（材料学专业论文）聚丙烯纤维增强粉煤灰泡沫混凝土的工艺研究.pdf

摘要 粉煤灰泡沫混凝土是目前国内研究和应用最广泛的一种泡沫混凝土，具有轻质高 强、保温隔热、隔音耐火、环保节能等优点。本文首先介绍了泡沫混凝土的研究现状、 存在的问题及泡沫混凝土的技术特征、形成机理、优良特性和纤维混凝土增强机理。 重点研究了聚丙烯纤维增强粉煤灰泡沫混凝土的生产工艺，包括原材料、仪器设备 的选用，关键工艺控制以及性能测试。通过分析粉煤灰泡沫混凝土的成型特点和各项影 响因素，探讨了泡沫的制备、泡沫掺量、粉煤灰的有效活化激发、粉煤灰掺量、早强剂 及聚丙烯纤维的掺入对泡沫混凝土性能的影响，同时考察了泡沫混凝土的强度、密度与 配合比之间的关系。 本论文选用起泡效果较好的十二烷基苯磺酸钠水溶液作为发泡剂，当泡沫发起之 后，顺序间隔加入三乙醇胺和油酸作为稳泡剂，保证得到细小均匀而又稳定的泡沫。大 量的试验数据表明，在泡沫混凝土中掺加粉煤灰代替部分水泥，不仅可以起填充致密作 用，而且粉煤灰具有一定的潜在活性，可以和水泥的水化产物发生二次反应，使混凝土 的强度提高。机械化学复合活化是粉煤灰有效的活化激发方法，利用胶体磨机将粉煤灰 粉磨至5 p m 可以得到理想的粉磨效果，能够较大地提高泡沫混凝土的强度，其掺量为 4 0 时强度达到峰值；k o h 强碱作为早强剂效果明显优于c a c l 2 和萤石，因为k o h 可 以提供足够的o h 一离子激发粉煤灰，促进粉煤灰、石灰、石膏的二次水化反应，提高了 泡沫混凝土的早期强度，其最佳掺量为3 ；泡沫的掺量以保证泡沫混凝土的强度为前 提，尽可能降低其密度。经过改性处理后聚丙烯纤维的掺入对泡沫混凝土的密度没有明 显影响，但可以大大提高其抗折强度，根据实际应用和成本，可以作为一个参考。 关键词：粉煤灰；发泡剂；聚丙烯纤维；活化；泡沫混凝土；工艺 a b s t r a c t n o wf o a m e dc o n c r e t ew i t hf l ya s hi sa l le x t e n s i v ef o a m e dc o n c r e t ew h i c hw a s r e s e a r c h e da n da p p l i e db e c a u s eo fm a n ym e r i t si no u rc o u n t r y , s u c ha sl i g h tq u a l i t ya n d h i g l l i n t e n s i t y , h e a tp r e s e r v a t i o na n di n s u l a t i o n ，s o u n di n s u l a t i o na n df i r er e s i s t a n c e ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n de n e r g ys o u r c e se c o n o m i z e t h er e s e a r c ha c t u a l i t ya n dq u e s t i o no ff o a m e d c o n c r e t ea r ea n a l y z e d t h et e c h n i c a lc h a r a c t e ra n df o r mm e c h a n i s ma n dc h o i c e n e s st r a i ta r e i n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r , t h et e c h n i c so ff o a m e dc o n c r e t ew i t hf l ya s hr e i n f o r c e db y p o l y p r o p y l e n e f i b e ra r er e s e a r c h e d ，f r o mt h ec h o i c eo fr a wm a t e r i a l sa n di n s t r u m e n tt ot h ec o n t r o lo fm a n y p i v o t a lt e c h n i c s t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n dd r yd e n s i t yo ft h e f o a m e dc o n c r e t ea n di t sp r o p o r t i o nh a sa l s ob e e ns t u d i e d u s e da saf o a m i n ga g e n ti nt h et e s t ，a l k y lb e n z e n es u l f o n a t eh a sb e t t e rf o a ma b i l i t y w h e nf o a mi sp r o d u c e d ，t r i e t h a n o l a m i n ea n