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孔結構分布與水泥基發(fā)泡保溫材料導熱性的關(guān)系論文
1引言
近年來(lái)，在全球節能減排大趨勢的推動(dòng)下，建筑節能、發(fā)展綠色建筑和循環(huán)經(jīng)濟政策已經(jīng)受到國內外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，發(fā)展綠色、環(huán)保、節能的建筑材料已勢在必行[1].隨著(zhù)建筑防火力度的加大，無(wú)機類(lèi)輕質(zhì)保溫材料在建筑節能領(lǐng)域越來(lái)越受青睞[2].水泥基發(fā)泡保溫材料由于其良好的保溫隔熱性能、低密度和優(yōu)異的防火性能在建筑節能市場(chǎng)發(fā)揮著(zhù)重要作用。水泥基發(fā)泡保溫材料作為一種內部含有大量氣孔的多孔保溫材料，其孔結構及其分布對材料的宏觀(guān)性能起著(zhù)關(guān)鍵性的作用�？捉Y構主要包含孔隙率、孔徑尺寸、孔徑均勻性、氣孔形狀和孔洞之間的連通情況等[3].試驗以普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）為主要膠凝原料，發(fā)泡劑采用植物改性泡沫劑，以膨脹珍珠巖和聚苯顆粒作為輕質(zhì)保溫骨料，同時(shí)摻加適量玻璃纖維，運用物理發(fā)泡工藝制備了水泥基輕質(zhì)發(fā)泡保溫材料，通過(guò)電子掃描顯微鏡分別研究了水灰比、玻璃纖維和輕骨料（膨脹珍珠巖和聚苯顆粒）的加入量對水泥基發(fā)泡保溫材料試樣內部孔結構及其分布的影響，同時(shí)探討了孔結構及其分布與水泥基發(fā)泡保溫材料的導熱系數之間的相互關(guān)系。
2試驗
2.1原材料
�。�1）普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）。選用某大型水泥廠(chǎng)生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）。
�。�2）發(fā)泡劑。采用煙臺某建筑節能科技有限公司生產(chǎn)的植物改性泡沫劑（PM-Z50G）。
�。�3）玻璃纖維。采用一種A級無(wú)堿玻璃纖維短切絲，長(cháng)度6mm.
�。�4）輕骨料。采用市售的膨脹珍珠巖和聚苯顆粒，其中膨脹珍珠巖的堆積密度85kg/m3,粒度0.5~1.5mm;聚苯顆粒的堆積密度30kg/m3,粒度0.5~1.0mm.
2.2水泥基發(fā)泡保溫材料的制備方法
水泥基發(fā)泡保溫材料的制備選用一種將供液、上料、發(fā)泡、攪拌所有功能集于一體并微型化的超輕便發(fā)泡機，發(fā)泡系統采用高壓空氣發(fā)泡技術(shù)把發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到水泥料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型。
2.3性能測試
2.3.1顯微結構分析
試樣經(jīng)（110±5）℃電熱恒溫干燥箱干燥，采用自然新鮮斷口，表面噴金鍍膜，進(jìn)行顯微結構分析。顯微結構分析儀器采用捷克TESCAN公司生產(chǎn)的VEGA3型掃描電子顯微鏡（SEM）。該型號掃描電子顯微鏡最小分辨率可達3nm（30kV），最大放大倍數可達106倍，具有較大景深和視野范圍。
2.3.2導熱系數測定
按照GB/T10295-2008《絕熱材料穩態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定-熱流計法》中規定的方法測試其導熱系數，試樣尺寸為300mm×300mm×50mm,測試儀器采用JTRG-III建筑材料熱流計式導熱儀。本儀器采用單試樣雙熱流計對稱(chēng)布置，將被測試樣放置在一個(gè)相互平行且具有恒定溫度的平板中，在穩定狀態(tài)下，熱流計和試樣中心測量部分具有恒定熱流。此時(shí)測量熱、冷板熱流計輸出的熱電勢mv1、mv2和表面溫度T3、T4、T5、T6值，就可以計算任一平均溫度下的熱阻R,若知試件厚度，就可算出試樣的導熱系數λ值。
