孔结构分布与水泥基发泡保温材料导热性的关系

　　1引言

　　近年来，在全球节能减排大趋势的推动下，建筑节能、发展绿色建筑和循环经济政策已经受到国内外研究学者的广泛关注，发展绿色、环保、节能的建筑材料已势在必行[1].随着建筑防火力度的加大，无机类轻质保温材料在建筑节能领域越来越受青睐[2].水泥基发泡保温材料由于其良好的保温隔热性能、低密度和优异的防火性能在建筑节能市场发挥着重要作用。水泥基发泡保温材料作为一种内部含有大量气孔的多孔保温材料，其孔结构及其分布对材料的宏观性能起着关键性的作用。孔结构主要包含孔隙率、孔径尺寸、孔径均匀性、气孔形状和孔洞之间的连通情况等[3].试验以普通硅酸盐水泥（P·O42.5）为主要胶凝原料，发泡剂采用植物改性泡沫剂，以膨胀珍珠岩和聚苯颗粒作为轻质保温骨料，同时掺加适量玻璃纤维，运用物理发泡工艺制备了水泥基轻质发泡保温材料，通过电子扫描显微镜分别研究了水灰比、玻璃纤维和轻骨料（膨胀珍珠岩和聚苯颗粒）的加入量对水泥基发泡保温材料试样内部孔结构及其分布的影响，同时探讨了孔结构及其分布与水泥基发泡保温材料的导热系数之间的相互关系。

　　2试验

　　2.1原材料

　　（1）普通硅酸盐水泥（P·O42.5）。选用某大型水泥厂生产的普通硅酸盐水泥（P·O42.5）。

　　（2）发泡剂。采用烟台某建筑节能科技有限公司生产的植物改性泡沫剂（PM-Z50G）。

　　（3）玻璃纤维。采用一种A级无碱玻璃纤维短切丝，长度6mm.

　　（4）轻骨料。采用市售的膨胀珍珠岩和聚苯颗粒，其中膨胀珍珠岩的堆积密度85kg/m3,粒度0.5~1.5mm;聚苯颗粒的堆积密度30kg/m3,粒度0.5~1.0mm.

　　2.2水泥基发泡保温材料的制备方法

　　水泥基发泡保温材料的制备选用一种将供液、上料、发泡、搅拌所有功能集于一体并微型化的超轻便发泡机，发泡系统采用高压空气发泡技术把发泡剂水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到水泥料浆中，经混合搅拌、浇注成型。
　　
　　2.3性能测试

　　2.3.1显微结构分析

　　试样经（110±5）℃电热恒温干燥箱干燥，采用自然新鲜断口，表面喷金镀膜，进行显微结构分析。显微结构分析仪器采用捷克TESCAN公司生产的VEGA3型扫描电子显微镜（SEM）。该型号扫描电子显微镜最小分辨率可达3nm（30kV），最大放大倍数可达106倍，具有较大景深和视野范围。

　　2.3.2导热系数测定

　　按照GB/T10295-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定-热流计法》中规定的方法测试其导热系数，试样尺寸为300mm×300mm×50mm,测试仪器采用JTRG-III建筑材料热流计式导热仪。本仪器采用单试样双热流计对称布置，将被测试样放置在一个相互平行且具有恒定温度的平板中，在稳定状态下，热流计和试样中心测量部分具有恒定热流。此时测量热、冷板热流计输出的热电势mv1、mv2和表面温度T3、T4、T5、T6值，就可以计算任一平均温度下的热阻R,若知试件厚度，就可算出试样的导热系数λ值。

　　3结果与讨论

　　3.1水灰比对水泥基发泡保温材料孔结构的影响

　　试验以普通硅酸盐水泥（P·O42.5）为主要胶凝材料，发泡剂采用植物改性泡沫剂，按1∶50的比例对发泡剂进行稀释，水灰比分别选择0.4、0.5和0.6时，水泥基发泡保温材料试样的断面孔结构形貌如图1所示。由图1可知：在相同养护龄期下，水灰比在0.4~0.6范围内时，水泥基发泡保温材料试样的断面孔结构随着水灰比的增加而发生变化。水泥基发泡保温材料宏观上可以看作固-液-气三相堆聚复合的体系，其固相体系（即孔壁）由胶凝材料的水化产物、未水化的胶凝材料颗粒、玻璃纤维、轻骨料（膨胀珍珠岩和聚苯颗粒）和惰性组分等组成，液相体系是固相体系中的大量微观毛细孔含有的孔隙溶液，气相体系是由发泡剂发泡过程中产生的泡沫变成气孔，气孔是由水泥料浆硬化后被固定在材料中的气体构成[4].一般来说，水泥料浆中的气泡转变成气孔可以分为三个阶段[5]:第一阶段是气-液界面向气-液-固界面的转变。泡沫与水泥料浆混合时，气泡的气-液膜表面被胶凝材料颗粒沉淀黏附逐渐形成一个包围层，气-液二相体系即转变为气-液-固三相体系；第二阶段是气-液-固界面向气-固界面的过渡。气泡液膜之间的空隙逐渐被胶凝材料的水化产物填实，对气泡液膜起到了进一步加强的作用；第三阶段是气-固界面形成。胶凝材料经过初凝后，试样的水化速度开始逐渐加快，产生的大量水化热引起气泡液膜的水分蒸发。同时，由于胶凝材料的水化过程需要大量的水分，气泡液膜与气泡之间的水份会被逐渐消耗，引起气泡液膜变薄直至完全消失。在气泡液膜变薄的过程中，液膜逐渐被原先附着在气泡膜上的水化产物替代而形成一个包围气体的胶凝层。当气泡液膜完全消失时，胶凝层完全封闭空气，形成坚固的气孔壁，这就是气泡转变成气孔的全过程。

