用化学方法制备泡沫混凝土的试验研究.pdf

2 0 1 1年第 1 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0 NCRE r E AND CE MEN T P RODUC T S 2 0 1 1 No 1 2 De c e mb e r 用化学方法制备泡沫混凝土的试验研究 徐 文 ， 钱冠龙 ， 化子龙 ( 1 中冶集团建筑研究总院有限公司 ， 北京 1 0 0 0 8 8 ； 2 北京思达建茂科技发展有限公司 1 0 0 0 8 8 ) 摘要 ： 通过化学方法制备轻质泡沫混凝土 ， 分析 了其结构形成机理 ， 研究 了发泡剂 、 激发剂 、 稳 泡剂、 料浆稠度 与凝结 时间及 工艺条件等 因素 对性 能的影响 。通过优化 选择 ， 得 到 了性能优 良的泡沫混凝土。 关键词 ： 泡沫混凝土 ； 轻质保 温材料 ； 氧化还原反应 ； 稳 泡剂 ； 动 态平衡 Ab s t r a c t ： Ch e mi c a l me t I l o d i s u s e d t o p r e p a r e foa m c o n e r e t e a n d t h e s t r u c t u r e f o r ma t i o n me e h a n i s m i s a l l a l y z e d T h e i n fl u e n c e s o f f o a mi n g a g e n t ， a c t i v a t o r ， f o a m s t a b i l i z e r ， s l u r r y c o n s i s t e n c y ，s e t t i n g t i me a n d p r o c e s s c o n d i t i o n s o n p r o p e r t i e s o f foa m c o n c r e t e a r e s t u d i e d T h r o u g h o p t i ma l s e l e c t i o n s ， t h e foa m c o n c r e t e w i t h g o o d p e r f o rm a n c e s a r e o b t a i n e d Ke y w o r d s ： F o a m c o n c r e t e ； L i g I l t w e i g h t a n d h e a t p r e s e r v a t i o n m a t e r i a l ； R e d o x r e a c t i o n ； F o a m s t a b i l i z e r ； D y n a m i c b ala n c e 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 1 2 - 0 1 - 0 4 0前 言 泡沫混凝土是加气混凝土的一个特殊品种 。在 传统建筑保温节能方式遇到重重困难 的今天 ， 泡沫 混凝 土作为兼具保温 、 防火 、 隔声 、 耐久性好 、 成本 低廉等多功能特性的无机材料 ，优势 1 3 益 凸显 ， 是 未来保温节能领域一个可供选择的发展方向 1 1 。 目前 ，对于泡沫混凝 土的定义存 在一定 的争 议 。一般文献认为 ， 泡沫混凝土是指用物理方法产 生泡沫 ， 将泡 沫添加 到水泥浆或水 泥砂浆 中 ， 经搅 拌均匀后浇注硬化而成 的一种 内部含有大量独立 封闭气孔 的多孔混凝土2 1 。但也有研究者指 出， 上述 泡沫混凝土的定义过 于强调“ 物理方法产生泡沫 ” ， 失之狭 隘 ； 为 区别 于加气混凝 土 ， 应将具有独立封 闭气孔结构的混凝土统称为泡沫混凝土 ， 这就引入 了用化学方法产生泡沫进而制备泡沫混凝土 的概 念圈 。