纳米SiO2微粒对泡沫混凝土性能影响分析

肖文淇,赵洪凯

(吉林建筑科技学院,吉林 长春 130114)

民用建筑节能已成为全球能源危机背景下最迫切需要解决的难题之一[1]。保温隔热材料的应用,在降低现代民用建筑使用寿命周期能耗的同时,还能明显减少建筑围护层的热损失。

目前在一些国家,建筑能耗已超过总能耗的35%[2-3],为了降低建筑能耗,许多国家都出台了相关政策,例如使用保温材料[4-6]。绝热材料多为多孔轻质材料,一般可分为两大类[7-8],一类为有机绝热材料,另一类为无机绝热材料。由于有机保温材料具有可循环利用和节约资源的优点,在过去几十年中,有机保温材料的应用非常广泛[9]。然而,在发生的火灾中,发现有机保温材料存在火灾安全隐患[10-11]。许多国家已在建筑外保温系统中应用无机保温材料,逐步取代了耐火性能好的有机保温材料。泡沫混凝土则成为常用的无机保温材料之一,泡沫混凝土是以水泥为基础材料,经物理发泡或化学发泡制备而成,与有机保温材料相比,其保温性能较好,但由于结构不稳定,在一定程度上限制了其应用领域。

近年来,在执行各种建筑能效评级制度的基础上,大力推广高能效建筑。因此,用于改善建筑的各种绝缘体的实用方法也逐渐被国际建筑界重视。生产绝缘体所必需的材料聚苯乙烯发泡塑料具有极好的绝缘性和较轻的质量。但潜在的危险是,因为它燃烧速度快,释放的有害气体很多,暴露在火场里[12]。因此,逐渐提高了对无机绝缘体的低传热性能的要求。

作为建筑行业的保温材料,泡沫混凝土由于孔隙连接增多,在潮湿环境中,孔隙结构经常表现为连续性、高吸水性, 因而造成泡沫混凝土热传递阻力的提升。此外,泡沫混凝土的连续孔隙结构,如受冻破裂或霉菌扩散等,吸收的水分往往会引起二次损害。因为成本低,制备方便,孔隙率高,热导率低,防火性能好,所以倍受重视[13]。本文拟在泡沫混凝土中掺入不同占比的纳米SiO2,分析掺入纳米SiO2微粒后泡沫混凝土的保温性能和力学性能。

1 实 验

1.1 原材料

水泥为吉林亚泰水泥股份有限公司提供的鼎鹿牌普通硅酸盐水泥,强度为 P.O 42.5,比表面积为 800 m2/kg,符合 《硅酸盐通用水泥》(GB 175—2020)标准。发泡剂为山东制造生产的动物蛋白发泡剂,外表呈深褐色液体、气味明显。纳米SiO2(Nano-silica,NS)来源于德国瓦克制备生成,粒径处于30 nm～40 nm范围之间,表面积为110 m2/g～140 m2/g之间不等。水为实验室自制去离子水。羟丙基甲基纤维素(HPMC)、铝酸钠和聚丙烯纤维均为鼎盛孚美科技发展有限公司生产。

1.2 试验方案

1.2.1 配合比设计

泡沫混凝土中添加了一定量的HPMC、铝酸钠和聚丙烯纤维三种材料,以改变泡沫混凝土材料的性能。羟丙基甲基纤维素(HPMC)可以提高溶液的浓稠性,使得泡沫的稳定性得到提高;铝酸钠能够促进水泥的水化反应;而聚丙烯纤维能够有效抑制收缩开裂,同时可略微提高强度。试验主要应用了单因素变量法,确定纳米SiO2的掺量,以基本试样为对照组,通过纳米SiO2不同掺量的添加,研究并分析试样干密度、抗压强度、导热性能及微观结构。具体配比设计如表1所示。

表1 实验配比

1.2.2 试样制备

先将HPMC与水混合搅拌,然后将水泥、铝酸钠、聚丙烯纤维和纳米SiO2按照试验要求的比例混合搅拌均匀,然后将两者混合搅拌在一起,按照规定的搅拌时间和速率搅拌成均匀稳定的浆料,再加入发泡剂继续均匀搅拌,最后注入试模。并按照相应的性能测定标准要求进行试样的维护和处理。

2 结果与讨论

2.1 纳米SiO2对泡沫混凝土性能影响

2.1.1 干密度

通过对制备的泡沫混凝土试样进行测试,探究纳米SiO2的质量占比与泡沫混凝土干密度之间的关系。干密度随NS质量占比关系如图1所示。泡沫混凝土干密度增高是由于NS密度大于水溶液密度,随着溶液中NS掺量的增加使得泡沫混凝土密度增高。

