新型高性能磷酸镁水泥泡沫混凝土的制备与研究

张文之

（潍坊科技学院，山东 潍坊 262700）

0 前言

目前，我国建筑普遍存在能耗大、效率低、围护结构的保温隔热性能差等问题，导致夏季空调用电量大、冬季采暖能耗高[1]。据统计，我国的建筑能耗约占全社会总能耗的30%，其中采暖和空调的能耗约占建筑总能耗的55%，而且随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升呈急剧上升趋势[2]。随着人们对节能环保材料的重视度越来越高，泡沫混凝土作为新型节能环保材料受到越来越多的关注。泡沫混凝土是将胶凝材料、矿物掺合料、外加剂、发泡剂和稳泡剂按一定的配合比，经一定的工艺制备而成的一种轻质多孔材料[3]，具有保温隔热性能好、隔声、吸波性能优异、抗震性能好等优点[4-5]，已被广泛应用于保温材料、现浇泡沫混凝土低层住宅、路基处理及采矿区的充填体等方面。现阶段研究泡沫混凝土所使用的水泥主要是普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥，而对其他品种水泥制备泡沫混凝土的研究还较少。磷酸镁水泥是氧化镁、磷酸盐和缓凝剂通过酸-碱反应及物理作用而凝结硬化的一种新型水泥基材料，其早期浆体呈酸性、凝结硬化快、早期强度高、耐久性好、环境适应性广，已经被应用于高速公路、机场跑道、桥面的快速修补以及放射性物质的固化等方面[6-7]。然而，很少有学者研究以磷酸镁水泥为胶凝材料制备泡沫混凝土。

本文以磷酸镁水泥为胶凝材料，碳酸氢盐为发泡剂，充分利用磷酸镁水泥浆体早期呈酸性并能够电离出H+与碳酸氢盐中的发生反应生成CO2气体的特点，制备了磷酸镁水泥泡沫混凝土，并研究了其相关性能。

1 试验

1.1 原材料

氧化镁（MgO）：煅烧温度为1700℃，密度为3.42 g/cm3，比表面积为410 m2/kg，化学组成见表1；磷酸二氢钾（KDP）：市售工业级，纯度大于99%；缓凝剂：硼砂（Na2B4O7·10H2O），纯度大于95%，市售工业级；发泡剂：碳酸氢钾（KHCO3），上海阿拉丁生化科技股份有限公司，纯度大于99.5%；稳泡剂：硬脂酸钙，分析纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；水：自来水。

1.2 制备工艺

（1）将氧化镁、磷酸二氢钾、硼砂和稳泡剂硬脂酸钙依次加入净浆搅拌锅，慢搅1 min，使粉料混合均匀，其中氧化镁与磷酸二氢钾的质量比为4∶1，硼砂掺量为氧化镁质量的12%，硬脂酸钙掺量为氧化镁质量的0.2%。

（2）将预先准备好的水加入混合均匀的粉料中，快速搅拌3 min，然后再加入发泡剂碳酸氢钾，快速搅拌15 s，得到泡沫混凝土浆体。

（3）将泡沫混凝土浆体浇注到模具中，静停发泡，20 min后即可脱模，将脱模后的试件放入养护室，养护至相应的时间后测试泡沫混凝土的相关性能。

1.3 测试方法

泡沫混凝土的干密度、抗压强度、吸水率、软化系数依据GB/T11969—2008《蒸压加气混凝土性能测试方法》进行测试；导热系数采用稳态平板法进行测试；流动度按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试；黏度采用NDJ-89型旋转黏度计进行测试；泡沫混凝土孔径分布采用Image-Pro plus 6.0图像处理软件进行统计分析。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比对泡沫混凝土体积密度及黏度的影响

图1为发泡剂掺量为磷酸镁水泥质量的1%时，水胶比对泡沫混凝土体积密度的影响。

图1 水胶比对泡沫混凝土体积密度的影响

从图1可以看出，随着水胶比的增大，泡沫混凝土的体积密度呈先减小后增大的趋势。当水胶比为0.14时，泡沫混凝土的体积密度达到最低，为502 kg/m3。为了分析产生这种现象的原因，试验过程中分别测试了不同水胶比条件下泡沫混凝土浆体的黏度及流动度，结果如图2和表2所示。

