轻质隔热材料泡沫胶凝料浆的流变性能

钟雨青，岳帅洲，胡小龙，余鹏伟，张银凤

(湖北理工学院 环境科学与工程学院，湖北 黄石 435003)

0 引言

采用泡沫法制备轻质保温材料，工艺简单、成本较低，适用于工业化生产[1]。通过泡沫法可以制备出闭气孔率较高、孔径小、孔形状规则的微孔隔热材料，且形状多变可控，其孔结构最终由料浆中泡沫的大小和数量决定[2]。因此，发泡剂的选择极为重要。

发泡剂实质上是一种表面活性物质。泡沫是空气在液相中的分散体系，以空气为分散相，以液体为气泡分离的分散介质[3]。在以泡沫法制备轻质隔热材料时，将泡沫混入料浆中，形成气-液-固三相体系，同时由于泡沫受到水和物料颗粒的相互作用，其稳定存在的时间较短[4]。这就需要引入胶凝材料，使泡沫在短时间固定，并经养护、干燥后形成多孔的生坯。在从料浆到生坯的转变过程中，泡沫胶凝料浆的流变特性是制备轻质隔热材料的关键，直接决定了成型性能(如强度、气孔率、体积密度等)，最终决定了材料的使用性能。当前，关于发泡法制备轻质隔热材料的研究主要集中在对发泡剂种类的选择上，并没有系统研究发泡工艺参数的变化对隔热材料流变性的影响[5-7]。因此，本文采用发泡法制备轻质隔热材料，通过高级流变仪对泡沫胶凝料浆流变性能进行系统的表征，探索泡沫、胶凝材料和固体颗粒对泡沫胶凝料浆流变性能的影响，获得提高泡沫胶凝料浆稳定性的有效途径。

1 实验与方法

1.1 实验原料

实验用氧化铝为板状刚玉，粒径小于0.2 mm，为球状粉末。铝酸钙水泥(CAC)，铝镁酸钙水泥(CMA)，减水剂FS20，PT-10、HTQ-1系列复合发泡剂，NG-10发泡剂均从市场购置。

1.2 实验与测试方法

通过MCR301型流变仪测量料浆的流变学特性，采用平板法测试泡沫的流变性，采用圆筒法测试料浆的流变性。

2 结果与讨论

2.1 水泥料浆的流变特性

CMA水泥料浆的流变曲线如图1所示。由图1可知，其表现为典型的剪切变稀特性，粘度随着剪切速率的增加而降低。通过对不同水灰比CMA水泥料浆的粘度曲线分析，水灰比越大，粘度曲线整体下移，即在相同剪切速率下，水灰比越大，粘度越小。

图1 CMA水泥料浆的流变曲线

在未受到剪切力作用时，CMA水泥料浆由于水泥的水化作用，将料浆颗粒连接起来，形成三维网络结构。在剪切应力的作用下，悬浮液的三维网络结构被破坏，颗粒受到的束缚减小，颗粒和水一起自由流动，宏观上表现为粘度降低，且随着剪切速率的进一步增大，粘度降低更加剧烈。但当剪切速率增加到一定程度后，粘度变化较为缓慢，此时悬浮液接近牛顿流体的特性。

不同水灰比及减水剂对CMA水泥料浆弹性模量G′的影响曲线如图2所示。由图2可知，在具有流动性的前提下，水灰比为1∶3的CMA水泥料浆的弹性模量大于水灰比为1∶2的弹性模量；减水剂对CMA水泥料浆的弹性模量G′的影响不大，即CMA水泥的水灰比越大，初始强度产生越快。水灰比小的CMA水泥料浆具有较好的流变行为，水灰比大的CMA水泥料浆加入减水剂后，其流动性能显著提高。因此，加入减水剂后，CMA水泥料浆的弹性模量产生速率变化不大，但能产生较高的模量值，改善其施工性能。

图2 不同水灰比及减水剂对CMA水泥料浆弹性模量G′的影响曲线

对于单纯的泡沫而言，产品的性能决定了发泡剂的发泡倍数范围。因此，在这个范围内，水的加入量对于泡沫的流变性没有明显的影响。通过实验观察可知，泡沫静置许久后会破灭。而通过流变仪的测定可知，在泡沫制备的初期，静置稍许时间后(10 min左右)，极不稳定的泡沫会迅速破灭而趋于稳定；根据表面与界面学原理，当静置时间过久，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，造成小泡变小直至消失，大泡变大，最终导致气泡破裂，成为流体。

