孔結(jié)構(gòu)分布與水泥基發(fā)泡保溫材料導(dǎo)熱性的關(guān)系論文
1引言
近年來，在全球節(jié)能減排大趨勢(shì)的推動(dòng)下，建筑節(jié)能、發(fā)展綠色建筑和循環(huán)經(jīng)濟(jì)政策已經(jīng)受到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，發(fā)展綠色、環(huán)保、節(jié)能的建筑材料已勢(shì)在必行[1].隨著建筑防火力度的加大，無機(jī)類輕質(zhì)保溫材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域越來越受青睞[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(jié)能市場(chǎng)發(fā)揮著重要作用。水泥基發(fā)泡保溫材料作為一種內(nèi)部含有大量氣孔的多孔保溫材料，其孔結(jié)構(gòu)及其分布對(duì)材料的宏觀性能起著關(guān)鍵性的作用�？捉Y(jié)構(gòu)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(yàn)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(yùn)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(duì)水泥基發(fā)泡保溫材料試樣內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)及其分布的影響，同時(shí)探討了孔結(jié)構(gòu)及其分布與水泥基發(fā)泡保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)之間的相互關(guān)系。
2試驗(yàn)
2.1原材料
�。�1）普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）。選用某大型水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）。
（2）發(fā)泡劑。采用煙臺(tái)某建筑節(jié)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(jí)無堿玻璃纖維短切絲，長度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(jī)，發(fā)泡系統(tǒng)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(cè)試
2.3.1顯微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分析。顯微結(jié)構(gòu)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(hào)掃描電子顯微鏡最小分辨率可達(dá)3nm（30kV），最大放大倍數(shù)可達(dá)106倍，具有較大景深和視野范圍。
2.3.2導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定
按照GB/T10295-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定-熱流計(jì)法》中規(guī)定的方法測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)，試樣尺寸為300mm×300mm×50mm,測(cè)試儀器采用JTRG-III建筑材料熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀。本儀器采用單試樣雙熱流計(jì)對(duì)稱布置，將被測(cè)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(wěn)定狀態(tài)下，熱流計(jì)和試樣中心測(cè)量部分具有恒定熱流。此時(shí)測(cè)量熱、冷板熱流計(jì)輸出的熱電勢(shì)mv1、mv2和表面溫度T3、T4、T5、T6值，就可以計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)λ值。
3結(jié)果與討論
3.1水灰比對(duì)水泥基發(fā)泡保溫材料孔結(jié)構(gòu)的影響
試驗(yàn)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(duì)發(fā)泡劑進(jìn)行稀釋，水灰比分別選擇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(jié)構(gòu)形貌如圖1所示。由圖1可知：在相同養(yǎng)護(hù)齡期下，水灰比在0.4~0.6范圍內(nèi)時(shí)，水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的斷面孔結(jié)構(gòu)隨著水灰比的增加而發(fā)生變化。水泥基發(fā)泡保溫材料宏觀上可以看作固-液-氣三相堆聚復(fù)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毛細(xì)孔含有的孔隙溶液，氣相體系是由發(fā)泡劑發(fā)泡過程中產(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(gòu)成[4].一般來說，水泥料漿中的氣泡轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(duì)氣泡液膜起到了進(jìn)一步加強(qiáng)的作用；第三階段是氣-固界面形成。膠凝材料經(jīng)過初凝后，試樣的水化速度開始逐漸加快，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程中，液膜逐漸被原先附著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(dāng)氣泡液膜完全消失時(shí)，膠凝層完全封閉空氣，形成堅(jiān)固的氣孔壁，這就是氣泡轉(zhuǎn)變成氣孔的全過程。
因?yàn)樗冶葹?.4時(shí)，水泥料漿較稠，泡沫在水泥料漿中難以充分混勻，導(dǎo)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(dāng)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(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；隨著水灰比的進(jìn)一步增加，水灰比為0.6時(shí)，水泥料漿越來越稀，泡沫在水泥料漿中的分布也越來越均勻。
由于多余的水分不參與水泥料漿的水化過程，而在水泥基發(fā)泡保溫材料的硬化過程中因受到蒸發(fā)作用而從試樣內(nèi)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(xiàn)分層沉降現(xiàn)象。由此可知，水灰比過大或過小均會(huì)引起水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的氣孔呈現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。同時(shí)，在相同養(yǎng)護(hù)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(qiáng)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，斷面表觀具有較佳品相形貌。
