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化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土生產(chǎn)缺陷及控制方法研究

2015-12-11 09:19:08吳世興
福建建筑 2015年10期
關(guān)鍵詞:泡孔雙氧水漿料

吳世興

(福建建工集團總公司 福建福州 350001)

近年來,建筑工程的節(jié)能和防火越來越受到關(guān)注。各省市地區(qū)相繼出臺強制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求建筑節(jié)能設(shè)計達到65%,因而對建筑工程的保溫提出了更高的要求。同時,2015年 5月 1日開始實施的GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》提出建筑內(nèi)、外保溫系統(tǒng),宜采用A級燃燒性能的保溫材料,不宜采用B2級保溫材料,嚴(yán)禁采用B3級保溫材料。因此聚苯板、擠塑板、聚氨酯硬泡等有機保溫材料已不適合用在建筑保溫系統(tǒng)中,無機保溫材料是發(fā)展的必然趨勢。泡沫混凝土作為一種兼具保溫和防火功能的無機保溫建筑材料,是唯一可以對建筑的墻體、墻面、屋面和地面進行全方位保溫隔熱處理的材料。

1 泡沫混凝土的化學(xué)發(fā)泡工藝

泡沫混凝土是在膠凝材料、骨料、外加劑和水等制成的料漿中通過物理或化學(xué)的方式引入氣泡,經(jīng)混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護而成的輕質(zhì)多孔混凝土。工廠預(yù)制的泡沫混凝土板材主要以水泥為膠凝材料,以雙氧水為發(fā)泡劑,采用化學(xué)發(fā)泡,干密度一般在300kg/m3以下,導(dǎo)熱系數(shù)小于0.08W/(m·K),主要用作墻體和屋面的保溫材料。

化學(xué)發(fā)泡法主要是通過雙氧水分解產(chǎn)生氧氣引入氣泡,分解方程式如下:

雙氧水分解率會隨溫度升高逐漸增大,且受料漿堿度影響大,在pH值為9左右時達到最大值。水泥水化使料漿呈堿性,同時釋放出熱量,而且水泥成分中含有Fe3+,因而水泥漿料能促進雙氧水的分解,達到發(fā)泡效果。

化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土的生產(chǎn)工藝較為簡單,生產(chǎn)周期短。首先將水泥、外加劑等干料加入攪拌機內(nèi)進行混合均勻,而后加入一定量和一定溫度的水進行攪拌制成漿料,攪拌時間約為3min;隨后在攪拌的同時,快速均勻加入一定量的雙氧水,混合攪拌約10~15s;最后將攪拌均勻的料漿倒入模具內(nèi)發(fā)泡,達到一定強度后即可拆模養(yǎng)護,養(yǎng)護到一定強度后即可切割包裝。化學(xué)發(fā)泡法是通過化學(xué)反應(yīng)引入氣泡,因而氣泡泡壁薄,穩(wěn)定性差,氣泡泡徑影響因素較多,難以控制。相對于物理發(fā)泡,化學(xué)發(fā)泡對于低密度泡沫混凝土的強度、吸水率等性能更為優(yōu)異[1-4]。

2 化學(xué)發(fā)泡泡沫混凝土生產(chǎn)常見缺陷及控制方法

2.1 塌?,F(xiàn)象

泡沫混凝土的塌?,F(xiàn)象是指泡沫混凝土漿料注模成型后由于結(jié)構(gòu)強度不足以支撐整體結(jié)構(gòu)而引起坍塌的現(xiàn)象。在漿料發(fā)泡完成后,泡沫混凝土早期結(jié)構(gòu)是靠泡孔中的氣壓起支撐作用。隨著時間推移,泡孔中氣壓會逐步減弱,此時泡孔壁需具備一定強度來維持整體發(fā)泡結(jié)構(gòu),若在這特定時間內(nèi),孔壁的強度增長太慢,低于孔中壓強的減少值,或受到外力的干擾,整個結(jié)構(gòu)就會造成沉降或塌模。因此,解決塌?,F(xiàn)象的關(guān)鍵在于料漿中雙氧水的發(fā)泡速率與水泥的凝結(jié)硬化速率達到趨于平衡。所謂雙氧水發(fā)泡速率是指從雙氧水均勻分散在料漿中分解發(fā)泡開始,到獨立氣泡形成的速率;料漿水泥凝結(jié)硬化速率是指從水泥水化開始,到料漿失去可塑性,最終形成具有一定強度的水泥石的速率。若兩者速率不一致,雙氧水發(fā)泡速率過快或過慢,就易出現(xiàn)塌?,F(xiàn)象[5-8]。塌模現(xiàn)象將直接導(dǎo)致整塊板材的損壞,屬于泡沫混凝土生產(chǎn)過程比較嚴(yán)重的問題,是在生產(chǎn)前必須要被解決的關(guān)鍵問題。塌模現(xiàn)象可能出現(xiàn)在澆筑早期、澆筑中期和澆筑后期,不同階段出現(xiàn)塌模的原因和解決方法有所不同。本文將分塌模出現(xiàn)的時間(早期塌模、中期塌模、后期塌模)來詳細(xì)分析塌模的原因以及相對應(yīng)的解決方法。