do i la c i da r ea d d e do r d e r l ya n dd i s t a n t l yi no r d e r t oi m p r o v et h ef o a ms t a b i l i t y l a r g en u m b e r so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t f l ya s h a c t i v a t i o nb yr e p l a c i n gc e m e n ti sa b l et oi m p r o v et h eg r o w t ho fi n t e n s i t y , e s p e c i a l l yf o r e p a r t i n t e n s i t yo ft h ef o a m e dc o n c r e t e t h em e c h a n i c a la n dc h e m i ca c t i v a t i o ni sa ne f f e c t i v e m e t h o do ff l ya s h t h e r e f o r e ，f l ya s hi sg r i n d e dt o5 1 x mb ym e a n so fc o l l o i dg r i n dm a c h i n e t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ft h ef o a m e dc o n c r e t ew a si m p r o v e dw i t i l 4 0 g r o u n df l ya s h a sa na d d i t i v e ，k o hw a sb e t t e rt h a nc a c l 2a n df l u o r i t e b e c a u s ek o h c a no f f e ro h a n de x p l o d et h ea c t i v i t yo ff l ya s h w h e nk o h c o n s u m p t i o ni s 3 t h e i n t e n s i t yo ff o a m e dc o n c r e t ei sm o s t t h ec o n t e n to ff o a ma d d e dc a nd e c r e a s et h ed r yd e n s i t y e n s u r i n gt h ec o m p r e s s i o ns t r e n g t ho ft h ef o a m e dc o n c r e t e p o l y p r o p y l e n ef i b e ri sn oo b v i o u s i n f l u e n c et ot h ed e n s i t yo ft h ef o a m e dc o n c r e t e t h ec o n c l u s i o ni sd e d u c e dt h a tt h ei n t e n s i t y o ff o a m e dc o n c r e t ec a nb ei m p r o v e di fa d d e di n t op o l y p r o p y l e n ef i b e r i ti sac o n s u l t a c c o r d i n g t oi t sp r a c t i c ea p p l i c a t i o na n dc o s t k e y w o r d s ：f l ya s h ；v e s i c a n t ；p o l y p r o p y l e n ef i b e r ；a c t i v a t i o n ；f o a m e dc o n c r e t e ；t e c h n i c s i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：张车未；聿 一年毛月6 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弓嵌书毒拿衅6 月日 钠一习再奇碍年多月彩日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 国务院墙改办规定全国1 7 0 个城市，山东省2 7 个地市禁止生产使用实心粘土砖从 2 0 0 3 年7 月1 日起实施。同时，国办发( 2 0 0 5 ) 3 3 号文件强调建筑节能应达到5 0 的 要求。墙体材料改革与建筑节能已经成为我国的基本国策，研制能够满足国家建筑节能 规范要求的新型墙体材料，已经成为材料科研工作者的历史使命【1 。2 】。泡沫混凝土是采 用发泡剂通过机械制出泡沫，再将泡沫加入胶凝材料浆体，制成泡沫料浆，然后成型或 现浇，经自然养护、蒸汽养护所形成的微孔轻质材料【3 】。