孔結構分布與水泥基發泡保溫材料導熱性的關系論文
1引言
近年來，在全球節能減排大趨勢的推動下，建筑節能、發展綠色建筑和循環經濟政策已經受到國內外研究學者的廣泛關注，發展綠色、環保、節能的建筑材料已勢在必行[1].隨著建筑防火力度的加大，無機類輕質保溫材料在建筑節能領域越來越受青睞[2].水泥基發泡保溫材料由于其良好的保溫隔熱性能、低密度和優異的防火性能在建筑節能市場發揮著重要作用。水泥基發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性能起著關鍵性的作用。孔結構主要包含孔隙率、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保溫骨料，同時摻加適量玻璃纖維，運用物理發泡工藝制備了水泥基輕質發泡保溫材料，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）的加入量對水泥基發泡保溫材料試樣內部孔結構及其分布的影響，同時探討了孔結構及其分布與水泥基發泡保溫材料的導熱系數之間的相互關系。
2試驗
2.1原材料
（1）普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）。選用某大型水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）。
（2）發泡劑。采用煙臺某建筑節能科技有限公司生產的植物改性泡沫劑（PM-Z50G）。
（3）玻璃纖維。采用一種A級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水泥基發泡保溫材料的制備方法
水泥基發泡保溫材料的制備選用一種將供液、上料、發泡、攪拌所有功能集于一體并微型化的超輕便發泡機，發泡系統采用高壓空氣發泡技術把發泡劑水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到水泥料漿中，經混合攪拌、澆注成型。
2.3性能測試
2.3.1顯微結構分析
試樣經（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，進行顯微結構分析。顯微結構分析儀器采用捷克TESCAN公司生產的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《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定-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布置，將被測試樣放置在一個相互平行且具有恒定溫度的平板中，在穩定狀態下，熱流計和試樣中心測量部分具有恒定熱流。此時測量熱、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，發泡劑采用植物改性泡沫劑，按1∶50的比例對發泡劑進行稀釋，水灰比分別選擇0.4、0.5和0.6時，水泥基發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，水泥基發泡保溫材料試樣的斷面孔結構隨著水灰比的增加而發生變化。水泥基發泡保溫材料宏觀上可以看作固-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孔含有的孔隙溶液，氣相體系是由發泡劑發泡過程中產生的泡沫變成氣孔，氣孔是由水泥料漿硬化后被固定在材料中的氣體構成[4].一般來說，水泥料漿中的氣泡轉變成氣孔可以分為三個階段[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，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包圍層，氣-液二相體系即轉變為氣-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物填實，對氣泡液膜起到了進一步加強的作用；第三階段是氣-固界面形成。膠凝材料經過初凝后，試樣的水化速度開始逐漸加快，產生的大量水化熱引起氣泡液膜的水分蒸發。
同時，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物替代而形成一個包圍氣體的膠凝層。當氣泡液膜完全消失時，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程。
因為水灰比為0.4時，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，水泥料漿流動性好，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；隨著水灰比的進一步增加，水灰比為0.6時，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，而在水泥基發泡保溫材料的硬化過程中因受到蒸發作用而從試樣內部蒸發，使其在原位形成空隙；同時，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，水灰比過大或過小均會引起水泥基發泡保溫材料試樣的氣孔呈現分布不均勻的現象。同時，在相同養護齡期下，水灰比范圍為0.4~0.6時，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）之間的相關關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，水泥基發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玻璃纖維對水泥基發泡保溫材料孔結構的影響
圖2和圖3分別為水泥基發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，孔結構較均勻且沒有出現明顯的泡沫破裂情況。同時，在相同養護齡期下，玻璃纖維摻量范圍為0~1.5%時，水泥基發泡保溫材料試樣的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,%）之間的相關關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，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，水泥基發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泡保溫材料結構中，其表面覆蓋有膠凝材料的水化產物，且兩者之間的結合界面無縫隙，提高了材料界面的粘結強度。玻璃纖維與水泥基發泡保溫材料基體的結合對水泥基發泡保溫材料的`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，試樣受力時玻璃纖維發揮不了作用，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泡保溫材料機理包含以下三個方面[6,7]:
第一個方面是玻璃纖維在水泥料漿中呈現三維無規則分布，形成網絡結構，使泡沫在水泥料漿中分散時不易破裂，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泡保溫材料的氣孔結構；同時還增加了水泥料漿的均質性，減少了水泥料漿的離析、泌水現象；
第二個方面是當水泥基發泡保溫材料中水泥基體受到應力作用出現裂縫時，玻璃纖維既能承受大部分外加應力，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，從而起到增強作用；
第三個方面是水泥基發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，這些裂紋和缺陷附近會產生應力集中致使裂紋開始擴展，最終導致整個材料結構斷裂。將玻璃纖維摻加到水泥基發泡保溫材料中能夠約束裂紋的引發和阻止裂紋的擴展，從而起到提高材料斷裂能和韌性的效果。
3.3孔結構與水泥基發泡保溫材料的導熱系數分析
由于水泥基發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泡保溫材料保溫性能的一個重要指標，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泡保溫材料試樣進行導熱系數測定，結果見表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%.
一般來說，孔隙率對發泡保溫材料的導熱系數起著關鍵性的作用。當孔隙率不變時，導熱系數主要取決于材料的組成和性質、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，水泥基發泡保溫材料試樣的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：%）之間的相關關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。為了進一步研究水泥基發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進行微觀結構分析，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，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中的實體部分為水泥石，圖5b中的實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泡保溫材料孔結構的主要因素。隨著水灰比的增大，水泥基發泡保溫材料的氣孔孔徑逐漸減小，水灰比過大或過小均會引起水泥基發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，水泥基發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，顯著提高了水泥基發泡保溫材料的保溫隔熱性能。
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