早期塌模一般發(fā)生在料漿澆筑后2到3分鐘內(nèi),此時整個泡沫混凝土結(jié)構(gòu)迅速崩塌發(fā)生過程比較迅速。出現(xiàn)早期塌模時,現(xiàn)象主要表現(xiàn)為泡沫混凝土的發(fā)泡速率很快,泡孔偏大,且漿料偏稀。早期塌模的主要原因是泡沫混凝土漿料稠度過低,氣孔長大過程中受到的剪切壓力過小,以致料漿發(fā)泡速率遠遠大于水泥凝結(jié)硬化速率,氣孔偏大,氣壓小,無法支撐泡孔結(jié)構(gòu),如(圖1)所示。增加漿料稠度,降低漿料發(fā)泡速率是解決早期塌?,F(xiàn)象的主要方法。在生產(chǎn)過程中,一般通過降低水灰比、增加穩(wěn)泡劑用量等方法提高漿料稠度;在漿料稠度適宜的情況下,通過降低漿料堿性和溫度,減少雙氧水用量來降低發(fā)泡速率。

中期塌模一般發(fā)生在料漿澆筑后2min到料漿發(fā)泡過程基本結(jié)束過程。中期塌?,F(xiàn)象主要表現(xiàn)為料漿澆筑后出現(xiàn)嚴(yán)重躥泡,躥泡數(shù)量多且較為集中、氣泡尺寸大。這種躥泡現(xiàn)象會引起大量氣泡的合并、破裂,降低了整個泡孔結(jié)構(gòu)的支撐強度,過一段時間后會出現(xiàn)局部塌陷,最終引起整體塌模,如(圖2)所示。躥泡現(xiàn)象主要是由于料漿發(fā)泡速率與凝結(jié)硬化速率引起的。當(dāng)雙氧水發(fā)泡過快、發(fā)泡不均勻、發(fā)泡量過大或料漿稠化速率偏低時,料漿發(fā)泡過程中氣孔就容易合并,最終沖出料漿表面,出現(xiàn)嚴(yán)重躥泡;而當(dāng)料漿稠化速率過快時,料漿發(fā)泡初期就會受到較大的阻力,發(fā)泡速率慢,但隨著發(fā)氣量的增大,結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣壓不斷增大,最終可能沖出料漿表面,出現(xiàn)輕微躥泡。嚴(yán)重躥泡容易引起中期塌模,而輕微躥泡一般不會對制品產(chǎn)生顯著危害。在生產(chǎn)過程中,對于嚴(yán)重躥泡現(xiàn)象,我們可以通過降低用水溫度和增加料漿稠度來降低雙氧水的發(fā)泡速率,同時延長雙氧水倒入料漿后的攪拌時間,使雙氧水分散均勻。輕微躥泡現(xiàn)象雖一般不會引起塌模,但會影響板材的外觀質(zhì)量,生產(chǎn)上主要通過適當(dāng)降低用水溫度和增加用水量來解決。

后期塌模一般發(fā)生在澆筑完1個半小時到2個小時之間,分為局部塌模(圖3)和整體塌模(圖4)??傮w來說,后期塌模主要是由于料漿凝結(jié)硬化時間偏慢,無法在泡孔失去支撐強度前完成終凝,導(dǎo)致后期整個泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的支撐強度不足。局部塌模是由于泡沫混凝土結(jié)構(gòu)后期局部的塌模而引起整體塌模,主要是由于澆筑不均勻?qū)е屡菽炷两Y(jié)構(gòu)不均勻,料漿凝結(jié)硬化速率慢的部位出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。整體塌模是由于配方和工藝參數(shù)不合理引起泡沫混凝土漿料凝結(jié)硬化速率慢于發(fā)泡速率,引起整體結(jié)構(gòu)的下沉。生產(chǎn)過程中,我們一般通過提高漿料溫度、降低水灰比、促凝劑用量來提高料漿凝結(jié)硬化速率節(jié)。另外,通過增加穩(wěn)泡劑用量來減小孔徑,增加泡孔強度,延長泡孔強度支撐整個結(jié)構(gòu)的時間;提高漿料攪拌和澆筑的均勻性減少局部塌?,F(xiàn)象。

圖1 早期塌模的形貌

圖2 中期塌模的形貌

圖3 后期整體塌模的形貌

圖4 后期局部塌模的形貌

另外,夏天生產(chǎn)時,當(dāng)水泥水化熱過高,會導(dǎo)致氣孔的熱破裂,氣體外泄,引起沉降塌陷,如(圖5、6)所示。此時,通過降低水溫、摻一定量的粉煤灰、換用低水化熱的水泥等措施來降低水泥水化熱,從而解決沉降塌陷問題。另外生產(chǎn)操作不當(dāng)也可能引起塌模。