泡沫混凝土属于多孔混凝土中 的一种【4 1 ，由于含有大量封闭的孔隙，使其表现出质轻、高强、节能、利废、保温、隔 热等优良的物理力学性能。泡沫混凝土有两种生产和使用方式：一种是现场制备，就地 浇注，也可以集中生产，用商品混凝土灌车运输；另种是在工厂预制成各种泡沫混凝 土建筑构件和制品，然后再用于建筑施工。生产泡沫混凝土投资少、生产工艺简单、质 量易于控制、施工快捷，平整洁净，而且和其他建筑材料几乎都有较好的相容性，强度 可调整【5 】，在作为泡沫混凝土砌块、轻质板材、基础垫层、各种管线回填、屋面保温工 程中得到了较好的发展和推广应用。 早期的泡沫混凝土几乎全部采用铝粉作为发泡剂，成型时铝粉与水和混凝土的其它 组分同时加入搅拌机，混合搅拌，然后在成型后的静停过程中逐渐完成发泡。发泡的原 理在于铝粉与混凝土中的碱性物质作用后产生氢气，结果在混凝土内留下气泡。由于铝 粉与碱之间的化学反应过程受体系中碱浓度、环境温度等多种因素的影响，最终制成的 混凝土内气泡的数量、体积不易控制和调节，而且由于发泡过程是在静停过程中逐渐完 成的，新拌混凝土不能泵送，硬化混凝土沿竖向气泡的数量和孔径分布不均匀，在一定 程度上影响制品质量，体现在生产方式上它只局限于预制构件的制造。随着发泡剂由铝 粉类向有机表面活性剂类、再向蛋白质类的发展，泡沫混凝土的制备技术和质量也相应 得到提高。在新型高效发泡剂的作用下，借助物理的方法预先单独制备的气泡具有细小、 均匀、牢固的特点，制成的泡沫混凝土不但具有孑l 隙细小、孔径分布均匀的特点而且可 以在浇注过程中任意调节和控制泡沫混凝土的容重，既可以预制也可以现场浇注。 粉煤灰作为一种工业废渣，由于排放量大且活性较低，其综合利用仍然是一个亟待 解决的课题。据统计，近年来我国粉煤灰年排放量为1 6 亿吨，累计粉煤灰堆存量1 2 5 第一章绪论 亿吨，而粉煤灰的综合利用率只有4 0 左右。粉煤狄泡沫混凝土用粉煤灰代替部分水泥， 能充分利用工业废渣，并且可以提高水泥浆的性能【6 】。在满足性能要求的条件下，粉煤灰 泡沫混凝土可以降低生产成本，符合国家对建筑节能和“生态建材 的需求，具有重量 轻，导热系数小、抗冻性好、利用废渣率高以及成型方便、工艺简单、投资少、见效快 等优点，还具有良好的抗腐蚀性、抗酸性和抗压强度随龄期增加而增加的特点。可用于 生产墙体材料，如建筑砌块、轻质隔墙( 声) 板、节能屋面复合层、复合外墙板及楼面 隔声层等。在工程上还可用于地基补偿、地基加固、施工道路、挡土墙、低标号混凝土 填层、填筑材料等。粉煤灰泡沫混凝土有较大的经济效益、环境效益、能源效益、建筑 效益和施工效益，应用前景十分广阔。 泡沫混凝土及其应用技术的研究成果国内外极大多数以专利的形式体现出来，与之 相比公开发表的论文却为数甚少，而泡沫混凝土在性能上的许多优点却已经诱发出巨大 的应用市场。国际上有许多既拥有完善的配套设备，又拥有完整的数据和经验积累的专 门承揽泡沫混凝土施工工程的大公司。相比之下，国内的一些公司还很不成熟，既缺乏 成套的设备也没有完整的数据和经验积累，施工又缺乏理论指导，而且迄今为止还没有 完善的泡沫混凝土相关规程，严重地影响了泡沫混凝土工程的质量及其应用技术的进一 步普及【7 1 。就目前发泡剂及泡沫混凝土的生产和应用情况，研制出发泡效果好、稳泡性 能优良、价格合理的新型发泡剂，制备出强度高、容重低、具有特殊性能的绿色环保型 泡沫混凝土都是非常迫切的。 1 2 泡沫混凝土的研究现状 泡沫混凝土具有密度低、保温、隔热、隔音、隔潮等优异功能，而且生产投资少、 施工方便、可大量利用工业废渣，因而在国内外建筑业受到高度重视并得到广泛应用和 深入研究。 1 2 1 国外研究现状 泡沫混凝土是混凝土大家族中的一员，其出现也较早。泡沫混凝土的最初研究和应 用可以追溯到1 9 2 3 年，j a e r i k s s o n 在世界上几个国家申请了制备泡沫混凝土的专利。 近年来，随着科学技术的发展，美国、英国、荷兰、加拿大等欧美国家以及日本、韩国 等亚洲国家，充分利用泡沫混凝土的良好特性，将它在建筑工程中的应用领域不断扩大 i s 】，加快了工程进度，提高了工程质量。 2 长安大学硕上学位论文 南非p r e t o r i a 大学的e ek e a r s l e y 和英格兰l e e d s 大学的p j w a i n w r i g h t 全面系统 地分析了掺加分级和未分级粉煤灰替代部分水泥时，泡沫混凝土的各项性能影响因素， 包括粉煤灰掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响【9 1 、孔结构与渗透性的关系【1 0 】、孔结构和 抗压强度的关系【l l 】以及掺加高质量粉煤灰对泡沫混凝土性能的影响【1 2 1 等一系列研究成 果。使用粉煤灰替代6 7 的水泥时，泡沫混凝土的抗压强度没有明显减小，使用分级和 未分级的粉煤灰对强度影响不大，高掺量粉煤灰对泡沫混凝土的长期抗压强度影响很 小，利用泡沫混凝土抗压强度与干密度的关系函数能够预测出泡沫混凝土不同龄期不同 密度的抗压强度，建立了孔和抗压强度关系的数学模型。 