粉煤灰基水泥发泡保温板的制备及性能优化

刘辉，逯云飞，孙辉涛

（1. 河北军存预拌混凝土有限公司，河北 石家庄 050000；2. 广东鸿宇建筑与工程设计顾问有限公司，广东 东莞 523000）

实践技术

粉煤灰基水泥发泡保温板的制备及性能优化

刘辉1，逯云飞2，孙辉涛1

（1. 河北军存预拌混凝土有限公司，河北 石家庄 050000；2. 广东鸿宇建筑与工程设计顾问有限公司，广东 东莞 523000）

以硅酸盐水泥、粉煤灰为原料，通过物理发泡法制备了一种具有优良阻燃性能、较高强度的水泥发泡保温板。重点考察了发泡剂的加入量对发泡水泥的干密度、抗折强度、抗压强度、保温性能等的影响。结果表明：利用动物蛋白为发泡剂，当发泡剂用量为 2500ml/kg 时，样品的干密度可以达到 379kg/m3，抗折强度为 0.62MPa，抗压强度为 0.78MPa，符合工业生产应用的要求。

发泡水泥；粉煤灰；力学强度；保温材料；物理发泡

0 前言

随着我国建设资源节约型社会要求的提出和国家节能降耗政策的相继出台，节能型建筑材料势必成为今后新型建材的发展方向[1]。而研究高强度、低成本和高防火性、低密度的泡沫材料是亟待解决的课题。随着发泡技术的进步，发泡水泥将以一种全新的轻型保温建筑材料出现在大家的面前[2-3]。发泡水泥，是通过发泡剂与水按比例混合并高速搅拌制出泡沫，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。它属于气泡状绝热材料，突出特点是在混凝土内部形成封闭的泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化[4-5]。

本文以硅酸盐水泥、粉煤灰为原料，将粉煤灰与一定量的水泥混合，通过添加泡沫、各种强碱激发剂、水泥早强剂等的物理发泡法制备了一种具有优良阻燃性能、较高强度且成本低廉的发泡水泥保温板，探讨了发泡剂的加入量对发泡水泥的干密度、抗折强度、抗压强度、保温性能等的影响。

1 实验部分

1.1 原料和设备

粉煤灰原灰：平均粒径为 54μm，西柏坡电厂；硅酸盐水泥为 P·O42.5 级普通水泥；动物蛋白发泡剂；各种强碱激发剂、水泥早强剂、表面活性剂等。实验过程中使用的蒸馏水及各种原材料和试剂均为同一批。

水泥胶砂试体振实台：ZT-96 型，无锡市锡仪建材仪器厂；水泥胶砂搅拌机，JJ-5 型，无锡市锡仪建材仪器厂；抗折抗压实验机，TYE-300 型，无锡市锡仪建材仪器厂；台式扫描显微镜，TM3000 型，日本日立公司。

1.2 发泡水泥的制备

先称取一定量的水泥倒入水泥搅拌机中，然后按照水灰比 0.3 加入水，再称取一定量的粉煤灰，一起搅拌成水泥浆，待用。然后将一定量的发泡剂[6]与水按照 1:30 的比例混合，倒入三颈瓶中，高速搅拌 5 分钟，直到发泡稳定，将泡沫倒入搅拌机中与水泥浆一起搅拌 3 分钟后倒入三联模中40mm×40mm×160 mm，以聚乙烯薄膜密封，最后在 60℃下养护 24h 后脱模，并测试其养护 7d、28d 后的抗压、抗折强度。

1.3 发泡水泥性能测试

1.3.1 干密度

将养护后的样品取出测定其体积和质量。其计算公式：

ρ＝M/V×106

其中：ρ——样品干密度，kg/m3；

M——样品质量，kg；

V——样品体积，mm3。

1.3.2 抗折、抗压强度

抗折、抗压强度采用 JG/T 266—2011《泡沫混凝土》规定的方法进行：将养护后的样品取出，放入 TYE-300型抗折抗压实验机进行测试。当样品折断时，记录试验机上的数据，得到样品的抗折强度；之后将样品裁剪成40mm×40mm×40mm 的大小，放入 TYE-300 型抗折抗压实验机中，均匀地对样品进行加荷，直至破坏，记录破坏荷载。按照公式；