2.2 開裂現(xiàn)象

圖5 氣孔熱破裂的形貌

圖6 沉降塌陷的形貌

開裂是混凝土常見缺陷,主要是由于溫度和濕度變化引起。在泡沫混凝土生產(chǎn)過程中,由于濕度變化引起的干縮裂縫是較為常見的裂縫,將會在切割過程中產(chǎn)生大量次品。由于在低濕度的環(huán)境中,飽和水泥漿體中水化硅酸鈣(C-S-H)中水分易蒸發(fā),水分在混凝土的遷移,會在漿體中形成一系列的復(fù)雜的凹月面,形成毛細(xì)孔壓力。具體說來,隨著水分的遷移,固體顆粒逐漸靠近,毛細(xì)孔逐漸變細(xì),毛細(xì)孔壓力也隨之增大,從而加快混凝土內(nèi)部水分向外遷移。在大風(fēng)、干燥、高溫天氣或漿料早強過快時,泡沫混凝土面層水分揮發(fā)快且揮發(fā)量大,凝結(jié)硬化速率會大于結(jié)構(gòu)內(nèi)部料漿的凝結(jié)硬化速率,導(dǎo)致泡沫混凝土由外至內(nèi)出現(xiàn)一層硬化梯度,引起結(jié)構(gòu)變形不一致,發(fā)生干燥收縮。泡沫混凝土的干燥收縮表現(xiàn)為在表面層以下三分之一的部位出現(xiàn)了一條水平貫穿性裂紋如(圖7),此外,當(dāng)階段性水化熱釋放過大或水灰比過大會造成收縮性裂紋,表現(xiàn)為橫向的多條裂縫如(圖8),剛成型時沒有裂紋,經(jīng)過幾天表面和內(nèi)心出現(xiàn)龜裂,這是水泥失水過快,造成的收縮開裂,建議陰干,做好養(yǎng)護和澆水,特別是在氣溫高的夏天,不宜將大塊放在室外曝曬[9-11]。對于開裂問題,我們一般通過降低漿料水化熱來減少溫度裂縫,并通過覆蓋薄膜的方式,避免水分蒸發(fā)過快來減少干縮裂縫的出現(xiàn)。

2.3 孔結(jié)構(gòu)不良好

圖7 干燥收縮裂縫的形貌

圖8 塑性收縮裂紋的形貌

泡沫混凝土板材理想的孔結(jié)構(gòu)應(yīng)該是氣孔尺寸均勻且不宜過大,形狀接近球狀,孔壁強度高。泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)不良好直接影響到產(chǎn)品的外觀和保溫性能。在實際生產(chǎn)中,由于水泥結(jié)團、攪拌不充分、漿料太稠等原因,)泡沫混凝土板材內(nèi)部會出現(xiàn)水泥團粒,切割后就會出現(xiàn)大的孔洞;泡沫混凝土在澆筑過程中,由于水料比過大,料漿流動度過大,在發(fā)氣過程中,料漿極限剪切應(yīng)力小導(dǎo)致氣泡小范圍內(nèi)合并,面層會蠶豆大小的氣泡;另外,若雙氧水加入后漿料攪拌不均勻,將會導(dǎo)致孔徑分布不均勻[12-15]。

2.4 發(fā)泡高度不夠

發(fā)泡高度不夠是指料漿澆筑后,發(fā)起的高度未能達到規(guī)定的尺寸,以致切割后板材尺寸不符合要求。料漿發(fā)泡高度不夠的主要原因有:① 雙氧水濃度太低或加入量太少,發(fā)氣量不足從而影響了料漿的發(fā)起效果;②料漿溫度過低,導(dǎo)致雙氧水分解反應(yīng)緩慢,釋放出的氣體大大較少;③料漿太稠,增大了發(fā)泡過程受到的阻力。要使板材的高度符合要求,我們可以針對上述原因來采取對策。

3 總結(jié)

化學(xué)發(fā)泡法泡沫混凝土板材的生產(chǎn)受原材料、工藝等多方面因素的影響,發(fā)泡過程迅速,生產(chǎn)不易控制。塌模、開裂等問題在泡沫混凝土板材過程中較為常見也是必須解決的問題。

1)要解決塌模問題,調(diào)節(jié)雙氧水發(fā)泡速率和漿料稠化速率是關(guān)鍵。需根據(jù)出現(xiàn)塌模的時間,來確定是加快還是減慢漿料稠化速率;

2)要解決開裂問題,保水保濕是關(guān)鍵,特別是在干燥通風(fēng)環(huán)境下。一般可通過及早覆蓋薄膜來減少開裂現(xiàn)象;

3)為了得到良好孔結(jié)構(gòu)的泡沫混凝土,漿料需要攪拌均勻,不能出現(xiàn)粉料結(jié)團或雙氧水?dāng)嚢璨痪鶆虻那闆r;

4)泡沫混凝土的高度可通過多種方式調(diào)節(jié),要根據(jù)實際情況采取適當(dāng)方式。

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