化学发泡制备超轻憎水泡沫混凝土研究.pdf

新 建巍 中 国 科 技 核 心 期 刊 化学发泡制备超轻哺 兽 水泡沫混凝土研究 张欣 ， 叶剑锋 ， 周海兵 ， 李石林 ， 冯涛 1 阍 南科技大学 煤炭资源清洁利用与矿 山环境保护湖南省重点实验室 ， 湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 2 海螺( 益阳) 水泥有限公司， 湖南 益阳4 1 3 5 0 0 摘要 ： 研究了水胶比、 粉煤灰与发泡剂用量以及促凝剂与憎水剂类型及用量对硅酸盐水泥化学发泡制备泡沫混凝土的浆体发 泡与成型 的影响 ， 并对硬脂酸钙憎水剂对试样 吸水率 的影响进行 了试验 。研 究结果表明， 以普通硅酸盐水泥和粉煤灰为主要原料 、 硬脂酸钙 为憎 水剂， 选用促凝剂 A、 水胶 比为 0 5 5 、 粉 煤灰掺量为 3 0 、 发泡剂用量为 6 5 ， 可以制得密度为 2 0 0 k g m 的超轻憎水 泡沫混凝土 。该研究成果 已应用于河南某 公司的水泥发泡保温板 生产线 中。 关键词： 化学发泡； 保温材料； 憎水剂； 硅酸盐水泥； 泡沫混凝土 、 中图分类号： T U 5 2 8 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 4 9 0 3 Re s e a r c h o n p r e p a r a t i o n o f u l t r a - l i g h t a n d h y d r o p h o b i c f o a m c o n c r e t e b y c h e mi c a l f o a mi n g Z H A N G X i n ， Y E J i a n f e ， Z H O UH a i b i , ， L I S h i l i n ， F E N G T a o 1 Hu n a n Ke y L a b o r a t o r y o f C o a l R e s o u r c e s ，C l e a n- u t i l i z a t i o n a n d Mi n e E n v i r o n m e n t P r o t e c t i o n ，H u n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 ， Hu n a n ， C h i n a ； 2 C o n c h( Yi y a n g )C e me n t C o L t d ， Y i y a n g 4 1 3 5 0 0 ， H u n a n ， C h i n a Ab s t r a c t ： I n fl u e n c e s o f w a t e r c e me n t r a t i o ， a mo u n t o f fl y a s h a n d f o a mi n g a g e n t ， a n d t y p e a n d a m o u n t o f a c c e e r ant a n d h y d r o p ho b i e a g e n t o n f o a mi n g a n d f o r mi n g o f s l u r r y i n p r e p a r i n g f o a m c o n c r e t e f r o m P o r t l a nd c e me n t b y c h e mi c al f o a mi n g we r e e x a mi n e d ，a n d e f f e c t o f h y d r o p h o b i c a g e n t o f c a l c i u m s t e a r a t e o n