【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 孔直徑一定的情況下，氣泡核的數(shù)量越多，泡孔的密度越大，發(fā)泡倍率越高。一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)典成核理論是較為成熟的成核理論，應(yīng)用較為普遍，尤其在塑料和橡膠工業(yè)最為廣泛應(yīng)用，在建材行業(yè)應(yīng)用較少，多為借鑒塑料發(fā)泡過(guò)程來(lái)研究泡體第 1 章 綜述 7 在水泥漿體中成核特點(diǎn)。成核具體過(guò)程 :一方面在成核點(diǎn)處，漿體混合液對(duì)于氣體變得過(guò)飽和而不能在混合物中保持過(guò)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(guò)程中伴隨著熱量的產(chǎn)生，形成大量熱點(diǎn)，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(guò)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(zhǎng) 氣泡核形成后，氣泡內(nèi)氣壓較高，明顯大于氣泡核外的壓力，氣泡核將開(kāi)始膨脹生長(zhǎng)，氣泡內(nèi)壓也隨之降低，打破了原有的熱力學(xué)平衡。氣泡壁附近形成濃度梯度，周圍的氣體向氣泡擴(kuò)散，建立新的熱力學(xué)平衡。在氣體流動(dòng)過(guò)程中外界作用于氣泡的的壓力不斷減小，氣泡就會(huì)不斷長(zhǎng)大。氣泡生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)以下兩種情況之一，氣泡就會(huì)停止生長(zhǎng) ： 一是氣泡的內(nèi)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(qiáng)度時(shí)，即使被周圍殼體包圍住的氣泡內(nèi)氣體的濃度繼續(xù)增加，氣泡內(nèi)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(zhǎng)過(guò)程至此結(jié)束。第一種情況是理論上的氣泡生長(zhǎng)過(guò)程，實(shí)際上不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)氣泡內(nèi)壓等于氣泡外壓時(shí)，氣泡的體積相當(dāng)大，及其不穩(wěn)定而破裂。第二種情況相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，在理想狀況下，氣泡核的生長(zhǎng)過(guò)程的時(shí)間恰好等于漿體混合物的初凝時(shí)間，此時(shí)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(guò)程，實(shí)際上就是指氣泡壁的固化定型。一般是采用冷卻、交聯(lián)或其它方法都可以增加周圍漿體的粘度，使其失去流動(dòng)性，固化定型。泡孔膨脹生長(zhǎng)至氣泡的溫定 固化是個(gè)極其復(fù)雜過(guò)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(zhǎng)過(guò)快，發(fā)生氣泡的合并、破裂和氣體逃逸現(xiàn)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(shí)間內(nèi)有足夠的強(qiáng)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(guò)程都需要一定的環(huán)境，比如 pH 值， t 等。通過(guò)調(diào)節(jié) pH 值來(lái)控制發(fā)泡劑的發(fā)泡速率，進(jìn)而控制氣泡的生長(zhǎng)速度； ③ 控制氣泡壁的固化時(shí)間，當(dāng)氣泡達(dá)到發(fā)泡前設(shè)定的發(fā)泡倍數(shù)時(shí)，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(xué) 發(fā)泡水泥 通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在新拌料漿中產(chǎn)生氣體，這與加氣混凝土非常類似，但化學(xué) 發(fā)泡水泥 中的氣孔獨(dú)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(kāi)始即持續(xù)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)的進(jìn)行，氣源周圍局部區(qū)域逐漸22222 大學(xué)材 222 學(xué)院 8 產(chǎn)生氣壓，作用在彈 塑 黏性料漿上。當(dāng)氣體壓力引起的剪切應(yīng)力尚未超過(guò)料漿的極限剪切應(yīng)力時(shí)，料漿不會(huì)產(chǎn)生膨脹。但隨著分解反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，生成的 氣體量逐漸增多，氣體壓力逐漸增大；當(dāng)生成氣體的氣體壓力引起的剪切應(yīng)力大于料漿的極限剪切應(yīng)力時(shí)，氣源尺寸增大，形成氣泡，料漿開(kāi)始膨脹化學(xué) 發(fā)泡水泥可以成型的關(guān)鍵在于使發(fā)泡劑發(fā)泡的速率與料漿凝結(jié)硬化速率相一致，達(dá)到一種動(dòng)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(chǎn)生氣體，形成無(wú)數(shù)獨(dú)立的氣源；隨后，當(dāng)氣源處氣體壓力大于料漿的極限剪切應(yīng)力（粘滯阻力和靜水壓力之和）時(shí)，氣源開(kāi)始加速膨脹，形成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的氣泡；在氣源膨脹的過(guò)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(shí)， 因?yàn)榉磻?yīng)物質(zhì)的消耗，膨脹的潛在動(dòng)力也在變小，由此，膨脹經(jīng)歷了一個(gè)從加速到平緩、減慢，并逐漸趨近于停滯的過(guò)程。