【文章內容簡介】 孔直徑一定的情況下，氣泡核的數量越多，泡孔的密度越大，發(fā)泡倍率越高。一般來說，經典成核理論是較為成熟的成核理論，應用較為普遍，尤其在塑料和橡膠工業(yè)最為廣泛應用，在建材行業(yè)應用較少，多為借鑒塑料發(fā)泡過程來研究泡體第 1 章 綜述 7 在水泥漿體中成核特點。成核具體過程 :一方面在成核點處，漿體混合液對于氣體變得過飽和而不能在混合物中保持過量的氣體，氣體便以微泡的形式析出，形成氣泡核；另一方面，發(fā)泡劑在發(fā)泡過程中伴隨著熱量的產生，形成大量熱點，由于溫度的上升，泡體的表面張力下降，氣體在混合物的溶解度也發(fā)生變化，使得過飽和氣體很容易 形成分散相，即形成氣泡核。 （ 3）氣泡核的生長 氣泡核形成后，氣泡內氣壓較高，明顯大于氣泡核外的壓力，氣泡核將開始膨脹生長，氣泡內壓也隨之降低，打破了原有的熱力學平衡。氣泡壁附近形成濃度梯度，周圍的氣體向氣泡擴散，建立新的熱力學平衡。在氣體流動過程中外界作用于氣泡的的壓力不斷減小，氣泡就會不斷長大。氣泡生長過程中出現以下兩種情況之一，氣泡就會停止生長 ： 一是氣泡的內壓減小到等于氣泡核外的壓力，二是如果氣泡壁逐漸固化定型，并具有一定的強度時，即使被周圍殼體包圍住的氣泡內氣體的濃度繼續(xù)增加，氣泡內的壓力繼 續(xù)增大，但都不能使周圍殼體膨脹爆裂，氣泡的膨脹受到抑制，氣泡的生長過程至此結束。第一種情況是理論上的氣泡生長過程，實際上不會出現，因為當氣泡內壓等于氣泡外壓時，氣泡的體積相當大，及其不穩(wěn)定而破裂。第二種情況相對容易實現，在理想狀況下，氣泡核的生長過程的時間恰好等于漿體混合物的初凝時間，此時泡體直徑、密度及發(fā)泡倍率最為理想。 （ 4）氣泡的穩(wěn)定固化 氣泡的穩(wěn)定固化是一物理過程，實際上就是指氣泡壁的固化定型。一般是采用冷卻、交聯或其它方法都可以增加周圍漿體的粘度，使其失去流動性，固化定型。泡孔膨脹生長至氣泡的溫定 固化是個極其復雜過程，氣泡與漿體混合液組成的共存物是不穩(wěn)定的，泡孔可能繼續(xù)膨脹至固化定型，也可能因氣泡生長過快，發(fā)生氣泡的合并、破裂和氣體逃逸現象。為防止氣泡合并、破裂和逃逸，通常做法是 :① 可以提高漿體混合液的粘性和韌性，使得氣泡壁在最短的時間內有足夠的強度和韌性而不發(fā)生氣泡破裂； ② 控制氣泡的膨脹速度，發(fā)泡劑的發(fā)泡過程都需要一定的環(huán)境，比如 pH 值， t 等。通過調節(jié) pH 值來控制發(fā)泡劑的發(fā)泡速率，進而控制氣泡的生長速度； ③ 控制氣泡壁的固化時間，當氣泡達到發(fā)泡前設定的發(fā)泡倍數時，要迅速將氣泡壁固化； ④ 提高漿體混合液 中氣泡壁的的固化速度。 化學 發(fā)泡水泥 通過化學反應在新拌料漿中產生氣體，這與加氣混凝土非常類似，但化學 發(fā)泡水泥 中的氣孔獨立封閉存在，又與后者顯著不同。 發(fā)泡水泥 的料漿屬于彈 塑 黏性體系。加入雙氧水發(fā)泡劑后的料漿在從攪拌開始即持續(xù)發(fā)生化學反應，析出氫氧化鈣，料漿體系為堿性環(huán)境。雙氧水在堿性環(huán)境中分解，放出氣體，形成大量均勻散布的氣源。隨著分解反應的進行，氣源周圍局部區(qū)域逐漸22222 大學材 222 學院 8 產生氣壓，作用在彈 塑 黏性料漿上。當氣體壓力引起的剪切應力尚未超過料漿的極限剪切應力時，料漿不會產生膨脹。但隨著分解反應的繼續(xù)進行，生成的 氣體量逐漸增多，氣體壓力逐漸增大；當生成氣體的氣體壓力引起的剪切應力大于料漿的極限剪切應力時，氣源尺寸增大，形成氣泡，料漿開始膨脹化學 發(fā)泡水泥可以成型的關鍵在于使發(fā)泡劑發(fā)泡的速率與料漿凝結硬化速率相一致，達到一種動態(tài)的平衡。首先，發(fā)泡劑均勻分散在料漿中，在激發(fā)劑的作用下不斷產生氣體，形成無數獨立的氣源；隨后，當氣源處氣體壓力大于料漿的極限剪切應力（粘滯阻力和靜水壓力之和）時，氣源開始加速膨脹，形成一個個獨立的氣泡；在氣源膨脹的過程中，由于膠凝材料水化，料漿稠度不斷增加，造成膨脹所要克服的阻力不斷增大，同時， 因為反應物質的消耗，膨脹的潛在動力也在變小，由此，膨脹經歷了一個從加速到平緩、減慢，并逐漸趨近于停滯的過程。最終，膨脹結束后， 發(fā)泡水泥 發(fā)泡完成，進行常溫養(yǎng)護。 