蘇秀霞， 曹鵬妮， 鄭小鵬

(1.陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710021； 2.上海潔聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰荆虾?201721)

0 引言

發(fā)泡水泥是以水泥為膠凝材料，通過(guò)添加適當(dāng)?shù)耐饧觿?發(fā)泡劑除外)，加水混合，攪拌成均勻的漿體，然后，在漿體中，加入化學(xué)發(fā)泡劑產(chǎn)生氣泡，經(jīng)過(guò)硬化成型，養(yǎng)護(hù)而制成的一種含有大量封閉氣孔的輕質(zhì)多孔材料[1,2].它因具有防火性能等級(jí)高，環(huán)保、耐老化、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]，而受到了人們的關(guān)注，是目前市場(chǎng)上較為理想的新型墻體保溫材料，可是，與傳統(tǒng)的有機(jī)保溫材料相比，其導(dǎo)熱系數(shù)高、干密度大[4]，嚴(yán)重阻礙了其在市場(chǎng)上的推廣使用，因此，本論文通過(guò)添加白泥纖維的方法，來(lái)改善發(fā)泡水泥的性能，以此來(lái)降低其導(dǎo)熱系數(shù)，提高力學(xué)性能和降低干密度[5].白泥纖維疏水性很強(qiáng)，易結(jié)團(tuán)、絮聚[6]，因此使用白泥纖維時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行均勻的分散，方能體現(xiàn)其在發(fā)泡水泥試樣中的功能.本實(shí)驗(yàn)以羧甲基纖維素鈉(CMC)為分散劑對(duì)白泥纖維進(jìn)行分散[7]，通過(guò)濁度法[8]分別選擇出不同摻量纖維的最佳分散劑濃度，然后將不同摻量的白泥纖維加入料漿中，制備出白泥纖維發(fā)泡水泥外墻外保溫材料，研究測(cè)試試樣的力學(xué)性能，并對(duì)發(fā)泡水泥試樣斷面的泡孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

(1)原料：白泥纖維，上海潔聯(lián)環(huán)?？萍加邢薰咎峁?；42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，陜西某水泥廠提供；分散劑：羧甲基纖維素鈉，實(shí)驗(yàn)純；化學(xué)發(fā)泡劑：H2O2(30%)；催化劑：MnO2，化學(xué)純；穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣，化學(xué)純.

(2)儀器：JB90-D型強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)，上海標(biāo)本模型廠制造；PT-1036PC型萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，臺(tái)灣寶大國(guó)際儀器有限公司；電子天平；模具.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 白泥纖維的分散

首先，在100 mL自來(lái)水中加入不同質(zhì)量的散劑，配置不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分散劑溶液，然后，將相同量的白泥纖維依次加入分散劑溶液中，添加方式以少量多次為宜，攪拌使其分散均勻，制備出一系列分散質(zhì)的量相同，而分散劑濃度不同的分散體系.

1.2.2 白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥的試樣制備

發(fā)泡水泥試樣包括空白發(fā)泡水泥A0；添加最佳量的分散劑，使白泥纖維均勻的分散在分散劑溶液中，制備白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥試樣A1～A7；未添加分散劑對(duì)白泥纖維進(jìn)行分散的白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥A8.三種配比如表1所示，其中：白泥纖維、發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑、催化劑的摻量均為與水泥的質(zhì)量比，試樣的制備方法：(1)空白發(fā)泡水泥，先將水泥、穩(wěn)泡劑、催化劑混合均勻，加入盛有一定量水的攪拌桶中，運(yùn)用攪拌器快速攪拌均勻，再加入化學(xué)發(fā)泡劑攪拌30 s，然后將料漿注入10 cm×10 cm×10 cm模具中，靜停發(fā)泡，硬化成型，脫模，在室溫下養(yǎng)護(hù)，最終得產(chǎn)品；(2)添加分散劑的白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥，在最佳量的分散劑溶液中，加入白泥纖維，攪拌使其分散均勻，然后向其中加入已混合均勻的固體料(水泥、穩(wěn)泡劑、催化劑)，重復(fù)上述操作，制備出添加分散劑的白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥試樣；(3)未添加分散劑的白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥，首先，將白泥纖維加入水中，攪拌使其盡量分散開(kāi)，然后向其中加入混合均勻的固體料，重復(fù)上述操作，制備出未添加分散劑的白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥試樣.