最終，膨脹結(jié)束后， 發(fā)泡水泥 發(fā)泡完成，進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)。 從上述氣泡形成機(jī)理可以看出，如果發(fā)泡過(guò)快或發(fā)泡量過(guò)大，而料漿硬化速率偏低， 發(fā)泡水泥 中往往會(huì)形成串孔，甚至生成的氣體會(huì)沖破料漿表面，在硬化后試件上部造成開(kāi)口大孔；或是由于料漿長(zhǎng)時(shí)間不硬化，起初形成的試件最終出現(xiàn)塌模的現(xiàn)象。如果發(fā)泡過(guò)慢，而料漿迅速硬化，往往會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡量太小，得到的 發(fā)泡水泥 試件達(dá)不到相應(yīng)的容重和保溫要求。此外，化學(xué)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(shí)，如何使化學(xué)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(zhì)優(yōu)良的化學(xué) 發(fā)泡水泥 的又一個(gè)關(guān)鍵因素。 植物纖維泡沫混凝土的現(xiàn)狀 20 世紀(jì)初期開(kāi)始用天然的有機(jī)纖維做水泥增強(qiáng)材料。在 70 年代后期研究發(fā)現(xiàn)石棉有害于人體，開(kāi)始尋找可以替代石棉的纖維以生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品。有些歐洲國(guó)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(chǎn)纖維水泥板，對(duì)這些使用 30 年以上的制品檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，制品 仍然完好并保持一定的強(qiáng)度。后來(lái)有不同的國(guó)家用木漿纖維替代石棉生產(chǎn)非石棉纖維水泥。生產(chǎn)工藝有抄取法、馬楊尼法與注射法等。采取當(dāng)基材為 100%波特蘭水泥時(shí)采用空氣養(yǎng)護(hù)或一般的蒸汽養(yǎng)護(hù)的養(yǎng)護(hù)方法。自 1981 年起澳大利亞的 James Hardie 公司生產(chǎn)壓蒸的木纖維增強(qiáng)水泥，除在本國(guó)、新西蘭生產(chǎn)此種制品外，己經(jīng)向美國(guó)以及亞洲與非洲的某些國(guó)家推廣此項(xiàng)技術(shù)。作為水泥基增強(qiáng)材的天然植物纖維，近年來(lái)使用較多的是只經(jīng)過(guò)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(kāi)發(fā)用竹筋代 替鋼筋增強(qiáng)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(xì)竹，另一種煙熏的劈裂條。增強(qiáng)的混凝土抗彎強(qiáng)度提高了很多，且這種竹筋混凝土材料質(zhì)輕、防腐。中國(guó)的廣西、廣東和福建地區(qū)也是植物纖維的盛產(chǎn)地 [16]，在植物纖維在水泥基復(fù)合材料中的開(kāi)發(fā)許多學(xué)者也進(jìn)行探索。山東建材學(xué)院鄒惟前 [17]，香港理工大學(xué)葉穎薇 [18]均研制開(kāi)發(fā)了性能優(yōu)異的植物纖維水泥復(fù)合板，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。 植物纖維增強(qiáng)混凝土的研究，特別是纖維資源缺乏的發(fā)展中國(guó)家有很大的吸引力，但由于此種材料存在耐久性問(wèn)題，其復(fù)合材料的性能隨時(shí)間延長(zhǎng)而有較大幅度 的下降，故至今未能進(jìn)入規(guī)?；墓I(yè)生產(chǎn)，也沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。 課題的來(lái)源 根據(jù)國(guó)家“十一五”節(jié)能發(fā)展綱要，重點(diǎn)節(jié)能領(lǐng)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(dāng)其沖。據(jù)介紹，我國(guó)建筑能耗指標(biāo)偏高，達(dá)同環(huán)境國(guó)外能耗指標(biāo)的 2～ 3 倍，建筑能耗占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總能耗的 %，按目前的建筑發(fā)展速度計(jì)算，預(yù)計(jì) 2020 年該值將達(dá)到 35%[19]。因此，為了能夠在 21世紀(jì)快速平穩(wěn)發(fā)展，對(duì)于我國(guó)墻體材料改革與建筑節(jié)能己成為我國(guó)的基本國(guó)策，研制滿足國(guó)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)每年都有大量的農(nóng)作物秸稈資源剩余 (如表 1. l 為我國(guó)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(dāng)作飼料、肥料，大部分都被在野外就地焚燒，這樣不但浪費(fèi)了資源，而且對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。本課題根據(jù)我國(guó)農(nóng)村具有大量剩余農(nóng)作物秸稈資源的特點(diǎn)，提出了利用農(nóng)作物秸稈纖維資源開(kāi)發(fā)水泥基泡沫材料。 表 歷年秸稈資源的種類數(shù)量 單位：萬(wàn)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(xué)材 222 學(xué)院 10 本課題的意義 解決傳統(tǒng)墻體保溫材料能耗大、危 險(xiǎn)系數(shù)大、對(duì)環(huán)境危害大等不足，同時(shí)解決農(nóng)村大量剩余秸稈無(wú)法合理利用，大量野燒的現(xiàn)狀，減少對(duì)環(huán)境的污染和同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目的。 