苏格兰d u n d e e 大学的m r j o n e s 和a m c c a r t h y 提出使用未加工、低石灰含量粉 煤灰替代砂子可以明显提高泡沫混凝土的流动性和抗压强度【l3 1 ，并分析研究了泡沫混 凝土水化热对大体积结构的影响【1 4 】。p a u lj t i k a l s k y 等人研究表明泡沫混凝土抵抗冻融 破坏的耐久性与混合材性质、环境浓度、渗透深度和吸水率有关，试验最低抗压强度能 保持在1 0 m p a ，低密度泡沫混凝土砌块具有良好的抗冻性【l 5 1 。 国外发泡剂研究较早，已有较成熟的产品，多为蛋白质型，做法比较固定，并有成 熟的技术指标及测试方法。a l o i ss o m m e r 等人采用聚氯乙稀、烷基磺酸盐、藻酸盐或聚 丙烯酸脂复合有机型发泡剂【怕】。s a v o l y 等采用烷基硫酸盐和烷基醚硫酸盐复合制成的一 种应用于石膏板等墙体材料中的表面活性剂类发泡剂【l 丌。 1 2 2 国内研究现状 泡沫混凝土在国内出现的并不晚，但由于种种原因，泡沫混凝土的发展受到了限制。 近年来，随着国家对建筑节能工作的重视，墙体材料改革取得了显著成就，泡沫混凝土 的研究又有了新的进展，新开发了水玻璃泡沫混凝土、快硬低收缩泡沫混凝土、地面用 泡沫混凝土、屋面现浇泡沫混凝土、陶粒泡沫混凝土、e p s 泡沫混凝土和泡沫粉煤灰硅 酸盐制品等。 吉林建筑工程学院的肖力光、盖广清等主要研究了材料因素对大掺量粉煤灰泡沫混 凝土砌块【1 8 之1 1 和陶粒泡沫混凝土【1 , 2 2 - 2 3 性能的影响。中国建筑材料科学研究院的王武祥 研究了大掺量粉煤灰泡沫混凝土的各项性能指标【2 4 1 ，并研制了物理力学性能和热工性能 优越的3 0 0 级再生e p s ( 泡沫聚苯乙烯) 超轻混凝土【2 5 1 ，详细探讨了泡沫混凝土在节能 屋面复合层【2 6 】、泡沫混凝土砌块【2 1 、洞穿管回填【2 7 】、房屋建筑【2 8 】、建筑物补偿地基【2 9 1 等方面的实际应用。南京工业大学的潘志华、王翠花、杨南如等研究了泡沫混凝土制备 3 第一章绪论 的相关技术，重点对发泡剂【3 0 。2 】进行了深入探讨和比较分析，分别对蛋白质型和松香型 两种发泡剂的合成条件及最佳原料配比进行了探讨，通过大量的试验以及现代测试手段 对试件亚微观结构进行了全面的分析，认为松香i i 型发泡剂作为泡沫混凝土发泡剂更为 合适。并提出了粉煤灰混合材掺配【3 3 】等相关优良泡沫混凝土的制备技术。厦门市建筑科 学研究所的王永滋和山东建材学院的邵洪江等研究了粉煤灰泡沫混凝土掺入不同原材 料时的最佳配合比，提出影响粉煤灰泡沫混凝土的主要因素和规律【5 , 3 4 - 3 5 】。 另外，还有许多新型泡沫混凝土、新型发泡剂和泡沫混凝土新应用的研制和开发。 郑州大学的杨久俊等从粉煤灰中提取厚壁高强微珠并与水泥和自制无机高分子热聚物 发泡剂预混合，制成流态泡沫混凝土【3 7 1 。湖北省建材工业研究设计院李楠通过复合防 水泡沫剂和泡沫发生器的研制，研究和生产了防水隔热泡沫混凝土【3 8 】。甘肃省建材科研 设计院的曹万智、王洪镇、刘国强等提出一种以膨胀珍珠岩为集料或憎水珍珠岩绝热保 温板为夹芯材的泡沫混凝土【3 鲥0 1 。冶金部建筑研究院耿承达提出一种粉煤灰水泥发泡材 料【4 1 1 。上海同济大学混凝土材料国家重点试验室习志臻，选用阴离子表面活性剂，分析 了非离子表面活性剂、正离子表面活性剂、水溶性高分子化合物等不同的添加剂对混凝 土泡沫剂的影响，测定了泡沫的各种不同性能，通过理论和实验结果的分析、研究，找 出一种适用于混凝土泡沫剂的复配规律【4 2 1 ，并对水泥颗粒的电动现象以及对泡沫混凝土 的影响进行了研究【4 3 1 。扬州大学的周卫东、杨鼎宜等研究了现浇轻质泡沫混凝土的制备 方法和性能【4 4 。解放军理工大学的唐德高、王昆明、贺虎成等通过试验证明了泡沫混凝 土耗能层能够明显减小结构的动力响应，可以用来构筑较理想的结构消波吸能型式【4 5 1 。 陕西省建筑科学研究院的屈志中等对松香胶泡沫剂配制和使用进行了深入研究，认为松 香胶泡沫剂的原材料质量要求可以放宽，碱以采用n a 2 c 0 3 为好，皂化反应温度和时间 控制是配制的关键【4 6 1 。 非蒸养泡沫混凝土板材已被贵州省建设厅定为新技术推广项目，颁发了贵州省建 设新技术推广项目证书，在重庆、贵阳等地的几十项建筑工程中应用，效果非常好， 已被国家有关部门确定为最新、最实用、质量最可靠的轻质、绿色、节能新型建筑材料。 1 - 3 泡沫混凝土存在的问题 用泡沫剂、粉煤灰、水泥、石灰、石膏、外加剂为原料生产的泡沫混凝土能充分利 用工业废料粉煤灰和废石膏，在满足性能要求的条件下，降低生产成本，符合了国家对 建筑节能和“生态建材 的需要。但由于用料、设备、工艺等方面的因素，泡沫混凝土 4 长安大学硕卜学位论文 在使用性能上表现出一些不足，仍有待于进一步完善和提高。 ( 1 ) 强度 泡沫混凝土的强度随着引入泡沫而产生的孔隙率的增加而降低，体积密度为 8 0 0 k g m 3 - 8 5 0 k g m 3 的泡沫混凝土抗压强度一般低于2 0 m p a t 4 7 1 。泡沫混凝土中引入的泡 沫越多，硬化后孔隙率也越大，容重也就越小，其轻质、保温、隔音等性能也就越明显， 但是强度下降幅度很大，所以泡沫混凝土的特性是以强度降低为代价的。