3結果與討論
3.1水灰比對水泥基發(fā)泡保溫材料孔結構的影響
試驗以普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）為主要膠凝材料，發(fā)泡劑采用植物改性泡沫劑，按1∶50的比例對發(fā)泡劑進(jìn)行稀釋?zhuān)冶确謩e選擇0.4、0.5和0.6時(shí)，水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的斷面孔結構形貌如圖1所示。由圖1可知：在相同養護齡期下，水灰比在0.4~0.6范圍內時(shí)，水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的斷面孔結構隨著(zhù)水灰比的增加而發(fā)生變化。水泥基發(fā)泡保溫材料宏觀(guān)上可以看作固-液-氣三相堆聚復合的體系，其固相體系（即孔壁）由膠凝材料的水化產(chǎn)物、未水化的膠凝材料顆粒、玻璃纖維、輕骨料（膨脹珍珠巖和聚苯顆粒）和惰性組分等組成，液相體系是固相體系中的大量微觀(guān)毛細孔含有的孔隙溶液，氣相體系是由發(fā)泡劑發(fā)泡過(guò)程中產(chǎn)生的泡沫變成氣孔，氣孔是由水泥料漿硬化后被固定在材料中的氣體構成[4].一般來(lái)說(shuō)，水泥料漿中的氣泡轉變成氣孔可以分為三個(gè)階段[5]:第一階段是氣-液界面向氣-液-固界面的轉變。泡沫與水泥料漿混合時(shí)，氣泡的氣-液膜表面被膠凝材料顆粒沉淀黏附逐漸形成一個(gè)包圍層，氣-液二相體系即轉變?yōu)闅?液-固三相體系；第二階段是氣-液-固界面向氣-固界面的過(guò)渡。氣泡液膜之間的空隙逐漸被膠凝材料的水化產(chǎn)物填實(shí)，對氣泡液膜起到了進(jìn)一步加強的作用；第三階段是氣-固界面形成。膠凝材料經(jīng)過(guò)初凝后，試樣的水化速度開(kāi)始逐漸加快，產(chǎn)生的大量水化熱引起氣泡液膜的水分蒸發(fā)。
同時(shí)，由于膠凝材料的水化過(guò)程需要大量的水分，氣泡液膜與氣泡之間的水份會(huì )被逐漸消耗，引起氣泡液膜變薄直至完全消失。在氣泡液膜變薄的過(guò)程中，液膜逐漸被原先附著(zhù)在氣泡膜上的水化產(chǎn)物替代而形成一個(gè)包圍氣體的膠凝層。當氣泡液膜完全消失時(shí)，膠凝層完全封閉空氣，形成堅固的氣孔壁，這就是氣泡轉變成氣孔的全過(guò)程。
因為水灰比為0.4時(shí)，水泥料漿較稠，泡沫在水泥料漿中難以充分混勻，導致試樣局部泡沫較多，形成的氣孔孔徑偏大且分布不夠均勻；當水灰比增加到0.5時(shí)，水泥料漿流動(dòng)性好，混合干物料既能得到充分濕潤，泡沫又能充分均勻分散到水泥料漿中，與水泥料漿混合均勻，氣孔均勻趨于圓潤，孔徑呈現逐漸減小的趨勢；隨著(zhù)水灰比的進(jìn)一步增加，水灰比為0.6時(shí)，水泥料漿越來(lái)越稀，泡沫在水泥料漿中的分布也越來(lái)越均勻。
由于多余的水分不參與水泥料漿的水化過(guò)程，而在水泥基發(fā)泡保溫材料的硬化過(guò)程中因受到蒸發(fā)作用而從試樣內部蒸發(fā)，使其在原位形成空隙；同時(shí)，增加了氣泡與水的接觸面積，增大了泡壁與水的表面張力，從而氣泡極易破裂，氣泡中的氣體沖出試樣表面而形成大孔和連通孔，并且試樣中易出現分層沉降現象。由此可知，水灰比過(guò)大或過(guò)小均會(huì )引起水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的氣孔呈現分布不均勻的現象。同時(shí)，在相同養護齡期下，水灰比范圍為0.4~0.6時(shí)，試樣的28d干密度（Y,單位：kg/m3）和抗壓強度（P,單位：MPa）與水灰比（x1）之間的相關(guān)關(guān)系可以分別用線(xiàn)性回歸模型Y1=453.48-108.96x1+ε，ε~N（0,2.99）和P1=2.14-1.49x1+ε，ε~N（0,0.015）表示。故水灰比為0.5時(shí)，水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的物理性能較好，且氣孔趨于球狀型，孔壁較厚，孔徑適宜，斷面表觀(guān)具有較佳品相形貌。