图1 NS的质量占比对干密度的影响

2.1.2 抗压强度

泡沫混凝土在3 d、7 d、28 d龄期抗压强度的测定结果见图2。

图2 不同NS掺量的抗压强度

由图2可知,对于不同掺量的泡沫混凝土试样,随养护时间的增加,其强度也随之增加。当NS掺量为2%时,测得3 d、7 d、28 d的抗压强度分别为0.85 MPa、3.33 MPa、5.40 MPa。掺量增加至10%时,其3 d、7 d、28 d的抗压强度分别为1.19 MPa、4.18 MPa、6.47 MPa。相比NS掺量为2%增加40.9%、25.6%、19.8%。这表明,随着NS掺量的增加,抗压强度显著提高。泡沫混凝土中NS的掺量为2%,4%,6%,8%,10%时,泡沫混凝土28 d的抗压强度为5.42 MPa,5.68 MPa,5.9 MPa,6.21 MPa,6.49 MPa,较基准试样强度有明显提高,28 d基准试样强度为3.59 MPa。与此值相比,NS 掺量为2%和10%的抗压强度分别为基准试样抗压强度的1.5倍和 1.8倍。

由文献[14]可知,大部分纳米SiO2都会反映出一定程度的火山灰活性,这种属性主要是由于其自身存在的比表面积大量的水化硅酸钙(C-S-H)出现在水化产物Ca(OH)2的化学反应中,对应的方程式被表述为:

3Ca(OH)2+nH2O+2SiO2→3CaO·2SiO2·(n+3)H2O

由于纳米SiO2微粒附着在泡沫混凝土表面,NS与氢氧化钙发生化学反应,可使孔壁内部的孔隙填平,继而使孔壁强度增高,从而显著增强泡沫混凝土的力学性能,在孔壁内生成一层无片状水化物,即 C-S-H 水化物。

2.1.3 纳米SiO2对泡沫混凝土导热系数的影响

导热系数越小其保温性能越好,为了降低导热系数,通过改变纳米SiO2掺量,使得材料起到较好的保温效果。

由图3可知,当添加不同掺量的NS时,导热系数随掺量的增加而减小,保温性能逐渐变好。在NS掺量为2%和10%的情况下,泡沫混凝土的导热系数分别为0.118 W/(m·K)和0.088 W/(m·K),与之相比降低了 25.8%。随着NS掺量的增加,其绝热性能显著提升。

图3 不同NS掺量的泡沫混凝土的导热系数

由于气泡尺寸分布变窄,泌水通道逐渐变成结点,同时结点和通道处聚集了大量的纳米SiO2聚合体,导致泌水通道被堵塞,水分吸收量减少,通道表面被完全包住,从而更好地分离气泡,导致泌水通道的连通程度降低。影响热传导因素主要有三点:气泡孔大小、气孔构造、气泡孔稳固性。

2.2 纳米SiO2对泡沫混凝土微观结构分析

试样SEM扫描电镜图片如图4所示。图4(a)为试样Ref的SEM图,由于没有掺加纳米NS颗粒,可以在孔壁的内壁上清晰看见大量的氢氧化钙存在。图4(b)为试样NS5的SEM图,在此试样中掺入了10%的纳米NS颗粒,可见其内部不产生氢氧化钙,而是产生水化产物,即水化硅酸钙(C-S-H),将试样孔壁中的孔隙通过C-S-H填充,使孔壁强度升高,同样试样的抗压强度也相对增强。

图4 NS泡沫混凝土孔壁形貌图

2.3 纳米SiO2对泡沫混凝土孔径结构影响及其分布测定

借助电子显微镜观察不同NS掺量泡沫混凝土微观结构见图5。

(a) NS1 (b) NS2 (c) NS3 (d) NS4 (e) NS5图5 不同NS掺量的泡沫混凝土的扫描电子显微镜(上)及对应的二值化图像(下)

由图5可知,基准试样的泡沫混凝土内部孔径较大,且孔径分布不均,存在孔洞相连的现象,随着NS掺量增加泡沫混凝土大孔隙相对含量不断降低,小孔隙显著增加,孔隙连通得到明显改善,孔径分布趋于均匀。且不存在连通孔的现象。

不同NS掺量孔径分布情况参考图6。由图6(a)发现基准试样的孔径分布范围较宽,孔径大小相对不均匀,在1 000 μm～2 000 μm的范围内,仍有许多泡孔存在,且孔径尺寸越大,对泡沫混凝土吸水率的影响越大,导热性能的影响也就越大,但随着NS掺量的逐渐增加。发现NS1、NS2、NS3、NS4、NS5试样的孔径分布范围逐渐变窄,并且在小孔径范围内分布较多,孔径大小分布相对均匀。与基准试样相比,图6(d)试样NS3的孔径尺寸在200 μm～600 μm范围分布较多,但在1 000 μm～2 000 μm范围也存在少量的泡孔。当NS掺量为5%时,试样NS5的孔径尺寸在200 μm～400 μm范围的较多,而1 000 μm～2 000 μm范围的大孔径的泡孔几乎没有,如图6(f)所示。这说明,随着 NS 掺量的增加,孔径尺寸细化,分布更加均匀,主要是由于纳米NS在气泡表面排布,阻碍了气泡的运动,使生成的气泡内部完整存在,因此,NS的掺量增加,孔径尺寸也就更加均匀。

