蘭明章，代丹丹 ，陳智豐，周　健，劉成健

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京　100124；2.中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司中材研究院，北京　100102；3.唐山北極熊建材有限公司，灤縣　063705)

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超輕發(fā)泡水泥保溫板孔結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究

蘭明章1，代丹丹1，陳智豐2，周健2，劉成健3

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100124；2.中國(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司中材研究院，北京100102；3.唐山北極熊建材有限公司，灤縣063705)

發(fā)泡水泥中的孔結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了材料的力學(xué)和熱學(xué)性能。為了深入研究發(fā)泡水泥的孔結(jié)構(gòu)與力學(xué)和熱學(xué)性能的關(guān)系，本文利用圖像分析法表征了發(fā)泡水泥的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)(氣孔率、氣孔尺寸)，測(cè)試了材料的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。研究結(jié)果表明：氣孔率、孔壁厚度、氣孔尺寸對(duì)干密度、抗壓強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)均有影響。隨著氣孔率的增大，干密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在相同容重下，導(dǎo)熱系數(shù)隨著平均孔徑的增大而升高，抗壓強(qiáng)度隨之減小，發(fā)泡水泥的孔徑每增大1 mm，則抗壓強(qiáng)度減小25%～30%；氣孔尺寸分布近遵循對(duì)數(shù)正態(tài)分布(R2=0.95)，高密度的發(fā)泡水泥的對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高。

發(fā)泡水泥；孔結(jié)構(gòu)參數(shù)；干密度；抗壓強(qiáng)度；導(dǎo)熱系數(shù)

1　引　言

泡沫混凝土中的孔可分為：凝膠孔、毛細(xì)孔以及由氣體引入產(chǎn)生的宏觀孔。凝膠孔對(duì)混凝土的徐變和收縮有一定的影響，但對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有影響。毛細(xì)孔和其他的大孔則會(huì)降低泡沫混凝土的強(qiáng)度[1-4]。以上類(lèi)型的孔參數(shù)分別可以通過(guò)氮?dú)馕椒ā汗?、光學(xué)顯微鏡圖像分析法或X-CT計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)測(cè)試得到[5]。泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)(氣孔率、孔尺寸以及孔徑分布)對(duì)其宏觀性能起著決定性的影響。管文[6]分析了孔結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著泡沫混凝土孔徑的減小，抗壓強(qiáng)度提高而吸水率增大。Kearsleya等[7]對(duì)已有的強(qiáng)度與孔隙率經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，也發(fā)現(xiàn)了泡沫混凝土的強(qiáng)度與孔結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并擬合出了兩者關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，但是公式只涉及到孔隙率，沒(méi)有涉及到尺寸分布等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，無(wú)法對(duì)孔結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度內(nèi)在的適用性進(jìn)行有效解釋。Kunhandan[8]研究了泡沫混凝土孔的尺寸分布，形狀因子，孔間距對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響，認(rèn)為中值孔徑變大引起強(qiáng)度變小。朱明等[9]對(duì)泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，指出泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)隨著孔隙率的增大而降低，兩者存在指數(shù)關(guān)系。

前述的發(fā)現(xiàn)都是基于對(duì)干密度600 kg/m3以上的泡沫混凝土研究所得，隨著泡沫混凝土逐步向輕質(zhì)化的發(fā)展，對(duì)于超低密度的泡沫混凝土(小于300 kg/m3)是否仍然遵循現(xiàn)有的規(guī)律，也是亟待研究探索。本文主要以化學(xué)發(fā)泡方式制得的超輕發(fā)泡水泥保溫板(小于200 kg/m3)為研究對(duì)象，研究發(fā)泡水泥保溫板中發(fā)氣孔孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括氣孔率、氣孔尺寸以及分布對(duì)超輕發(fā)泡水泥保溫板干密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1原材料

(1)普通硅酸鹽水泥來(lái)自山東潤(rùn)成粉體有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5超細(xì)型普通硅酸鹽水泥，顆粒尺寸超細(xì)，中位粒徑D50可細(xì)至1 μm以下，達(dá)到次納米級(jí)，最大粒徑Dmax不超過(guò)18 μm，80%以上顆粒尺寸在5 μm以下；

(2)硫鋁酸鹽水泥來(lái)自唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的52.5級(jí)高強(qiáng)快凝快硬高貝利特硫鋁酸鹽水泥；

(3)發(fā)泡劑：雙氧水(濃度27%)，產(chǎn)自天津市天昊化工有限公司；

(4)硬脂酸鈣：白色蓬松粉末，產(chǎn)自湖州市菱湖新望化學(xué)有限公司，其他外加劑和玄武巖纖維由唐山北極熊建材有限公司提供。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1制備流程