wa t e r a b s o r p t i o n o f t h e s a mp l e wa s s t u d i e d I t h a s be e n s h o wn t h a t t h e u h r a - l i g h t ( w i t h d e n s i t y 2 0 0 k g m ) f o am c o n c r e t e c a n b e manu f a c t ur e d b y c h e mi c a l f o a mi n g wi t h P o rt l a n d c e me n t a n d fly a s h a s ma i n r a w ma t e r i al， c a l c i u m s t e a r a t e a s h y d r o p h o b i c a g e n t ， O5 5 o f wa t e r - c e me n t r a t i o ， 3 0 o f f l y a s h， and 6 5o f f o am i n g a g e n t Th e r e s e a r c h r e s u l t s h a v e b e e n a p p l i e d t o c e me n t f o a mi n g i n s u l a t i o n b o a r d p r o d u c t i o n l i n e o f a c o mp an y i n He na n Ke y wo r d s ： c h e m i c al f o a mi n g ； i n s u l a t i o n ma t e r i a l ； h y d r o p h o b i c a g e n t ； P o r t l a n d c e m e n t ； f o am c o n c r e t e O 前言 随着国 家节能 减排力度的加大， 近年来外墙保温正在我 国广泛推广。目前外墙保温大量使用聚苯乙烯泡沫( E P S 、 x P s ) 和聚氨酯硬泡体( P U ) 等有机保温材料， 虽然质轻且保温 效果好， 但易老化， 耐久、 耐候性差， 特别是易燃， 容易引发火 灾， 为此， 公安部发文( 2 0 0 9 4 6 I 2 0 1 1 1 6 5 号) 要求“ 民用建 筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料” 。勿庸置疑， 如以 水泥和粉煤灰为原料制备超轻( 表观干密度小于3 0 0 k g m s ) 的 基金项 目： 湖 南科技 大学煤炭资源 清洁利用与矿 山环境保护湖 南省 重点实验室开放基金资助项目( C o 2 0 1 1 0 3 ) 收稿 E t 期 ： 2 0 1 2 1 0 1 7 作者简介： 张欣， 男， 1 9 6 5 年生， 湖南长沙人， 硕士， 高级工程师， 从事新 型建筑材料与固体废物资源化利用研究。 E - m a i h x z h a n g h n u s t e d u a n 。 泡沫混凝土将既具有优异的耐久、 耐候、 耐老化性和 A级防 火性能， 又具有优异的保温隔热性能， 能够满足建筑外墙保温 材料的要求。 泡沫混凝土按发泡方法可分为物理发泡与化学发泡。物 理发泡泡沫混凝土借助高压空气或机械搅拌将含有发泡剂的 水溶液制成泡沫， 与胶凝性的水泥及粉煤灰等料浆混合均匀， 经浇注成型与自 然养护或蒸养而制成。 化学发泡泡沫混凝土 借助发泡剂的化学反应在新拌的料浆中产生大量气体，在随 后的浆料凝固时气孔被固定下来形成多孔轻质材料。已有不 少研究者对物理发泡泡沫混凝土的制备技术与应用进行了研 究 。 