李洋,潘志華
(南京工業(yè)大學材料科學與工程學院,江蘇 南京 210009)
超輕泡沫混凝土性能的優(yōu)化研究
李洋,潘志華
(南京工業(yè)大學材料科學與工程學院,江蘇 南京 210009)
以P·O42.5水泥、超細礦渣粉、粉煤灰為膠凝材料,采用化學發(fā)泡法制備密度等級為160 kg/m3的超輕泡沫混凝土。通過對促凝劑的復配優(yōu)化、粉煤灰摻量、增稠劑用量的實驗研究,對超輕泡沫混凝土性能進行優(yōu)化。實驗結(jié)果表明:優(yōu)化復合促凝劑SAA用量為1.5%、粉煤灰摻量10%、增稠劑摻量0.05%時,泡沫混凝土的干密度為158.8 kg/m3,28 d抗壓強度為0.46 MPa,氣孔均勻細小,直徑在1 mm以下的氣孔占總氣孔數(shù)的98%以上,導熱系數(shù)為0.05 W/(m·K)。并利用ANSYS Workbench對泡沫混凝土外墻保溫系統(tǒng)進行模擬熱分析,表明優(yōu)化后的超輕泡沫混凝土的保溫性能能很好地滿足外墻保溫的要求。
超輕泡沫混凝土;促凝;抗壓強度;導熱系數(shù)
泡沫混凝土作為一種無機多孔材料,以其保溫、隔聲、防火、生產(chǎn)成本低、使用壽命長等顯著特點[1-3],能夠滿足建筑保溫材料的要求,特別是作為建筑外墻保溫系統(tǒng),不僅能達到很好的保溫效果,而且因其密度低很大程度地降低了建筑的自重,減少了對地基的壓力,因此受到了廣泛關(guān)注。
雖然泡沫混凝土作為建筑外墻保溫材料具有很大的優(yōu)勢,但也有一些不足需要進一步優(yōu)化,如強度偏低,在切割、運輸、施工過程中容易受到損壞;超輕泡沫混凝土在制備過程發(fā)泡結(jié)束以后出現(xiàn)泡沫料漿下陷或沉降等。因此國內(nèi)外很多專家學者也做了大量的研究工作。呂欽剛等[4]研究了超細礦渣粉對密度等級為300 kg/m3的泡沫混凝土性能的影響。Ramamurthy等[5]通過探索適宜發(fā)泡劑和發(fā)泡機、發(fā)泡劑和化學試劑的兼容性、輕集料和增強纖維的使用、耐久性以及影響泡沫混凝土生產(chǎn)的其它因素對泡沫混凝土進行了深入的研究。Kunhanandan Nambiar等[6]利用光學顯微鏡對泡沫混凝土的孔隙率系數(shù)、氣孔體積、尺寸、氣孔的分布情況進行研究,大的氣孔會降低混凝土強度,氣孔的形狀對泡沫混凝土的性質(zhì)沒有影響。Li Yue和Chen Bing[7]通過以磷酸鎂水泥代替硅酸鹽水泥制備出密度為210~380 kg/m3、強度為1.0~2.8 MPa、導熱系數(shù)為0.049~0.07 W/(m·K)的泡沫混凝土制品。Kearsley等[8]研究了泡沫混凝土孔隙率和抗壓強度的關(guān)系,抗壓強度與孔隙率和齡期之間存在一個函數(shù)關(guān)系,并且建立了一個乘法模型可以很好地吻合1年齡期的實驗結(jié)果。
本文通過促凝劑優(yōu)化、粉煤灰、增稠劑的添加對超輕泡沫混凝土的性能影響展開討論,對超輕泡沫混凝土的配方進行優(yōu)化,以達到提高超輕泡沫混凝土性能的目的。
1.1 試驗原料
水泥(PC):市售,P·O42.5水泥;礦渣粉(SG):超細礦渣粉,比表面積800 m2/kg;粉煤灰:市售,I級粉煤灰(FA);發(fā)泡劑(HO):化學純雙氧水;穩(wěn)泡劑(FS):自制;減水劑(SP):市售,聚羧酸高效減水劑,固含量50%;聚丙烯纖維(PP):長度8~12 mm。促凝劑(SA):硫酸鋁(Al2(SO4)3·18H2O),硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O),氯化鈣(CaCl2);早強劑(HA):MgCl2;增稠劑:羧甲基纖維素鈉(CMC)。試驗中各材料的摻量均為占膠凝材料的質(zhì)量百分數(shù)。
1.2 超輕泡沫混凝土的制備
采用化學發(fā)泡法制備泡沫混凝土,設計泡沫混凝土密度為160 kg/m3,制備工藝流程見圖1。
圖1 泡沫混凝土的制備工藝流程
1.3 泡沫混凝土的性能測試