3.2玻璃纖維對水泥基發(fā)泡保溫材料孔結構的影響
圖2和圖3分別為水泥基發(fā)泡保溫材料未摻加玻璃纖維試樣和摻加玻璃纖維試樣的微觀(guān)界面對比照片。由圖2和圖3可以看出：在相同養護齡期下，未摻加玻璃纖維的水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的孔徑分布不集中，尺寸大小不均勻，氣孔結構呈現多處氣孔連通的現象且多處地方出現泡沫破裂的情況；而摻入玻璃纖維的水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的孔徑分布較集中，大小尺寸合理，孔結構較均勻且沒(méi)有出現明顯的泡沫破裂情況。同時(shí)，在相同養護齡期下，玻璃纖維摻量范圍為0~1.5%時(shí)，水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的28d干密度（Y,單位：kg/m3）和抗壓強度（P,單位：MPa）與玻璃纖維摻量（x2,%）之間的相關(guān)關(guān)系可以分別用線(xiàn)性回歸模型Y2=391.44-22.58x2+ε，ε~N（0,2.39）和P2=1.31+0.57x2+ε，ε~N（0,0.0076）表示，且隨著(zhù)玻璃纖維摻量增加至2%時(shí)，試樣的28d干密度和抗壓強度均降低。因此，摻加玻璃纖維后，玻璃纖維對泡孔起到一定的保護作用，使泡沫不易破裂，較好的改善了泡孔結構。其中，玻璃纖維摻量為1.5%時(shí)，水泥基發(fā)泡保溫材料的各項物理性能較好。
在摻加玻璃纖維對水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的氣孔結構分析后，可知摻加玻璃纖維的試樣氣孔均勻，在相近氣孔率情況下，試樣韌性好，強度高。圖4為玻璃纖維增強水泥基發(fā)泡保溫材料的SEM照片。由圖4可以看出，玻璃纖維緊密嵌入水泥基發(fā)泡保溫材料結構中，其表面覆蓋有膠凝材料的水化產(chǎn)物，且兩者之間的結合界面無(wú)縫隙，提高了材料界面的粘結強度。玻璃纖維與水泥基發(fā)泡保溫材料基體的結合對水泥基發(fā)泡保溫材料的抗斷裂性能起決定性的作用，若玻璃纖維與基體結合不緊密，試樣受力時(shí)玻璃纖維發(fā)揮不了作用，反而在玻璃纖維與基體界面上造成宏觀(guān)缺陷，導致試樣抗斷裂性能下降；若玻璃纖維與基體結合緊密，玻璃纖維可以充分發(fā)揮承擔外應力的作用，起到增韌、增強抗拉的作用。玻璃纖維增強水泥基發(fā)泡保溫材料機理包含以下三個(gè)方面[6,7]:
第一個(gè)方面是玻璃纖維在水泥料漿中呈現三維無(wú)規則分布，形成網(wǎng)絡(luò )結構，使泡沫在水泥料漿中分散時(shí)不易破裂，也不易形成連通孔，對氣孔有一定的保護作用，分布均勻的氣孔和大的孔隙率改善了水泥基發(fā)泡保溫材料的氣孔結構；同時(shí)還增加了水泥料漿的均質(zhì)性，減少了水泥料漿的離析、泌水現象；
第二個(gè)方面是當水泥基發(fā)泡保溫材料中水泥基體受到應力作用出現裂縫時(shí)，玻璃纖維既能承受大部分外加應力，又能在斷裂過(guò)程中以"拔出功"的形式消耗部分能量，阻止材料斷裂，從而起到增強作用；
第三個(gè)方面是水泥基發(fā)泡保溫材料與其他水泥基材料一樣，自身結構中存在許多細小的裂紋和缺陷，當材料受到外力作用時(shí)，這些裂紋和缺陷附近會(huì )產(chǎn)生應力集中致使裂紋開(kāi)始擴展，最終導致整個(gè)材料結構斷裂。將玻璃纖維摻加到水泥基發(fā)泡保溫材料中能夠約束裂紋的引發(fā)和阻止裂紋的擴展，從而起到提高材料斷裂能和韌性的效果。
3.3孔結構與水泥基發(fā)泡保溫材料的導熱系數分析
由于水泥基發(fā)泡保溫材料中含有大量封閉的細小孔隙，因此其具有良好的保溫隔熱性能，這是其他水泥基材料所不具備的。導熱系數是衡量水泥基發(fā)泡保溫材料保溫性能的一個(gè)重要指標，導熱系數越小，其保溫隔熱性能就越好[8].對不同配比的水泥基發(fā)泡保溫材料試樣進(jìn)行導熱系數測定，結果見(jiàn)表1.