物理发泡泡沫混凝土的密度大、 强度低、 开口 气孔率高、 热导率大，而化学发泡泡沫混凝土的气孔多呈封闭状，密度 小、 强度高、 热导率低、 憎水性好， 更适合于建筑外保温工程。 已有研究者利用早强、高强的硫铝酸盐水泥化学发泡制 备了密度低至2 0 0 k g m 3 的超轻泡沫混凝土啕 ， 但硫铝酸盐水 NE W B UI L D I NG MA T E R I AL S 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张欣， 等： 化学发泡制备超轻憎水泡沫混凝土研究 泥的 抗碳化性能 差、 价格高， 本文以普通硅酸盐水泥和粉煤 灰为原料， 研究了化学发泡制备超轻泡沫混凝土的水胶比、 粉煤灰与发泡剂用量等基本配方参数， 以及促凝剂、 憎水剂 对浆体发泡与成型的影响和硬脂酸钙的憎水效果， 研究成果 已应用于河南某公司的水泥发泡保温板生产中。 1 试验用原材料与外加剂 普通硅酸盐水泥： 南方水泥有限公司( 湘乡) 产P 0 5 2 5 ， 初凝时间不小于4 5 m i n ， 终凝时间不大于 1 8 0 m i n ； 粉煤灰： 湖 南金竹山电厂产 级粉煤灰， 4 5 m方孔筛筛余不大于2 0 ； 发泡剂： 双氧水( H O 2 ) 作为发泡剂， 化学纯， 质量浓度3 0 ； 促 凝剂： 碱性速凝剂( 焦作市新筑王材料科技有限公司产 Z W7 8 2 3 ) 、 化学纯早强剂( 硫酸钠、 碳酸锂和A ) 及工业级甲 酸钙( 广东龙湖建材科技公司) ； 憎水剂： 有甲基硅油( 长沙明 瑞化工公司) 、 瓦克有机硅憎水剂4 3 N 、 P A( 广东龙湖建材科 技公司) 、 道康宁有机硅憎水剂 S H P 一 5 0 ( 北京金源化工公司) 和化学纯硬脂酸钙粉末； 聚丙烯纤维， 长度9 1 2 m m ， 安徽产。 2 试验研究 2 1 基本配方研究 在不掺外加剂的条件下， 研究水胶比、 粉煤灰和发泡剂 用量对硅酸盐水泥化学发泡与浆体成型的影响。以干密度 2 0 0 k g m 为目 标密度， 水泥与粉煤灰总量为 1 0 0 g ， 则浆料发 泡后体积应膨胀约5 5 0 m l 。 试验方法如下： 准确称量水泥、 粉煤灰、 水和发泡剂， 将 水泥、 粉煤灰与水置于容积 6 0 0 m l 的塑料杯中充分搅拌制得 均匀的浆料 ( 根据室温调节水温使料浆温度控制在3 2 3 5 ) ， 加入发泡剂， 迅速搅拌4 5 s ， 静置， 发泡。 研究表明，水胶比对浆料发泡有显著影响，水胶比在 O 5 0 6 较合适， 低于0 5 ， 料浆稠， 双氧水分解快， 放出的大量 气体罩不住； 水胶比大于0 6 ， 则料浆太稀， 双氧水分解放出 的大量气体从料浆表面逸出， 且浆体容易出 现塌落现象( 塌 模) 。 微米级粉煤灰的掺入既能降低生产成本， 掺量在一定范 围内 时还能改 善料浆与 制品的性能。 试验发 现， 粉煤灰加入 量以3 0 为宜， 否则易出现塌模。 发泡剂用量显著影响干密度， 用量越大， 干密度越小， 对 于2 0 0 k g tm 的目 标干密度， 研究 表明 、， 发泡剂双氧水用量以 固体粉料的6 5 为宜。 通过以上 试验研究， 硅酸盐水泥化学发泡泡沫混凝土的 基本配方为： 水胶比O 5 5 、 固体粉料中 粉煤灰掺量3 0 ， 双氧 水用量为固体粉料的6 5 。 5 0 新型建筑材料 2 0 1 3 3 2 2 促凝剂对浆料发泡与成型的影响 硅酸盐水泥此硫铝酸盐水泥的凝结硬化时间长，以硅酸 盐水泥为胶凝材料化学发泡制备超轻泡沫混凝土浆体成型的 关键在于发泡剂的发泡速率与料浆的凝结硬化速率相一致。 双氧水加到硅酸盐水泥浆料中，因水泥水化形成强碱性溶液 使双氧水发生强烈分解， 放出大量氧气使料浆膨胀， 这一过程 通常不超过3 0 ra i n ，然而此时普通硅酸盐水泥的初凝尚未开 始， 浆体尚无强度， 仅靠浆体黏度维持膨胀浆体的重力远远不 够， 因而出现塌模现象。