白泥纤维对发泡水泥性能影响的研究

苏秀霞， 曹鹏妮， 郑小鹏

(1.陕西科技大学 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室， 陕西 西安 710021； 2.上海洁联环保科技有限公司，上海 201721)

0 引言

发泡水泥是以水泥为胶凝材料，通过添加适当的外加剂(发泡剂除外)，加水混合，搅拌成均匀的浆体，然后，在浆体中，加入化学发泡剂产生气泡，经过硬化成型，养护而制成的一种含有大量封闭气孔的轻质多孔材料[1,2].它因具有防火性能等级高，环保、耐老化、成本低等优点[3]，而受到了人们的关注，是目前市场上较为理想的新型墙体保温材料，可是，与传统的有机保温材料相比，其导热系数高、干密度大[4]，严重阻碍了其在市场上的推广使用，因此，本论文通过添加白泥纤维的方法，来改善发泡水泥的性能，以此来降低其导热系数，提高力学性能和降低干密度[5].白泥纤维疏水性很强，易结团、絮聚[6]，因此使用白泥纤维时，必须对其进行均匀的分散，方能体现其在发泡水泥试样中的功能.本实验以羧甲基纤维素钠(CMC)为分散剂对白泥纤维进行分散[7]，通过浊度法[8]分别选择出不同掺量纤维的最佳分散剂浓度，然后将不同掺量的白泥纤维加入料浆中，制备出白泥纤维发泡水泥外墙外保温材料，研究测试试样的力学性能，并对发泡水泥试样断面的泡孔结构进行观察和分析.

1 实验部分

1.1 原料及仪器

(1)原料：白泥纤维，上海洁联环保科技有限公司提供；42.5复合硅酸盐水泥，陕西某水泥厂提供；分散剂：羧甲基纤维素钠，实验纯；化学发泡剂：H2O2(30%)；催化剂：MnO2，化学纯；稳泡剂：硬脂酸钙，化学纯.

(2)仪器：JB90-D型强力电动搅拌机，上海标本模型厂制造；PT-1036PC型万能材料实验机，台湾宝大国际仪器有限公司；电子天平；模具.

1.2 实验方法

1.2.1 白泥纤维的分散

首先，在100 mL自来水中加入不同质量的散剂，配置不同质量分数的分散剂溶液，然后，将相同量的白泥纤维依次加入分散剂溶液中，添加方式以少量多次为宜，搅拌使其分散均匀，制备出一系列分散质的量相同，而分散剂浓度不同的分散体系.

1.2.2 白泥纤维增强发泡水泥的试样制备

发泡水泥试样包括空白发泡水泥A0；添加最佳量的分散剂，使白泥纤维均匀的分散在分散剂溶液中，制备白泥纤维增强发泡水泥试样A1～A7；未添加分散剂对白泥纤维进行分散的白泥纤维增强发泡水泥A8.三种配比如表1所示，其中：白泥纤维、发泡剂、稳泡剂、催化剂的掺量均为与水泥的质量比，试样的制备方法：(1)空白发泡水泥，先将水泥、稳泡剂、催化剂混合均匀，加入盛有一定量水的搅拌桶中，运用搅拌器快速搅拌均匀，再加入化学发泡剂搅拌30 s，然后将料浆注入10 cm×10 cm×10 cm模具中，静停发泡，硬化成型，脱模，在室温下养护，最终得产品；(2)添加分散剂的白泥纤维增强发泡水泥，在最佳量的分散剂溶液中，加入白泥纤维，搅拌使其分散均匀，然后向其中加入已混合均匀的固体料(水泥、稳泡剂、催化剂)，重复上述操作，制备出添加分散剂的白泥纤维增强发泡水泥试样；(3)未添加分散剂的白泥纤维增强发泡水泥，首先，将白泥纤维加入水中，搅拌使其尽量分散开，然后向其中加入混合均匀的固体料，重复上述操作，制备出未添加分散剂的白泥纤维增强发泡水泥试样.

表1 白泥纤维增强发泡水泥试样配比(与水泥的质量比)

1.2.3 分散剂浓度的优化

以沉降法来表征白泥纤维在分散剂溶液中的分散性，不同的分散体系其分散质沉降的速度不同，分别观察记录B1～B7七组不同质量比的白泥纤维在0.00%、0.70%、0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%、1.50%的分散剂浓度下沉降的时间，即当纤维均匀的分散在分散剂溶液中开始计时，分散体系开始出现分层状态停止计时，该段时间记为纤维沉降的时间[9]，纤维掺量沉降时间越长，表明白泥纤维分散的更为均匀[10].

1.2.4 力学性能的测试

将按A0～A8配比制备的试样，养护28 d后，用锯条切去上表面的面包头，使试样上下面相互平行，呈长方体形，参照GB/T17671-1999，在万能材料实验机上测定试样的抗压和抗折强度.

1.2.5 泡孔结构分析

对空白试样和添加最佳量分散剂的白泥纤维增强发泡水泥试样以及未添加分散剂的白泥纤维增强发泡水泥试样断面的泡孔结构进行观察和分析.

2 结果与讨论

2.1 分散剂浓度对白泥纤维分散的影响

观察记录每个分散体系分散质白泥纤维的沉降时间，结果如表2所示.

