超轻发泡水泥保温板孔结构与性能关系研究

兰明章，代丹丹 ，陈智丰，周　健，刘成健

(1.北京工业大学材料科学与工程学院，北京　100124；2.中国中材国际工程股份有限公司中材研究院，北京　100102；3.唐山北极熊建材有限公司，滦县　063705)



超轻发泡水泥保温板孔结构与性能关系研究

兰明章1，代丹丹1，陈智丰2，周健2，刘成健3

(1.北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124；2.中国中材国际工程股份有限公司中材研究院，北京100102；3.唐山北极熊建材有限公司，滦县063705)

发泡水泥中的孔结构在很大程度上决定了材料的力学和热学性能。为了深入研究发泡水泥的孔结构与力学和热学性能的关系，本文利用图像分析法表征了发泡水泥的孔结构参数(气孔率、气孔尺寸)，测试了材料的抗压强度和导热系数。研究结果表明：气孔率、孔壁厚度、气孔尺寸对干密度、抗压强度以及导热系数均有影响。随着气孔率的增大，干密度、抗压强度和导热系数均呈现下降趋势；在相同容重下，导热系数随着平均孔径的增大而升高，抗压强度随之减小，发泡水泥的孔径每增大1 mm，则抗压强度减小25%～30%；气孔尺寸分布近遵循对数正态分布(R2=0.95)，高密度的发泡水泥的对数正态分布拟合相关系数相对较高。

发泡水泥；孔结构参数；干密度；抗压强度；导热系数

1　引　言

泡沫混凝土中的孔可分为：凝胶孔、毛细孔以及由气体引入产生的宏观孔。凝胶孔对混凝土的徐变和收缩有一定的影响，但对强度没有影响。毛细孔和其他的大孔则会降低泡沫混凝土的强度[1-4]。以上类型的孔参数分别可以通过氮气吸附法、压汞法、光学显微镜图像分析法或X-CT计算机断层扫描技术测试得到[5]。泡沫混凝土孔结构(气孔率、孔尺寸以及孔径分布)对其宏观性能起着决定性的影响。管文[6]分析了孔结构对泡沫混凝土抗压强度和吸水性能的影响，发现随着泡沫混凝土孔径的减小，抗压强度提高而吸水率增大。Kearsleya等[7]对已有的强度与孔隙率经验公式进行实验数据拟合，通过大量的实验数据分析，也发现了泡沫混凝土的强度与孔结构的关系，并拟合出了两者关系的经验公式，但是公式只涉及到孔隙率，没有涉及到尺寸分布等孔结构参数，无法对孔结构与强度内在的适用性进行有效解释。Kunhandan[8]研究了泡沫混凝土孔的尺寸分布，形状因子，孔间距对泡沫混凝土强度的影响，认为中值孔径变大引起强度变小。朱明等[9]对泡沫混凝土的孔结构与导热性能的关系进行了实验研究，指出泡沫混凝土的导热系数随着孔隙率的增大而降低，两者存在指数关系。

前述的发现都是基于对干密度600 kg/m3以上的泡沫混凝土研究所得，随着泡沫混凝土逐步向轻质化的发展，对于超低密度的泡沫混凝土(小于300 kg/m3)是否仍然遵循现有的规律，也是亟待研究探索。本文主要以化学发泡方式制得的超轻发泡水泥保温板(小于200 kg/m3)为研究对象，研究发泡水泥保温板中发气孔孔结构参数，包括气孔率、气孔尺寸以及分布对超轻发泡水泥保温板干密度、抗压强度、导热系数的影响。

2　实　验

2.1原材料

(1)普通硅酸盐水泥来自山东润成粉体有限公司生产的P·O 42.5超细型普通硅酸盐水泥，颗粒尺寸超细，中位粒径D50可细至1 μm以下，达到次纳米级，最大粒径Dmax不超过18 μm，80%以上颗粒尺寸在5 μm以下；

(2)硫铝酸盐水泥来自唐山北极熊建材有限公司生产的52.5级高强快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥；

(3)发泡剂：双氧水(浓度27%)，产自天津市天昊化工有限公司；

(4)硬脂酸钙：白色蓬松粉末，产自湖州市菱湖新望化学有限公司，其他外加剂和玄武岩纤维由唐山北极熊建材有限公司提供。

2.2实验方法

2.2.1制备流程

图1　发泡水泥制备工艺流程图Fig.1　Manufacture of foamed cement

发泡水泥制备包括料浆配制、搅拌与浇注，具体流程如图1所示。首先使用高速搅拌机对水和设定比例的干粉物料、外加剂搅拌120 s；然后在制备好的浆体中加入双氧水，继续搅拌至均匀为止，预计时间在 10 s左右；最后将发泡水泥浆体浇注到试模中，静置发泡。

