譚明洋 呂憲俊 姜梅芬 吳 蓬

(山東科技大學化學與環(huán)境工程學院)

化學發(fā)泡水泥的研究現(xiàn)狀*

譚明洋 呂憲俊 姜梅芬 吳 蓬

(山東科技大學化學與環(huán)境工程學院)

概述了化學發(fā)泡水泥的原料組成，并對研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，針對目前存在的問題，提出了化學發(fā)泡水泥推廣應用和研究發(fā)展的方向。

化學發(fā)泡水泥 膠凝材料 發(fā)泡劑 穩(wěn)泡劑 摻合料 工程纖維

隨著有機保溫材料弊端的日益顯現(xiàn)，發(fā)泡水泥作為一種無機不燃的保溫材料越來越受到社會的重視。發(fā)泡水泥是一種具有獨立封閉氣孔結(jié)構的材料，具有輕質(zhì)、抗老化、不燃、制備工藝簡單等優(yōu)點，且具有環(huán)保性。發(fā)泡水泥可分為物理發(fā)泡水泥和化學發(fā)泡水泥，化學發(fā)泡水泥是采用化學發(fā)泡劑與水泥材料本身或者受外界環(huán)境作用發(fā)生化學反應，產(chǎn)生氣體用以成孔的。

1 原料組成

化學發(fā)泡水泥制備方法簡單，但是對原材料和工藝參數(shù)要求較高，否則很難成型或達到相應的性能要求，制備化學發(fā)泡水泥的原料有膠凝材料、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、摻合料、外加劑和工程纖維等。

1.1 膠凝材料

發(fā)泡水泥主要的膠凝材料是水泥，約占固體原料的60%～90%，是發(fā)泡水泥強度的主要來源。大部分水泥均可作為發(fā)泡水泥的膠凝材料，一般認為快硬、快凝是泡沫混凝土成功的前提，因此硫、鐵鋁硅酸鹽水泥應用廣泛，但是高鋁水泥會出現(xiàn)后期強度增長不足的問題。研究發(fā)現(xiàn)膠凝材料選用硫鋁(鐵鋁)酸鹽水泥與普硅水泥的復合體系，生產(chǎn)出的無機化學發(fā)泡水泥兼具硫鋁(鐵鋁)酸鹽水泥的快硬，和普通硅酸鹽水泥后期強度無倒縮的優(yōu)點[1]。普通硅酸鹽水泥原料來源廣泛，是發(fā)泡水泥膠凝材料主要的發(fā)展方向之一。

1.2 發(fā)泡劑

能夠在水泥基漿體中發(fā)生化學反應，并產(chǎn)生氣體的物質(zhì)均可用做化學發(fā)泡劑。目前適于化學發(fā)泡水泥的主要有碳化鈣、銨鹽、鋁粉和雙氧水，在其中加入一些激發(fā)劑[2]能夠促進化學發(fā)泡劑發(fā)泡。這些化學發(fā)泡劑中應用最廣泛的是雙氧水，承德市宏鳴新型墻體材料有限公司已具備成熟的生產(chǎn)技術，并實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。碳化鈣遇水會發(fā)生劇烈反應很難控制其發(fā)泡速率，銨鹽類發(fā)泡劑發(fā)泡時需要提高其所處環(huán)境的堿性，且研究發(fā)現(xiàn)即使溫度升高，其發(fā)泡速率也非常緩慢，而且逸出的氨氣對人的皮膚和眼睛有腐蝕和刺激作用。雙氧水在pH值為3.5～4.5時最穩(wěn)定，在堿性溶液或較高的水溫環(huán)境中極易分解成水和氧氣，氧氣形成了氣泡，水和水泥起水化反應，故生產(chǎn)工藝過程中無廢水和廢氣排放[3]。

1.3 穩(wěn)泡劑

泡沫的質(zhì)量直接影響發(fā)泡水泥的質(zhì)量，如何才能產(chǎn)生均一、穩(wěn)定性好的氣泡(氣孔)，是當前研究的熱點問題。

泡沫具有較大的表面自由能，易發(fā)生破裂。顧軍等[4]認為影響泡沫穩(wěn)定性的因素有氣液界面張力的影響和Laplace壓力差的影響。為提高氣泡結(jié)構的穩(wěn)定性，需要加入少量大分子物質(zhì)、硅樹脂聚醚乳液類(MPS)、非離子表面活性劑等[1]穩(wěn)泡劑，其主要作用是增大液膜黏度，阻礙液體的流動。其中，以表面活性劑應用居多，加入表面活性劑，能降低表面張力，保持泡沫的熱力學穩(wěn)定性。