表1 白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥試樣配比(與水泥的質(zhì)量比)

1.2.3 分散劑濃度的優(yōu)化

以沉降法來(lái)表征白泥纖維在分散劑溶液中的分散性，不同的分散體系其分散質(zhì)沉降的速度不同，分別觀察記錄B1～B7七組不同質(zhì)量比的白泥纖維在0.00%、0.70%、0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%、1.50%的分散劑濃度下沉降的時(shí)間，即當(dāng)纖維均勻的分散在分散劑溶液中開(kāi)始計(jì)時(shí)，分散體系開(kāi)始出現(xiàn)分層狀態(tài)停止計(jì)時(shí)，該段時(shí)間記為纖維沉降的時(shí)間[9]，纖維摻量沉降時(shí)間越長(zhǎng)，表明白泥纖維分散的更為均勻[10].

1.2.4 力學(xué)性能的測(cè)試

將按A0～A8配比制備的試樣，養(yǎng)護(hù)28 d后，用鋸條切去上表面的面包頭，使試樣上下面相互平行，呈長(zhǎng)方體形，參照GB/T17671-1999，在萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)定試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度.

1.2.5 泡孔結(jié)構(gòu)分析

對(duì)空白試樣和添加最佳量分散劑的白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥試樣以及未添加分散劑的白泥纖維增強(qiáng)發(fā)泡水泥試樣斷面的泡孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 分散劑濃度對(duì)白泥纖維分散的影響

觀察記錄每個(gè)分散體系分散質(zhì)白泥纖維的沉降時(shí)間，結(jié)果如表2所示.

表2 分散劑濃度對(duì)白泥纖維分散的影響

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：(1)當(dāng)白泥纖維摻量為0.71%、1.43%、2.14%、2.86%、3.57%、4.29%、5.00%時(shí)，隨著分散劑濃度的增加，白泥纖維在分散體系沉降的時(shí)間先增長(zhǎng)后縮短，而將白泥纖維加入無(wú)分散劑的水中時(shí)，產(chǎn)生絮狀，即分散效果很差.(2)對(duì)不同摻量的白泥纖維，沉降的時(shí)間最長(zhǎng)、分散效果好的分散劑濃度為：0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%.CMC分散劑結(jié)構(gòu)圖如下：

CMC結(jié)構(gòu)中含有親水基團(tuán)羥基、羧基和憎水基團(tuán)烴基，其中，分子中的親水基團(tuán)與水中的羥基形成氫鍵，使得分散劑溶液的表面張力急劇下降，故增加了白泥纖維的親水性和潤(rùn)濕性，提高了分散性，形成了類(lèi)膠體分散體系[11]，同時(shí)，在纖維表面的非極性物質(zhì)極易吸附分散劑中的非極性基團(tuán)，降低了白泥纖維和水溶液之間的表面張力，進(jìn)一步提高了纖維在水溶液中的自由分散能力.但若CMC濃度過(guò)大,溶液的黏度變大, 影響了分散體系的流動(dòng)性,反而阻礙了白泥纖維的分散[12].

2.2 白泥纖維對(duì)發(fā)泡水泥力學(xué)性能的影響

對(duì)試樣A0～A8分別進(jìn)行抗壓和抗折強(qiáng)度的測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖1所示.