本文将针对这一范畴展开一系列试验 ， 研究泡 沫混凝土 的影响因素和制备方法。 1 试验设备与原材料 1 1 试验设备 高速搅拌机 ： 自制， 转速 0 - 3 0 0 0 r mi n ； 水泥标准 稠度及凝结时间测定仪( 维卡仪 ) ； 水泥砂浆稠度漏 斗 ： 上虞市某仪器厂产 ， 容量 1 7 2 5 m l ； T Z L 一 5 0 0 3型 恒温水浴锅 ： 苏州某公 司产 ； O L 一 1 0 3型电热鼓风干 燥箱 ： 北京 电炉 厂产 ； 电子秤 ： 量程 1 0 k g ， 感量 l g ； YA 一 6 0 0型电液式压力试验 机 ：上海某仪 器厂产 ； I MD R Y 3 0 0 l X型导热系数测定仪 ： 天津某公司产。 1 2 试验原材料 水泥 ： 河北唐山产 S AC 4 2 5级快硬硫铝酸盐水 泥 ； 发泡剂 ： 国药集 团化学试剂有限公 司售化学纯 C a C ： 及( N H 4 ) 2 C O 3 、 市售 2 7 5 浓度工业纯双氧水 ； 激发剂 ： 1 KM n O 4 溶液 ， l C u S O 4 ， 1 F e C I 3 溶液 ， l N a O H溶液 ； 减水 剂 ： 苏州产 4 0 固含量聚羧酸 减水剂 ； 稳泡剂 ： 白色粉状物质 ， 自制 ； 调凝剂 ： 国药 集团化学试剂有限公司售化学纯 L i 2 C O s 。 2化学发泡泡沫混凝土的成型机理与制备试验方 法 2 1 化学发泡泡沫混凝土的成型机理 化学发泡泡沫混凝土通 过化学反应在新拌料 浆 中产生气体 ， 这与加气混凝 土非 常类似 ， 但化学 发泡泡沫混凝土中的气孔独立封闭存在 ， 又与后者 显著不 同。 化学发泡泡沫混凝 土可 以成型的关键 在于使 发泡剂发泡的速率与料浆凝结硬化速率相一致 ， 达 到一种动态的平衡 。首先 ， 发泡剂 均匀分散在料浆 中 ， 在激发剂 的作用下不断产生气体 ， 形成无数独 立 的气源 ； 随后 ， 当气源处气体压力大于料浆的极 限剪切应力 ( 粘滞阻力和静水压力之和) 时 ， 气源开 始加速膨胀， 形成一个个独立的气泡； 在气源膨胀 的过程中 ， 由于胶凝材料水化 ， 料浆稠度不断增加 ， 造成膨胀所要克服 的阻力不断增大 ， 同时 ， 因为反 应物质的消耗 ， 膨胀 的潜在动力也在变小 ， 由此 ， 膨 胀经历 了一个从加速到平缓 、 减慢 ， 并逐渐趋 近于 2 0 1 1 年第 l 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 8期 停滞的过程 。最终 ， 膨胀结束后 ， 泡沫混凝土发泡 完成 ， 进行常温养护。 从上述气泡形成机理可以看 出， 如果发泡过快 或发泡量过大 ， 而料浆硬化速率偏低 ， 泡沫混凝土 中往往会形成 串孔 ， 甚至生成 的气体会 冲破料浆表 面 ， 在硬化后试件上部造成开 口大孑 L ； 或是 由于料 浆长时间不硬化 ， 起初形成的试件最终出现塌模的 现象。如果发泡过慢 ， 而料浆迅速硬化 ， 往往会导致 发泡量太小 ， 得到的泡沫混凝土试件达不到相应的 容重和保温要求。此外 ， 化学发泡形成的气泡不 同 于物理发泡用表面活性剂制成的气泡 ， 其在空气和 料浆中的稳定性都大大劣于后者 ， 因此 ， 在保证 料 浆合适硬化速率的同时 ， 如何使化学方法生成 的气 泡稳定存 在于料浆 中 ， 不致逸出或彼此 串通 ， 是制 备性质优 良的化学发泡泡沫混凝土的又一个 关键 因 素。 2 2 化学发泡泡沫混凝土的制备试验方法 本研究 中化学 发泡泡 沫混凝 土的制备方法 可 用如下过程来描述 ： 试验中， 首先将胶凝材料 、 添加 剂等除发泡剂以外的其它材料加水搅拌均匀 ， 并控 制料浆温度 ， 这一过程一般持续 3 mi n左右 ； 随后在 高速搅拌 的同时 ，迅速加入发泡剂 ，持续搅拌约 3 0 s ；最终将拌合均匀的料浆倾倒人模具 内静停发 泡 ， 待一定强度后拆模养护即可。 