2.2.2孔结构测试方法

图2　图像二值化(10×)Fig.2　Image binaryzation(10×)

本文研究的气孔是由双氧水化学发泡，在硬化发泡浆体中形成的气孔。本实验切取 50 mm、30 mm、10 mm的发泡水泥样品进行真空树脂浸渍；待树脂硬化后，对试件进行磨抛；在体式显微镜下放大10倍观察拍照，然后用Matlab对图像进行二值化处理，将照片处理成黑白照片，最后用图像处理软件(Image Pro Plus) 直接从处理过的照片上获取气孔率、孔面积等孔结构参数，再由孔面积通过换算得出孔径分布等孔结构参数。通过Matlab图像处理后的图像如图2。对于泡沫混凝土的实际孔隙率可采用公式1计算得到，采用公式计算和图像分析法得到发泡水泥的孔隙率如表1所示，通过显微图像分析法得到的孔隙率低于公式计算，由于显微镜分辨率的限制，因而孔隙尺寸小于100 μm不能准确检测或测量，图像分析法主要测得是发泡水泥中的发气孔。由于凝胶孔体积小于1%，且为水泥基材料固有的孔，对泡沫混凝土性能影响不大[8-10]，基于本实验保持发泡水泥保温版的水灰比不变，其毛细孔率也不发生变化，因此，本文主要通过图像分析法得到发泡水泥保温板的发气孔率。

(1)

式中：ε-孔隙率;ρdry-发泡水泥干密度;ρsolid-水泥浆体的固体密度(无发泡剂)。

表1　公式计算与图像分析孔隙率对比

2.2.3性能测试方法

干密度、抗压强度测试参照GB/T11968-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》；

导热系数测试参照GB/T10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》。

3　结果与讨论

3.1气孔率与力学热学性能关系

图3　气孔率与干密度拟合曲线Fig 3　Correlation between porosity and dry density

通过图像处理法，得到不同干密度超轻发泡水泥保温板的气孔率，建立超轻发泡水泥保温板气孔率与干密度并进行线性拟合，拟合公式如(2)，拟合曲线如图3所示，由图中可以看出干密度与气孔率呈现较高的线性相关关系，相关系数R2为0.9571，随着气孔含量的增加，干密度呈下降趋势，由于发泡剂掺量的增加，产生的气体量增多，大量的气泡分散在料浆中，凝结硬化后取代了浆体的位置，从而导致干密度的下降。

ρ=721.5-8.128ε

(2)

式中：ε-气孔率;ρ-干密度。

Kearsleya等[7]研究发现泡沫混凝土的抗压强度和导热系数与其孔隙率存在指数关系。本文发现发泡水泥的抗压强度和导热系数与其孔隙率也存在类似的指数关系，具体公式见(3)和(4)，拟合曲线如图4，相关系数R2分别为0.9580，0.9573。随着气孔率的增大，抗压强度和导热系数均呈现下降趋势。这是因为发泡水泥的发气孔率越高，固相所占的比例越低，能够承受抗压强度的孔壁体积所占比例越小，抗压强度越低；同时通过孔壁发生的热传导传递的热量所占比例减小，热量传递的效率越低，导热系数越小。

σ=60.17ε-0.235P

(3)

λ=0.3442ε-0.028P

(4)

式中：σ-抗压强度;λ-导热系数;ε-气孔率

图4　气孔率与抗压强度和导热系数拟合曲线Fig.4　Correlation between porosity and compressive strength or thermal conductivity

3.2孔壁厚度与力学热学性能关系

图5　样本点孔壁测量Fig.5　Sample points measurement of hole wall

对不同容重等级(100～180 kg/m3)的超轻发泡水泥保温板选取截面，每个截面选取10个样本点，通过image pro plus软件对某个样本点进行统计如图5所示，对所测量数据取均值。孔壁厚度与抗压强度以及导热系数的关系曲线如图6所示。对平均孔壁厚度与抗压强度，导热系数均采用多项式形式进行拟合，拟合公式如式5和6。相关系数R2分别为0.9866和0.9502，平均孔壁厚度与抗压强度相关系数较高。因为超轻发泡水泥保温板是靠孔间壁的支撑作用来产生强度的，是强度的主要来源，因此，孔壁厚度越大，能承受荷载越大，抗压强度越大。除此之外，孔间壁还会影响发泡水泥保温板的密度，孔间壁越厚，保温板的密度越大。同时可以得到，随着孔壁厚度的增大，导热系数随之增大，由于孔壁厚度的增大导致固体体积分数增大，由固体热传导传递的热量增多，导热系数增大。对比平均孔壁厚度与抗压强度相关系数大于平均孔壁厚度与导热系数的相关系数。