要使得其强度 与其特殊性能之间平衡，也就是说降低容重的前提下最小程度地降低泡沫混凝土的强 度。抗压强度低是影响泡沫混凝土推广应用的主要原因，因为在搬运过程中受挤压容易 缺角少棱，砌筑的墙体尺寸准确性差【4 8 1 。 ( 2 ) 容重 目前泡沫混凝土的容重一般都在3 0 0 k g m 3 - 1 2 0 0 k g m 3 ，这相对普通混凝土已经有明 显的优势。但在一些实际生产生活中，容重低于5 0 0 k g m 3 的泡沫混凝土一般较难搅拌 成型，因为引入泡沫多，在浆体中的分散性较差，而且容重过低又将会影响泡沫混凝土 的强度。 ( 3 ) 孔结构 目前，泡沫混凝土的应用越来越受到青睐，但是其机理研究还很缺乏，尤其是泡沫 混凝土的成孔物质、气孔结构与宏观力学性能的关系探讨很少，给泡沫混凝土的大力推 广及性能的进一步改善造成限制。 ( 4 ) 吸水率 泡沫混凝土在生产时引进了大量气泡，原料以粉料和细颗粒为主，在性能上表现出 较高的吸水率和收缩，并且随着容重的降低，引进气泡量的增大，泡沫混凝土的饱和吸 水率增幅很大，容易引起冻融现象，严重影响了泡沫混凝土的使用效果，制约了应用领 域。 ( 5 ) 发泡技术 我国自上世纪5 0 年代初期即开始生产泡沫混凝土以来，多采用原材料易得的松香 胶泡沫剂，且多为自行配制，在比较长的生产实践中积累了不少经验。但由于国内在泡 沫混凝土生产方面无统一规程，出自各方面的文献资料和所得到的经验均有一定的局限 性，许多问题提法不一，在泡沫剂的配制和使用上反映出的问题尤其多。现有发泡技术 制成的泡沫稳定性差，泡沫不均匀，限制了泡沫混凝土的应用。 ( 6 ) 技术指标 s 第一章绪论 由于发泡剂在我国刚起步，到目前为止我国还没有发泡剂的统一的国家技术标准及 检测方法，研制单位都根据自己的情况，各自采用自己的技术指标及测试方法【4 9 1 ，这给 厂家生产泡沫混凝土和商家购买泡沫混凝土制品造成了不便。 1 4 本文研究的主要内容 粉煤灰泡沫混凝土是我国现阶段建筑材料行业重点研究的发展方向，符合环保节能 的要求，具有重要的研究价值。但其生产工艺和原材料的选择仍存在许多不足，具有较 大的提高空间，需要更多地给予关注和投入，必将产生巨大的经济效益和社会效益。 本文主要针对以下几个方面对聚丙烯纤维增强粉煤灰泡沫混凝土进行了研究。 ( 1 ) 在泡沫混凝土中引入粉煤灰等混合材的直接结果是使其强度降低，通过研究机械 化学复合活化的方法来激发粉煤灰的潜在活性，提高泡沫混凝土的强度。 ( 2 ) 泡沫质量是泡沫混凝土质量的瓶颈，研究泡沫的制备工艺和稳泡工艺，以得到均 匀细小、稳定的泡沫。 ( 3 ) 聚丙烯增强粉煤灰泡沫混凝土的工艺流程是本文研究的重点，主要从试验用原材 料检测、配合比设计、试验用仪器设备选择、关键制备工艺等方面进行深入研究。 ( 4 ) 对影响粉煤灰泡沫混凝土质量的各因素进行归纳总结，包括超细粉磨的时间、早 强剂的选择、粉煤灰和泡沫的掺量等。 6 长安大学硕士学位论文 第二章纤维增强泡沫混凝土的技术原理 随着建筑物向高层、大跨方向发展，建筑材料的自重也越来越受到人们的关注。泡 沫混凝土是将泡沫剂水溶液制成泡沫加入到含硅质材料( 粉煤灰、砂) 、钙质材料( 水 泥、石灰) 、水及外加剂组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的轻质多孔 建筑材料，在屋面、非承重墙及热力管道的保护层中发挥着重要的作用。目前我国正处 于墙体改革时期，泡沫混凝土制品以其轻质、保温( 隔热) 、节能等优良特性成为可以 替代粘土砖的材料之一。 泡沫混凝土的制各主要包括两项技术，即发泡技术( 包括发泡剂和发泡设备) 和成 型技术。前者有赖于高效发泡剂和发泡剂机械，后者则有赖于与特定的发泡方法相匹配 的成型或浇注方法。 2 1 泡沫混凝土的技术特征 2 1 1 泡沫混凝土的结构特征 剖开泡沫混凝土制品从切面上看，泡沫混凝土制品是由许许多多大小不等的气孔和 气孔壁组成的结合体。气孔由泡沫在料浆中形成，并在硬化过程中固定在混凝土中。孔 间壁系由水化产物、未反应的材料颗粒和孔间壁内的孔隙组成。这些孔隙及气孔壁的组 成成分、性能决定了泡沫混凝土制品的物理性能。按照直径的大小，泡沫混凝土的气孔 可分为五类：宏观孔、微观孔( 包括毛细孔) 、凝胶孔、晶间孔、超微孔。一般来讲， 制品的气孔直径以o 5 1 o m m 为最佳( 理论上) 【3 1 。气孔结构和气孔壁的组成则主要 取决于各种原材料及配合比。 ( 1 ) 气孔结构与制品性能的关系 制品中孔隙的存在，既改变了制品的密度，又影响了制品的强度。同时也提高了制 品的保温性和抗冻性。实践证明气孔直径小于2 m m 且分布均匀时，制品有较好的抵抗 非负载的能力，其抗压强度较高。当气孔直径大于2 m m 且不均匀分布时，在外力的作 用下，极易产生应力集中，从而导致制品某些孔壁结构提前破坏，其抗压强度也随着降 低。 ( 2 ) 泡沫混凝土气孔壁的组成和性能 泡沫混凝土从宏观上看是由气孔和孔壁组成的，在显微镜下观察发现，硅钙质泡沫 混凝土的孔壁包含大小不等的硅质材料微粒，参与反应后剩下的残核和水泥粒子尚未水 7 第二章纤维增强泡沫混凝十的技术原理 化完毕的部分。