桑國臣，朱軼韻，楊崗，張浩博

(西安理工大學 土木建筑工程學院，陜西 西安 710048)

水泥基泡沫材料是采用物理或化學方法在水泥漿體中引入大量微小氣泡，通過水泥漿體凝結硬化，將氣泡固化于材料內(nèi)部，最終形成具有一定泡孔結構特征的無機多孔材料[1-3]。它具有表觀密度小、熱導率低、熱容量大、不燃燒等優(yōu)點，是一種兼顧節(jié)能與安全的墻體保溫隔熱材料[4]?？紫堵适怯绊懖牧蠠嵛锢硇阅艿年P鍵因素，提高孔隙率是降低材料導熱系數(shù)的必要途徑之一[5]。然而，在高孔隙率條件下，水泥基泡沫材料強度低、脆性大、韌性差，材料極易破損[6]。通過添加聚合物能夠改善孔結構并弱化材料脆性[7]，但相比傳統(tǒng)水泥基多孔材料，高孔隙率的水泥基泡沫材料存在孔壁薄、強度低的特點，聚合物與孔壁的結合特征、泡孔結構演變、增韌改性機制等均會有所不同，而相關研究成果卻鮮有報道。本文利用物理引氣法制備出孔隙率大于90%的水泥基泡沫材料，并添加可再分散乳膠粉聚合物對其進行改性，通過對材料靜態(tài)性能與抗沖擊韌性以及SEM分析，研究聚合物乳膠粉對水泥基泡沫材料的改性機制與效果。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

水泥：42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥，性能參數(shù)見表1；引氣劑：改性脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉；增稠劑：羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)，粘度值400 mPa·s；減水劑：粉體聚羧酸高效減水劑，減水率大于25%；可再分散乳膠粉：乙烯-醋酸乙烯酯共聚(EVA)可再分散乳膠粉，可再分散乳膠粉是乙烯/醋酸乙烯酯類乳液通過高溫瞬間噴霧干燥后形成的粉狀材料，該材料與水混合后可再次形成聚合物乳液，并保持原乳液所具有的成膜特性[8]?？稍俜稚⑷槟z粉的性能見表2。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥性能

表2 EVA可再分散乳膠粉性能參數(shù)

1.2 試驗方法

1)高孔隙率水泥基泡沫材料制備

快硬硫鋁酸鹽水泥具有凝結硬化快、微膨脹的性能特點，能夠縮短氣泡在漿體中的固化時間，有利于形成理想的泡孔結構。本試驗以42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥作為基體材料，采用物理引氣制備法制備高孔隙率水泥基泡沫材料。

首先，將水泥及乳膠粉等干粉料準確稱量，并預先干拌混合得到混合干粉料，倒入水泥膠砂攪拌機中。然后，將稱量好的引氣劑加入拌和水中，一并加入混合干粉料中。啟動攪拌機，慢攪10 s，使混合料漿攪拌均勻，再快攪5 min，使混合料漿充分引氣發(fā)泡，然后將漿料注模，室溫靜置養(yǎng)護8 h后拆模，繼續(xù)在標準狀態(tài)下養(yǎng)護至齡期。在性能測試前，將試樣放入電熱鼓風干燥箱內(nèi)，在100℃～110℃下保溫烘干至恒重。

制備水泥基泡沫材料的配比見表3。

表3 聚合物改性高孔隙率水泥基泡沫試樣配比

2)材料沖擊韌性測試方法

水泥基泡沫材料的動態(tài)力學性能測試，目前尚無標準方法。本試驗參照ACI(美國混凝土協(xié)會)544委員會推薦的混凝土材料沖擊沖壓試驗法以及文獻[9] 、[10] 中相關試驗方法，采用自制的落球沖擊試驗法測試水泥基泡沫材料韌性：鋼球質(zhì)量513 g，自由下落高度為0.6m，沖擊試件為邊長70.7 mm的立方體，試驗裝置如圖1所示。

圖1 落球沖擊試驗示意圖

利用沖擊能耗表征材料的韌性，沖擊能耗計算見下式：

W=N×mgh

(1)

式中,W為沖擊能耗(N·m)；N為出現(xiàn)裂紋時的累計沖擊次數(shù)平均值；m為鋼球質(zhì)量(kg)；h為鋼球自由下落高度，取0.6 m；g為重力加速度，取9.8 N/kg。

3)其它性能測試方法

孔隙率、表觀密度、強度的測試，按《無機硬質(zhì)絕熱制品實驗方法》(GB/T5486-2008)進行。導熱系數(shù)測試，采用規(guī)格為300 mm×300 mm×30 mm的試件，依據(jù)《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定》(GB/T10294-2008)，利用TPMBE-300平板導熱儀測試。材料的微觀形貌分析，采用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡。