從上述氣泡形成機理可以看出，如果發(fā)泡過快或發(fā)泡量過大，而料漿硬化速率偏低， 發(fā)泡水泥 中往往會形成串孔，甚至生成的氣體會沖破料漿表面，在硬化后試件上部造成開口大孔；或是由于料漿長時間不硬化，起初形成的試件最終出現塌模的現象。如果發(fā)泡過慢，而料漿迅速硬化，往往會導致發(fā)泡量太小，得到的 發(fā)泡水泥 試件達不到相應的容重和保溫要求。此外，化學發(fā)泡形成的氣泡不同于物理 發(fā)泡用表面活性劑制成的氣泡，其在空氣和料漿中的穩(wěn)定性都大大劣于后者，因此，在保證料漿合適硬化速率的同時，如何使化學方法生成的氣泡穩(wěn)定存在于料漿中，不致逸出或彼此串通，是制備性質優(yōu)良的化學 發(fā)泡水泥 的又一個關鍵因素。 植物纖維泡沫混凝土的現狀 20 世紀初期開始用天然的有機纖維做水泥增強材料。在 70 年代后期研究發(fā)現石棉有害于人體，開始尋找可以替代石棉的纖維以生產非石棉纖維水泥制品。有些歐洲國家 (如挪威 )用木漿纖維替代部分或全部石棉在工藝線上生產纖維水泥板，對這些使用 30 年以上的制品檢驗中發(fā)現，制品 仍然完好并保持一定的強度。后來有不同的國家用木漿纖維替代石棉生產非石棉纖維水泥。生產工藝有抄取法、馬楊尼法與注射法等。采取當基材為 100%波特蘭水泥時采用空氣養(yǎng)護或一般的蒸汽養(yǎng)護的養(yǎng)護方法。自 1981 年起澳大利亞的 James Hardie 公司生產壓蒸的木纖維增強水泥，除在本國、新西蘭生產此種制品外，己經向美國以及亞洲與非洲的某些國家推廣此項技術。作為水泥基增強材的天然植物纖維，近年來使用較多的是只經過粗加工或未加工的原料，如稻草、蘆葦、竹子等。 日本的 Tosho Moruma 公司則致力于開發(fā)用竹筋代 替鋼筋增強混凝土。有兩第 1 章 綜述 9 種品種，一種是是天然干燥的完整細竹，另一種煙熏的劈裂條。增強的混凝土抗彎強度提高了很多，且這種竹筋混凝土材料質輕、防腐。中國的廣西、廣東和福建地區(qū)也是植物纖維的盛產地 [16]，在植物纖維在水泥基復合材料中的開發(fā)許多學者也進行探索。山東建材學院鄒惟前 [17]，香港理工大學葉穎薇 [18]均研制開發(fā)了性能優(yōu)異的植物纖維水泥復合板，取得了較大的經濟效益。 植物纖維增強混凝土的研究，特別是纖維資源缺乏的發(fā)展中國家有很大的吸引力，但由于此種材料存在耐久性問題，其復合材料的性能隨時間延長而有較大幅度 的下降，故至今未能進入規(guī)模化的工業(yè)生產，也沒有得到廣泛應用。 課題的來源 根據國家“十一五”節(jié)能發(fā)展綱要，重點節(jié)能領域是建筑節(jié)能、工業(yè)節(jié)能、交通節(jié)能，消耗量巨大的建筑能耗首當其沖。據介紹，我國建筑能耗指標偏高，達同環(huán)境國外能耗指標的 2～ 3 倍，建筑能耗占國民經濟總能耗的 %，按目前的建筑發(fā)展速度計算，預計 2020 年該值將達到 35%[19]。因此，為了能夠在 21世紀快速平穩(wěn)發(fā)展，對于我國墻體材料改革與建筑節(jié)能己成為我國的基本國策，研制滿足國家建筑節(jié)能規(guī)范的新型墻體材料 ,成為材料科研工作者的 新的使命。 調查發(fā)現，我國每年都有大量的農作物秸稈資源剩余 (如表 1. l 為我國從 1991 年至 2021 年的秸稈資源列表 )[20]。這些秸稈，除了少部分被當作飼料、肥料，大部分都被在野外就地焚燒，這樣不但浪費了資源，而且對自然環(huán)境造成了嚴重的污染。本課題根據我國農村具有大量剩余農作物秸稈資源的特點，提出了利用農作物秸稈纖維資源開發(fā)水泥基泡沫材料。 表 歷年秸稈資源的種類數量 單位：萬噸 年份 秸稈 總量 稻谷 小麥 玉米 其他 雜糧 薯類 豆類 油料 麻料 糖類 棉花 1991 62420 18381 13433 19755 1712 1358 1871 3277 88 842 1703 1995 68026 18523 14309 22397 1670 1631 2681 4501 90 794 1430 2021 68017 18791 13949 21200 1168 1843 3015 5910 53 764 1325 2021 67933 17758 13142 22818 1098 1782 3079 5730 68 866 1597 2021 69131 17454 12641 24262 1185 1833 3362 5794 