3.2玻璃纖維對(duì)水泥基發(fā)泡保溫材料孔結(jié)構(gòu)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界面對(duì)比照片。由圖2和圖3可以看出：在相同養(yǎng)護(hù)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(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多處氣孔連通的現(xiàn)象且多處地方出現(xiàn)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(jié)構(gòu)較均勻且沒有出現(xiàn)明顯的泡沫破裂情況。同時(shí)，在相同養(yǎng)護(hù)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(qiáng)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，且隨著玻璃纖維摻量增加至2%時(shí)，試樣的28d干密度和抗壓強(qiáng)度均降低。因此，摻加玻璃纖維后，玻璃纖維對(duì)泡孔起到一定的保護(hù)作用，使泡沫不易破裂，較好的改善了泡孔結(jié)構(gòu)。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(xiàng)物理性能較好。
在摻加玻璃纖維對(duì)水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的氣孔結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高。圖4為玻璃纖維增強(qiáng)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(jié)構(gòu)中，其表面覆蓋有膠凝材料的水化產(chǎn)物，且兩者之間的結(jié)合界面無縫隙，提高了材料界面的粘結(jié)強(qiáng)度。玻璃纖維與水泥基發(fā)泡保溫材料基體的結(jié)合對(duì)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(jié)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缺陷，導(dǎo)致試樣抗斷裂性能下降；若玻璃纖維與基體結(jié)合緊密，玻璃纖維可以充分發(fā)揮承擔(dān)外應(yīng)力的作用，起到增韌、增強(qiáng)抗拉的作用。玻璃纖維增強(qiáng)水泥基發(fā)泡保溫材料機(jī)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(xiàn)三維無規(guī)則分布，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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(duì)氣孔有一定的保護(hù)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(jié)構(gòu)；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(xiàn)象；
第二個(gè)方面是當(dāng)水泥基發(fā)泡保溫材料中水泥基體受到應(yīng)力作用出現(xiàn)裂縫時(shí)，玻璃纖維既能承受大部分外加應(yīng)力，又能在斷裂過程中以"拔出功"的形式消耗部分能量，阻止材料斷裂，從而起到增強(qiáng)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(jié)構(gòu)中存在許多細(xì)小的裂紋和缺陷，當(dāng)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(yīng)力集中致使裂紋開始擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)材料結(jié)構(gòu)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(kuò)展，從而起到提高材料斷裂能和韌性的效果。
3.3孔結(jié)構(gòu)與水泥基發(fā)泡保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)分析
由于水泥基發(fā)泡保溫材料中含有大量封閉的細(xì)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(dǎo)熱系數(shù)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(biāo)，導(dǎo)熱系數(shù)越小，其保溫隔熱性能就越好[8].對(duì)不同配比的水泥基發(fā)泡保溫材料試樣進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，結(jié)果見表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(dǎo)熱系數(shù)比試樣A降低了35.11%.
一般來說，孔隙率對(duì)發(fā)泡保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)起著關(guān)鍵性的作用。當(dāng)孔隙率不變時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于材料的組成和性質(zhì)、內(nèi)部缺陷、氣孔尺寸、形狀及孔洞間互相連通情況等因素，而導(dǎo)熱系數(shù)降低的主要因素是孔隙率的增加[9].在相同養(yǎng)護(hù)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(qiáng)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(jié)構(gòu)及其分布情況，利用電子掃描顯微鏡分別對(duì)試樣A和B進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)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(xiàn)不規(guī)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(guī)則且多呈現(xiàn)為球狀型，大多數(shù)氣孔封閉獨(dú)立，提高了試樣的保溫性能。同時(shí)，隨著玻璃纖維和輕骨料（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(dǎo)熱系數(shù)相應(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于水泥石，試樣的保溫隔熱性能提高。
4結(jié)論
�。�1）水灰比是影響水泥基發(fā)泡保溫材料孔結(jié)構(gòu)的主要因素。隨著水灰比的增大，水泥基發(fā)泡保溫材料的氣孔孔徑逐漸減小，水灰比過大或過小均會(huì)引起水泥基發(fā)泡保溫材料試樣的氣孔呈現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象。當(dāng)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(jié)構(gòu)，使試樣內(nèi)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，顯著提高了水泥基發(fā)泡保溫材料的保溫隔熱性能。
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