2 試驗結果與討論

傳統(tǒng)水泥基泡沫材料強度低、脆性大、韌性差，在碰撞、敲擊等沖擊作用下，極易損壞，給工程應用帶來了困難?？稍俜稚⑷槟z粉遇水后可形成聚合物乳液，并且隨著水分散失能夠形成聚合物膜結構?？稍俜稚⑷槟z粉與水泥具有很好的適應性，其形成的聚合物膜能夠與水泥水化產(chǎn)物相互融合，對水泥基泡沫材料的熱工性能和力學性能均會有所影響。

本文從熱工性能和力學性能等方面來研究聚合物改性高孔隙率水泥基泡沫材料性能及進行相應的機理分析。

2.1 聚灰比(P/C)對孔隙率與導熱系數(shù)影響

圖2為孔隙率與導熱系數(shù)隨聚合物乳膠粉與水泥質(zhì)量比(P/C)的變化曲線。由圖2可見，所制得試樣的孔隙率均大于90%，導熱系數(shù)均小于0.06 W/(m·K)，但隨著P/C的變化，兩者均呈現(xiàn)出各自的變化規(guī)律。當P/C由0增大至0.10時，導熱系數(shù)由0.047 W/(m·K)增大至0.056 W/(m·K)，增加了18.8%，而孔隙率則由94.1%降低至92.79%，減小了1.4%。但是當P/C由0.1進一步增加至0.33時，材料的導熱系數(shù)又逐漸減小，孔隙率逐漸增大。P/C為0.33時，孔隙率最大，為94.3%。P/C為0.2時，導熱系數(shù)達到最小值，為0.046 W/(m·K)。

圖2中的曲線變化規(guī)律表明，P/C對材料孔隙率與導熱系數(shù)的影響是非線性的，孔隙率隨P/C增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化，而導熱系數(shù)則呈現(xiàn)先增大后減小又略有增大的變化規(guī)律。

圖2 P/C對孔隙率與導熱系數(shù)的影響

根據(jù)Young-Laplace公式[11]可知，泡沫在水泥漿體中的形成過程，正是漿體壓力、氣泡內(nèi)部壓力及氣泡漿體膜表面張力三者相互作用的平衡過程。當P/C小于0.1時，由于聚合物乳膠粉摻量相對較小，對水泥漿體的液膜強度提高有限。但此時卻由于聚合物乳膠粉的摻入，減小了水料比，因此使得漿體中的氣體含量隨聚合物乳膠粉摻量增大而減小[12]。而當P/C大于0.1后，隨聚合物摻量的進一步增大，在聚合物乳液作用下水泥漿體液膜強度明顯提高，增大了氣泡在水泥漿體內(nèi)存在的穩(wěn)定性，因此隨P/C增大，氣體含量增大、孔隙率逐漸提高，并且泡孔孔徑逐漸增大。

材料導熱系數(shù)除了主要受孔隙率影響外，還受孔隙連通情況以及孔徑大小等因素的影響[5]。圖2中，在P/C小于0.2的范圍內(nèi)，導熱系數(shù)的變化與孔隙率變化相對應。在P/C大于0.2后，雖然孔隙率不斷增大，但導熱系數(shù)卻并沒有隨之減小，而是呈現(xiàn)出略有增大的變化趨勢。其原因是，隨著聚合物乳膠粉摻量的不斷增加，材料內(nèi)部的孔徑增大，泡孔連通現(xiàn)象有所加劇，導熱系數(shù)也隨之略有增大。

2.2 聚合物對力學性能的影響

按表2中的配比，采用物理引氣法制得高孔隙率水泥基泡沫材料，對不同聚灰比(P/C)條件下材料的抗壓強度和抗沖擊韌性測試分析。

2.2.1 聚灰比(P/C)對強度的影響

材料的抗壓強度是指材料抵抗靜態(tài)壓力荷載作用的能力。圖3為試樣的抗壓強度隨P/C的變化曲線，由圖可見，在聚合物改性作用下材料抗壓強度明顯提高。但圖3中曲線的變化規(guī)律表明，材料的抗壓強度并不是隨聚合物摻量增大而線性增大，當P/C由0增大至0.1，抗壓強度提高了53.1%，達到248 kPa，而當P/C由0.1增大至0.33時，抗壓強度逐漸減小。

圖3 P/C對強度的影響

未經(jīng)聚合物改性的水泥基泡沫材料是由水泥水化產(chǎn)物和孔隙構成的脆性固氣兩相體，見圖4。

圖4 未經(jīng)聚合改性的水泥基泡沫材料的SEM照片

根據(jù)Griffith斷裂力學理論可知[13-14]，材料在宏觀受壓破壞時，內(nèi)部的孔隙、裂紋等并不是簡單受壓，而是處于復雜受力狀態(tài)，因此材料受壓初始破壞主要是由相對薄弱的拉應力控制[15]。

未添加聚合物乳膠粉的水泥基泡沫材料是一種典型的多孔型脆性材料，其內(nèi)部抗拉強度極低，因此宏觀表現(xiàn)為材料的抗壓強度小。當添加了聚合物乳膠粉后，聚合物在材料體內(nèi)部成膜后能夠?qū)α芽p和孔洞進行修復和增強，有利于提高材料的微觀拉應力和宏觀抗壓強度。但隨著聚合物摻量的不斷增大孔壁由脆性逐漸向彈塑性轉化進一步加強，材料的孔隙率也明顯增大，由此造成材料的抗壓強度逐漸降低。