σ=0.8297-0.0575t+0.0013t2

(5)

λ=0.0353-0.0006t-3.373×10-6t2

(6)

式中：σ-抗压强度;λ-导热系数;t-平均孔壁厚度。

3.3平均孔径与力学热学性能关系

对不同容重等级(100～180 kg/m3)的超轻发泡水泥保温板，通过截面的气孔面积换算得出孔径。图7为孔径与干密度的关系曲线，干密度随着孔径的增大而减小，这是因为随着干密度的减小，没有较多的水泥浆体防止气泡的碰撞，从而导致气泡合并，气孔尺寸增大。

图6　平均孔壁厚度与抗压强度及导热系数拟合曲线Fig.6　Correlation between the average pore wall thickness and the compressive strength or thermal conductivity

图7　平均孔径与干密度关系Fig.7　Relationship between mean pore size and dry density

为研究孔径对超轻发泡水泥保温板力学和热学性能的影响，需要保持气孔率是一致的。因此保证发泡剂掺量不变，改变硬脂酸钙的掺量调控其气孔尺寸，研究气孔尺寸对抗压强度以及导热系数的关系如图8。在气孔率相同的情况下，超轻发泡水泥保温板抗压强度与气孔的尺寸有关系，气孔的孔径越小，混凝土的强度越高，发泡水泥的孔径每增大1 mm，抗压强度随之减小25%～30%。当发泡水泥保温板气孔率相同时，孔径小的抗压强度明显高于孔径大的。因此，在制备超轻发泡水泥保温板时，必须严格控制气孔的尺寸，使孔径大部分维持在1.5～2.0 mm以内，使保温板实现低密度的同时保持较高的强度。导热系数随着平均孔径的增大而升高，这是因为在气孔率相同的情况下，孔径越大，其孔数目越少，在试样中存在越少的气固界面，这样就会减少热量频繁的从固体热传导到气体热对流，增大热量传递的效率，从而导致导热系数的增大。对于发泡水泥单纯分析孔径对导热系数的影响是不合理的，应考虑气孔率的影响。在提高气孔率的同时，控制好孔径对降低泡沫混凝土导热系数有着至关重的作用。

图8　平均孔径与抗压强度以及导热系数关系Fig.8　Relationship between mean pore size and compressive strength or thermal conductivity

3.4孔径分布与力学热学性能关系

孔尺寸的频率分布如图9所示，超轻发泡水泥保温板气孔尺寸分布近遵循对数正态分布，概率密度函数如式7所示，拟合曲线的相关系数分别为0.85，0.88，0.91，0.95，干密度越高的发泡水泥的对数正态分布拟合相关系数越高，气孔分布越均匀，孔尺寸多分布在1～2 mm范围内。气孔的均匀性对发泡水泥保温板的强度影响很大。当发泡水泥保温板受压时，压应力容易向大孔集中，导致大孔破裂，随着破裂的大孔数量增多，并逐渐贯穿，形成发泡水泥保温板的裂缝。当保温板中的气孔大小较一致时，各个气孔受压力较均匀，不太容易发生应力集中现象。因此，保持气孔的孔径均匀性对提高发泡水泥保温板抗压强度有很大关系。

(7)

其中：μ-均值;σ-标准偏差。

图9　不同干密度的发泡水泥孔径分布Fig.9　Different dry density of foamed cement aperture distribution

4　结　论

(1)干密度与气孔率呈现较高的线性相关关系(R2=0.9571)，抗压强度、导热系数与气孔率呈现较高的指数相关关系(R2=0.9580，R2=0.9573)。随着气孔率的增大，干密度、抗压强度和导热系数均呈现下降趋势;

(2)超轻发泡水泥保温板孔间壁是强度的主要来源，然而孔间壁同时影响发泡水泥保温板的导热系数，孔间壁越厚，保温板的导热系数越大。因此，制备发泡水泥保温板的理想状态是孔间壁不仅具有较高的强度而且薄;