超輕泡沫混凝土的干密度及抗壓強度按照GB/T 5486—2008《無機硬質(zhì)絕熱制品試驗方法》并結(jié)合JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進行測試;導熱系數(shù)依據(jù)GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法》對超輕泡沫混凝土導熱系數(shù)進行測試,樣品為300 mm×300 mm×30 mm完全烘干的超輕泡沫混凝土板。
2.1 超輕泡沫混凝土促凝劑的優(yōu)化
超輕泡沫混凝土在制備過程中常發(fā)生下陷或沉降現(xiàn)象,這主要是由于泡沫混凝土的凝結(jié)速率和發(fā)泡速率不能達到良好匹配造成的。當凝結(jié)時間過長,發(fā)泡結(jié)束以后,泡沫混凝土料漿形成的多孔結(jié)構(gòu)沒有足夠的強度支撐自身的質(zhì)量,就會使氣泡破裂,從而造成沉降甚至塌模。促凝劑的優(yōu)化有助于解決這一問題。泡沫混凝土的配合比見表1。
表1 泡沫混凝土配合比
首先通過改變不同促凝劑的用量,分別考察3種促進劑對泡沫混凝土的影響。澆筑模具采用2000 ml燒杯,澆筑量為發(fā)泡結(jié)束后能完全充滿燒杯,以便于比較、測量。澆筑24 h后分別測量各燒杯內(nèi)試樣的沉降距離。結(jié)果見圖2。
圖2結(jié)果表明,當硫酸鋁摻量為0.5%和1.5%時,試樣的沉降距離僅2 mm,說明促凝效果良好,并且料漿流動性好,能很好地滿足澆筑要求。摻量為0.5%時,試樣的硬度低于摻量為1.5%時的硬度,說明摻量較低時強度發(fā)展較慢。對試樣進行切割觀察,內(nèi)部氣泡均勻;硅酸鈉摻量為1.25%~1.5%時,沉降距離也在2 mm左右,試樣內(nèi)部有部分連通氣孔;氯化鈣摻量為1.25%~2.00%時,試樣沉降距離基本不變,維持在2 mm左右,而且試塊切開以后觀察,無連通氣泡,氣泡均勻,氣泡壁完整。綜合上述實驗,促凝劑的最佳摻量為1.5%左右。
圖2 不同促凝劑及其摻量對泡沫混凝土沉降的影響
對促凝效果較好的2種促凝劑氯化鈣和硫酸鋁進行復合使用,測試其促凝效果。將1.5%摻量分為15等份,兩者的復合比分別為:A1:m(氯化鈣)∶m(硫酸鋁)=2∶13;A2:m(氯化鈣)∶m(硫酸鋁)=3∶12;A3:m(氯化鈣)∶m(硫酸鋁)=5∶10;A4:m(氯化鈣)∶m(硫酸鋁)=7∶8;A5:m(氯化鈣)∶m(硫酸鋁)=13∶2。泡沫混凝土配合比不變,試驗結(jié)果見圖3。
圖3 不同復合促凝劑試樣的下陷距離
圖3表明,促凝劑復合使用能使促凝效果更佳,當m(氯化鈣)∶m(硫酸鋁)=7∶8時促凝效果最好,避免了沉降現(xiàn)象的發(fā)生,將此比例復合的促凝劑記作SA-A。
促凝劑的優(yōu)化,使泡沫混凝土的凝結(jié)速率和發(fā)泡速率達到了平衡,既不出現(xiàn)凝結(jié)過快影響料漿流動性的問題,又解決了澆筑成型后的沉降現(xiàn)象。
2.2 粉煤灰對超輕泡沫混凝土性能的影響
粉煤灰作為礦物摻和料添加到泡沫混凝土中,不僅可以取代部分水泥降低生產(chǎn)成本,而且還可以降低水化放熱[9]。本文研究粉煤灰的摻量對超輕泡沫混凝土性能影響。成型模具采用100 mm×100 mm×100 mm三聯(lián)模,泡沫混凝土的配合比見表2,測試結(jié)果見圖4、圖5。
表2 不同粉煤灰摻量泡沫混凝土的配合比
圖4 粉煤灰摻量對超輕泡沫混凝土抗壓強度的影響
圖5 粉煤灰摻量對超輕泡沫混凝土干密度的影響
由圖4可知,超輕泡沫混凝土的抗壓強度受粉煤灰摻量的影響顯著,粉煤灰摻量增加到10%(60 g)時,泡沫混凝土的28 d抗壓強度達到0.42 MPa;繼續(xù)增加用量,抗壓強度降低明顯,當增加到25%時,泡沫混凝土無法成型,澆筑后迅速塌模。由圖5可見,泡沫混凝土的干密度也受到粉煤灰摻量的影響,當粉煤灰摻量為10%時,泡沫混凝土的干密度為167 kg/ m3。
2.3 羧甲基纖維素鈉對超輕泡沫混凝土性能的影響