表2 分散剂浓度对白泥纤维分散的影响

分析上述实验结果可发现：(1)当白泥纤维掺量为0.71%、1.43%、2.14%、2.86%、3.57%、4.29%、5.00%时，随着分散剂浓度的增加，白泥纤维在分散体系沉降的时间先增长后缩短，而将白泥纤维加入无分散剂的水中时，产生絮状，即分散效果很差.(2)对不同掺量的白泥纤维，沉降的时间最长、分散效果好的分散剂浓度为：0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%.CMC分散剂结构图如下：

CMC结构中含有亲水基团羟基、羧基和憎水基团烃基，其中，分子中的亲水基团与水中的羟基形成氢键，使得分散剂溶液的表面张力急剧下降，故增加了白泥纤维的亲水性和润湿性，提高了分散性，形成了类胶体分散体系[11]，同时，在纤维表面的非极性物质极易吸附分散剂中的非极性基团，降低了白泥纤维和水溶液之间的表面张力，进一步提高了纤维在水溶液中的自由分散能力.但若CMC浓度过大,溶液的黏度变大, 影响了分散体系的流动性,反而阻碍了白泥纤维的分散[12].

2.2 白泥纤维对发泡水泥力学性能的影响

对试样A0～A8分别进行抗压和抗折强度的测试，其测试结果如图1所示.

(a)纤维掺量对发泡水泥试样抗压强度的影响

(b)纤维掺量对发泡水泥试样抗折强度的影响图1 纤维掺量对发泡水泥试样抗压、抗折强度的影响

观察图1，可见：(1)与空白试样相比，不同掺量的白泥纤维发泡水泥试样其抗压和抗折强度均有不同程度的提高；(2)当白泥纤维掺量4.29%时，随着白泥纤维掺量增加，试样的抗压和抗折强度逐渐增大，而当白泥纤维掺量>4.29%时，随着白泥纤维掺量的增加，试样的抗压和抗折强度总体上均呈现下降趋势，因此，当白泥纤维掺量为4.29%时，试样的抗压和抗折强度最佳；(3)序号A7试样，白泥纤维掺量为4.29%，抗压强度和抗折强度分别为0.81 MPa、0.34 MPa.

发泡水泥试样的抗压强度和抗折强度主要取决于两个条件：(1)制备试样所选取的水泥种类、试样干密度以及试样水灰比；(2)试样断面的泡孔结构.很显然，序号A0～A8试样的第1个条件都相同，故条件2是影响试样抗压强度和抗折强度的主要因素，由力学知识可知，试样断面的孔越接近球形，大小越均匀，其尺寸也就越小，试样受力时，应力的分布就越均匀[13]，白泥纤维的掺入，使试样断面泡孔结构变得更加均匀，更加细小，因此，提高了试样的抗压和抗折强度[14]，同时，利用纤维之间的相互交织作用提高产品的抗裂性与耐久性，增加了试样的强度；然而当试样中白泥纤维的掺量>4.29%时，在水泥料浆中，纤维絮凝，结团，导致试样的抗压和抗折强度降低[15].

2.3 白泥纤维对发泡水泥泡孔结构的影响

图2为空白发泡水泥试样和添加分散剂浓度1.30%、4.29%白泥纤维的发泡水泥及未添加分散剂、4.29%白泥纤维的发泡水泥断面泡孔结构图：

(a)空白试样

(b)1.30%分散剂、4.29%纤维试样

(c)无分散剂、4.29%纤维试样图2 白泥纤维对发泡水泥的泡孔结构

观察图2，由图可见：(1)空白发泡水泥试样断面泡孔的孔径大小居于图2(b)和图2(c)之间；(2)试样泡孔的形状分别为：(a)球形，(b)球形，(c)椭圆形；(3)试样泡孔的分布情况：(a)较均匀，(b)均匀，(c)不均匀.分散剂被包覆在白泥纤维表面，而分散剂本身含有亲水基团，使得纤维表面亲水性增大，与水泥料浆之间的润湿性增大，化学键合力也得到进一步增强[16]，因此，图2(b)孔径小、泡孔的形状为球形，泡孔分布的更加均匀.

3 结论

(1)白泥纤维分散的是否均匀极大地影响着发泡水泥的性能，对于白泥纤维掺量为0.71%、1.43%、2.14%、2.86%、3.57%、4.29%、5.00%，沉降时间长、对白泥纤维分散效果好的分散剂浓度为0.80%、0.90%、1.00%、1.10%、1.20%、1.30%、1.40%.

(2)白泥纤维能够显著地增加发泡水泥的力学性能，当添加分散剂浓度为1.30%、白泥纤维掺量为4.29%时，发泡水泥试样的抗压和抗折强度分别达到最大值，即为：0.81 MPa和0.34 MPa.

(3)均匀分散的白泥纤维能够明显改善发泡水泥断面的泡孔结构，与空白试样以及未添加分散剂、4.29%白泥纤维的发泡水泥相比，添加分散剂浓度1.30%，白泥纤维4.29%的发泡水泥断面的泡孔结构得到了很大地改善，其孔径小，形状为球形且分布均匀.

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