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1、孔结构分布与水泥基发泡保温材料导热性的关系,建筑材料论文1引言 近年来，在全球节能减排大趋势的推动下，建筑节能、发展绿色建筑和循环经济政策已经遭到国内外研究学者的广泛关注，发展绿色、环保、节能的建筑材料已势在必行1.随着建筑防火力度的加大，无机类轻质保温材料在建筑节能领域越来越受青睐2.水泥基发泡保温材料由于其良好的保温隔热性能、低密度和优异的防火性能在建筑节能市场发挥着重要作用。水泥基发泡保温材料作为一种内部含有大量气孔的多孔保温材料，其孔构造及其分布对材料的宏观性能起着关键性的作用。孔构造主要包含孔隙率、孔径尺寸、孔径均匀性、气孔形状和孔洞之间的连通情况等3.试验以普通硅酸盐水泥P O42
2、.5为主要胶凝原料，发泡剂采用植物改性泡沫剂，以膨胀珍珠岩和聚苯颗粒作为轻质保温骨料，同时掺加适量玻璃纤维，运用物理发泡工艺制备了水泥基轻质发泡保温材料，通过电子扫描显微镜分别研究了水灰比、玻璃纤维和轻骨料膨胀珍珠岩和聚苯颗粒的参加量对水泥基发泡保温材料试样内部孔构造及其分布的影响，同时讨论了孔构造及其分布与水泥基发泡保温材料的导热系数之间的互相关系。 2试验 2.1原材料 1普通硅酸盐水泥P O42.5。选用某大型水泥厂生产的普通硅酸盐水泥P O42.5。 2发泡剂。采用烟台某建筑节能科技有限公司生产的植物改性泡沫剂PM-Z50G。 3玻璃纤维。采用一种A级无碱玻璃纤维短切丝，长度6mm.
3、4轻骨料。采用市售的膨胀珍珠岩和聚苯颗粒，华而不实膨胀珍珠岩的堆积密度85kg/m3,粒度0.51.5mm;聚苯颗粒的堆积密度30kg/m3,粒度0.51.0mm. 2.2水泥基发泡保温材料的制备方式方法 水泥基发泡保温材料的制备选用一种将供液、上料、发泡、搅拌所有功能集于一体并微型化的超轻便发泡机，发泡系统采用高压空气发泡技术把发泡剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫参加到水泥料浆中，经混合搅拌、浇注成型。 2.3性能测试 2.3.1显微构造分析 试样经110 5电热恒温枯燥箱枯燥，采用自然新鲜断口，外表喷金镀膜，进行显微构造分析。显微构造分析仪器采用捷克TESCAN公司生产的VEGA3型扫描电子显
4、微镜SEM。该型号扫描电子显微镜最小分辨率可达3nm30kV，最大放大倍数可达106倍，具有较大景深和视野范围。 2.3.2导热系数测定 根据GB/T10295-2008(绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-热流计法中规定的方式方法测试其导热系数，试样尺寸为300mm 300mm 50mm,测试仪器采用JTRG-III建筑材料热流计式导热仪。本仪器采用单试样双热流计对称布置，将被测试样放置在一个互相平行且具有恒定温度的平板中，在稳定状态下，热流计和试样中心测量部分具有恒定热流。此时测量热、冷板热流计输出的热电势mv1、mv2和外表温度T3、T4、T5、T6值，就能够计算任一平均温度下的热阻R,若
5、知试件厚度，就可算出试样的导热系数 值。 3结果与讨论 3.1水灰比对水泥基发泡保温材料孔构造的影响 试验以普通硅酸盐水泥P O42.5为主要胶凝材料，发泡剂采用植物改性泡沫剂，按150的比例对发泡剂进行稀释，水灰比分别选择0.4、0.5和0.6时，水泥基发泡保温材料试样的断面孔构造形貌如此图1所示。由图1可知：在一样养护龄期下，水灰比在0.40.6范围内时，水泥基发泡保温材料试样的断面孔构造随着水灰比的增加而发生变化。水泥基发泡保温材料宏观上能够看作固-液-气三相堆聚复合的体系，其固相体系即孔壁由胶凝材料的水化产物、未水化的胶凝材料颗粒、玻璃纤维、轻骨料膨胀珍珠岩和聚苯颗粒和惰性组分等组成，