3化学发泡泡沫混凝土制备的影响因素及其基本 性能 3 1 发泡剂与激发剂 研究中， 为寻求合适的物质作为化学发泡的气 源， 进行 了大量的试验 ， 限于篇幅 ， 本文甄选其中具 有代表性 的三类物质和它们相对应 的激发剂分述 如 下 。 3 1 1 Ca C2 碳化钙 C a C z 俗名电石 ，纯净状态下为无色 晶 体 ， 遇水反应生成乙炔气体 C 2 H ， 如式 ( 1 ) 所示。 C a C z + 2 H 2 O - - * C a ( O H ) 2 + C 2 H 2 T ( 1 ) 试验发现 ， 碳化 钙与水 的反应 十分剧烈 ， 迅速 生成大量乙炔气体 ， 发气速率大大快于料浆硬化速 率 ， 形成的气泡无法在料浆中稳定存在， 极短时间 内即大量逸 出，料浆上表面出现众 多不规则开 口 孔 。同时， 乙炔气体具有一定毒性 ， 属易燃气体 ， 以 此作为气源显然是不合适的。 3 1 2 f NH 4 ) 2 C 0 3 铵盐在碱性水溶液中会分解产生氨气 N H， ， 反 应过程如式 ( 2 ) 所示。 一 2 一 N H O H HN H 3 f + H 2 0 ( 2 ) 依据这一原理 ， 试验 中利用( N H 4 ) 2 C 0 ， 作为发泡 剂 ， 并在料浆 中加入 N a O H以提高其碱性 ， 进行 化 学发泡的研究。 结果表明 ， ( N H 4 ) C O ， 作为气源， 产生 氨气的速率往往较为缓慢 ，即使提高料浆温度 ， 发 气速率也难 以与料浆硬化速率相匹配， 制得 的试件 容重普遍偏 大 ，无法满足保温材料低 导热性 的要 求 。 3 1 3 双氧水 双氧水是过氧化氢气体 H z 0 ： 的水溶液， 外观为 无色透明液体 ， 其可以与众多物质发生氧化还原反 应放 出气体 。试验 中利用了双氧水作为还原剂 ， 与 K Mn O 溶液 反应 放 出 0 ： ，同时 反应 生成 物 之一 Mn O z 作为催化剂 ， 还可以促使 H 2 0 分解 ， 反应过程 如式( 3 ) 和( 4 ) 所示。 2 K Mn O 4 + 3 H 2 0 2 - - + 2 Mn O 2 + 2 K O H + 3 0 2 T + 2 H 2 0 ( 3 ) Mn O2 2 H 2 0 2 2 H 20 + 0 2 T ( 4 ) 在某些金属离子存在 的情况下 ， 双氧水还可 以 发 生 自身氧化还 原反应 ， 即歧 化反应 ， 如式 ( 5 ) 所 示 。 F e 3 + C u 2 2 H 2 0 2 2 H 2 0 + 0 2 T ( 5 ) 试验结果表明 ，利用 KM n O 与 H 0 的氧化还 原反应生成的氧气作 为化学发泡 的气源具有 良好 的效果 ， 其反应放 出气体的速率与放 出气体的总量 在较大范围内可控 ， 可以实现与料浆硬化速率 的完 美匹配 ； 其它物质如 C u S O 和 F e C 1 ， 作为激发剂也 可 以实现发泡速率与料浆硬化速率较好 的匹配 ， 但 它们或者不具备 良好的可控性 ， 或者要求的操作时 间太短 ， 实用性不足 。因此 ， 综合考虑下 ， 选定 H 0 为发泡剂 ， K Mn O 为激发剂。关于二者 的试验结果 显现出相似 的变化规律， 即保证泡沫混凝土可以正 常成型的前提下 ，随着发泡剂和激发剂掺量的增 加 ， 成品容重下降 ， 导热系数降低 。 3 2 稳泡剂 稳泡剂 的作用是使发泡剂产生的气泡在料浆 中可以稳定存在 ， 不致彼此串通或逸 出飞散。试验 中自制的稳泡剂为白色粉状物质 ， 加入料浆后包裹 覆盖在气泡周围 ，并在料浆表面形成致密的隔绝 层 ， 防止气泡破灭 、 串通和逸出。 关于稳泡剂 的试验结果表明 ， 其掺量与发泡剂 掺量呈正 比关系 ， 即发泡剂掺量越 大 ， 所需要 的稳 徐文 ， 钱冠龙 ， 化子龙 用化学方法制备泡沫混凝土的试验研究 泡剂也越多 ， 制得成 品的容重越低 ； 在 同一发泡剂 掺量下 ， 随着稳泡剂掺量 的增加 ， 成 品容重略有降 低 。 