劉文斌，周 慧

(常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164)

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化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土塌模機(jī)理研究

劉文斌，周 慧

(常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164)

通過(guò)引入極限剪切力這一技術(shù)參數(shù)，研究了溫度變化、水灰比及粉煤灰摻量變化對(duì)化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土料漿的流平性與穩(wěn)定性的影響。研究表明：當(dāng)料漿剛完成發(fā)氣時(shí)，極限剪切應(yīng)力應(yīng)在25～40Pa之間。當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束2h左右，極限切應(yīng)力達(dá)到75Pa以上，不易出現(xiàn)塌模、下沉等現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)料漿進(jìn)行受力分析，得出料漿不塌模的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)水灰比、速凝劑和穩(wěn)泡劑對(duì)極限切應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控表明：水灰比為0.54～0.58，速凝劑為水泥用量的2%左右，穩(wěn)泡劑為1.6%左右對(duì)料漿的塌模可起到很好的控制作用。

化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土; 極限切應(yīng)力; 塌模機(jī)理; 料漿

1 引 言

化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土保溫板用于外墻外保溫系統(tǒng)已在中國(guó)得到廣泛應(yīng)用，且由第一代硫鋁酸鹽水泥泡沫混凝土向硅酸鹽水泥泡沫混凝土轉(zhuǎn)變[1]。PanZhihua等研究了化學(xué)發(fā)泡方法制備150kg/m3和 300kg/m3的超輕泡沫混凝土，其強(qiáng)度分別達(dá)到0.33MPa和1.1MPa，吸水率為6.6% 和 8.3%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.05W/mK和0.07W/mK[2]。梁磊等研究了雙氧水發(fā)泡體系對(duì)無(wú)機(jī)聚合物發(fā)泡混凝土硬化性能的影響，結(jié)果表明：水膠比為0.50、礦粉摻量為66%、二氧化錳摻量為0.45%、纖維素醚摻量為0.8%、雙氧水摻量為3%，硅灰摻量為4.5%為較優(yōu)制備工藝參數(shù)[3]。研究表明，大多數(shù)研究一般都局限于物理性能和原材料的關(guān)系及至力于尋找最佳配方和工藝。而關(guān)于泡沫混凝土的塑性階段，內(nèi)部水化溫度、氣泡的穩(wěn)定性、凝結(jié)時(shí)間、壓力、塌模機(jī)理，一般僅著定性的描述[4-6]，無(wú)具體的量化技術(shù)指標(biāo)，也無(wú)模型可供參考。但不少企業(yè)對(duì)于硅酸鹽水泥進(jìn)行化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土的生產(chǎn)和技術(shù)研究并不成熟，生產(chǎn)的水泥基泡沫混凝土保溫板容重達(dá)不到技術(shù)要求，吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)和強(qiáng)度不能滿足技術(shù)規(guī)程，生產(chǎn)中頻繁出現(xiàn)塌模、下沉等問(wèn)題?；瘜W(xué)發(fā)泡泡沫混凝土料漿是一種典型的彈-黏-塑性體，在應(yīng)力作用下將會(huì)發(fā)生復(fù)雜的流變行為[7]，對(duì)在應(yīng)力作用下料漿發(fā)生流動(dòng)與變形的規(guī)律展開(kāi)研究，有利于深刻認(rèn)識(shí)化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土流變特性與發(fā)氣穩(wěn)定性，有利于分析清楚塌模、下沉等問(wèn)題[8]。本文主要針對(duì)泡沫混凝土的塌模問(wèn)題進(jìn)行深入研究，探究出現(xiàn)塌模的原因、影響因素，并找出其解決方案。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1.1 水 泥

P·O42.5水泥，主要物理性能見(jiàn)表1。

表1 水泥的基本性能

2.1.2 粉煤灰

Ⅱ級(jí)粉煤灰，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰的基本性能

2.1.3 發(fā)泡劑

雙氧水，濃度：27.5%。

2.1.4 穩(wěn)泡劑

硬脂酸鹽系列，以硬脂酸鈣為主的復(fù)合穩(wěn)泡劑。

2.1.5 速凝劑

以氯鹽、硫酸鹽和萘系減水劑為主的復(fù)合速凝劑。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將膠凝材料、粉煤灰和各種外加劑等混合、加水?dāng)嚢杈鶆颍刂屏蠞{溫度在25～35 ℃，控制攪拌速度(90～120r/min)和攪拌時(shí)間(2.5～3min)；攪拌均勻后，迅速加入發(fā)泡劑持續(xù)攪拌約30s； 最終將拌合均勻的料漿傾倒入模具內(nèi)靜停發(fā)泡，待一定強(qiáng)度后拆模養(yǎng)護(hù)即可。