6、液相体系是固相体系中的大量微观毛细孔含有的孔隙溶液，气相体系是由发泡剂发泡经过中产生的泡沫变成气孔，气孔是由水泥料浆硬化后被固定在材料中的气体构成4.一般来讲，水泥料浆中的气泡转变成气孔能够分为三个阶段5:第一阶段是气-液界面向气-液-固界面的转变。泡沫与水泥料浆混合时，气泡的气-液膜外表被胶凝材料颗粒沉淀黏附逐步构成一个包围层，气-液二相体系即转变为气-液-固三相体系；第二阶段是气-液-固界面向气-固界面的过渡。气泡液膜之间的空隙逐步被胶凝材料的水化产物填实，对气泡液膜起到了进一步加强的作用；第三阶段是气-固界面构成。胶凝材料经过初凝后，试样的水化速度开场逐步加快，产生的大量水化热引起气泡液
7、膜的水分蒸发。同时，由于胶凝材料的水化经过需要大量的水分，气泡液膜与气泡之间的水份会被逐步消耗，引起气泡液膜变薄直至完全消失。在气泡液膜变薄的经过中，液膜逐步被原先附着在气泡膜上的水化产物替代而构成一个包围气体的胶凝层。当气泡液膜完全消失时，胶凝层完全封闭空气，构成坚固的气孔壁，这就是气泡转变成气孔的全经过。 由于水灰比为0.4时，水泥料浆较稠，泡沫在水泥料浆中难以充分混匀，导致试样局部泡沫较多，构成的气孔孔径偏大且分布不够均匀；当水灰比增加到0.5时，水泥料浆流动性好，混合干物料既能得到充分湿润，泡沫又能充分均匀分散到水泥料浆中，与水泥料浆混合均匀，气孔均匀趋于圆润，孔径呈现逐步减小的趋势；
8、随着水灰比的进一步增加，水灰比为0.6时，水泥料浆越来越稀，泡沫在水泥料浆中的分布也越来越均匀。 由于多余的水分不介入水泥料浆的水化经过，而在水泥基发泡保温材料的硬化经过中因遭到蒸发作用而从试样内部蒸发，使其在原位构成空隙；同时，增加了气泡与水的接触面积，增大了泡壁与水的外表张力，进而气泡极易破裂，气泡中的气体冲出试样外表而构成大孔和连通孔，并且试样中易出现分层沉降现象。由此可知，水灰比过大或过小均会引起水泥基发泡保温材料试样的气孔呈现分布不均匀的现象。同时，在一样养护龄期下，水灰比范围为0.40.6时，试样的28d干密度Y,kg/m3和抗压强度P,MPa与水灰比x1之间的相关关系能够分别用线
9、性回归模型Y1=453.48-108.96x1+ε，εN0,2.99和P1=2.14-1.49x1+ε，εN0,0.015表示。故水灰比为0.5时，水泥基发泡保温材料试样的物理性能较好，且气孔趋于球状型，孔壁较厚，孔径适宜，断面表观具有较佳品相形貌。 3.2玻璃纤维对水泥基发泡保温材料孔构造的影响 图2和图3分别为水泥基发泡保温材料未掺加玻璃纤维试样和掺加玻璃纤维试样的微观界面比照照片。由图2和图3能够看出：在一样养护龄期下，未掺加玻璃纤维的水泥基发泡保温材料试样的孔径分布不集中，尺寸大小不均匀，气孔构造呈现多处气孔连通的现象且多
10、处地方出现泡沫破裂的情况；而掺入玻璃纤维的水泥基发泡保温材料试样的孔径分布较集中，大小尺寸合理，孔构造较均匀且没有出现明显的泡沫破裂情况。同时，在一样养护龄期下，玻璃纤维掺量范围为01.5%时，水泥基发泡保温材料试样的28d干密度Y,kg/m3和抗压强度P,MPa与玻璃纤维掺量x2,%之间的相关关系能够分别用线性回归模型Y2=391.44-22.58x2+ε，εN0,2.39和P2=1.31+0.57x2+ε，εN0,0.0076表示，且随着玻璃纤维掺量增加至2%时，试样的28d干密度和抗压强度均降低。因而，掺加玻璃纤维后，玻璃纤
11、维对泡孔起到一定的保卫作用，使泡沫不易破裂，较好的改善了泡孔构造。华而不实，玻璃纤维掺量为1.5%时，水泥基发泡保温材料的各项物理性能较好。 在掺加玻璃纤维对水泥基发泡保温材料试样的气孔构造分析后，可知掺加玻璃纤维的试样气孔均匀，在相近气孔率情况下，试样韧性好，强度高。图4为玻璃纤维加强水泥基发泡保温材料的SEM照片。由图4能够看出，玻璃纤维严密嵌入水泥基发泡保温材料构造中，其外表覆盖有胶凝材料的水化产物，且两者之间的结合界面无缝隙，提高了材料界面的粘结强度。玻璃纤维与水泥基发泡保温材料基体的结合对水泥基发泡保温材料的抗断裂性能起决定性的作用，若玻璃纤维与基体结合不严密，试样受力时玻璃纤维发挥