羧甲基纖維素鈉具有粘合、增稠、增強、保水等性能,本文利用其增稠的特性,作為泡沫混凝土料漿的增稠劑使用。添加增稠劑主要是調(diào)節(jié)泡沫混凝土料漿的黏稠度,增強發(fā)泡過程中氣泡壁的拉伸性能,使泡沫混凝土內(nèi)部形成更多封閉的獨立氣孔,從而優(yōu)化氣孔細度,提高泡沫混凝土強度。按表2中的7#配比,改變羧甲基纖維素鈉摻量,其對超輕泡沫混凝土抗壓強度及干密度的影響見表3。
表3 CMC摻量對超輕泡沫混凝土性能的影響
表3表明,羧甲基纖維素鈉對泡沫混凝土早期強度的發(fā)展有一定程度的減緩作用,但是隨著養(yǎng)護齡期的延長,抗壓強度的增幅比不摻羧甲基纖維素鈉的泡沫混凝土增幅大,養(yǎng)護至28 d時,抗壓強度均高于未添加羧甲基纖維素鈉的泡沫混凝土試樣,說明羧甲基纖維素鈉對泡沫混凝土抗壓強度有增強作用,當摻加量增加到0.05%時,抗壓強度最大,達到0.46 MPa,干密度為158.8 kg/m3,較未摻加羧甲基纖維素鈉的泡沫混凝土更低。羧甲基纖維素鈉摻量為0.05%時泡沫混凝土試樣的SEM照片見圖6,通過Image pro plus 6.0圖像分析軟件進行孔徑分析,結(jié)果見表4。
圖6 超輕泡沫混凝土試樣的孔結(jié)構(gòu)
表4 泡沫混凝土孔徑分布
由圖6可知,超輕泡沫混凝土氣孔形狀規(guī)則飽滿,通過Image pro plus圖像處理后可以看出氣孔多呈圓形且各氣泡間獨立密閉,這樣的多孔結(jié)構(gòu)有利于降低多孔材料的導熱系數(shù)。表4顯示,泡沫混凝土的孔徑細小,直徑在1 mm以下的氣孔占總氣孔數(shù)的98.7%。細孔增多,氣孔壁也增多,這就使材料在受到壓力時有更多的支撐,從而提高了超輕泡沫混凝土的抗壓強度。
使用優(yōu)化后的泡沫混凝土配合比制備超輕泡沫混凝土,并對超輕泡沫混凝土試樣進行導熱系數(shù)測試,烘干至恒重的超輕泡沫混凝土板導熱系數(shù)為0.05 W/(m·K)。
2.4 超輕泡沫混凝土保溫性能分析
通過ANSYS Workbench對超輕泡沫混凝土保溫板進行穩(wěn)態(tài)熱分析,以判斷超輕泡沫混凝土作為外墻保溫材料的性能。穩(wěn)態(tài)熱力學分析一般方程[10]為:
式中:[K]——傳導矩陣,包括導熱系數(shù)、對流系數(shù)以及輻射系數(shù)和形狀系數(shù);
{I}——節(jié)點向量溫度;
{Q}——節(jié)點熱流向量,包括生成熱。
分析過程中涉及的傳熱方式為熱傳導,熱傳導遵循傅里葉定律[10],公式為:
式中:q——熱流密度,W/m2;
k——導熱系數(shù),W/(m·K)。
設置模型參數(shù):墻體材料選擇ALC加氣混凝土砌塊,密度為500 kg/m3,導熱系數(shù)為0.20 W/(m·K),作為墻體材料時修正系數(shù)為1.35,體積為300 mm×300 mm×300 mm;超輕泡沫混凝土導熱系數(shù)為0.05 W/(m·K),體積為300 mm×300 mm×50 mm;外墻面溫度為-7℃,空氣對流換熱系數(shù)為20 W/(m2·K),內(nèi)墻面溫度為22℃,空氣對流傳熱系數(shù)為12.5 W/(m2·K)。分別對ALC加氣混凝土砌塊墻體以及超輕泡沫混凝土保溫板和ALC加氣混凝土砌塊復合墻體進行熱分析。
(1)ALC加氣混凝土砌塊墻體熱分析(見圖7)
圖7 ALC加氣混凝土墻體熱分析
由圖7可知,在未使用超輕泡沫混凝土保溫板時,墻體外表面最低溫度為-5.83℃,內(nèi)墻面溫度為20.13℃,總熱通量為23.366 W/m2。
(2)復合墻體熱分析
建立ALC加氣混凝土和超輕泡沫混凝土保溫板的復合墻體模型,劃分網(wǎng)格,施加載荷,得出溫度云圖和熱通量值,結(jié)果見圖8。
圖8 復合墻體熱分析
由圖8可知,外墻使用超輕泡沫混凝土保溫板以后,墻體外表面最低溫度為-6.35℃,內(nèi)墻面溫度為20.96℃,總熱通量為12.939 W/m2。
施加載荷的內(nèi)外表面溫差為29℃,ALC加氣混凝土砌塊墻體在相同載荷條件下內(nèi)外溫差為25.96℃,使用超輕泡沫混凝土保溫板的復合墻體內(nèi)外溫差為27.32℃,而且復合墻體熱通量顯著低于ALC加氣混凝土砌塊墻體。
