发泡水泥料浆的流变特性研究

戴永刚,马梦兰,张国涛

(广东金意陶陶瓷集团有限公司，广东 佛山 528031)

发泡水泥保温板作为一种轻质、绝热、隔音、不燃的绿色节能建筑材料，非常适用于外墙保温及防火隔离带， 也适用于制作轻质隔墙板夹芯芯材，在全国范围内得到了广泛的应用和批量化、规模化生产[1-2]。

发泡水泥料浆的稳定性决定了产品的质量，而流变性能可以反映料浆的稳定性。本文对发泡水泥浆体的流变性能进行研究，分别探究泡沫、水泥浆体、发泡水泥浆体的流变特性，利用高级流变仪进行同轴旋转剪切、振幅振荡模式测试表征，获得发泡水泥料浆的结构参数。通过对发泡水泥料浆流变性能的研究，为研制高质量的发泡水泥制品提供理论指导。

1 试验原料与方法

试验用水泥为黄石某水泥厂生产的P·O 42.5级水泥，并选用FS20减水剂、HT复合发泡剂(工业级，液体)。

取一定量的水泥，配制不同水灰比的水泥浆体。根据水泥粉体的质量，加入0.2 wt%的减水剂FS20，与水泥粉体一起置于烧杯中，加水充分搅拌，即制得水泥浆体[3-4]。

利用奥地利安东帕公司生产的MCR301型流变仪测试水泥浆体的流变性能。测试时选用同轴圆筒夹具，型号为CC17的转子。流变仪使用2个同心圆筒的环隙做物质函数的测定，转子除了能对水泥料浆进行旋转剪切(稳态剪切)，测定悬浮液的表观黏度、剪切应力，还能以一定的频率作振幅振荡来测量圆筒中悬浮液的非稳态响应，对水泥料浆进行振幅振荡剪切(动态剪切)，测得悬浮液的模量、剪切应力、应变等参数。

2 试验结果与讨论

2.1 泡沫的流变特性

振幅扫描确定的线性粘弹区是其他流变曲线的基础，线性粘弹区之外研究体的结构已破坏，失去研究的意义[5-6]。以HT发泡剂∶水=1∶30配制的泡沫的振幅扫描曲线如图1所示。由图1可知，HT发泡剂的线性粘弹区(LVE)范围为0～8%，此范围内剪切应力呈线性变化。在此之后，储能模量(G′)开始下降，逐渐与损耗模量(G′′)靠近相交，表示泡沫结构破坏，在交点后表现为流动性，剪切应力也不再线性变化。

图1 以HT发泡剂∶水=1∶30配制的泡沫的振幅扫描

试验观察到，长时间放置的泡沫并不稳定，泡沫会变少变大。静置时间对泡沫结构的影响如图2所示。由图2可知，对于刚配置的泡沫，G′下降快，是由于泡沫中不稳定的部分迅速被破坏。随着静置时间延长，泡沫整体趋于稳定，G′随着应变增加缓慢减少[7]。但是再随着时间的推移，根据表面与界面化学理论，由于弯曲液面附加压力的作用，小泡内的气体压力总是高于大泡，因而气体自高压的小泡透过液膜，扩散到低压的大泡中去，使小泡变小直至消失，大泡变大，最终导致气泡破裂，成为流体[8]。

图2 静置时间对泡沫结构的影响

不同发泡剂和水质量比的泡沫的稳定性曲线如图3所示。由图3可知，在一定的范围内，加水量对外加发泡剂HT发泡剂的流变性影响不大，因而试验过程中可忽略加水量的影响。

图3 不同发泡剂和水质量比的泡沫的稳定性曲线

综上所述，对于外加发泡剂法，试验过程中制备泡沫时宜选取发泡剂和水质量比为1∶30，泡沫静置时间为10 min左右，振幅为0.003%。

2.2 水泥料浆的流变特性

水泥料浆(水灰比为1∶2)的振幅扫描曲线如图4所示。由图4可知，水泥料浆的线性粘弹区(LVE)为0.015%。试验过程中设定振幅为0.003%。

图4 水泥料浆的振幅扫描曲线

不同水灰比及减水剂对水泥料浆储能模量的影响曲线如图5所示。由图5可知，在具有流动性的前提下，水灰比为1∶3的储能模量G′大于水灰比为1∶2的储能模量G′。水灰比为1∶3的料浆加入减水剂后，水泥料浆的储能模量G′降低，其大小与1∶2接近，说明加入减水剂降低了水泥料浆的强度，减小了料浆的胶凝速度。这主要是由于减水剂的加入提高了浆体的分散性，颗粒团聚固定的水被释放出来，体系中自由水的含量增高[9-10]，相当于间接地降低了水灰比。在相同施工流动性能的前提下，加入减水剂能够减少水泥浆体的加水量，使得水灰比提高，水泥浆体强度得到提高。

图5 不同水灰比及减水剂对水泥料浆储能模量的影响曲线

2.3 发泡水泥料浆的流变特性

探究水泥料浆加入0.2%发泡剂后的流变特性，即在水泥结合氧化铝料浆中加入发泡剂。泡沫水泥料浆的振幅扫描曲线如图6所示。从图6中对比分析可知，加入发泡剂后泡沫水泥料浆的模量值下降，线性粘弹区变窄，由0.03%降到0.01%，稳定性有所降低。这是因为加入发泡剂发泡改变了料浆的网络结构，变为料浆包裹泡沫[11]。此时由于泡沫本身的不稳定以及料浆颗粒与泡沫接触，产生应力集中，导致泡沫破坏，从而使泡沫料浆的整体稳定性降低。

图6 泡沫水泥料浆的振幅扫描曲线

水泥料浆加入发泡剂后，需要快速搅拌形成泡沫料浆。不同的搅拌速率对泡沫的发泡率的影响不同，因而泡沫料浆有不同的流变行为。在水泥料浆中加入0.2%发泡剂后，其在不同剪切速率下的储能模量如图7所示。从图7中可知，搅拌速度越快，泡沫浆体的储能模量G′越大，泡沫料浆的线性粘弹区(LVE)越大。其主要原因为，在高速搅拌下，发泡剂发泡效果越好，泡沫浆体的稳定性越好。

图7 泡沫料浆在不同剪切速率下的储能模量

3 结论

1)泡沫的线性粘弹区为0～8%，在线性粘弾区范围内满足胡克定律，发生弹性形变。静置一段时间后其储能模量变大。

2)水泥的水灰比越高，初始强度产生越快，且强度越高。水灰比低的水泥料浆具有较好的流变行为，水灰比高的料浆加入减水剂后，能显著提高其流动性能。

3)泡沫加入料浆后，泡沫浆体的稳定性显著降低，线性粘弹区变窄，由0.03%降到0.01%。随着剪切速率的增大，泡沫料浆的模量值变大。