圖1　發(fā)泡水泥制備工藝流程圖Fig.1　Manufacture of foamed cement

發(fā)泡水泥制備包括料漿配制、攪拌與澆注，具體流程如圖1所示。首先使用高速攪拌機(jī)對(duì)水和設(shè)定比例的干粉物料、外加劑攪拌120 s；然后在制備好的漿體中加入雙氧水，繼續(xù)攪拌至均勻?yàn)橹?，預(yù)計(jì)時(shí)間在 10 s左右；最后將發(fā)泡水泥漿體澆注到試模中，靜置發(fā)泡。

2.2.2孔結(jié)構(gòu)測(cè)試方法

圖2　圖像二值化(10×)Fig.2　Image binaryzation(10×)

本文研究的氣孔是由雙氧水化學(xué)發(fā)泡，在硬化發(fā)泡漿體中形成的氣孔。本實(shí)驗(yàn)切取 50 mm、30 mm、10 mm的發(fā)泡水泥樣品進(jìn)行真空樹(shù)脂浸漬；待樹(shù)脂硬化后，對(duì)試件進(jìn)行磨拋；在體式顯微鏡下放大10倍觀察拍照，然后用Matlab對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，將照片處理成黑白照片，最后用圖像處理軟件(Image Pro Plus) 直接從處理過(guò)的照片上獲取氣孔率、孔面積等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，再由孔面積通過(guò)換算得出孔徑分布等孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)Matlab圖像處理后的圖像如圖2。對(duì)于泡沫混凝土的實(shí)際孔隙率可采用公式1計(jì)算得到，采用公式計(jì)算和圖像分析法得到發(fā)泡水泥的孔隙率如表1所示，通過(guò)顯微圖像分析法得到的孔隙率低于公式計(jì)算，由于顯微鏡分辨率的限制，因而孔隙尺寸小于100 μm不能準(zhǔn)確檢測(cè)或測(cè)量，圖像分析法主要測(cè)得是發(fā)泡水泥中的發(fā)氣孔。由于凝膠孔體積小于1%，且為水泥基材料固有的孔，對(duì)泡沫混凝土性能影響不大[8-10]，基于本實(shí)驗(yàn)保持發(fā)泡水泥保溫版的水灰比不變，其毛細(xì)孔率也不發(fā)生變化，因此，本文主要通過(guò)圖像分析法得到發(fā)泡水泥保溫板的發(fā)氣孔率。

(1)

式中：ε-孔隙率;ρdry-發(fā)泡水泥干密度;ρsolid-水泥漿體的固體密度(無(wú)發(fā)泡劑)。

表1　公式計(jì)算與圖像分析孔隙率對(duì)比

2.2.3性能測(cè)試方法

干密度、抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照GB/T11968-2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》；

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試參照GB/T10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》。

3　結(jié)果與討論

3.1氣孔率與力學(xué)熱學(xué)性能關(guān)系

圖3　氣孔率與干密度擬合曲線Fig 3　Correlation between porosity and dry density

通過(guò)圖像處理法，得到不同干密度超輕發(fā)泡水泥保溫板的氣孔率，建立超輕發(fā)泡水泥保溫板氣孔率與干密度并進(jìn)行線性擬合，擬合公式如(2)，擬合曲線如圖3所示，由圖中可以看出干密度與氣孔率呈現(xiàn)較高的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.9571，隨著氣孔含量的增加，干密度呈下降趨勢(shì)，由于發(fā)泡劑摻量的增加，產(chǎn)生的氣體量增多，大量的氣泡分散在料漿中，凝結(jié)硬化后取代了漿體的位置，從而導(dǎo)致干密度的下降。

ρ=721.5-8.128ε

(2)

式中：ε-氣孔率;ρ-干密度。

Kearsleya等[7]研究發(fā)現(xiàn)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)與其孔隙率存在指數(shù)關(guān)系。本文發(fā)現(xiàn)發(fā)泡水泥的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)與其孔隙率也存在類(lèi)似的指數(shù)關(guān)系，具體公式見(jiàn)(3)和(4)，擬合曲線如圖4，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9580，0.9573。隨著氣孔率的增大，抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)榘l(fā)泡水泥的發(fā)氣孔率越高，固相所占的比例越低，能夠承受抗壓強(qiáng)度的孔壁體積所占比例越小，抗壓強(qiáng)度越低；同時(shí)通過(guò)孔壁發(fā)生的熱傳導(dǎo)傳遞的熱量所占比例減小，熱量傳遞的效率越低，導(dǎo)熱系數(shù)越小。

σ=60.17ε-0.235P

(3)

λ=0.3442ε-0.028P

(4)

式中：σ-抗壓強(qiáng)度;λ-導(dǎo)熱系數(shù);ε-氣孔率

圖4　氣孔率與抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)擬合曲線Fig.4　Correlation between porosity and compressive strength or thermal conductivity