(1)按m(氯化鈣)∶m(硫酸鋁)=7∶8制備的復合促凝劑很好地改善了發(fā)泡速率和凝結(jié)速率之間的關(guān)系,解決了澆筑成型過程中的沉降現(xiàn)象,滿足了超輕泡沫混凝土對促凝劑的要求。
(2)粉煤灰對泡沫混凝土性能影響明顯,不僅可以取代部分水泥降低生產(chǎn)成本而且適量的粉煤灰可以提高超輕泡沫混凝土的性能。
(3)摻入0.05%的羧甲基纖維素鈉可改善泡沫混凝土的性能,使干密度降低到158.8 kg/m3的同時抗壓強度達到了0.46 MPa;氣孔獨立性、封閉性好,1 mm以下孔徑占氣孔數(shù)的98%以上,導熱系數(shù)為0.05 W/(m·K)。
(4)ANSYS Workbench分析結(jié)果表明,超輕泡沫混凝土保溫板使用前后能使ALC加氣混凝土墻體的熱通量從23.366 W/m2降低到12.939 W/m2,顯著降低了墻體的熱交換,具有優(yōu)良的保溫隔熱性能。
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Research on optimization of ultra-light weight foamed concrete performance
LI Yang,PAN Zhihua
(College of Materials Science and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China)
By using P·O42.5 cement,superfine slag powder and fly ash as cementitious material,ultra-light foamed concrete with density level of 160 kg/m3was prepared by chemical foaming method.The properties of ultra-light foamed concrete was optimized by optimizing the setting accelerator,and the dosage of fly ash and thickening agent.Results show that:when the content of setting accelerator SA-A is 1.5%,fly ash is 10%,thickening agent is 0.05%,the dry density of foamed concrete is 158.8 kg/m3,the 28 d compressive strength of foamed concrete is 0.46 MPa,and the pore are small and uniform,pore diameter under 1 mm is above 98%,the thermal conductivity is 0.05 W/(m·K).ANSYS Workbench was used to simulate the insulation performance of foamed concrete.The results show that the optimized ultra-light foamed concrete is commendably to meet the performance requirements of the external wall insulation board.
ultra-light weight foamed concrete,setting accelerator,compressive strength,thermal conductivity
TU55+1.33
A
1001-702X(2016)11-0074-06
2016-04-14
李洋,男,1988年生,河南淮陽人,碩士研究生,主要從事泡沫混凝土研究。