2.2.1 極限切應(yīng)力的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中采用極限切應(yīng)力作為表征料漿流變性能的一個(gè)重要指標(biāo)。極限切應(yīng)力的物理概念是:當(dāng)料漿在外力作用下產(chǎn)生的切應(yīng)力等于或大于極限切應(yīng)力時(shí)，將發(fā)生可以覺(jué)察到的流動(dòng)(形變隨時(shí)間而變化)[4]。極限切應(yīng)力是靜態(tài)應(yīng)力的最大值。由此可見(jiàn)，極限切應(yīng)力越大，料漿表現(xiàn)出的固體性越強(qiáng)；反之，料漿表現(xiàn)出液體性越強(qiáng)。圖1采用拉力計(jì)(精度為0.001N)鉤住埋在料漿中的塑料片。塑料片是用表面稍粗糙的玻璃纖維增強(qiáng)的電工絕緣薄板，薄片的尺寸為5×7.5cm2, 料漿的極限切應(yīng)力可由下式求得：

式中：F為拉力計(jì)的測(cè)量值(N)；b為薄板的寬度(cm)；h為薄板埋入料漿的深度(cm)。

圖1 極限切應(yīng)力的示意圖Fig.1 Test method for ultimate shear stress and schematic diagram

圖2 泡沫混凝土內(nèi)部測(cè)溫裝置Fig.2 Temperature collector and probe arrangement

2.2.2 泡沫混凝土內(nèi)部溫度的測(cè)定

實(shí)驗(yàn)中采用一種高性能、低價(jià)位的8通道泡沫混凝土溫度測(cè)試儀，并配合測(cè)溫探頭，以每2s測(cè)溫一次，多點(diǎn)溫度記錄、溫度采集、溫度分析。

2.2.3 物理性能檢測(cè)

研制的樣品根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T2200-2013分別檢測(cè)其密度、流動(dòng)度、吸水率、拉拔強(qiáng)度、3d、28d強(qiáng)度，導(dǎo)熱系數(shù)等物理性能。

2.2.4 微觀分析測(cè)試

(1)采用X粉末衍射儀對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行分析。

(2)采用SEM對(duì)泡沫混凝土進(jìn)行微觀性能的觀察。

2.3 實(shí)驗(yàn)用配合比

采用單因素變化法，對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)整，研究不同溫度、不同水灰比和不同粉煤灰摻量對(duì)硅酸鹽水泥基泡沫混凝土塑性階段極限切應(yīng)力的影響，找出料漿塌模的區(qū)間、分析塌模機(jī)理。表3、4、5為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)配比。

表3 不同溫度下的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土配合比

表4 不同水料比的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土配合比

表5 不同粉煤灰摻量的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土配合比

續(xù)表

3 結(jié)果與分析

通過(guò)圖3可知：在相同的容積內(nèi)，對(duì)于相同配比的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土，不同的溫度對(duì)發(fā)泡高度有一定的影響。在溫度為35 ℃時(shí)，初始上升速度要大于25 ℃和30 ℃時(shí)的上升速度，但后期高度并未最高，主要是由于高溫使得料漿的水化加快和雙氧水的快速分解，初期上升速度很快，但大量氣體快速生成，也造成部分氣體逸出，導(dǎo)致后期高度不夠。且泡沫混凝土的氣孔偏大，泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)缺陷增多，28d強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)結(jié)果表明25 ℃時(shí)，28d強(qiáng)度為0.45MPa；35 ℃時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度為0.36MPa。從時(shí)間上看，35 ℃料漿的發(fā)氣持續(xù)時(shí)間較25 ℃的短，發(fā)氣持續(xù)時(shí)間一般為6min左右，而25 ℃的料漿發(fā)氣持續(xù)時(shí)間一般為8min左右。通過(guò)圖4時(shí)間與極限剪切力的相關(guān)性實(shí)驗(yàn)可知：隨時(shí)間的增加，料漿的極限切力也相應(yīng)增加，通過(guò)曲線擬合后，得到一組斜率不同的直線，其中25 ℃時(shí)，方程為：y=8.254x+46.583；30 ℃時(shí)，方程為： y=5.144x+36.962；35 ℃時(shí)，y=2.580x+18.405。從方程的斜率可知：隨初始溫度的升高，料漿的極限切力是呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。可看出，25 ℃料漿的極限切力在料漿稠化過(guò)程中要大于35 ℃的極限切力，說(shuō)明較低的溫度有利于氣泡的穩(wěn)定，減少料漿在快速發(fā)氣過(guò)程中的缺陷。當(dāng)然考慮到雙氧水的分解溫度，發(fā)泡時(shí)料漿溫度也不宜太低。實(shí)驗(yàn)表明(圖5)，溫度為20 ℃時(shí)，料漿的體積膨脹較小，容重、導(dǎo)熱系數(shù)等達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。故后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)都以25 ℃的水溫進(jìn)行。