3.2孔壁厚度與力學(xué)熱學(xué)性能關(guān)系

圖5　樣本點(diǎn)孔壁測(cè)量Fig.5　Sample points measurement of hole wall

對(duì)不同容重等級(jí)(100～180 kg/m3)的超輕發(fā)泡水泥保溫板選取截面，每個(gè)截面選取10個(gè)樣本點(diǎn)，通過(guò)image pro plus軟件對(duì)某個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖5所示，對(duì)所測(cè)量數(shù)據(jù)取均值?？妆诤穸扰c抗壓強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線如圖6所示。對(duì)平均孔壁厚度與抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)熱系數(shù)均采用多項(xiàng)式形式進(jìn)行擬合，擬合公式如式5和6。相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9866和0.9502，平均孔壁厚度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)較高。因?yàn)槌p發(fā)泡水泥保溫板是靠孔間壁的支撐作用來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)度的，是強(qiáng)度的主要來(lái)源，因此，孔壁厚度越大，能承受荷載越大，抗壓強(qiáng)度越大。除此之外，孔間壁還會(huì)影響發(fā)泡水泥保溫板的密度，孔間壁越厚，保溫板的密度越大。同時(shí)可以得到，隨著孔壁厚度的增大，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，由于孔壁厚度的增大導(dǎo)致固體體積分?jǐn)?shù)增大，由固體熱傳導(dǎo)傳遞的熱量增多，導(dǎo)熱系數(shù)增大。對(duì)比平均孔壁厚度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)系數(shù)大于平均孔壁厚度與導(dǎo)熱系數(shù)的相關(guān)系數(shù)。

σ=0.8297-0.0575t+0.0013t2

(5)

λ=0.0353-0.0006t-3.373×10-6t2

(6)

式中：σ-抗壓強(qiáng)度;λ-導(dǎo)熱系數(shù);t-平均孔壁厚度。

3.3平均孔徑與力學(xué)熱學(xué)性能關(guān)系

對(duì)不同容重等級(jí)(100～180 kg/m3)的超輕發(fā)泡水泥保溫板，通過(guò)截面的氣孔面積換算得出孔徑。圖7為孔徑與干密度的關(guān)系曲線，干密度隨著孔徑的增大而減小，這是因?yàn)殡S著干密度的減小，沒(méi)有較多的水泥漿體防止氣泡的碰撞，從而導(dǎo)致氣泡合并，氣孔尺寸增大。

圖6　平均孔壁厚度與抗壓強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)擬合曲線Fig.6　Correlation between the average pore wall thickness and the compressive strength or thermal conductivity

圖7　平均孔徑與干密度關(guān)系Fig.7　Relationship between mean pore size and dry density

為研究孔徑對(duì)超輕發(fā)泡水泥保溫板力學(xué)和熱學(xué)性能的影響，需要保持氣孔率是一致的。因此保證發(fā)泡劑摻量不變，改變硬脂酸鈣的摻量調(diào)控其氣孔尺寸，研究氣孔尺寸對(duì)抗壓強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系如圖8。在氣孔率相同的情況下，超輕發(fā)泡水泥保溫板抗壓強(qiáng)度與氣孔的尺寸有關(guān)系，氣孔的孔徑越小，混凝土的強(qiáng)度越高，發(fā)泡水泥的孔徑每增大1 mm，抗壓強(qiáng)度隨之減小25%～30%。當(dāng)發(fā)泡水泥保溫板氣孔率相同時(shí)，孔徑小的抗壓強(qiáng)度明顯高于孔徑大的。因此，在制備超輕發(fā)泡水泥保溫板時(shí)，必須嚴(yán)格控制氣孔的尺寸，使孔徑大部分維持在1.5～2.0 mm以內(nèi)，使保溫板實(shí)現(xiàn)低密度的同時(shí)保持較高的強(qiáng)度。導(dǎo)熱系數(shù)隨著平均孔徑的增大而升高，這是因?yàn)樵跉饪茁氏嗤那闆r下，孔徑越大，其孔數(shù)目越少，在試樣中存在越少的氣固界面，這樣就會(huì)減少熱量頻繁的從固體熱傳導(dǎo)到氣體熱對(duì)流，增大熱量傳遞的效率，從而導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的增大。對(duì)于發(fā)泡水泥單純分析孔徑對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響是不合理的，應(yīng)考慮氣孔率的影響。在提高氣孔率的同時(shí)，控制好孔徑對(duì)降低泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)有著至關(guān)重的作用。

圖8　平均孔徑與抗壓強(qiáng)度以及導(dǎo)熱系數(shù)關(guān)系Fig.8　Relationship between mean pore size and compressive strength or thermal conductivity