2.2.2 聚灰比(P/C)對抗沖擊韌性的影響

采用落球沖擊試驗法，進行聚合物改性水泥基泡沫材料的韌性測試試驗。不同P/C下的試件抗沖擊次數(shù)與沖擊能耗結果見圖5。

圖5 P/C對抗沖擊韌性的影響

由圖5可見，沒有添加聚合物的試樣，可承受的平均抗沖擊次數(shù)為2.2次，而改性后的試樣平均抗沖擊次數(shù)均在2.6次以上。材料的沖擊能耗隨P/C增加而線性增大，當P/C由0增大至0.33時，試件的沖擊能耗由6.64 N·m增大至16.09 N·m，提高了142.3%。

2.2.3 聚合物對泡沫材料的增韌機理

未經(jīng)聚合物乳膠粉改性的水泥基泡沫材料在受到?jīng)_擊荷載作用時，材料內(nèi)部伴隨著復雜的壓縮、拉伸及剪切作用。在材料內(nèi)部裂紋、孔壁破損等缺陷處首先達到應力破壞臨界值。當沖擊荷載達到孔壁的斷裂強度時，孔壁發(fā)生脆性斷裂，并形成新的裂紋。重復性沖擊作用下，造成孔壁斷裂累加，最終導致試件破碎。

可再分散乳膠粉遇水后可形成聚合物分散體[8]。含聚合物乳膠粉的水泥基泡沫材料，隨著水泥水化反應的進行，體系中的水分因水化消耗以及蒸發(fā)逸失而逐漸減少，聚合物顆粒不斷析出、凝聚形成具有粘結性和彈塑性的聚合物網(wǎng)絡結構[16]。因聚合物成膜與水泥水化同時進行，聚合物與水泥水化產(chǎn)物形成的網(wǎng)絡結構相互融合、共生，最終形成了具有一定韌性的有機-無機復合結構，見圖6。

圖6 聚合物膜與水泥形成的復合結構

隨著聚合物含量的增加，在形成交互穿插的有機-無機復合結構外，聚合物顆粒會在泡沫材料孔壁表面富集，并最終形成連續(xù)的聚合物膜，見圖7。

圖7 孔壁上的聚合物膜

經(jīng)聚合物改性的水泥基泡沫材料，因其孔壁為有機-無機復合結構，在沖擊荷載作用過程中，材料破壞呈現(xiàn)彈塑性特征。在受到落球沖擊作用時，部分沖擊能量轉化為彈性能，并且聚合物含量越多彈性能轉化越多，只有剩余的部分能量轉化為斷裂能。在累次沖擊作用下，當沖擊荷載最終超過孔壁的斷裂強度時，孔壁發(fā)生斷裂、坍塌，此時累積作用在材料上的沖擊能，幾乎全部轉化彈性能和斷裂能，材料體對沖擊能的吸收達到極限，在宏觀上表現(xiàn)為開裂。

對于材料吸能性，Miltz J.[17]采用吸能效率進行評價，即：

E=w/σm

(2)

經(jīng)聚合物乳膠粉改性的水泥基泡沫材料，由于能夠產(chǎn)生彈塑性變形，在受到?jīng)_擊荷載作用時所發(fā)生的應變較大，并且其中的彈性應變在作用力消失后可以恢復，其吸能量和吸能效率均遠大于脆性水泥基泡沫材料。因此，在聚合物乳膠粉改性作用下，形成了有機-無機復合結構的孔壁以及聚合物膜，使得水泥基泡沫材料具有脆性低、韌性高的特點，材料抵抗動態(tài)沖擊荷載作用的能力顯著改善。

3 結 論

1)采用物理引氣法，以可再分散乳膠粉為聚合物改性組分、快硬硫鋁酸鹽水泥為基體材料，制備出了孔隙率大于90%，導熱系數(shù)小于0.05 W/(m·K)的水泥基泡沫材料。

2)材料的抗壓強度在聚合物乳膠粉改性作用下有所提高，但并不隨聚合物摻量增大線性增大，而是先增大后減小，在P/C為0.1時，抗壓強度最大。

3)經(jīng)聚合物改性后，水泥基泡沫材料的抗沖擊韌性顯著提高，并且材料的抗沖擊韌性隨P/C的增大而增大。當P/C由0增大至0.33時，試件的沖擊能耗由6.64 N·m增大至16.09 N·m，提高了142.3%。

4)聚合物與水泥水化產(chǎn)物相互融合、共生，形成具有一定彈塑性的有機-無機復合結構，并且聚合物在孔壁表面富集成膜，受到?jīng)_擊荷載作用時，能夠有效地將沖擊能量轉化為彈性能和斷裂能，從而提高了水泥基泡沫材料的抗沖擊韌性。

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