在这些物料固体颗粒之间，汇集大量的水化产物核形状、大小不同的微 孔或缝隙，并形成一个由硅质材料颗粒组成的骨架，水化硅酸盐胶体核结晶体黏附在其 周围，包括有各种微小孔隙等缺陷的不均质固一液一气三相堆聚的结构。在气孔壁的结 构中，各种材料和物料之间，不仅是物料颗粒间的直接接触或者机械胶合，而且还有在 高压、高湿、高热的条件下，各物料之间产生化学反应形成的更为坚硬水化产物的结合。 这也是气孔壁能承受外力作用的最主要的原因。 ( 3 ) 泡沫混凝土孔结构 泡沫混凝土的强度受气孔结构及形状的影响较大。泡沫混凝土的气孔率主要取决于 泡沫的加入量，这也就决定了泡沫混凝土的体积密度。泡沫混凝土的强度同样服从孔隙 率理论。孔隙率越大，体积密度越小，强度也就越低。如果保持孔隙率不变( 体积密度 也相应地不变) ，改变气孔的大小，也可以改变混凝土的强度。在工艺条件许可时，尽 量减小气孔的尺寸，将提高泡沫混凝土的强度。如果将气孔与孔间壁中的毛细孔、胶凝 孔一起计算孔隙率，泡沫混凝土的孔隙率可达到7 0 。有的研究者认为，如果保持孔隙 不变，减小气孔含量，增大毛细孔含量，同样可以提高泡沫混凝土的强度。 2 1 2 形成孑l 结构的工艺特征 泡沫混凝土与加气混凝土在气孔结构上有些相似，但在形成气孔结构的工艺上，它 有自己明显的技术特征。 ( 1 ) 物理机械发泡 这是泡沫混凝土有别于加气混凝土的主要工艺特征。泡沫混凝土不采用化学反应产 生气体来形成气孔。而是先用发泡机将发泡剂制成泡沫，再将泡沫用机械搅拌的方法， 混入预先治好的水泥净浆或砂浆中。它的整个工艺过程完全采用物理方法，靠的是机械 力来产生泡沫并在水泥浆中形成气孔，它的造孔手段是物理的。 ( 2 ) 免蒸压 泡沫混凝土一般不采用蒸压养护，泡沫混凝土生产的都是模制品或现场浇筑施工， 它采用最多的养护工艺是自然养护，极少数模制品采用蒸压养护。蒸压养护投资大、工 艺复杂、设备无法移动，不适应泡沫混凝土简单易行的工艺特点。 2 1 3 强度来源特征 泡沫混凝土在大泡沫量的情况下，虽孔隙率非常高，但仍有比较理想的使用强度， 可满足各种需要。它的强度主要来自胶凝材料自身产生的胶凝作用。它所用的胶凝材料 长安人学硕上学位论文 一般要求胶凝作用强，特别是高孔隙率产品，所以一般以大掺量的高标号水泥、含量8 0 8 5 的镁水泥为胶凝材料，在低泡沫掺量时也可使用高强石膏，如果胶凝材料的胶 凝作用不强，泡沫混凝土的强度就无法保证。对胶凝材料的技术要求有三个：一是胶凝 材料的大掺量，一般要大于5 0 ；二是高胶凝力；三是早强性好，凝结快。这是它区别 于其他多孔材料特别是加气混凝土的主要技术特征之一。 2 2 泡沫混凝土的形成机理 2 2 1 泡沫的形成机理 当采用搅拌或高压充气等方式使气体进入含有表面活性剂的水溶液中时，在气体团 与水溶液的界面就会迅速吸附大量的表面活性分子，形成吸附水膜所包裹的气泡。由于 气体与液体的密度相差很大，气泡会很快上浮到液体表面。由于液面上已吸附了一层定 向排列的表面活性剂，且液面的表面活性剂的亲水基朝向液体，疏水基朝向空中，这层 表面活性剂所形成的很薄的水膜，会再次包裹上升的气泡，增加了气泡水膜的厚度，增 加气泡的强度，使之不易破裂。由于表面活性剂在溶液表面的富集，溶液表面张力大大 下降，不足以阻挡气泡的继续上升，在漂浮力的作用下浮出液面。冲破液面的束缚后， 气泡在漂浮作用下离开水面，完全进入气相中。在气泡水膜表面张力的作用下，气泡水 膜完全收缩而成为圆球形，从而形成一个完整的泡沫。 在整个泡沫形成的过程中，表面活性剂始终起着决定性作用。它的液面吸附性和定 向排列性，以及它对液体表面张力的降低，才使泡沫得以形成。在水中所形成的气泡， 其实质是由表面活性剂吸附在气一液界面上所形成的单分子膜。当气泡上升露出液面与 空气接触时，表面活性剂就吸附在液面的两侧，形成双分子气泡水膜，有一定的机械强 度，不易破灭，甚至可以存留很长的寿命。这种带有表面活性剂的双分子层水膜的泡沫， 在阳光下可以看到七色光谱带，因为膜的厚度具有光的波长等级。 泡沫混凝土是由泡沫分散于水泥浆中，然后通过胶凝作用固泡所形成的。因此，泡 沫是泡沫混凝土形成的主要条件和物质基础。当泡沫被水泥浆凝结固定后，就形成了细 密的气孔结构。泡沫决定了气孔的结构、形态、尺寸、数量等各种技术特征。对泡沫的 技术要求有泡沫稳定性好、均匀性好、泡径小、泌水率低及泡沫对胶凝材料没有负作用 五个方面。 9 第二章纤维增强泡沫混凝十的技术原理 2 2 2 气孔的形成机理 泡沫是液膜包围气体的气一液两相体系，胶凝材料浆体是水和胶凝材料颗粒形成的 液一固两相体系，泡沫混入胶凝材料浆体，二者就变成气一液一固三相体系。气泡的膜层 上黏附水泥等固体颗粒后，液膜变厚。因而泡沫在进入胶凝材料浆体后，稳定性增加， 存留时间延长。但从另外角度考虑，泡沫单独存在时，只受到泡沫的相互间较小的挤压 力；泡沫进入胶凝材料浆体后，浆体对泡沫的挤压力较大。所以，稳定性差的泡沫在浆 体内难以存留较长时间，很容易被挤压了破坏，引起泡沫的迅速破灭。掺入泡沫的胶凝 材料浆体搅拌均匀后，浇注成型或现场浇筑，黏附在气泡膜上的胶凝颗粒慢慢生成胶凝 物质，产生一定的强度，但强度仍很差，不足以支撑泡沫体。