　　因为水灰比为0.4时，水泥料浆较稠，泡沫在水泥料浆中难以充分混匀，导致试样局部泡沫较多，形成的气孔孔径偏大且分布不够均匀；当水灰比增加到0.5时，水泥料浆流动性好，混合干物料既能得到充分湿润，泡沫又能充分均匀分散到水泥料浆中，与水泥料浆混合均匀，气孔均匀趋于圆润，孔径呈现逐渐减小的趋势；随着水灰比的进一步增加，水灰比为0.6时，水泥料浆越来越稀，泡沫在水泥料浆中的分布也越来越均匀。

　　由于多余的水分不参与水泥料浆的水化过程，而在水泥基发泡保温材料的硬化过程中因受到蒸发作用而从试样内部蒸发，使其在原位形成空隙；同时，增加了气泡与水的接触面积，增大了泡壁与水的表面张力，从而气泡极易破裂，气泡中的气体冲出试样表面而形成大孔和连通孔，并且试样中易出现分层沉降现象。由此可知，水灰比过大或过小均会引起水泥基发泡保温材料试样的气孔呈现分布不均匀的现象。同时，在相同养护龄期下，水灰比范围为0.4~0.6时，试样的28d干密度（Y,单位：kg/m3）和抗压强度（P,单位：MPa）与水灰比（x1）之间的相关关系可以分别用线性回归模型Y1=453.48-108.96x1+ε，ε~N（0,2.99）和P1=2.14-1.49x1+ε，ε~N（0,0.015）表示。故水灰比为0.5时，水泥基发泡保温材料试样的物理性能较好，且气孔趋于球状型，孔壁较厚，孔径适宜，断面表观具有较佳品相形貌。

　　3.2玻璃纤维对水泥基发泡保温材料孔结构的影响

　　图2和图3分别为水泥基发泡保温材料未掺加玻璃纤维试样和掺加玻璃纤维试样的微观界面对比照片。由图2和图3可以看出：在相同养护龄期下，未掺加玻璃纤维的水泥基发泡保温材料试样的孔径分布不集中，尺寸大小不均匀，气孔结构呈现多处气孔连通的现象且多处地方出现泡沫破裂的情况；而掺入玻璃纤维的水泥基发泡保温材料试样的孔径分布较集中，大小尺寸合理，孔结构较均匀且没有出现明显的泡沫破裂情况。同时，在相同养护龄期下，玻璃纤维掺量范围为0~1.5%时，水泥基发泡保温材料试样的28d干密度（Y,单位：kg/m3）和抗压强度（P,单位：MPa）与玻璃纤维掺量（x2,%）之间的相关关系可以分别用线性回归模型Y2=391.44-22.58x2+ε，ε~N（0,2.39）和P2=1.31+0.57x2+ε，ε~N（0,0.0076）表示，且随着玻璃纤维掺量增加至2%时，试样的28d干密度和抗压强度均降低。因此，掺加玻璃纤维后，玻璃纤维对泡孔起到一定的保护作用，使泡沫不易破裂，较好的改善了泡孔结构。其中，玻璃纤维掺量为1.5%时，水泥基发泡保温材料的各项物理性能较好。