为加快硅酸盐水泥浆体的水化， 防止 出 现塌 模现象， 缩短脱模时间， 需要加入促 凝剂， 促进硅酸盐 水泥的水化、 凝结与硬化。 研究了5 种促凝剂对硅酸盐水泥化学发泡与浆体成型的 影响。 按基本配方将硅酸盐水泥、 粉煤灰和水置于容积6 0 0 m l 的塑料杯中充分搅拌制得浆料， 加入促凝剂， 用量参考文献 7 - 8 ， 快速搅拌 3 0 S ， 加入发泡剂， 迅速搅拌 4 5 S ， 静置、 发 泡， 脱模， 在空气中养护。试验结果见表1 。 表 1 不同促凝剂及其 用量对浆料发泡与成型的影 响 促凝剂类型 用量 试验现象 从表 1 可以看出，普通的硅酸盐水泥促凝剂如硫酸钠与 甲酸钙、 甚至碳酸锂对超轻泡沫混凝土的促凝效果有限， 发泡 一 定时间后塌模，只有具有强烈促凝效果的碱性速凝剂和促 凝剂A才有相当的促凝作用。由于碱性速凝剂中铝酸钠的强 烈促凝作用致使浆体快速稠化，故发泡后体积膨胀达不到要 求， 而且试样养护时开裂。 A为较理想的促凝剂， 试样无开裂， 气泡大小基本一致、 分布均匀。 2 - 3 憎水剂对浆料发泡、 成型和吸水率的影响 众所周知， 湿态时无机材料的导热系数大于于态， 泡沫混 凝土吸水后保温效果将急剧下降； 而且， 在低温寒冷天气条件 下会因冻融而造成强度降低、 甚至结构破坏， 严重影响泡沫混 凝土的 耐久性。 因此， 作为建筑外保 温材料的 泡沫混凝土吸水 率越低越好。化学发泡泡沫混凝土虽然9 0 以上气孔呈封闭 状， 与物理发泡泡沫混凝土相比吸水率要低得多， 但泡孔孔壁 由水泥的水化产物和未反应的粉料组成，它们对水有良 好润 湿性， 加之孔壁上存在少量微孔， 故其吸水率仍然较高， 需要 外加憎水剂降低其吸水率。 憎水剂的加入将改变浆体的物理化学性质，严重影响浆 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张欣， 等： 化学发泡制备超轻憎水泡沫混凝土研究 体的发泡与成型。研究了5 种憎水剂对硅酸盐水泥化学发泡 与浆体成型的影响， 憎水剂用量占固体粉料的1 t9 - o l 。 按基本 配方将水泥、 粉煤灰、 憎水剂和水称量后置于容积6 0 0 m l 的塑 料杯中充分搅拌， 加入促凝剂A ， 快速搅拌 3 O s ， 加入发泡剂， 迅速搅拌4 5 s ， 静置、 发泡， 脱模， 空气中养护。 试验结果见表 2 。 表 2 憎水剂对浆料发泡与成型 的影 响 憎水剂类型 试验现象 甲基硅油 ( 液体) 发泡体积约 5 5 0 m l ， 发泡 5 mi n后塌模 。 4 3 N( 液体) 发泡体积约 5 0 0ml ， 停涨后中间冒大泡 ， 塌模 P A (粉 末 ) 浆 体 较 稀 气 苫 积 约 3o o rn l， s HP- 5 0( b 硬 脂 上 嘉 。 从表2 可以看出，加入硬脂酸钙憎水剂对浆料发泡与成 型的影响最小， 加入甲基硅油与有机硅 4 3 N ( 液体) 的试样发 泡后塌模， 加入P A 、 S H P - 5 0 有机硅粉末憎水剂的试样因浆料 稀发泡体积达不到要求， 且憎水剂浮于表面。 在以 上研究 基础上进一步研究硬脂酸 钙憎 水剂的 憎水效 果。 试验方法如下： 按基本配方准确称量水泥与粉煤灰共2 0 0 g 、 水 1 1 0 g ， 硬脂酸钙按表3 数量加入( 以固体粉料为基准) ， 各物料置于N J 一 1 6 0 A水泥净浆搅拌机( 长沙锡建仪器设备有 限公司产) 中高速搅拌2 m i n ， 加入促凝剂 A ， 高速搅拌 3 0 8 ， 加入发泡剂，再高速搅拌4 5 s 后迅速倒入 1 0 c m x l 0 c m x l O c m的模具中， 静置、 发泡， 空气中养护 1 d 后脱模， 再在空气 中养护 1 4 d 后测试试样的3 、 2 4 和7 2 h 体积吸水率，试验结 果见表3 。 