图2 水胶比对泡沫混凝土浆体黏度的影响

表2 不同水胶比的泡沫混凝土的流动度

从图2和表2可以看出，随着水胶比的增大，泡沫混凝土的黏度逐渐降低，流动度逐渐增大，当水胶比为0.14时，泡沫混凝土浆体的黏度和流动度变化率较大。结合图1、图2及表2分析水胶比对泡沫混凝土体积密度产生上述现象的原因可能是：（1）当水胶比从0.10增大到0.14时，浆体的流动度逐渐增大，黏度逐渐降低，浆体对气泡的束缚作用减小，碳酸氢钾产生气体的有效利用率增大，所以泡沫混凝土的体积密度减小；（2）当水胶比超过0.14时，浆体的黏度继续降低，并且降低的幅度较大，浆体对气泡的稳定能力下降，逐渐开始出现破泡现象。水胶比越大，浆体的稳泡能力越差，气泡破裂的数量越多，所以泡沫混凝土的体积密度逐渐增大。当水胶比为0.14时，泡沫混凝土的体积密度最低，浆体的流动度为195 mm，易于浇筑成型。所以，在制备泡沫混凝土时选择水胶比为0.14。

2.2 泡沫混凝土的体积密度、抗压强度、导热系数

图3（a）为泡沫混凝土的体积密度随发泡剂掺量的变化；图3（b）为泡沫混凝土的抗压强度随体积密度的变化；图3（c）为泡沫混凝土的导热系数随体积密度的变化。

由图3可以看出：

（1）随着发泡剂掺量的增加，泡沫混凝土的体积密度从815 kg/m3逐渐降低到295 kg/m3。

（2）随着干密度的增大，泡沫混凝土的1、3、28 d的抗压强度逐渐提高；对相同体积密度的泡沫混凝土而言，随着养护龄期的延长，泡沫混凝土的抗压强度也逐渐提高，此外，1 d的抗压强度约为28 d抗压强度的70%，这说明了磷酸镁水泥泡沫混凝土像磷酸镁水泥一样也具有早强的特性。相比于普通硅酸盐水泥泡沫混凝土[8]，同体积密度的磷酸镁水泥泡沫混凝土表现出高强的特性，其原因可能是磷酸镁水泥的强度高于普通硅酸盐酸盐水泥的强度所致。

图3 泡沫混凝土的体积密度、抗压强度及导热系数

（3）随着体积密度的增大，泡沫混凝土的导热系数逐渐增大，与文献[9]的研究结果相比较，同体积密度的磷酸镁水泥泡沫混凝土的导热系数相比于普通硅酸盐水泥泡沫混凝土的导热系数低，可能的原因是是二氧化碳气体的导热系数[0.0143 W/（m·K）]较空气[0.0242 W/（m·K）]和氧气[0.0240 W/（m·K）]的低[10]。

2.3 泡沫混凝土的孔径分布（见表3、图4）

表3 泡沫混凝土的孔径分布

图4 不同体积密度泡沫混凝土的平均孔径

由表3、图4可以看出，随着体积密度的增大，泡沫混凝土小孔所占的比例逐渐增加，大孔的比例逐渐减小，并且泡沫混凝土的平均孔径逐渐减小。

2.4 泡沫混凝土的吸水率和软化系数（见图5）

图5 不同体积密度泡沫混凝土的质量吸水率和软化系数

由图5可以看出，随着体积密度的增加，质量吸水率几乎呈直线下降，而软化系数几乎呈直线增大，产生这种现象的原因可能是随着体积密度的增大，泡沫混凝土的小孔数量逐渐增加，平均孔径逐渐减小，孔隙率和连通孔的数量逐渐减少。对于普通硅酸盐水泥泡沫混凝土来说，质量吸水率和软化系数之间的关系可以用线性函数来表示[11]。因此，为了更好地分析这种磷酸镁水泥泡沫混凝土质量吸水率和软化系数之间的关系，试验过程中对质量吸水率和软化系数进行了拟合，结果如图6所示，可以看出这种磷酸镁水泥泡沫混凝土的质量吸水率和软化系数之间也存在很好的线性相关性。

图6 泡沫混凝土软化系数与质量吸水率的拟合关系曲线

3 结论

（1）以磷酸镁水泥为胶凝材料，碳酸氢钾为发泡剂可以制备了一种新型高性能磷酸镁水泥泡沫混凝土。随着水胶比的逐渐增大，泡沫混凝土的体积密度呈先减小后增大的趋势。当水胶比为0.14时，泡沫混凝土的体积密度最低，浆体的流动度为195 mm，易于浇筑成型。所以，在制备泡沫混凝土时选择水胶比为0.14。

（2）泡沫混凝土的抗压强度随着体积密度的增大和养护龄期的延长都逐渐提高，并且表现出早强、高强的特性；此外，泡沫混凝土的导热系数随着体积密度的增大逐渐增大，导热系数与体积密度之间存在很好的相关性，并且相比于普通硅酸盐水泥，泡沫混凝土导热系数较小。

（3）随着体积密度的增大，泡沫混凝土小孔所占的比例逐渐增大，大孔比例逐渐减小，并且泡沫混凝土的平均孔径逐渐减小；泡沫混凝土的质量吸水率和软化系数随着体积密度的增大分别呈现直线下降和直线上升的趋势，并且它们之间具有很好的线性相关性。