(3)对于不同容重下的超轻发泡水泥保温板，干密度越小，其平均孔径越大。在相同容重下，导热系数随着平均孔径的增大而升高，抗压强度随之减小，发泡水泥的孔径每增大1 mm，则抗压强度减小25%～30%。因此，在制备超轻发泡水泥保温板时，必须严格控制气孔的尺寸，使保温板实现低密度的同时保持较高的强度;

(4)超轻发泡水泥气孔尺寸分布近遵循对数正态分布，高密度的发泡水泥的对数正态分布拟合相关系数相对较高，气孔的均匀性对发泡水泥保温板的强度影响很大，因此，保持气孔的孔径均匀性，对提高发泡水泥保温板抗压强度有很大关系;

(5)对于超低密度的泡沫混凝土(小于300 kg/m3)，气孔率、孔壁厚度、孔径、孔径分布得到的实验规律与传统的较高干密度(大于600 kg/m3)的泡沫混凝土实验规律是一致的。

[1]Kumar R,Battacharjee B.Porosity,pore size distribution and in strength of concrete[J].Cement and Concrete Research,2003,33:155-164.

[2]黄政宇,孙庆丰,周志敏.硅酸盐-硫铝酸盐水泥超轻泡沫混凝土孔结构及性能研究[J].硅酸盐通报,2013,32(9)：1895-1899.

[3]方永浩,王锐.水泥-粉煤灰泡沫混凝土抗压强度与气孔结构的关系[J].硅酸盐学报,2010,38(4)：621-626.

[4]Middendorf B.Microstructure of high strength foam concrete[J].Mater Charact,2009,60(7):741.

[5]Kunhanandan E K,Nambiar K R.Air-void characterization of foam concrete[J].Cement Concrete Research,2007,37(2):22.

[6]管文.孔结构对泡沫混凝土性能影响的研究[J].墙材革新与建筑节能,2011,(4)：23-26.

[7]Kearsleya E P,Wainwright P J.The effect of porosity on the strength of foamed concrete[J].Cement Concrete Res.,2002,32(2):233.

[8]Kearselya E P.Properties of foamed concrete as influenced by air-void parameters[J].Concrete Beton.,2002,101:8-14.

[9]朱明,王方刚,张旭龙.泡沫混凝土孔结构与导热性能的关系研究[J].武汉理工大学学报,2013,35(35)：20-24.

[10]李相国,刘敏,马保国,等.孔结构对泡沫混凝土性能的影响与控制技术[J].材料导报,2012,26(4)：141-144.

[11]张磊蕾,王武祥,廖礼平,等.发泡水泥孔结构的影响因素研究[J].混凝土与水泥制品,2013,(9)：1-5.

[12]Narayan N,Ramamurthy K.Microstructure investigations on aerated concrete[J].Cement Concrete Res.,2000,30(3):457.

Relationship between the Pore Structure and the Properties of Ultralight Foamed Cement Insulation Board

LAN Ming-zhang1,DAI Dan-dan1,CHEN Zhi-feng2,ZHOU Jian2,LIU Cheng-jian3

(1.College of Material Science and Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2.Sinoma Research Institute,Sinoma International Engineering Co.Ltd.,Beijing 100102,China;3.Tangshan Polar Bear Building Materials Co.Ltd.,Luanxian 063705,China)

The pore structure of foamed cement is of great importance to the mechanical and thermal properties. This paper aims to explore the relationship between the pore structure and the mechanical and thermal properties of foamed cement. Image analysis was conducted to characterize the pore structure of foamed cement,and porosity and average pore size were computed to describe the pore structure. The compressive strength and thermal conductivity was also experimental determined. The results show that pore volume,pore size,pore spacing have large influence with dry density,compressive strength and thermal conductivity. For the ultra-light foamed cement insulation board with the same density,thermal conductivity increase with the increase of the mean pore size,each increase of 1 mm in average pore size results in a decrease of 25%-30% in compressive strength. Pore size distribution is nearly in lognormal distribution (R2=0.95),and the lognormal distribution fitting correlation coefficient of higher density foam cement is relatively high.

foamed cement;pore structure parameters;dry density;compressive strength;coefficient of thermal conductivity

国家科技支撑计划项目子课题(2013BAJ01B04-2)

兰明章(1964-)，男，博士，教授级高工.主要从事生态建筑材料与新型建筑材料方面的研究.

TD985;O657

A

1001-1625(2016)02-0518-07