12、不了作用，反而在玻璃纤维与基体界面上造成宏观缺陷，导致试样抗断裂性能下降；若玻璃纤维与基体结合严密，玻璃纤维能够充分发挥承当外应力的作用，起到增韧、加强抗拉的作用。玻璃纤维加强水泥基发泡保温材料机理包含下面三个方面6,7:第一个方面是玻璃纤维在水泥料浆中呈现三维无规则分布，构成网络构造，使泡沫在水泥料浆中分散时不易破裂，也不易构成连通孔，对气孔有一定的保卫作用，分布均匀的气孔和大的孔隙率改善了水泥基发泡保温材料的气孔构造；同时还增加了水泥料浆的均质性，减少了水泥料浆的离析、泌水现象；第二个方面是当水泥基发泡保温材料中水泥基体遭到应力作用出现裂缝时，玻璃纤维既能承受大部分外加应力，又能在断裂经过
13、中以 拔出功 的形式消耗部分能量，阻止材料断裂，进而起到加强作用；第三个方面是水泥基发泡保温材料与其他水泥基材料一样，本身构造中存在很多细小的裂纹和缺陷，当材料遭到外力作用时，这些裂纹和缺陷附近会产生应力集中致使裂纹开场扩展，最终导致整个材料构造断裂。将玻璃纤维掺加到水泥基发泡保温材料中能够约束裂纹的引发和阻止裂纹的扩展，进而起到提高材料断裂能和韧性的效果。 3.3孔构造与水泥基发泡保温材料的导热系数分析 由于水泥基发泡保温材料中含有大量封闭的细小孔隙，因而其具有良好的保温隔热性能，这是其他水泥基材料所不具备的。导热系数是衡量水泥基发泡保温材料保温性能的一个重要指标，导热系数越小，其保温隔热性
14、能就越好8.对不同配比的水泥基发泡保温材料试样进行导热系数测定，结果见表1. 由表1可知：与未掺加玻璃纤维和轻骨料膨胀珍珠岩和聚苯颗粒的试样A相比，掺加了玻璃纤维和轻骨料膨胀珍珠岩和聚苯颗粒的水泥基发泡保温材料试样B的导热系数比试样A降低了35.11%. 一般来讲，孔隙率对发泡保温材料的导热系数起着关键性的作用。当孔隙率不变时，导热系数主要取决于材料的组成和性质、内部缺陷、气孔尺寸、形状及孔洞间相互连通情况等因素，而导热系数降低的主要因素是孔隙率的增加9.在一样养护龄期下，膨胀珍珠岩掺量范围为08%时，水泥基发泡保温材料试样的28d干密度Y,kg/m3和抗压强度P,MPa与膨胀珍珠岩掺量x3,
15、%之间的相关关系能够分别用线性回归模型Y3=377.8-3.85x2+ε，εN0,13.66和P3=2.14-0.08x3+ε，εN0,0.0019表示。为了进一步研究水泥基发泡保温材料中孔构造及其分布情况，利用电子扫描显微镜分别对试样A和B进行微观构造分析，如此图5所示。由图5能够看出：试样A的孔径较大，孔的形状呈现不规则型或扁平状形，并且多处构成了连通孔；而试样B的孔径较小，孔的形状较规则且多呈现为球状型，大多数气孔封闭独立，提高了试样的保温性能。同时，随着玻璃纤维和轻骨料膨胀珍珠岩和聚苯颗粒的掺加，水泥基发泡保温材料试样中的
16、孔隙率增加，导热系数相应降低。其次，图5a中的实体部分为水泥石，图5b中的实体部分为水泥石和轻骨料，轻骨料同样属于多孔保温材料，其导热系数远低于水泥石，试样的保温隔热性能提高。 4结论 1水灰比是影响水泥基发泡保温材料孔构造的主要因素。随着水灰比的增大，水泥基发泡保温材料的气孔孔径逐步减小，水灰比过大或过小均会引起水泥基发泡保温材料试样的气孔呈现分布不均匀的现象。当水灰比为0.5时，水泥基发泡保温材料试样的气孔趋于球状型，孔壁较厚，孔径适宜，断面表观具有较佳品相形貌； 2在水泥基发泡保温材料中适量掺加玻璃纤维、轻骨料膨胀珍珠岩和聚苯颗粒，能够有效改善材料的孔构造，使试样内部气孔分布均匀、孔径减小、孔隙率增大、封闭气孔和球状型气孔增加，显着提高了水泥基发泡保温材料的保温隔热性能。