因此，这时泡沫的强度是 一种复合强度，既有泡沫初始的液膜机械强度，也有胶凝物质产生的附着层强度。胶凝 材料初凝时间越短，水化物的胶凝性越强，泡沫越稳定，不易破灭；反之，若胶凝材料 初凝时间很长，且胶凝性很差，不能很快在泡沫液膜上产生足够的水化产物来加强液膜， 液膜在自身的重力排液及表面张力排液作用下逐渐变薄，支撑不住浆体的挤压力，就会 破灭，不能形成泡沫混凝土的气孔。尽快让胶凝材料产生大量的胶凝物质来弥补因泡沫 液膜逐渐减薄而丧失的泡沫强度，阻止泡沫在浆体初凝前破灭，泡沫将变成气孔，被胶 凝物质固定在混凝土内。 泡沫混凝土对气孔的主要技术要求有六个方面：气孔必须是封闭的，而不是连通 性的；气孔的形状应接近于球形，变形不能太大；气孔应大小均匀；气孔尺寸不 能太大；孔隙率应与强度相适应；孔间壁应薄而密实，机械强度高。 2 2 3 混凝土的形成机理 当胶体材料初凝后，水化开始加快进行，大量水化热使泡沫液膜的水分蒸发。同时， 胶凝材料的水化，需要大量的水，泡沫液膜及泡间的水被水化消耗。使得泡沫的液膜逐 渐减薄，最后完全消失。原来附着在气泡膜上的水化生成物，在水膜减薄的过程中，逐 渐取代水膜，形成一个包围气体的胶凝层。当泡沫液膜消失时，胶凝层完全封闭了空气， 形成坚固的混凝土气孔壁，最终形成泡沫混凝土。 发泡剂生成的泡沫最终在混凝上中形成的孔形结构会对混凝上性能产生较大影响， 孔径越小，孔形越圆，孔分散越均匀，混凝上的性能越甜5 0 】。 1 0 长安大学硕士学位论文 2 3 纤维混凝土增强机理 水泥混凝土具有成本低、硬化前塑性好、硬化后抗压强度高、耐久性好等优点，广 泛应用在各种土木工程中，但也存在脆性大、易开裂、抗拉强度低等缺点。为了克服这 些缺点，长期以来，人们提出了很多增强办法，其中在水泥混凝土中加入适量的短纤维 是一种有效的增强办法。目前在混凝土工程中掺加的纤维主要有：钢纤维、玻璃纤维、 聚丙烯纤维、尼龙纤维、石棉、芳纶纤维、聚酯纤维、碳纤维等。 2 3 1 提高抗拉强度 均匀分布的短纤维对混凝土抗拉强度的增强机理主要有两种解释模型： ( 1 ) 纤维间距理论，又称“纤维阻裂机理 ，是根据线弹性断裂力学来说明纤维对于 裂缝发生和发展的约束作用。这种理论认为混凝土内部有尺度不同的初始微裂缝、孔隙 和缺陷，在施加外力荷载时，这些部位产生比较大的应力集中，引起裂缝的扩展，最终 导致结构破坏。为了增加混凝土原来有缺陷材料的强度，必须增加其韧性，约束其缺陷 的发展，尽可能减小缺陷程度，降低混凝土内部裂缝端部的应力集中系数。理论分析与 实验证明，当纤维的平均间距小于7 6 m m 时，纤维混凝土的抗拉或抗弯初裂强度均得以 提高。 ( 2 ) 复合材料理论，将纤维混凝土所构成材料的整体视为一个多相体系，简化为纤维 和混凝土的两相复合材料，其性能是各个相性能的加和值。由于材料的复合，改善了材 料的力学性能，不仅保留了原组成材料的特色，而且通过各组分性能的互补和关联可以 获得原组分所没有的优良性能，并具有可设计性，包括根据材料的使用要求进行选材设 计和进行增强体的比例、分布、排列、取向等的复合结构设计。 2 3 2 提高抗裂性能 混凝土在硬化形成强度的过程中，会因体积的收缩和干缩而产生内部应力，这些应 力一旦超过基体的抗拉强度，便在混凝土内部引起“微裂缝 。混凝土破坏常常是从这 些微裂缝开始的，在外力作用下，微裂缝不断扩展，并互相贯通搭接，形成一个裂缝网 络而使混凝土破坏。阻止混凝土基体原有微裂缝扩展，提高纤维混凝土抗裂性能，可以 从微观和宏观两个方面解释： ( 1 ) 从微观方面看，纤维之所以明显改善了混凝土的抗裂性、耐久性，主要得益于纤 维的阻裂机制，是因为分布在其中的纤维有效的限制了早期裂缝的产生。均匀分布在混 第二章纤维增强泡沫混凝土的技术原理 凝土中的成千上万的细小纤维，对混凝土中多余水分的散发起到了极其有利的作用。同 时，这些为数众多、乱向分布的纤维也有效的克服了混凝土因收缩、干缩、徐变等物理 化学变化而产生的应力集中现象，降低了裂缝尖端的应力强度因子，缓和了裂缝尖端的 应力集中程度，从而阻止了混凝土微裂缝的产生及进一步扩展，延缓了混凝土从裂缝产 生、扩展到破坏的时间，延长了混凝土结构的服役期限，提高了混凝土的承载能力。 ( 2 ) 从宏观方面看，在纤维混凝土受荷初期，混凝土是主要的受力者，承担了绝大部 分的外荷载，当外荷载增加到一定程度，混凝土中的微裂缝发展成为宏观裂缝，此时横 跨裂缝的纤维成为外力的主要承担者，因为纤维的抗拉强度和延性都远高于混凝土基 体，可以缓解裂缝尖端的应力集中程度，增加裂缝的扩展阻力，有效地限制混凝土裂缝 的进一步扩展。因此，只要纤维与混凝土基体的界面粘结很好且界面很薄，能够保证施 加到基体上的力通过纤维一混凝土界面传递到纤维上，由纤维承受这一部分力，就可以 防止混凝土的继续开裂，从而延长混凝土构件从微裂缝产生、扩展、开裂到破坏的时间， 延长其使用寿命。 2 3 3 提高抗变形能力 纤维与水泥基料有极强的结合力，纤维能迅速和混凝土均匀混合，形成三维不定向 支撑体系，成为致密的乱向分布的网状增强系统，增强了混凝土的韧性和整体强度。当 混凝土承受拉力和冲击时，均匀分布且数量众多的纤维起到了吸收能量和分担应力的加 强筋作用。