式中；R——样品的抗压强度，MPa；P——破坏荷载，N；F——受压面积，mm2。

1.3.3 保温性能

将养护后的样品取出，将未发泡及物理发泡的样品分别裁剪成 40mm×40mm×15mm 大小，在上面放置固体石蜡块，下面用酒精灯加热，记录石蜡从未熔至全熔的时间。

1.3.4 电镜分析

将养护后的样品取出，分别在电镜（TM3000，日立台视显微镜）下观察未发泡及物理发泡制备样品的微观结构，分析决定其性质的根本因素。

2 结果与讨论

2.1 泡沫含量对干密度的影响

从表 1 可以看出，发泡水泥的干密度随着泡沫含量的增加而减少，因为泡沫本身是含有少量空气的，所以在同体积条件下，水泥浆中添加泡沫制备出来的发泡水泥的质量要比纯水泥制备出来的要轻的多，发泡水泥的干密度要低的多，而随着泡沫含量的增加，孔隙率越来越高，样品中的空气也越来越多，所以干密度越来越低。

表 1 泡沫含量对样品干密度的影响

2.2 泡沫含量对抗折、抗压强度的影响

发泡水泥添加泡沫后可以显著地降低样品的干密度，但是同时也使样品的抗折、抗压强度下降，对不同泡沫含量的抗折，抗压强度进行测试，结果见表 2。

从表 2 可以看出，随着泡沫含量的增加，样品的抗折、抗压强度都有显著的降低。比较表 2 中数据可知，养护时间为 7 天的样品的抗折、抗压强度比养护 28 天后的样品的强度要低一些，而且下降趋势也有不同，这是因为样品的水灰比与其中空气含量都对材料的抗折、抗压强度有很大影响，添加泡沫，既增加了空气含量，也提高了水灰比。随着泡沫的添加，样品中空气含量增加，硬化浆体中闭合气孔数增多，导致试样受压面内单位面积上净压面减小，强度下降幅度较大；泡沫继续增大，浆体中稳定存在的气泡减少，强度下降减缓，当泡沫含量继续增大时，浆体中水灰比进一步增大，强度显著下降[7]。

表 2 泡沫含量对抗折强度的影响

2.3 保温性能

为了对比发泡水泥保温板的隔热效果，试验选取未加入发泡剂的水泥与加入发泡剂的样品进行对照试验。用火焰高度为 4cm 的酒精灯火焰（外焰温度约为 600℃）灼烧样品（保温板样品厚度为 15mm），样品上方放置石蜡。未发泡水泥板上，经过 4.5min 的灼烧，石蜡熔化得非常多，已经不能保持原形。但是发泡水泥板上，经过 4.5min 的灼烧后，石蜡只是少部分熔化。经过 4.5min 灼烧保温板样品背面的温度仅为 50℃ 左右。这是因为发泡水泥材料中添加了泡沫，使得水泥中的孔隙率增加，形成了许多均匀分布的微细闭合气泡，导热系数下降，很好地阻止了热量的传递，起到了隔热、保温的效果。灼烧两种材料使石蜡全熔所用的时间见表3。

表 3 发泡方法对保温性能的影响

2.4 微观结构分析

为了分析发泡水泥保温板的保温性能的决定性因素，分别对未发泡及物理发泡的方法制备出的保温材料进行了电镜分析，观察了材料放大 50 倍及 1000 倍的微观结构。

图 1 中电镜图片显示，使用水泥与粉煤灰，未加发泡剂制备出的材料致密均匀，内部不存在较大的孔。此外，未发泡材料的其他物理参数也存在着质量大、导热系数高等问题，不符合作为建筑材料的国家标准。

经物理发泡剂作用，加入相应填料制的材料，在放大50倍的情况下可以清楚的发现平均孔径 0.4mm 的气孔，导致其密度大大下降；继续在高倍镜下观察，可以观测到孔内的微观结构，孔内壁明显细小的颗粒聚集而成，但结合并不紧密，因此也导致了由物理发泡方法所制备材料的低强度。

图 1 样品的 SEM 照片

3 结论

本实验通过将泡沫添加到硅酸盐水泥材料与粉煤灰中，制备出了发泡水泥保温材料。这种保温材料的隔热保温性能远高于普通的水泥材料，而且其干密度比普通的水泥材料要低的多。实验中通过改变泡沫的添加量，并测量了在不同的添加量下，样品的干密度、抗折强度、抗压强度、保温性能以及电镜分析，得出了结论，利用物理发泡法，当发泡剂用量为 2500mL/kg 时，样品经过 28 天养护后，样品的干密度为379kg/m3，抗折强度为 0.62MPa，抗压强度为 0.78MPa，满足工业生产的条件。