表 3 硬脂酸钙憎水剂的憎水效果 从表3 可以 看出， 随 着硬脂酸钙用量的增加， 试样的 体积 吸水率显著下降， 随着浸水时间延长， 体积吸水率有所增加， 对干密度为2 0 0 k g m s 的 泡沫混凝土， 当 要求其3 h 体积吸水 率 1 0 ， 硬脂酸钙的用量应大于2 。 2 4 生产现场产品试制 将以上研究结果应用于河南某公司的发泡水泥保温板生 产线上。 以本地产P 0 5 2 5 水泥和级粉煤灰为主要原料， 双 氧水( 浓度为2 7 5 ) 、 促凝剂A 和硬脂酸钙均采用工业级原 料， 配方中还外加了0 5 的聚丙烯纤维( - K 度9 1 2 m m ) 作增 强材料。生产工艺流程见图l ， 产品性能见表4 。 磊 I _j 图 1硅酸 盐水泥化学发泡泡沫混凝土的生产工艺流程 表 4 泡沫混凝土的主要性能 3 结语 以普通硅酸盐水泥为主要原料经化学发泡制备了超轻、 憎水的泡沫混凝土。 基本配方研究结果是水胶比0 5 5 、 固体粉 料中粉煤灰掺量 3 0 、 双氧水发泡剂用量6 5 。研究了促凝 剂与憎水剂对浆体化学发泡与成型的影响以及硬脂酸钙憎水 剂对试样吸水率的影响，结果表明， A为较理想的促凝剂， 硬 脂酸钙为较理想的憎水剂。该研究结果已 应用于河南某公司 的水泥发泡保温板生产线。 参考文献： 1 1 闫振甲， 何艳君 泡沫混凝土实用生产技术【 M 】 北京： 化学工业出 版社， 2 0 0 6 【 2 】 Ku n h a n a n d a n Na m b i a r E K ， R a ma mu r t h y K Ai r - v o i d c h a r a c t e r i - s a t i o n o f f o a m c o n c r e t e 册C e m e n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 7 ， 3 7： 2 21 2 3 0 【 3 K u n h ana n d an N a m b i a r E K， R a m a m u r t h y K S o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f foa m c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ， 2 0 0 7 ， 3 7 ： 1 3 41 一l 3 4 7 4 】 赵维霞， 杨萍， 许婵娟， 等现浇回填用泡沫混凝土研究与制备 J 】 混凝 土， 2 0 1 0( 1 ) ： 4 5 - 4 9 ( 下转第 7 8页) N E W B UI L D I NG MA T E R I AL S 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 阿布拉 色来， 等： 石膏基钢渣和矿渣掺棉花秸秆纤维复合墙板的实验研究 2 实验结果与分析 2 1 材料掺量的确定 矿渣、 钢渣掺量对小试块抗压强度的影响见表l 。 表 1 矿渣、 钢渣掺量对小试块抗压强度的影响 石 膏， 水泥， 矿渣 钢渣， 缓凝 剂 平均抗压 强度 MP a 从表 1 可以看出， 钢渣对试块抗压强度的影响较大， 所以 钢渣和矿渣混合使用时，矿渣的用量为钢渣用量的2 倍比较 合适。 根据最初的比例， 再加上不同比例的棉秆纤维搅拌成型 进行抗压强度测试， 结果见表2 。 表 2 棉秆纤维掺量对石膏基复合墙板抗压强度的影响 从表2 可以看出，抗压强度随着棉秆纤维掺量的增加而 降 低。根据G B f r 2 3 4 5 1 -2 0 0 9 规定的墙板抗压强度不低于 3 15 M P a ， 所以， 粉碎棉秆的掺 量不能 大于5 。 2 2 棉杆纤维掺加工艺的确定 在棉秆纤维石膏复合墙板的制备过程中，当纤维的掺量 确定后， 掺加工艺的不同会影响复合材料的性能， 所以要通过 试验先确定最佳的掺加工艺， 以便进一步的探索和研究。 