圖3 不同溫度下的發(fā)泡高度 Fig.3 Foam height at different temperatures

圖4 不同溫度下時(shí)間與極限剪切力關(guān)系圖 Fig.4 The relationship between time and ultimate shear force at different temperatures

圖5 實(shí)驗(yàn)中20 ℃水溫發(fā)泡后高度Fig.5 The high of foam concrete at 20 ℃ degrees

圖6 不同水灰比下流動(dòng)度 Fig.6 Flow rate of sample under different water

通過(guò)不同水灰比的設(shè)計(jì)，考察用水量對(duì)于料漿塌模的影響，分析不同水灰比與極限剪切應(yīng)力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)采用自流平砂漿流動(dòng)度測(cè)試方法(JC/T985-2005)進(jìn)行料漿流動(dòng)度的測(cè)試。從圖6中可知：隨水灰比增加，料漿流動(dòng)度增加。當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，料漿發(fā)泡后，表面出現(xiàn)開(kāi)裂，有氣泡逸出現(xiàn)象(見(jiàn)圖7)；水灰比為0.58時(shí)，正常穩(wěn)定狀態(tài)(圖8)；當(dāng)水灰比為0.7時(shí)，則出現(xiàn)沸騰塌?，F(xiàn)象(見(jiàn)圖9)。表6為B組不同時(shí)間點(diǎn)所測(cè)量的極限切應(yīng)力。由于早期塌模后無(wú)法測(cè)其極限切應(yīng)力，圖10為前四組不同水灰比下極限切力與時(shí)間的關(guān)系圖，從表6和圖10可知：當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束初始時(shí)(30min前后)，極限剪切應(yīng)力應(yīng)在25～40Pa之間，過(guò)大則出現(xiàn)憋氣、開(kāi)裂現(xiàn)象；過(guò)小則出現(xiàn)沸騰、塌模現(xiàn)象。當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束2h左右，極限剪切應(yīng)力達(dá)到75Pa以上，不會(huì)出現(xiàn)因自重而塌模、下沉現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)內(nèi)部水泥水化溫度的測(cè)定(圖11)知，在試模的邊緣部位料漿的溫度從混合開(kāi)始到2h左右達(dá)到最低點(diǎn)，這也導(dǎo)致料漿內(nèi)氣泡的壓力P達(dá)到最低點(diǎn)。而中心位置溫度較高，塌模不會(huì)從中心出現(xiàn)。圖12則為2h左右出現(xiàn)的料漿塌?，F(xiàn)象。

表6 B組不同時(shí)間的極限剪切應(yīng)力

圖7 水灰比0.5時(shí)開(kāi)裂現(xiàn)象Fig.7 Cracking phenomenon under 0.5 of w/c

圖8 水灰比0.58時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)Fig.8 The stability state under 0.58 of w/c

圖9 水灰比0.7時(shí)，沸騰塌模Fig.9 The collapse phenomenon under 0.7 of w/c

圖10 不同水灰比下時(shí)間與極限剪切力關(guān)系圖Fig.10 The relationship between the time and the ultimate shear strength under different water cement ratio

通過(guò)對(duì)極限切應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)分析，基本上對(duì)化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土的塌模可以進(jìn)行預(yù)測(cè)。為了驗(yàn)證其合理性，對(duì)摻不同粉煤灰量泡沫混凝土進(jìn)行了研究分析。圖13為不同粉煤灰摻量的泡沫混凝土極限切應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系。從圖中可知，極限切應(yīng)力與時(shí)間為正相關(guān)性，雖然，極限剪切應(yīng)力與時(shí)間無(wú)法用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行表征。但從圖中可以看出：隨粉煤灰用量的減少，極限切應(yīng)力不斷增大。只要極限切應(yīng)力在時(shí)間上滿足當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束初始時(shí)，極限剪切應(yīng)力應(yīng)在25～40Pa之間，當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束2h左右，極限剪切應(yīng)力達(dá)到75Pa以上，就不會(huì)出現(xiàn)發(fā)氣不正?，F(xiàn)象。而采用純水泥時(shí)，極限剪切力并沒(méi)有達(dá)到最大，是由于純水泥料漿的保氣性沒(méi)有摻粉煤灰的保氣性好所至。