3.4孔徑分布與力學(xué)熱學(xué)性能關(guān)系

孔尺寸的頻率分布如圖9所示，超輕發(fā)泡水泥保溫板氣孔尺寸分布近遵循對(duì)數(shù)正態(tài)分布，概率密度函數(shù)如式7所示，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.85，0.88，0.91，0.95，干密度越高的發(fā)泡水泥的對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合相關(guān)系數(shù)越高，氣孔分布越均勻，孔尺寸多分布在1～2 mm范圍內(nèi)。氣孔的均勻性對(duì)發(fā)泡水泥保溫板的強(qiáng)度影響很大。當(dāng)發(fā)泡水泥保溫板受壓時(shí)，壓應(yīng)力容易向大孔集中，導(dǎo)致大孔破裂，隨著破裂的大孔數(shù)量增多，并逐漸貫穿，形成發(fā)泡水泥保溫板的裂縫。當(dāng)保溫板中的氣孔大小較一致時(shí)，各個(gè)氣孔受壓力較均勻，不太容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，保持氣孔的孔徑均勻性對(duì)提高發(fā)泡水泥保溫板抗壓強(qiáng)度有很大關(guān)系。

(7)

其中：μ-均值;σ-標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖9　不同干密度的發(fā)泡水泥孔徑分布Fig.9　Different dry density of foamed cement aperture distribution

4　結(jié)　論

(1)干密度與氣孔率呈現(xiàn)較高的線性相關(guān)關(guān)系(R2=0.9571)，抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)與氣孔率呈現(xiàn)較高的指數(shù)相關(guān)關(guān)系(R2=0.9580，R2=0.9573)。隨著氣孔率的增大，干密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì);

(2)超輕發(fā)泡水泥保溫板孔間壁是強(qiáng)度的主要來(lái)源，然而孔間壁同時(shí)影響發(fā)泡水泥保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)，孔間壁越厚，保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)越大。因此，制備發(fā)泡水泥保溫板的理想狀態(tài)是孔間壁不僅具有較高的強(qiáng)度而且薄;

(3)對(duì)于不同容重下的超輕發(fā)泡水泥保溫板，干密度越小，其平均孔徑越大。在相同容重下，導(dǎo)熱系數(shù)隨著平均孔徑的增大而升高，抗壓強(qiáng)度隨之減小，發(fā)泡水泥的孔徑每增大1 mm，則抗壓強(qiáng)度減小25%～30%。因此，在制備超輕發(fā)泡水泥保溫板時(shí)，必須嚴(yán)格控制氣孔的尺寸，使保溫板實(shí)現(xiàn)低密度的同時(shí)保持較高的強(qiáng)度;

(4)超輕發(fā)泡水泥氣孔尺寸分布近遵循對(duì)數(shù)正態(tài)分布，高密度的發(fā)泡水泥的對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高，氣孔的均勻性對(duì)發(fā)泡水泥保溫板的強(qiáng)度影響很大，因此，保持氣孔的孔徑均勻性，對(duì)提高發(fā)泡水泥保溫板抗壓強(qiáng)度有很大關(guān)系;

(5)對(duì)于超低密度的泡沫混凝土(小于300 kg/m3)，氣孔率、孔壁厚度、孔徑、孔徑分布得到的實(shí)驗(yàn)規(guī)律與傳統(tǒng)的較高干密度(大于600 kg/m3)的泡沫混凝土實(shí)驗(yàn)規(guī)律是一致的。

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Relationship between the Pore Structure and the Properties of Ultralight Foamed Cement Insulation Board

LAN Ming-zhang1,DAI Dan-dan1,CHEN Zhi-feng2,ZHOU Jian2,LIU Cheng-jian3

(1.College of Material Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Sinoma Research Institute,Sinoma International Engineering Co.Ltd.,Beijing 100102,China;3.Tangshan Polar Bear Building Materials Co.Ltd.,Luanxian 063705,China)

The pore structure of foamed cement is of great importance to the mechanical and thermal properties. This paper aims to explore the relationship between the pore structure and the mechanical and thermal properties of foamed cement. Image analysis was conducted to characterize the pore structure of foamed cement,and porosity and average pore size were computed to describe the pore structure. The compressive strength and thermal conductivity was also experimental determined. The results show that pore volume,pore size,pore spacing have large influence with dry density,compressive strength and thermal conductivity. For the ultra-light foamed cement insulation board with the same density,thermal conductivity increase with the increase of the mean pore size,each increase of 1 mm in average pore size results in a decrease of 25%-30% in compressive strength. Pore size distribution is nearly in lognormal distribution (R2=0.95),and the lognormal distribution fitting correlation coefficient of higher density foam cement is relatively high.

foamed cement;pore structure parameters;dry density;compressive strength;coefficient of thermal conductivity

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題(2013BAJ01B04-2)

蘭明章(1964-)，男，博士，教授級(jí)高工.主要從事生態(tài)建筑材料與新型建筑材料方面的研究.

TD985;O657

A

1001-1625(2016)02-0518-07