内加发泡剂搅拌生泡，不同的搅拌速率对泡沫的生成及流变性有一定的影响。在铝酸钙水泥中加入0.2%的发泡剂后，其在不同剪切速率下的模量-应变曲线如图3所示。由图3可知，在一定的剪切速率范围内，相同应变对应的剪切速率越大，初始储存模量值越高，料浆越稳定。

图3 CAC水泥泡沫料浆在不同剪切速率下的模量-应变曲线

2.2 氧化铝粉末料浆的稳定性

在纯氧化铝粉末中加入20 wt%的水，在室温下搅拌制得氧化铝粉末料浆，其振幅扫描曲线如图4所示。由图4可以看出，G′和G"的重合度较高，线型很接近，且没有一定的变化规律，说明料浆的稳定性差。通过观察发现，搅拌后的料浆在极短的时间内就出现明显的沉降，且实验现象与曲线所表现的规律一致，即在无任何外加剂的情况下，氧化铝粉末料浆极不稳定，极易沉降。

图4 氧化铝粉末料浆的振幅扫描曲线

进一步探究外加剂对料浆稳定性的影响。在固相含量为80 %的氧化铝粉末中加入8.33 wt%的CMC水泥，搅拌制得混合料浆；在氧化铝粉末中加入20 wt%的水和0.2 wt%的增稠剂，搅拌制得料浆。将2组样品与纯氧化铝料浆进行实验对比。含不同外加剂的氧化铝粉末料浆的振幅扫描曲线如图5所示。由图5可知，CMC水泥或增稠剂的加入改变了料浆的凝聚状态，减少了颗粒自由活动的空间，使颗粒间产生粘结，粘度增加，沉降作用明显下降，使料浆的稳定性增加。另一方面，CMC水泥粘结剂的效果比增稠剂的效果明显很多。

图5 含不同外加剂的氧化铝粉末料浆的振幅扫描曲线

2.3 水泥结合氧化铝料浆的流变行为

探究剪切速率对不同固相含量氧化铝料浆(16.67%，18.37%，20%)粘度的影响。不同固相含量的氧化铝料浆的粘度-剪切速率曲线如图6所示。由图6可知，在低剪切速率(≤100 s-1)下，随着剪切速率的增加，氧化铝料浆的粘度下降；在高剪切速率(>100 s-1)下，固相含量越高的氧化铝料浆的粘度值越大，流动性越差。

图6 不同固相含量的氧化铝料浆的粘度-剪切速率曲线

2.4 泡沫水泥料浆的流变特性

不同搅拌速率对泡沫料浆的发泡程度的影响不同，使泡沫料浆呈现不同的流变行为。在固相含量为80%的氧化铝-水泥料浆内加入0.2 wt%的NG-10发泡剂，其在不同剪切速率下的模量-应变曲线如图7所示。由图7可知，在一定范围内经高速搅拌后的泡沫料浆的储存模量更大；在较小的应变范围内，高剪切速率下的储存模量更平稳；随着应变增加，剪切速率越高，模量下降越缓慢。这表明，在一定范围内，剪切速率越高，储存模量越大，泡沫水泥料浆的稳定性越好。

图7 泡沫水泥料浆在不同剪切速率下的模量-应变曲线

3 结论

纯氧化铝料浆由于其颗粒度大，颗粒间粘结力小，在重力场的作用下极易沉降，稳定性很差。外加添加剂、增稠剂改变了颗粒间的力场和凝结状态，使颗粒间产生粘结而形成三维网络结构，粘度增加，使沉降作用明显减弱。水泥对氧化铝料浆的作用比PT-10增稠剂作用明显得多，通过对其不同固相含量的料浆的流变性探究可知，在一定范围内固相含量越高，粘度越大，线性粘弹区越窄，流动性越差。在一定的范围内剪切速率越大，发泡效果越好，料浆的稳定性越高。