　　在掺加玻璃纤维对水泥基发泡保温材料试样的气孔结构分析后，可知掺加玻璃纤维的试样气孔均匀，在相近气孔率情况下，试样韧性好，强度高。图4为玻璃纤维增强水泥基发泡保温材料的SEM照片。由图4可以看出，玻璃纤维紧密嵌入水泥基发泡保温材料结构中，其表面覆盖有胶凝材料的水化产物，且两者之间的结合界面无缝隙，提高了材料界面的粘结强度。玻璃纤维与水泥基发泡保温材料基体的结合对水泥基发泡保温材料的抗断裂性能起决定性的作用，若玻璃纤维与基体结合不紧密，试样受力时玻璃纤维发挥不了作用，反而在玻璃纤维与基体界面上造成宏观缺陷，导致试样抗断裂性能下降；若玻璃纤维与基体结合紧密，玻璃纤维可以充分发挥承担外应力的作用，起到增韧、增强抗拉的作用。玻璃纤维增强水泥基发泡保温材料机理包含以下三个方面[6,7]:第一个方面是玻璃纤维在水泥料浆中呈现三维无规则分布，形成网络结构，使泡沫在水泥料浆中分散时不易破裂，也不易形成连通孔，对气孔有一定的保护作用，分布均匀的气孔和大的孔隙率改善了水泥基发泡保温材料的气孔结构；同时还增加了水泥料浆的均质性，减少了水泥料浆的离析、泌水现象；第二个方面是当水泥基发泡保温材料中水泥基体受到应力作用出现裂缝时，玻璃纤维既能承受大部分外加应力，又能在断裂过程中以"拔出功"的形式消耗部分能量，阻止材料断裂，从而起到增强作用；第三个方面是水泥基发泡保温材料与其他水泥基材料一样，自身结构中存在许多细小的裂纹和缺陷，当材料受到外力作用时，这些裂纹和缺陷附近会产生应力集中致使裂纹开始扩展，最终导致整个材料结构断裂。将玻璃纤维掺加到水泥基发泡保温材料中能够约束裂纹的引发和阻止裂纹的扩展，从而起到提高材料断裂能和韧性的效果。

　　3.3孔结构与水泥基发泡保温材料的导热系数分析

　　由于水泥基发泡保温材料中含有大量封闭的细小孔隙，因此其具有良好的保温隔热性能，这是其他水泥基材料所不具备的。导热系数是衡量水泥基发泡保温材料保温性能的一个重要指标，导热系数越小，其保温隔热性能就越好[8].对不同配比的水泥基发泡保温材料试样进行导热系数测定，结果见表1.

　　由表1可知：与未掺加玻璃纤维和轻骨料（膨胀珍珠岩和聚苯颗粒）的试样A相比，掺加了玻璃纤维和轻骨料（膨胀珍珠岩和聚苯颗粒）的水泥基发泡保温材料试样B的导热系数比试样A降低了35.11%.

　　一般来说，孔隙率对发泡保温材料的导热系数起着关键性的作用。当孔隙率不变时，导热系数主要取决于材料的组成和性质、内部缺陷、气孔尺寸、形状及孔洞间互相连通情况等因素，而导热系数降低的主要因素是孔隙率的增加[9].在相同养护龄期下，膨胀珍珠岩掺量范围为0~8%时，水泥基发泡保温材料试样的28d干密度（Y,单位：kg/m3）和抗压强度（P,单位：MPa）与膨胀珍珠岩掺量（x3,单位：%）之间的相关关系可以分别用线性回归模型Y3=377.8-3.85x2+ε，ε~N（0,13.66）和P3=2.14-0.08x3+ε，ε~N（0,0.0019）表示。为了进一步研究水泥基发泡保温材料中孔结构及其分布情况，利用电子扫描显微镜分别对试样A和B进行微观结构分析，如图5所示。由图5可以看出：试样A的孔径较大，孔的形状呈现不规则型或扁平状形，并且多处形成了连通孔；而试样B的孔径较小，孔的形状较规则且多呈现为球状型，大多数气孔封闭独立，提高了试样的保温性能。同时，随着玻璃纤维和轻骨料（膨胀珍珠岩和聚苯颗粒）的掺加，水泥基发泡保温材料试样中的孔隙率增加，导热系数相应降低。其次，图5a中的实体部分为水泥石，图5b中的实体部分为水泥石和轻骨料，轻骨料同样属于多孔保温材料，其导热系数远低于水泥石，试样的保温隔热性能提高。

　　4结论

　　（1）水灰比是影响水泥基发泡保温材料孔结构的主要因素。随着水灰比的增大，水泥基发泡保温材料的气孔孔径逐渐减小，水灰比过大或过小均会引起水泥基发泡保温材料试样的气孔呈现分布不均匀的现象。当水灰比为0.5时，水泥基发泡保温材料试样的气孔趋于球状型，孔壁较厚，孔径适宜，断面表观具有较佳品相形貌；
　　
　　（2）在水泥基发泡保温材料中适量掺加玻璃纤维、轻骨料（膨胀珍珠岩和聚苯颗粒），可以有效改善材料的孔结构，使试样内部气孔分布均匀、孔径减小、孔隙率增大、封闭气孔和球状型气孔增加，显着提高了水泥基发泡保温材料的保温隔热性能。