fā)泡劑含量的增加，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的容重呈現(xiàn)出先降低后略微升高的趨勢。當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為0，3%，6%和9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的容重分別為251.3，231.6，217.4和221.3 kg/m3?？芍?，當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的容重達到最小值，為217.4 kg/m3，這是因為摻入鋁發(fā)泡劑后，導(dǎo)致基體中的氣泡較快逸出，且鋁發(fā)泡劑的加入阻礙了酚醛樹脂與水的反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體量減少，從而使基體的容重持續(xù)下降，而當(dāng)鋁發(fā)泡劑含量超過6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，容重有略微升高的趨勢，這是因為鋁發(fā)泡劑過多導(dǎo)致基體的氣孔增多，從而對水化過程產(chǎn)生了一定的阻礙作用[20]，基體中存在過多的開口氣孔使得試樣的容重略有升高。

圖2 不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的容重

2.3 吸水率測試

圖3為不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的吸水率。從圖3可以看出，隨著鋁發(fā)泡劑含量的增加，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的吸水率呈現(xiàn)出先快速上升再緩慢下降后快速上升的趨勢。當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為0，3%，6%和9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的吸水率分別為14.4%，18.2%，17.3%和21.7%。可知，當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的吸水率達到最大值，為21.7%。這是因為當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量在0～3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，基體內(nèi)氣孔含量略有增加，在漿料固化后內(nèi)部氣孔導(dǎo)致了吸水率的提高；當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量在3%～6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，基體內(nèi)產(chǎn)生的氣體逐漸增多，氣體堆積導(dǎo)致了吸水率的降低；而當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量在6%～9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，基體內(nèi)開口氣孔的出現(xiàn)使得水分更容易進入到基體，從而使得試樣的吸水率繼續(xù)升高。

圖3 不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的吸水率

2.4 SEM分析

圖4為不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的超景深圖。從圖4(a)可以看出，未摻雜鋁發(fā)泡劑的基體中的氣孔含量較少，并且分布不均勻；從圖4(b)和(c)可以看出，摻入鋁發(fā)泡劑后，氣孔數(shù)量明顯增多，并且分布慢慢變得均勻，大尺寸的氣孔數(shù)量減少，孔壁處的結(jié)構(gòu)變得更加緊密結(jié)實；從圖4(d)可以看出，當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量達到9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，氣孔數(shù)量較多，并且又出現(xiàn)了大尺寸的氣孔，這是因為基體中產(chǎn)生的氣體增加，這些氣體的排出導(dǎo)致表面出現(xiàn)了較多的氣孔[20]，因而使得試樣的抗壓強度出現(xiàn)了略微下降，這也與力學(xué)性能測試結(jié)果一致。

圖4 不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的超景深圖

2.5 導(dǎo)熱系數(shù)測試

圖5為不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)。從圖5可以看出，隨著鋁發(fā)泡劑含量的增加，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為0，3%，6%和9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.065、0.051、0.037和0.035 W/(m·K)，當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為6%和9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)開始緩慢降低，降低幅度僅為5.41%，因此選擇鋁發(fā)泡劑的含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))較為適宜。

圖5 不同鋁發(fā)泡劑摻量(0，3%，6%和9%)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))下水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)

綜合以上分析可見，隨著鋁發(fā)泡劑的摻入，基體的保溫性能均得到了提升，結(jié)合力學(xué)性能、容重、吸水率等得出鋁發(fā)泡劑的最佳摻量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

3 結(jié) 論

(1)隨著鋁發(fā)泡劑含量的增加，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的抗壓強度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。當(dāng)鋁發(fā)泡劑含量在3%～6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的抗壓強度迅速升高，且當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的抗壓強度達到最大值，為7.2 MPa；而當(dāng)鋁發(fā)泡劑含量在6%～9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的抗壓強度逐漸降低。

(2)隨著鋁發(fā)泡劑含量的增加，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的容重呈現(xiàn)出先降低后略微升高的趨勢，當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的容重達到最小值，為217.4 kg/m3。

(3)隨著鋁發(fā)泡劑含量的增加，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的吸水率呈現(xiàn)出先快速上升再緩慢下降后快速上升的趨勢，當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的吸水率達到最大值，為21.7%。

(4)超景深圖分析發(fā)現(xiàn)，未摻雜鋁發(fā)泡劑的基體中氣孔含量較少且分布不均，但大尺寸的氣孔較多，隨著鋁發(fā)泡劑的摻入，氣孔的數(shù)量明顯增多且分布慢慢變得均勻，而大尺寸的氣孔數(shù)量明顯減少，孔壁處的結(jié)構(gòu)變得更加緊密結(jié)實。

(5)隨著鋁發(fā)泡劑含量的增加，水泥基復(fù)合發(fā)泡材料的導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，當(dāng)鋁發(fā)泡劑的含量為6%和9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時，試樣的導(dǎo)熱系數(shù)開始緩慢降低，降低幅度僅為5.41%，因此選擇鋁發(fā)泡劑的含量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))較為適宜。

綜合分析可知，隨著鋁發(fā)泡劑的摻入，基體的保溫性能均得到了提升，結(jié)合力學(xué)性能、容重、吸水率等得出鋁發(fā)泡劑的最佳摻量為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。