Maldonado-Valderrama等[5]研究了蛋白質(zhì)-表面活性劑復合體系發(fā)泡劑對泡沫穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)和活性劑分子吸附在膜表面，可以使膜更加致密且彈性強，泡沫內(nèi)氣體難以通過液膜向外擴散，因此泡沫能在較長時間內(nèi)穩(wěn)定存在。

在實際生產(chǎn)中，特別是生產(chǎn)化學發(fā)泡水泥過程中，硬脂酸鈣應用較多，不僅起到穩(wěn)泡的作用，而且能提高發(fā)泡水泥的防水性。

1.4 摻合料

在發(fā)泡水泥中摻加摻合料，其作用和水泥混合材類似，主要為了降低生產(chǎn)成本，同時能夠降低發(fā)泡水泥漿體的水化熱，減小發(fā)泡水泥的開裂現(xiàn)象。常用摻合料包括粉煤灰、硅灰、建筑廢棄細粉[6]、煤矸石粉[7]等，其中以粉煤灰應用最為廣泛，粉煤灰是煤粉經(jīng)燃燒后，其中一些不燃物以高溫熔融狀態(tài)隨煙氣流向爐尾的時候急冷形成的，成分以SiO2、Al2O3為主，其玻璃體物質(zhì)含量較高，是潛在活性的主要來源。

喬歡歡等[8]研究了硅灰、粉煤灰2種活性摻合料對泡沫混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入硅灰可以明顯提高在泡沫混凝土的早期強度，但會增加吸水率，因此抗凍性能較差；粉煤灰的摻加可提高抗凍性，摻入經(jīng)粉磨處理的粉煤灰可明顯增加后期強度，降低吸水率，但對抗凍性的改善作用不大。

M.R.Jones等[9]將未經(jīng)處理的低鈣粉煤灰替代部分水泥，研究其對泡沫混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)制備出的泡沫混凝土有較高的強度，干密度為1 000， 1 200，1 400 kg/m3時，對應抗壓強度達到了6.4， 7.0，10.2 MPa。

摻合料替代部分水泥提高了發(fā)泡水泥性能的同時，也存在一些問題，如導致膠凝材料的凝結(jié)時間過長，產(chǎn)品吸水率過高，整體強度下降等問題。采用一定的活化方法，提高摻合料的反應活性具有重要的意義

1.5 外加劑

發(fā)泡水泥實際生產(chǎn)應用過程中通常要加入一些外加劑來提高其性能和應用領域，這些物質(zhì)添加量不大，但卻起著至關重要的作用，外加劑包括早強劑、防水劑、調(diào)凝劑等。

邵洪江等[10]認為摻加CaCl2可以提高發(fā)泡水泥的早期強度，這是因為Ca2+和Cl-的存在以及鹽效應、同離子效應的影響，可以加速水泥的水化和粉煤灰中活性組分的溶解，促進晶核的生成和晶體生長，此外CaCl2還可以參與反應生成不溶性的復鹽及固溶體。李小龍等[11]發(fā)現(xiàn)適量生石灰的摻加，其生成的Ca(OH)2放熱能促進水泥水化，增強漿體硬化效應；同時也能提高溶液的黏度，防止氣泡的合并，提高料漿“殼”的強度，進而有效增強材料的強度。

徐文等[12]認為化學發(fā)泡水泥可以成型的關鍵在于使發(fā)泡劑發(fā)泡的速率與料漿凝結(jié)硬化速率相一致，達到一種動態(tài)的平衡。因此發(fā)泡水泥中一般需要加入適量調(diào)凝劑。韓建國等[13]得出鋰鹽類促凝劑可以使水泥水化誘導期消失的結(jié)論，水泥加水后直接進入水化加速期，從而與發(fā)泡劑的發(fā)泡時間或泡沫穩(wěn)定時間達到一致。