(a)纖維摻量對(duì)發(fā)泡水泥試樣抗壓強(qiáng)度的影響

(b)纖維摻量對(duì)發(fā)泡水泥試樣抗折強(qiáng)度的影響圖1 纖維摻量對(duì)發(fā)泡水泥試樣抗壓、抗折強(qiáng)度的影響

觀察圖1，可見(jiàn)：(1)與空白試樣相比，不同摻量的白泥纖維發(fā)泡水泥試樣其抗壓和抗折強(qiáng)度均有不同程度的提高；(2)當(dāng)白泥纖維摻量4.29%時(shí)，隨著白泥纖維摻量增加，試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度逐漸增大，而當(dāng)白泥纖維摻量>4.29%時(shí)，隨著白泥纖維摻量的增加，試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度總體上均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此，當(dāng)白泥纖維摻量為4.29%時(shí)，試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度最佳；(3)序號(hào)A7試樣，白泥纖維摻量為4.29%，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為0.81 MPa、0.34 MPa.

發(fā)泡水泥試樣的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度主要取決于兩個(gè)條件：(1)制備試樣所選取的水泥種類(lèi)、試樣干密度以及試樣水灰比；(2)試樣斷面的泡孔結(jié)構(gòu).很顯然，序號(hào)A0～A8試樣的第1個(gè)條件都相同，故條件2是影響試樣抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的主要因素，由力學(xué)知識(shí)可知，試樣斷面的孔越接近球形，大小越均勻，其尺寸也就越小，試樣受力時(shí)，應(yīng)力的分布就越均勻[13]，白泥纖維的摻入，使試樣斷面泡孔結(jié)構(gòu)變得更加均勻，更加細(xì)小，因此，提高了試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度[14]，同時(shí)，利用纖維之間的相互交織作用提高產(chǎn)品的抗裂性與耐久性，增加了試樣的強(qiáng)度；然而當(dāng)試樣中白泥纖維的摻量>4.29%時(shí)，在水泥料漿中，纖維絮凝，結(jié)團(tuán)，導(dǎo)致試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度降低[15].

2.3 白泥纖維對(duì)發(fā)泡水泥泡孔結(jié)構(gòu)的影響

圖2為空白發(fā)泡水泥試樣和添加分散劑濃度1.30%、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥及未添加分散劑、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥斷面泡孔結(jié)構(gòu)圖：

(a)空白試樣

(b)1.30%分散劑、4.29%纖維試樣

(c)無(wú)分散劑、4.29%纖維試樣圖2 白泥纖維對(duì)發(fā)泡水泥的泡孔結(jié)構(gòu)

觀察圖2，由圖可見(jiàn)：(1)空白發(fā)泡水泥試樣斷面泡孔的孔徑大小居于圖2(b)和圖2(c)之間；(2)試樣泡孔的形狀分別為：(a)球形，(b)球形，(c)橢圓形；(3)試樣泡孔的分布情況：(a)較均勻，(b)均勻，(c)不均勻.分散劑被包覆在白泥纖維表面，而分散劑本身含有親水基團(tuán)，使得纖維表面親水性增大，與水泥料漿之間的潤(rùn)濕性增大，化學(xué)鍵合力也得到進(jìn)一步增強(qiáng)[16]，因此，圖2(b)孔徑小、泡孔的形狀為球形，泡孔分布的更加均勻.

3 結(jié)論

(1)白泥纖維分散的是否均勻極大地影響著發(fā)泡水泥的性能，對(duì)于白泥纖維摻量為0.71%、1.43%、2.14%、2.86%、3.57%、4.29%、5.00%，沉降時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)白泥纖維分散效果好的分散劑濃度為0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%.

(2)白泥纖維能夠顯著地增加發(fā)泡水泥的力學(xué)性能，當(dāng)添加分散劑濃度為1.30%、白泥纖維摻量為4.29%時(shí)，發(fā)泡水泥試樣的抗壓和抗折強(qiáng)度分別達(dá)到最大值，即為：0.81 MPa和0.34 MPa.

(3)均勻分散的白泥纖維能夠明顯改善發(fā)泡水泥斷面的泡孔結(jié)構(gòu)，與空白試樣以及未添加分散劑、4.29%白泥纖維的發(fā)泡水泥相比，添加分散劑濃度1.30%，白泥纖維4.29%的發(fā)泡水泥斷面的泡孔結(jié)構(gòu)得到了很大地改善，其孔徑小，形狀為球形且分布均勻.

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