试验 中选用 1 5 3 0 m m长的棉秆纤维，纤维用量为板质量的 4 5 ， 分别采用先掺法和同掺法制备棉秆纤维石膏复合墙板 材料。 先掺法是 将棉 秆纤维、 钢渣和矿渣搅拌均匀再加石膏、 水泥和水搅匀； 同掺法是将棉秆纤维、 钢渣、 矿渣、 水泥和石膏 搅拌均匀再加水搅匀。对2 种掺加工艺制备的复合墙板的抗 压强度进行测试， 得出最佳掺加工艺。 水对材料强度的影响较 大， 所以搅拌材料时加防水剂。 以制作1 块板需要用料 1 5 0 k g 计， 具体配比和试验结果见表3 。 表 3 掺加工艺对石膏基复合墙板抗压强度的影响 石膏 矿渣 钢渣 水泥纤维缓凝防水水 抗压强度 M P a ， ， 剂， lJ k g l 【 g 先掺法同掺法 由 表 3 可以看出，相同配比条件下先掺法制作的复合墙 板平均抗压强度为4 9 4 M P a ， 同掺法制作的复合墙板平均抗 压强度4 3 2 M P a ， 先掺法制作的墙板抗压强度比同掺法的抗 压强度提高1 3 。通过2 种掺加工艺的对比实验， 得出采用 先掺法制作的墙板中棉秆纤维均匀分布于石膏复合材料基体 中， 没有发生粘连结团现象； 而同掺工艺中棉秆纤维分布不均 匀， 纤维之间发生粘连结团现象。制作的墙板质量为 1 4 0 k g ， 面密度为7 8 k g m 。 3 结语 ( 1 ) 石膏基钢渣矿渣棉花秸秆纤维石膏复合墙板质轻， 可 有效地减小自 重。 ( 2 ) 石膏基钢渣矿渣棉花秸秆纤维石膏复合墙板的抗压 强度随棉秆纤维的增加而减小，棉秆纤维的用量为总质量的 4 一 5 时， 抗压强度符合G B ff 2 3 4 5 1 -2 0 0 9 的要求。 ( 3 ) 棉秆纤维长度增加， 在搅拌过程中易集结成团， 使搅 拌变得困难， 搅拌不均匀， 影响墙板的整体性能； 选用 1 5 3 0 m m长的棉秆纤维比较合适。 参考文献 ： 1 】 李爱玲 天然石膏及其开发利用研究进展I J 1矿产与地质， 2 0 0 4 ， 1 8 ( 5 ) ： 4 9 8 - 5 0 1 2 】 向才 旺 建筑石膏及其i ti lJ M 北京 ： 中国建材工业出版社 ， 1 9 9 8 【 3 】 李 国忠 ， 李宏伟 石膏基植物纤维复合板的研制【 J 1 混凝 土与水泥 制品， 1 9 9 6 ( 6 ) ： 4 5 4 6 ， 5 7 A ( 上接第 5 1 页) 【 5 扈士凯， 李应权， 徐洛 屹， 等 国外泡沫 混凝土 工程应用进展 J 混 凝土世界 ， 2 0 1 0( 4 ) ： 4 8 5 0 6 】 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 J 混凝土与水泥制 品， 幻 ( 1 2 ) ： 1 - 4 7 】 俞心刚， 魏玉荣 早强剂对煤矸石一 粉煤灰泡沫混凝土性能的影 响 J 】 墙体革新与建筑节能， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 2 5 2 6 7 8 新型建筑材料 2 0 1 3 3 【 8 蔡娜 超轻泡沫混凝土保温材料的试验研究f D 】 重庆： 重庆大学， 2 0 0 9 9 】 张磊蕾， 王武祥 改善泡沫混凝土吸水性能的研究【 J 建材技术与 应用 ， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 - 3 1 0 1 管文 影响泡沫混凝土吸水率的因素及改善措施 J _ 建筑砌块与 砌块建筑 ， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 4 6 4 8 A 加 ! i O O O O： 2 O 5 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m