96 1025 1475 2021 65549 16066 12108 23166 1131 1757 3191 5622 85 964 1458 2021 72084 17909 12873 26057 1025 1779 3348 6132 107 957 1897 2021 74505 18059 13642 27873 1036 1734 3237 6154 110 945 1714 22222 大學材 222 學院 10 本課題的意義 解決傳統(tǒng)墻體保溫材料能耗大、危 險系數大、對環(huán)境危害大等不足，同時解決農村大量剩余秸稈無法合理利用，大量野燒的現狀，減少對環(huán)境的污染和同時達到節(jié)能減排的目的。 第 2 章 實驗研究方案 11 第 2章 實驗研究方案 研究內容 由于受到季節(jié)以及地區(qū)的限制，實驗只研究稻草秸稈對泡沫混凝土性能的影響。 在泡沫混凝土中加入纖維，研究植物纖維泡沫混凝土的成型工藝。通過正交試驗，確定纖維加入量的最佳比例，以及水灰比、纖維長度、發(fā)泡劑的參入量等，確定制品的最佳配合比。分析各個因素對制品的密度、強度、吸水率、導熱系數的影響。 實驗技術路線圖 實驗具體技術路線如圖 ： 圖 實驗技術路線圖 實驗研究方法 實驗主要采取設計正交實驗進行研究分析，確定最佳配合比。 正交實驗概念及意義 在試驗研究中 ， 對于單因素或兩因素試驗 ， 因其因素少 ， 試驗的設計 、 實施與分析都比較簡單 。 但在實際工作中 ， 常常需要同時考察 3 個或 3 個以上的試驗因素 ， 若進行全面試驗 ， 則試驗的規(guī)模將很大 ， 往往因試驗條件的限制而難于實水稻秸稈 剪切成段 清洗 干燥 備用 水泥 減水劑 水、氯化鐵 秸稈 漿體 纖維混合漿體 雙氧水 攪拌120 秒 攪 拌10 秒 澆筑 養(yǎng)護 性能檢測 2222 大學 222 學院 12 施 。 正 交 設計就是安排多因素試驗 、 尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗設計方法。 正交試驗屬于試驗設計方法的一種。簡單 地講，試驗設計是研究如何科學安排試驗，以較少的人力物力消耗而取得較多較全面的信息。試驗安排得好，事半功倍；反之則事倍功半，甚至達不到預期目的。因此，如何進行試驗設計是一個至關重要的問題。正交試驗設計是試驗優(yōu)化的常用技術。所謂試驗優(yōu)化，是指在最優(yōu)化思想的指導下，進行最優(yōu)設計的一種優(yōu)化方法。它從不同的優(yōu)良性出發(fā)，合理設計試驗方案，有效控制試驗干擾，科學處理試驗數據，全面進行優(yōu)化分析，直接實現優(yōu)化目標，已成為現代優(yōu)化技術的一個重要方面。正交設計的基本特點是：用部分試驗來代替全面試驗，通過對部分試驗結果的分析，了解 全面試驗的情況。 正交實驗設計的基本步驟 正交試驗設計（簡稱正交設計）的基本程序是設計試驗方案和處理試驗結果兩大部分。主要步驟可歸納如下： 第一步：明確試驗目的，確定考核指標。 第二步：挑因素，選水平； 第三步：選擇合適的正交表； 第四步：行表頭設計； 第五步：確定試驗方案； 第六步：試驗結果分析。 研究目標 預期達到的技術指標按照 JG/T2662021（如表 21，表 22，表 23），等級強度 以上，導熱系數和干密度 A07 以下， 吸水率 W25 以下 [21]。 表 21 泡沫混凝土導熱系數和干密度 干密度等級 A03 A04 A05 A06 A07 A08 A09 A10 A12 A14 A16 干密度 / （ kg/m3） 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1400 1600 導熱系數 / （ W/(m K)） __ __ __ 第 2 章 實驗研究方案 13 表 22 泡沫混凝土吸水率 單位： % 吸水率等級 W5 W10 W15 W20 W25 W30 W40 W50 吸水率 5 10 15 20 25 30 40 50 表 23 泡沫混凝土等級強度 單位： MPa 等級強度 C1 C2 C3 C4 C5 C10 C15 C20 強度 每組平均值 單塊最小值 第 3 章 實驗及分析 14 第 3章 實驗及分析 實驗用原材料 （ 1）水稻秸稈 水稻秸稈產地灤南，主要成分包括：灰分、綜纖維素、木素、戊聚糖。 （ 2）水泥 冀東水泥有限公司 普通硅酸鹽水泥。