[1] 张水，李国忠．发泡水泥轻质保温材料的制备及性能研究[J]．墙材革新与建筑节能，2011,(5): 33-36．

[2] 谢吉星，印杰，陈俊静．地聚合材料固化处理垃圾焚烧飞灰[J]．环境工程学报，2010,4(4): 935-939．

[3] 张书政，龚克成．地聚合物[J]．材料科学与工程学报，2003,21(3): 430-436．

[4] 张巨松，杨合，曾尤．国内外混凝土发泡剂及发泡技术分析[J]．低温建筑技术，2001(4): 66-67．

[5] J. G. S. Van Jaarsveld, J. S. J. Van Deventer, G. C. Lukey. The characterisation of source materials in fly ash-based geopolymers[J]. Materials Letters, 2003，57: 1272-1280．

[6] 王玉婷，蒋友新，李玉香．发泡剂在水泥基多孔吸声混凝土中的应用[J]．混凝土，2008(4): 42-46．

[7] 王翠花，潘志华．蛋白质类发泡剂的合成及其泡沫稳定性[J]．南京工业大学学报，2006，28(4): 92-96．

［通讯地址］河北省石家庄市裕华区方兴路西京北村东（050000）

建材工业“十三五”规划编制工作启动

行业中长期规划是推进行业管理体系和管理能力现代化的重要手段。为科学编制建材工业“十三五”发展规划，工信部原材料司日前委托中国建筑材料工业规划研究院组织研究建材工业“十三五”规划前期重大问题，旨在梳理建材工业“十三五”规划思路，理清建材工业“十三五”发展方向、重点产业和领域发展趋势、路径、举措等。

中国建筑材料工业规划研究院是全国建材行业唯一一家专门从事建材产业发展战略咨询、规划咨询、工程咨询、信息咨询和管理咨询等综合性产业咨询机构，具有品牌、技术、人才、研究等综合优势。目前，该院主要从事建材行业全国、地区和企业的中长期发展规划的编制，建材工业发展战略、产业政策、生产力布局、技术经济政策和行业重大经济问题研究。

据悉，根据工业和信息化部原材料司的有关要求，中国建筑材料工业规划研究院此次将组织业内专家，面对 2020 年全面建成小康社会、全面深化改革在重要领域和关键环节取得决定性成果、转变经济发展方式取得实质性进展等重大任务，立足建材工业实际，把握建材工业发展态势，分析建材工业改革发展面临的重大问题以及新任务、新要求。

除此之外，重大问题研究还要围绕统筹建材工业传统产业改造提升、新兴产业培育壮大、生产服务业发展，聚焦绿色建材、无机非金属新材料、非金属矿深加工和节能减排、两化融合、技术创新、结构调整及安全生产等领域组织相关专家展开讨论。

此次前期工作的展开将会形成强化建材工业的全球视野和战略思维，正确处理政府和市场的关系，凝练建材工业发展的新思路、新举措，研究提出建材工业总体与重点产业、重点领域之间层次清晰、结构合理、相互衔接的研究报告，为建材工业“十三五”规划编制提供有效的支撑。

来源：中国建材报

Preparation and performance optimization of cement foam insulation board based on fly ash

Liu Hui1, Lu Yunfei2, Sun Huitao1
(1. Hebei Juncun Ready-mixed Concrete Co., Ltd., Hebei Shijiazhuang 050000; 2. Guangdong Hongyu Construction and Engineering Eesign Consultants Co., Ltd., Guangdong Dongguan 523000)

With the portland cement and fly ash as raw material, a kind of cement foam insulation board was made with a physical foaming method, which has excellent flame retardant properties and high strength. The effect of the amount of blowing agent on the dry density, flexural strength, compressive strength and thermal insulation properties was studied. The results showed that using of animal protein as the blowing agent, when the amount of foaming agent is 2500ml/kg, the dry density of the sample can be achieved 379 kg/m3, with a flexural strength 0.62MPa and a compressive strength 0.78MPa, which can meet the requirements of industrial applications.

foam cement; fly ash; mechanical strength; insulation materials; physical foaming

刘辉（1974,4—），女，工程师，河北军存预拌混凝土有限公司，试验室主任。