由于發(fā)泡水泥的摻合料多為微細粉料，這勢必要增加發(fā)泡水泥的吸水率，因此防水劑必不可少。研究[14]發(fā)現(xiàn)不同種類的防水劑對發(fā)泡水泥影響不同，因此應選擇合適的防水劑。

外加劑的種類很多，根據(jù)所用膠凝材料和摻合料的性質(zhì)的不同選用最佳的外加劑是制備高性能發(fā)泡水泥的關鍵因素，但是從目前研究來看對外加劑的作用機理研究仍然較少。

1.6 工程纖維

纖維的摻入可抑制試樣中新生裂紋的產(chǎn)生，約束初始裂紋的延伸和擴展，降低混凝土內(nèi)部裂縫端部的應力集中系數(shù)，從而進一步提高試樣抗折及抗壓強度[15]。無機發(fā)泡水泥中比較常見的纖維有聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維和玻璃纖維。

詹炳根等[16]研究了玻璃纖維對泡沫混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維的摻加改善了無機化學發(fā)泡水泥的抗壓強度和抗折強度，抑制了早期干縮開裂現(xiàn)象，且對導熱系數(shù)影響不大。鄭念念等[17]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維能有效減小無機化學發(fā)泡水泥的干縮，但是纖維摻量不應過大。李啟金等[15]研究發(fā)現(xiàn)當纖維摻加量大于0.7%時，試樣抗折及抗壓強度呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于纖維摻量過多，纖維分散性變差而成團，導致試樣強度下降。

2 研究現(xiàn)狀

發(fā)泡水泥具有輕質(zhì)環(huán)保、保溫耐火、隔音抗震以及壽命長等優(yōu)點，用于保溫材料具有良好的前景。發(fā)泡水泥與其他幾種保溫材料的性能對比見表1。

與物理發(fā)泡水泥相比，化學發(fā)泡水泥無須借助發(fā)泡劑，其發(fā)泡迅速，效率高，產(chǎn)生泡沫豐富，泡體穩(wěn)定性好。而且通過調(diào)節(jié)發(fā)泡劑用量和所處外界環(huán)境便于調(diào)整氣泡產(chǎn)生量和泡體大小，生產(chǎn)不同規(guī)格產(chǎn)品，使生產(chǎn)低容重產(chǎn)品成為可能。

發(fā)泡水泥技術已經(jīng)比較成熟，而且在很多地區(qū)已經(jīng)生產(chǎn)出了質(zhì)量較高的產(chǎn)品，化學發(fā)泡水泥大都采用雙氧水作為發(fā)泡劑，因此對其發(fā)泡劑的研究較少，目前對化學發(fā)泡水泥的研究主要從以下幾個方面展開。

表1 常見保溫材料的性能對比

注：抗壓強度為所列材料對應密度范圍的抗壓強度值。

2.1 提高摻合料用量

增大摻合料用量是降低發(fā)泡水泥生產(chǎn)成本的有效方式，也是當前研究的熱點。徐建軍[18]等研究了大摻量粉煤灰在發(fā)泡水泥中的應用，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為20%～40%時，隨著粉煤灰摻量的增加，發(fā)泡水泥的抗壓強度并無明顯的降低，當超過40%后，其抗壓強度急劇下降。Kearsleya和Wainwright[19]對大摻量粉煤灰代替水泥后泡沫混凝土的性能進行試驗，發(fā)現(xiàn)發(fā)泡水泥的強度主要與干密度有關，受粉煤灰的摻量影響較小。但是目前化學發(fā)泡水泥的摻合料仍局限于粉煤灰，當前粉煤灰已供應不足且價格也在上漲，開發(fā)其他摻合料迫在眉睫。

2.2 纖維增強性能

相比其他混凝土產(chǎn)品已具有較大的優(yōu)勢，但是同時滿足低容重、高強度特點的產(chǎn)品仍然較少，添加工程纖維用來提高其抗折和抗壓強度也是研究的方向之一。