第 2 章 實(shí)驗(yàn)研究方案 11 第 2章 實(shí)驗(yàn)研究方案 研究?jī)?nèi)容 由于受到季節(jié)以及地區(qū)的限制，實(shí)驗(yàn)只研究稻草秸稈對(duì)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(guò)正交試驗(yàn)，確定纖維加入量的最佳比例，以及水灰比、纖維長(zhǎng)度、發(fā)泡劑的參入量等，確定制品的最佳配合比。分析各個(gè)因素對(duì)制品的密度、強(qiáng)度、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)的影響。 實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線圖 實(shí)驗(yàn)具體技術(shù)路線如圖 ： 圖 實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線圖 實(shí)驗(yàn)研究方法 實(shí)驗(yàn)主要采取設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究分析，確定最佳配合比。 正交實(shí)驗(yàn)概念及意義 在試驗(yàn)研究中 ， 對(duì)于單因素或兩因素試驗(yàn) ， 因其因素少 ， 試驗(yàn)的設(shè)計(jì) 、 實(shí)施與分析都比較簡(jiǎn)單 。 但在實(shí)際工作中 ， 常常需要同時(shí)考察 3 個(gè)或 3 個(gè)以上的試驗(yàn)因素 ， 若進(jìn)行全面試驗(yàn) ， 則試驗(yàn)的規(guī)模將很大 ， 往往因試驗(yàn)條件的限制而難于實(shí)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(hù) 性能檢測(cè) 2222 大學(xué) 222 學(xué)院 12 施 。 正 交 設(shè)計(jì)就是安排多因素試驗(yàn) 、 尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。 正交試驗(yàn)屬于試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的一種。簡(jiǎn)單 地講，試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究如何科學(xué)安排試驗(yàn)，以較少的人力物力消耗而取得較多較全面的信息。試驗(yàn)安排得好，事半功倍；反之則事倍功半，甚至達(dá)不到預(yù)期目的。因此，如何進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是試驗(yàn)優(yōu)化的常用技術(shù)。所謂試驗(yàn)優(yōu)化，是指在最優(yōu)化思想的指導(dǎo)下，進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)的一種優(yōu)化方法。它從不同的優(yōu)良性出發(fā)，合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，有效控制試驗(yàn)干擾，科學(xué)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，全面進(jìn)行優(yōu)化分析，直接實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，已成為現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)的一個(gè)重要方面。正交設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)是：用部分試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，了解 全面試驗(yàn)的情況。 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)稱正交設(shè)計(jì)）的基本程序是設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案和處理試驗(yàn)結(jié)果兩大部分。主要步驟可歸納如下： 第一步：明確試驗(yàn)?zāi)康?，確定考核指標(biāo)。 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(shè)計(jì)； 第五步：確定試驗(yàn)方案； 第六步：試驗(yàn)結(jié)果分析。 研究目標(biāo) 預(yù)期達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)按照 JG/T2662021（如表 21，表 22，表 23），等級(jí)強(qiáng)度 以上，導(dǎo)熱系數(shù)和干密度 A07 以下， 吸水率 W25 以下 [21]。 表 21 泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)和干密度 干密度等級(jí) 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(dǎo)熱系數(shù) / （ W/(m K)） __ __ __ 第 2 章 實(shí)驗(yàn)研究方案 13 表 22 泡沫混凝土吸水率 單位： % 吸水率等級(jí) 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(jí)強(qiáng)度 單位： MPa 等級(jí)強(qiáng)度 C1 C2 C3 C4 C5 C10 C15 C20 強(qiáng)度 每組平均值 單塊最小值 第 3 章 實(shí)驗(yàn)及分析 14 第 3章 實(shí)驗(yàn)及分析 實(shí)驗(yàn)用原材料 （ 1）水稻秸稈 水稻秸稈產(chǎn)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。