圖11 料漿的水化溫度與時(shí)間的關(guān)系1# 模具邊緣，深度50 cm；3# 模具中心處，深度50 cmFig.11 The relationship between water temperature and time of slurry

圖12 2 h左右出現(xiàn)的塌?，F(xiàn)象Fig.12 The collapse phenomenonaround 2 h

圖13 不同粉煤灰摻量下時(shí)間與極限剪切力關(guān)系圖Fig.13 The relationship between time and ultimate shear force of different fly ash content

圖14 3 d、28 d化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土XRD分析圖譜Fig.14 XRD patterns of chemical foaming foam concrete at 3 d and 28 d

表7為C組泡沫混凝土硬化后各種物理性能的檢測(cè)結(jié)果。從表中可知不同量粉煤灰的摻入，對(duì)泡沫混凝土的密度影響不大。流動(dòng)度介于120～140mm之間，24h吸水率基本保持在7%～8%之間，導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.07w/m·k左右。但泡沫混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度則隨粉煤灰用量的增加而減小[9]。將其中的C1組3d、28d后進(jìn)行XRD和SEM分析(見(jiàn)圖14、15)。從XRD圖中可見(jiàn)，3d時(shí)水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣、氫氧化鈣和碳酸鈣。28d時(shí)，則以碳酸鈣為主，氫氧化鈣的峰明顯弱化，說(shuō)明泡沫混凝土在空氣中極易被碳化成碳酸鈣。從SEM圖中可清晰見(jiàn)到發(fā)氣生產(chǎn)的氣孔中有些并不完全閉合，從側(cè)面證明了料漿在硬化過(guò)程中有氣體從孔隙中排出，后期稠化過(guò)慢則會(huì)導(dǎo)致塌模?？妆谝云瑺顨溲趸}和碳酸鈣為主要構(gòu)成物。

表7 摻不同量粉煤灰的化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土物理性能

圖15 28 d化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土SEM分析圖譜Fig.15 SEM images of chemical foaming foam concrete at 28 d

4 討 論

4.1 水泥基泡沫混凝土塌模機(jī)理分析

圖16 發(fā)氣原理分析圖Fig.16 Gas principle analysis chart

由前面的實(shí)驗(yàn)可知，極限剪切應(yīng)力與塌模存在著一定的關(guān)系。作者借鑒黃士元[10]在加氣混凝土中對(duì)氣泡的分析理論，對(duì)水泥基泡沫混凝土進(jìn)行分析。設(shè)在料漿內(nèi)部當(dāng)雙氧水加入后，開(kāi)始分解出氧氣，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT可知，分解迫使氣泡內(nèi)壓力增大，體積膨脹從而推動(dòng)物料上浮。由圖16可知：設(shè)有上下兩個(gè)氣孔，上面氣孔內(nèi)壓力為P1，下面的氣孔內(nèi)壓力為P2，兩個(gè)氣孔的距離為△h，孔徑為r。設(shè)想半徑為r、長(zhǎng)度為△h的圓柱體，當(dāng)作用在這圓柱體上的外力能克服圓柱表面上極限剪切應(yīng)力所造成的阻力時(shí)，料漿才能流動(dòng)。由此，可知：

(P2-P1-ρg△h)πr2≥2πr△hτm

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，出現(xiàn)料漿塌模、下沉一般為在發(fā)氣結(jié)束初期和結(jié)束2h左右(生產(chǎn)常在這兩個(gè)階段出現(xiàn)塌模、下沉)。對(duì)于第一種情況，主要原因是由于料漿的保氣性不好，氣泡上浮，合并成大氣泡逸出，而出現(xiàn)塌模、沸騰。對(duì)于第二種情況，料漿在發(fā)氣結(jié)束后，由于模內(nèi)某一局部的不穩(wěn)定。出現(xiàn)氣孔破壞，初凝的料漿嚴(yán)重下沉，并牽動(dòng)其余部位的料漿也失去平衡而依次逐漸形成不同程度的破壞，因而有時(shí)會(huì)出現(xiàn)塌半模的情況。