王朝陽等[20]研究了不同摻量的聚丙烯纖維和玻璃纖維對其力學性能、保溫性能、干燥收縮和導熱系數(shù)的影響，研究結(jié)果表明:當加入膠凝材料總量為0.48%的聚丙烯纖維和玻璃纖維時，泡沫混凝土的抗折抗壓強度均比空白樣提高約50個百分點，隨著纖維摻量的增加，對泡沫混凝土的干燥收縮有一定的抑制作用，對吸水率和導熱系數(shù)的影響不大。蘇秀霞等[21]研究發(fā)現(xiàn)白泥纖維能夠顯著提高發(fā)泡水泥的力學性能，但是取決于其均勻分散程度，并得出當分散劑濃度為1.3%，纖維摻加量為4.29%時，發(fā)泡水泥的抗壓和抗拉強度分別能達到0.81 MPa和 0.34 MPa。

從以上研究可以看出，對纖維增強發(fā)泡水泥的研究仍多采用宏觀性能的表征，而對機理研究仍然較少，例如纖維對泡孔結(jié)構的影響等。

2.3 制備工藝的優(yōu)化

化學發(fā)泡水泥的操作方法簡單，但是具體工藝參數(shù)要求較高，因此工藝上的細微調(diào)整可能會對發(fā)泡水泥性能產(chǎn)生較大的影響。

2.3.1 水料比

水料比直接決定礦漿的濃度，若水料比過小，料漿過稠，料漿均勻性差，同時雙氧水在料漿中也不易充分混合均勻，導致局部發(fā)泡劇烈；若水料比過大，漿體過稀，料漿凝結(jié)硬化延緩，而且容易出現(xiàn)料漿下沉和冒泡現(xiàn)象，影響發(fā)泡穩(wěn)定性[22]。徐建軍等[23]通過實驗發(fā)現(xiàn)水料比小于0.40，料漿攪拌不勻，流平性較差；水料比大于0.65，穩(wěn)定性較差，易塌模。

2.3.2 外加劑的添加量

外加劑的摻加應適量，例如摻加防水劑可明顯提高發(fā)泡穩(wěn)定性，防水劑摻量過少或不摻防水劑時，發(fā)泡過程中會出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象甚至發(fā)泡失敗[3]，摻加量過多又會對水泥的硬化起到緩凝作用，這是因為過多外加劑會包裹在水泥表面，減小了水泥與水的接觸面積，減緩了水泥的水化速度。

2.3.3 操作工藝

水泥漿體水化熱過大會導致發(fā)泡水泥內(nèi)部產(chǎn)生大裂紋，除摻加摻合料以降低水泥漿體水化熱以外，特別是對于化學發(fā)泡水泥要根據(jù)外界環(huán)境，嚴格控制好水的溫度和漿體攪拌時間，防止?jié)沧r局部溫度過高。對發(fā)泡水泥的養(yǎng)護也非常重要，在水泥終凝之前應防止發(fā)泡水泥內(nèi)部產(chǎn)生振動，否則會造成塌模，此外要注意保水，防止表面干裂和體積收縮。

3 化學發(fā)泡水泥的研究方向

從以上研究現(xiàn)狀可以看出，如何制備出高質(zhì)量的發(fā)泡水泥是目前研究的主體方向，像外加劑的使用、高活性摻合料的制備、結(jié)合實際生產(chǎn)進行工藝的優(yōu)化等，在此基礎上建議著重從以下幾個方面深入研究及推廣發(fā)泡水泥。

(1)深入研究穩(wěn)泡劑和外加劑的作用機理以及不同添加劑之間的復合作用，提高其抗壓強度、抗?jié)B性，降低干縮系數(shù)。

(2)拓寬摻合料的種類，例如大量堆存的礦山選礦尾礦，對其采用一定的方式活化即可具有火山灰活性。

(3)利用現(xiàn)代測試技術手段對孔結(jié)構與發(fā)泡水泥性能的關系進行分析，從微觀理論來指導宏觀的工藝參數(shù)。

4 結(jié) 語

發(fā)泡水泥原料組成較為固定，且來源廣，產(chǎn)品性能優(yōu)異，相比其他保溫材料具有明顯的優(yōu)勢，符合節(jié)能減排政策的要求。與物理發(fā)泡水泥相比，化學發(fā)泡水泥一般不使用粗集料，且工藝更為簡單，更容易制備出低密高強的產(chǎn)品，作為保溫材料具有良好的市場前景。

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