由表1可知：與未摻加玻璃纖維和輕骨料（膨脹珍珠巖和聚苯顆粒）的試樣A相比，摻加了玻璃纖維和輕骨料（膨脹珍珠巖和聚苯顆粒）的水泥基發(fā)泡保溫材料試樣B的導熱系數比試樣A降低了35.11%.
一般來(lái)說(shuō)，孔隙率對發(fā)泡保溫材料的導熱系數起著(zhù)關(guān)鍵性的作用。當孔隙率不變時(shí)，導熱系數主要取決于材料的組成和性質(zhì)、內部缺陷、氣孔尺寸、形狀及孔洞間互相連通情況等因素，而導熱系數降低的主要因素是孔隙率的增加[9].在相同養護齡期下，膨脹珍珠巖摻量范圍為0~8%時(shí)，水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的28d干密度（Y,單位：kg/m3）和抗壓強度（P,單位：MPa）與膨脹珍珠巖摻量（x3,單位：%）之間的相關(guān)關(guān)系可以分別用線(xiàn)性回歸模型Y3=377.8-3.85x2+ε，ε~N（0,13.66）和P3=2.14-0.08x3+ε，ε~N（0,0.0019）表示。為了進(jìn)一步研究水泥基發(fā)泡保溫材料中孔結構及其分布情況，利用電子掃描顯微鏡分別對試樣A和B進(jìn)行微觀(guān)結構分析，如圖5所示。由圖5可以看出：試樣A的孔徑較大，孔的形狀呈現不規則型或扁平狀形，并且多處形成了連通孔；而試樣B的孔徑較小，孔的形狀較規則且多呈現為球狀型，大多數氣孔封閉獨立，提高了試樣的保溫性能。同時(shí)，隨著(zhù)玻璃纖維和輕骨料（膨脹珍珠巖和聚苯顆粒）的摻加，水泥基發(fā)泡保溫材料試樣中的孔隙率增加，導熱系數相應降低。其次，圖5a中的實(shí)體部分為水泥石，圖5b中的實(shí)體部分為水泥石和輕骨料，輕骨料同樣屬于多孔保溫材料，其導熱系數遠低于水泥石，試樣的保溫隔熱性能提高。
4結論
�。�1）水灰比是影響水泥基發(fā)泡保溫材料孔結構的主要因素。隨著(zhù)水灰比的增大，水泥基發(fā)泡保溫材料的氣孔孔徑逐漸減小，水灰比過(guò)大或過(guò)小均會(huì )引起水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的氣孔呈現分布不均勻的現象。當水灰比為0.5時(shí)，水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的氣孔趨于球狀型，孔壁較厚，孔徑適宜，斷面表觀(guān)具有較佳品相形貌；
�。�2）在水泥基發(fā)泡保溫材料中適量摻加玻璃纖維、輕骨料（膨脹珍珠巖和聚苯顆粒），可以有效改善材料的孔結構，使試樣內部氣孔分布均勻、孔徑減小、孔隙率增大、封閉氣孔和球狀型氣孔增加，顯著(zhù)提高了水泥基發(fā)泡保溫材料的保溫隔熱性能。
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