纤维还对混凝土裂缝有搭接作用，对分离的混凝土块有牵连作用，当纤维从 混凝土基体剥落时要消耗摩擦功，有助于提高混凝土的耐磨性。 2 3 4 增强抗冻性能 在混凝土中加入纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止温 度裂缝的扩展。实践及研究表明，在混凝土中加入微纤维可作为一种有效的混凝土温差 补偿抗裂手段，可以增强混凝土的抗冻性能。 2 4 泡沫混凝土的特性 泡沫混凝土与普通混凝土在组成材料上的最大区别在于泡沫混凝土中没有普通水 泥混凝土中使用的粗集料，同时含有大量气泡。因此，与普通混凝土相比，无论是新拌 泡沫混凝土浆体，还是硬化后的泡沫混凝土，都表现出许多与普通混凝土不同的特殊性 能，从而使泡沫混凝土有可能应用于一些普通混凝土不能胜任的具有特殊性能要求的场 1 2 长安大学硕上学位论文 合。而且泡沫混凝土的料浆可以自流平、自密实，施工和易性好，便于泵送和整平，与 有其它建材几乎都有较好的相容性，且强度可调整。由于泡沫混凝土中含有大量封闭的 空隙，使其具有下列良好的物理力学性能。 ( 1 ) 质轻密度小 泡沫混凝土的密度小，密度等级一般为3 0 0 , - - - , 1 2 0 0 k g m 3 。近年来，密度为1 6 0k e c m 3 的超轻泡沫混凝土也在建筑工程中获得了应用。由于泡沫混凝土的轻质，在建筑结构中 采用该种材料一般可使建筑物自重降低2 5 左右，有些可达结构物总重的3 0 4 0 ， 从而可以降低结构和基础的费用，具有显著的经济效益。 ( 2 ) 保温隔热性能优良 由于泡沫混凝土中含有大量封闭的细小孔隙，因此具有良好的热工性能，即良好的 保温隔热性能，这是普通混凝土所不具备的。采用泡沫混凝土作为建筑墙体及屋面材料， 具有良好的节能效果。在我国北方地区，采用厚度2 0 0 - - 2 5 0 m m 的泡沫混凝土砌块砌筑 外墙，相当于4 9 0 m m 厚砖墙的保温效果。 ( 3 ) 隔音隔火性能好 泡沫混凝土属多孔材料，因此它是一种良好的隔音材料，在建筑物的楼层和高速公 路的隔音板、地下建筑物的项层等可采用该材料作为隔音层。泡沫混凝土是无机材料， 不会燃烧，从而具有良好的耐火性，在建筑物中使用，可提高建筑物的防火性能。 ( 4 ) 抗震性能强 泡沫混凝土由于密度小，质量轻，弹性模量低，在地震载荷作用下所承受的地震力 小，震动波的传递速度也比较慢，且结构的自震周期长，对冲击能量的吸收快，因而减 震效果显著。 ( 5 ) 其他性能 泡沫混凝土还具有施工过程中可泵送性好，特别适用于大体积现场浇注，施工快捷 方便。一般泡沫混凝土隔热层的施工厚度为5 0 - - 6 0 m m ，现场浇注后1 2 小时能上人行 走，施工速度快，而且平整、美观、实用5 1 1 。隔潮防水能力强，吸水率低，抗冻性能好， 可大量利用工业废渣，价格低廉。 1 3 第三章聚丙烯纤维增强粉煤灰泡沫混凝土的生产t 艺 第三章聚丙烯纤维增强粉煤灰泡沫混凝土的生产工艺 3 1 试验用原材料 粉煤灰泡沫混凝土的主要原材料为水泥、粉煤灰、石灰、具有一定水硬性的掺合料、 发泡剂及对泡沫有稳定作用的稳泡剂，必要时还应掺加早强剂等外加剂。 3 1 1 发泡剂 发泡剂又称气泡剂，是能促进泡沫发生而形成闭孔或联孔结构材料的物质，在机械 搅拌下产生大量泡沫或用压缩空气的方法形成气泡分散于料浆中。发泡剂质量的好坏直 接关系到泡沫混凝土的质量，一般以它的坚韧性、泌水性、发泡倍数等三种性能来评定。 通常认为最理想的发泡剂，应是沉陷量和泌水量最小，即是其持久性最好，发泡的倍数 也最大。用来生产泡沫混凝土的发泡剂应具有发泡倍数高( 不小于2 0 ) ，泡沫稳定性好 ( 1 h 后泡沫的沉陷距不大于1 0 m m ，泌水量不大于8 0 m l ) 等特点。发泡剂在工艺上稳定 料浆的均匀性，减少泌水，保证容量的可控性，最终影响泡沫混凝土的性能和质量。目 前常用的发泡剂主要是各种表面活性剂，如松香树脂类、合成表面活性剂类( 阴离子型、 阳离子型、非离子型等) 、蛋白质型发泡剂、复合型发泡剂等。发泡剂总体上说不够理 想，如质量偏低、功能偏少，尽管有些发泡倍数够大，但稳定性差、制品强度不高，日 本、意大利进口的发泡剂多为蛋白质类，质量好。我国也有以动物蛋白质为主要原料的 发泡剂，其发泡倍数及稳定性较好，但因原料来源有限，生产成本高，因此开发与应用 受到制约。我国目前市场上的发泡剂是四代发泡剂并存，按成分大致可以划分为5 个类 型： ( 1 ) 松香树脂类发泡剂( 第一代发泡剂) 这类发泡剂均是以松香作为主要原料制成，应用最早也最为普遍。松香的化学结构 比较复杂，其中含有松香脂酸类、芳香烃类、芳香醇类、芳香醛类及其氧化物等，分子 式可表示为c 2 0 h 3 0 0 2 。松香树脂发泡剂又名引气剂，它的主要品种有松香皂和松香热聚 物两个，最初均是作为混凝土砂浆引气剂来开发应用的，后来又扩展应用为泡沫混凝土 的发泡剂。松香皂的技术特点是生产工艺简单，成本低、价格低、发泡倍数和泡沫稳定 性一般，其突出优点是与水泥相容性好，可与水泥中的c a 2 + 反应，生成不溶性盐，泡沫 稳定性增加，有一定的增强作用。和松香皂相比，松香热聚物的产量和用量都要低得多， 因为松香热聚物的性能和松香皂大体相当，但它的生产成本