图6 不同NS掺量的泡沫混凝土的孔径分布图

2.4 三相泡沫稳定机理分析

Jones M R[15]在其开展的相关研究中表示,对于大多数泡沫混凝土来说,其呈现不稳定状态的主要因素其实是泡沫受到的浮力,造成泡沫不易控制,容易脱离浆料,从而使气相固相完全分离,泡沫混凝土浆体塌陷,如图7所示。

图7 超低密度泡沫混凝土塌陷示意图

泡沫与水泥浆料混合后,气泡会出现一定的分离现象,不同类型的力作用于气泡表面,由于表面活性剂的作用,在一定程度上影响了泡沫的表面张力,同时也影响了气泡浮力,从而产生了相应的变化。气泡受力图如图8所示,图8(a)显示了浆料中普通泡沫所施加的力,气泡在每个力的作用下逐渐趋于平衡。在具体的反应过程中,气泡受到浮力的影响不断呈现上升的趋势,上升导致极限力(Fc)减小,气泡的体积不断增大,与空气接触后,受到表面张力的变化产生聚结,再次长大,一旦与表面接触就会发生破裂,出现坍塌。

图8 普通气泡受力图和掺加NS受力图

图8(b)主要表述为HPMC和NS在泥浆中施加的力的示意图。HPMC在掺入水泥基浆料中时,由于NS颗粒可自由吸附在气泡表面,受时间影响,表面张力呈下降趋势,因此可实现液膜强度的显著提高,再加上气泡逐渐被纳米颗粒表面包裹,使得水泥浆和气泡之间的表面积不断增大,导致移动摩擦阻力不断增大,进而在浆体内泡孔能够稳定存在,随着引入纳米NS的掺量增加,摩擦阻力相对变大,气泡也越难移动。由此可见,基于多孔材料完成水泥的制备,能够有效实现气泡尺寸的细化,实现强度的提升。

泡沫混凝土为气泡和水泥浆料组成的两相系。当混凝土凝结时,体系开始收缩,而水泥浆料却开始膨胀。当气泡与水泥浆料混合后,气泡表面张力稳定着材料体系,使其不会被破坏。但如果时间过长,表面张力就会逐渐降低,如果泥浆强度没有达到气泡稳定性的下限,气泡就会破裂,导致泡沫混凝土无法达到预期的性能指标。在本试验中,我们采用了纳米颗粒和稳定剂,有效地改善了表面张力,当泥浆强度刚好达到气泡稳定性的下限时,泡沫并未破裂,从而使泡沫混凝土的性能指标得到了预期的效果。这就是通过运用三相泡沫的实验方法,有效地改善泡沫混凝土性能的原理。

3 结 论

本试验主要完成了纳米 NS 颗粒对泡沫混凝土的性能影响和分析,从干密度、吸水率、抗压强度、微观孔隙结构、导热系数共 5 个因素进行研究,并以此为基础,对泡沫混凝土自身的稳定性增强原理进行了分析,总结如下:

(1) 基准试样泡沫混凝土的干密度为411.07 kg/m3,随着纳米NS掺入量的增加,其干密度也变大,当纳米NS颗粒质量掺量为10%时,比基准试样的干密度增加7.2%,这主要是因为纳米NS的密度大于水溶液。因此使得泡沫混凝土的干密度有所增加。

(2) 掺入10%纳米SiO2泡沫混凝土的抗压强度比基准试样高80.6%。由于NS吸附在气泡表面,与水化产物氢氧化钙实现化学反应,在孔壁上形成了C-S-H凝胶,使孔壁致密均匀,同时泡沫混凝土的孔径也因NS的引入而变得更加细密、分布更加均匀。

(3) 泡沫混凝土干密度的大小与保温隔热性能有直接的关系。纳米NS颗粒质量掺量为10%时,其导热系数分别为0.088 W/(m·K)。随着纳米NS掺量越来越大,吸水性和导热性也逐渐变小。由此可见,在不同的节点区域中通常会出现一定量的纳米SiO2团聚体,导致水分的吸收量变少,泡孔表面被包裹趋于稳定状态。因此吸水率降低的同时其保温性能也相应得到改善。

(4) 通过扫描电子显微镜观察泡沫混凝土的孔体结构可以看出,利用纳米NS可以提高泡沫混凝土的稳定性和力学性能,随着时间的延长,气泡的表面张力逐渐降低,浆体与气泡的比表面积增大的同时,其摩擦阻力也随之增大,从而使气泡在水泥浆料中稳定地排列。孔结构也相应得到改善,从而力学性能增强。

(5) NS的引入之所以增强了泡沫混凝土的稳定性,是因为NS颗粒在气泡表面吸附了自由能量,此时受时间影响,表面张力呈下降趋势,使得水泥浆与气泡的比表面积不断增大,移动摩擦阻力也随之增大,进而在浆体内部稳定了大量的泡孔,有效的实现了泡孔尺寸的细化,因此,NS颗粒在气泡表面的稳定性也有相对提高。