4.2 塌模的調(diào)控方法分析

前面總結(jié)了塌模的原因，分析了塌模原理，并提出了不塌模的條件，明確了主要控制指標(biāo)：極限切應(yīng)力。具體相關(guān)參數(shù)為：水灰比、速凝劑和穩(wěn)泡劑。要保持料漿穩(wěn)定，則必須要求在平衡階段時(shí)，氣泡內(nèi)壓力的減小速度小于極限切應(yīng)力的增長(zhǎng)速度。平衡階段時(shí)，氣泡內(nèi)物質(zhì)的量、氣泡體積、表面積皆為常數(shù)，對(duì)于氣泡內(nèi)壓力的變化影響因素主要為溫度變化和氣泡壁的不完全封閉導(dǎo)致的漏氣。通過(guò)穩(wěn)泡劑用量和保持料漿溫度，可達(dá)到減小氣泡內(nèi)壓力變化。對(duì)于極限切應(yīng)力的變化則可通過(guò)水灰比的調(diào)控和速凝劑的增加達(dá)到快速提高。從而可對(duì)塌模進(jìn)行調(diào)控。

實(shí)驗(yàn)選取了水灰比為0.5～0.6，溫度為25 ℃，速凝劑為2%，穩(wěn)泡劑為1.6%，進(jìn)行泡沫混凝土成型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)定結(jié)果如下表。

表8 不同水灰比對(duì)塌模影響

結(jié)果可知，只要極限切應(yīng)力滿足平衡階段的要求，就可保持料漿成型穩(wěn)定，不塌模。要使得極限切應(yīng)力滿足平衡階段的要求，必須控制好料漿的水灰比、速凝劑和穩(wěn)泡劑用量。由此可知，水灰比、穩(wěn)泡劑和速凝劑的大小對(duì)于料漿的極限切應(yīng)力有著重要的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一般取水灰比為0.54～0.58。速凝劑為水泥用量的2%左右，穩(wěn)泡劑為1.6%左右。

5 結(jié) 論

(1)料漿流動(dòng)度一般為120～140mm之間比較有利于發(fā)氣的穩(wěn)定。較低溫度相比于高溫度更有利于氣孔的均勻性和料漿的體積穩(wěn)定性。XRD和SEM分析表明，化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土形成的孔并非全部封閉，在28d后有較強(qiáng)的碳化，孔壁的生成物以片狀氫氧化鈣和碳酸鈣為主；

(2)運(yùn)用極限切應(yīng)力概念來(lái)表征泡沫混凝土料漿的發(fā)氣穩(wěn)定性，當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束初始時(shí)，極限切應(yīng)力應(yīng)在25～40Pa之間。當(dāng)料漿發(fā)氣結(jié)束2h左右，極限切應(yīng)力達(dá)到75Pa以上，不會(huì)出現(xiàn)塌模和下沉現(xiàn)象；

(3)對(duì)料漿出現(xiàn)塌模的二種情況進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)料漿受力分析，得出了料漿不塌模的數(shù)學(xué)模型；

(4)通過(guò)水灰比、速凝劑和穩(wěn)泡劑對(duì)極限切應(yīng)力進(jìn)行調(diào)控，結(jié)果表明水灰比為0.54～0.58，速凝劑為水泥用量的2%左右，穩(wěn)泡劑為1.6%左右對(duì)料漿的塌模可起到很好的控制作用。

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Mechanism of Chemical Foaming Foam Concrete Collapse Mode

LIU Wen-bin，ZHOU Hui

(ChangzhouVocationalInstituteofEngineering,Changzhou213164,China)

Effectsoftemperature,watercementratioandflyashquantitychangeofchemicalfoamingfoamconcreteslurrylevelingandstabilitywasstudiedbyintroducinglimitshearstressthetechnicalparameters.Theresearchshowsthattheultimateshearstressshouldbeinthe25-40Pawhentheslurryisfinished.theslurryismixedfor2h,theultimateshearstressreached75Pa,anditisnoteasytoappearthephenomenonofcollapse,sinkingandsoon.Throughtheanalysisoftheslurry,mathematicalmodeloftheslurryisobtained.Thelimitingshearstresswascontrolledbywatercementratio,quicksettingagentandfoamstabilizer,theresultshowsthatthewatercementratiois0.54-0.58,thespeedsettingagentisabout2%ofcementdosage,andthestablefoamagentisabout1.6%.Theycanplayaverygoodcontroleffectonthecollapseoftheslurry.

chemicalfoamingconcrete;thelimitingshearstress;collapsemechanism;slurry

劉文斌(1980-),男，副教授.主要從事砂漿及混凝土應(yīng)用方面的研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4277-09