3 - 3 料浆稠度与凝结时间 料浆 稠度对化学发泡泡 沫混凝 土的成型具有 较 大影 响 ： 料浆稠度偏高 时 ， 一方 面发泡剂在料浆 中的分散变得 困难 ，可能出现发泡不均匀 的情况 ； 另一方面 ，气源膨胀过程中所要克服的阻力增大 ， 往往会造成料浆膨胀倍率不够 ， 成品达不到相应的 密度要求。料浆稠度偏低时 ， 其凝结硬化速率可能 会滞后于发泡速率 ， 导致气体逸出在料浆表面形成 开 口孔和分层离析的现象 ， 甚至是后期塌模 。 关于料浆稠度的试验结果表 明： 以水泥砂浆稠 度漏斗为测试仪器时 ， 适宜的料浆完全流 出时间是 2 0 3 0 s 。 这时发泡剂可以在料浆中均匀分散 ， 料浆凝 结硬化速率与大多数情况下的发泡速率匹配 良好 ， 且具备较大的可调节性。 如前 文所述 ， 料浆 的凝结硬化速率应 与发泡剂 发泡速率达到一种动态 的平衡 ， 因此 ， 还需使用调 凝剂( L G C O ) 对料浆凝结时间进一步调节。相关试 验结果表 明 ： 对于本文提 出的体 系， 化学发泡泡沫 混凝土料浆初凝时间应不早于 3 0 mi n ，终凝 时间不 晚于 9 0 rai n 。 3 - 4 搅拌方式 对于化学发泡泡沫混凝土 ， 料浆搅拌应达到两 方 面的效果 ：一 是使发泡剂 迅速均匀分散 到料浆 中， 避免局部 聚集 ， 出现串孔 ； 二是不对产生 的气泡 造成太大影响 ， 避免因搅拌使气泡大量破灭 ， 气体 逸出 ， 发泡倍率下降。 基于以上分析 ， 试验中 自制了具有特殊搅拌头 结 构的高速搅拌机 。有关搅拌方式的试验 结果表 明 ：化学发泡泡沫混凝土料浆搅拌速率不 宜低 于 6 0 0 r rai n ， 不宜高于 1 2 0 0 r m i n ， 加人发泡剂后料浆搅 拌 时间宜在 3 0 4 0 s 之间。 、 3 5 料浆与环境温度 温度因素通过影 响发泡剂反应放出气体速率 、 胶 凝材料凝结 硬化速率 以及料浆粘滞阻力来对化 学发泡过程产生影响。 关于温度因素的试验结果表明： 料浆与环境温 度都会对化学发泡过程产生影响， 前者影响程度超 过后者。一般 而言 ， 温度升高时 ， 料浆膨胀倍率变 大 ， 成品容重降低 ， 温度降低时则反之。这可能是由 于上述温度影响的三种因素对 温度变化敏感程度 不同造成的。试验中还发现， 对于本文提 出的化学 发泡体系 ， 适宜的成型料浆温度为 1 5 3 0 ， 适宜的 成型环境温度为 5 3 5 。在这两个温度范围内， 可 通过添加适量 的调凝剂 、 变化水胶 比和稳泡剂掺量 等手段来实现成品性能的稳定性 。 3 6 化学发泡泡沫混凝土 的基本性能 针对本文提出的化学发泡体系 ， 试验配合 比如 表 1所示 ， 成型后标准养护。试验制得的试件平行 和垂直于发气方向的剖面如图 1所示。 表 1 化学发泡泡沫混凝土试验配合 比 注 ： 表 中各组 配合 比均 添加 了适 量调凝剂( L i 2 c 0 s ) 和减水剂。 ( a ) 平行于发气方向 ( b ) 垂直于发气方 向 图 l 泡 沫混凝 土试件 ( 3 # ) 剖面图 一 3 一 2 0 1 1 年第 1 2期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 8期 由图 l可见 ，无论是平行还是垂 直于发气方 向 ，泡沫混凝土剖面孔结构形状均接近于圆形 ， 且 在整个剖面内分布均匀， 属理想状态。 试验中 ， 依据 G B T1 1 9 6 9 2 0 0 8 蒸压加气混凝 土性能试验方法 和 G B r r l 0 2 4 9 2 0 0 8 绝热材料稳 态热阻及有关特性 的测定 ： 防护热板法 ， 分别测试 了表 l中不同配合 比下化学发泡泡沫混凝 土的绝 干密度 、 吸水率 ( 未做 防水处理 ) 、 7 d抗 压强度和导 6 O H 0 5 0 0 鼍4 0 0 3 0 0 黼 鼎 H - 2 0 0 1 0 0 0 6 0 5 O 4 0 零 褂 3 0 2 O 1 O O l # 2 # 3 # 甜 5 # 试件编号 图 2 不同配合 比下泡沫混凝土绝干密度及吸水率变化关 系 4结论 ( 1 ) 化学发泡泡沫混凝土结构形成的关键是使 发泡剂发泡的速率与料浆凝结硬化速率相一致 ， 达 到一种动态平衡。 ( 2 ) H ： 0 z 可以与 K Mn O 发生氧化还原反应 ， 释 放出氧气 ， 是化学发泡较好的气源。通过调节 H2 0 z 与 K Mn O 的掺量 ， 可以实现发泡速率及发泡量的可 控 。 ( 3 ) 稳泡剂的使用是化学发泡泡沫混凝土成功 制备 的必要条件 ， 合适 的稳泡剂可以避免料浆 中气 泡彼此串通及气体从料浆表面逸出。 ( 4 ) 合适 的料浆稠度和凝结时间可 以实现其与 发泡剂发泡速率的匹配 ， 是化学发泡泡沫混凝土制 备的又一重要影响因素。 ( 5 ) 化学发泡泡沫混凝土制备过程 中的工艺条 件选择十分重要 ，应选取合适的料浆搅拌速率 、 搅 拌时间和料浆、 环境温度。 ( 6 ) 优选原材料 种类 、 掺量 以及适宜 的工艺条 件 ， 可 以制备出性能优 良的泡沫混凝土 ， 成品吸水 率 、 抗压强度和导热系数等相关性能随密度变化关 系与物理发泡泡沫混凝土类似 ，但 由于泡径较大 ， 泡壁较之后者厚度增加 ， 手感较为坚硬 ， 表观上具 有更佳的品相 ， 在低密度时尤为明显。 一 4 一 热系数 ， 试验结果如图 2和图 3所示。 由表 1 、 图 2和 图 3可见 ， 随着发泡剂 、 激 发剂 和稳泡剂掺量增加 ，化学发泡泡沫混凝 土绝干 密 度 、 抗压强度和导热 系数均降低 ， 而吸水率增加 ， 这 与物 理发泡泡沫混凝土相关性 能呈现 出类似 的变 化规律 5 - 6 ，但化学发泡泡沫混凝土泡径一般在 l 3 ra m之间 ， 远大于物理发泡泡沫混凝土 ， 因此 ， 其泡 壁较厚， 手感更加坚硬 ， 在低密度时尤为明显。 3 5 3 0 2 5 善 毯 2 0 鳗 幽 1 5 1 0 0 5 O 0 1 6 0 1 4 1 0 呈 08 0 6 嘉 0 0 4 O 02 O l # 2 # 3 并 4 # 5 # 试 件编 号 图 3 不同配合 比下泡沫混凝土抗压强度及导热 系数变化关 系 参考文献 ： 1 1 闫振 甲 泡 沫混凝土 发展状况 与发展趋势 【 J 混凝土世 界， 2 0 0 9 ， l 1 ( 5 ) ： 4 8 - 5 5 【 2 】 张磊， 杨鼎宜 轻质 泡沫混凝 土的研 究及应用 现状 J 1 混 凝土， 2 0 0 5 ， l 2 ( 8 ) ： 4 4 - 4 8 3 王群力 新 型轻质发泡 混凝土砌块 及节能墙 体的性 能研 究【 J 】 砌块与墙板， 2 0 0 6 ， 8 ( 1 0 ) ： 1 3 2 - 1 3 3 4 蔡娜 超轻泡沫混凝 土保温材料 的试 验研究 【 D 】 重庆大 学， 2 0 0 9 【 5 】 颜雪洲， 姚谦峰 泡沫混凝 土力学性能研究【 J 工业建筑 ， 2 0 0 7 ( 3 7 ) ： 9 6 2 - 9 6 5 【 6 李楠 防水隔热泡沫混凝土的研究 与应用l J 】 国外建材科 技， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 4 ) ： 9 - 1 3 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 0 - 1 3 作者简介 ： 徐文 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯地址 ： 北京市西土城路 3 3号 联 系电话 ： 1 3 7 1 6 3 0 0 3 8 0 E -ma il ： g l a c i e r _ b r e e z ey e a h n e t