基于高寒地区化学发泡泡沫混凝土制备探究★

宋博文 张 存 邱斌雨 张 雷

(西藏大学农牧学院，西藏 林芝 860000)

·建筑材料及应用·

基于高寒地区化学发泡泡沫混凝土制备探究★

宋博文 张 存 邱斌雨 张 雷

(西藏大学农牧学院，西藏 林芝 860000)

为了在西藏高寒地区制备轻质高强的泡沫混凝土，探究了泡沫混凝土配合比设计和其中各掺量的定量控制，结果表明在该地区双氧水制备氧气的产率为55.7%；高锰酸钾的最适掺量为1.2%；随着稳泡剂掺量的增加最终发泡高度呈下降趋势；随着双氧水的加入量的增加泡沫混凝土的干密度呈先下降后小幅度上升的趋势；以双氧水作为发泡剂制备泡沫混凝土的富余系数最适参数应在12.5～13.2之间。

泡沫混凝土，配合比设计，双氧水，高锰酸钾，稳泡剂

泡沫混凝土是将泡沫剂水溶液制成的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、浇筑成型、养护而成的一种轻质多孔建筑材料[1]。近年来，随着我国墙体材料的改革与建筑节能政策的推行，节能型材料的开发和应用受到越来越多的关注，泡沫混凝土正是体现了发展节能、利废、保温、轻质、隔热等性能的一种材料[2]。相比之下,西藏的泡沫混凝土生产工艺还不成熟，严重影响了泡沫混凝土的质量及应用。西藏地区特有的高海拔、低气压、温度低、昼夜温差大等气候条件可能使得泡沫混凝土的配合比与平原地区存在差异，因此，在西藏高寒地区探究用化学发泡法制备泡沫混凝土是必要的。本文在大量实验研究基础上，探究了在西藏高寒地区用化学发泡法制备泡沫混凝土的最佳配合比，基于目前泡沫混凝土应用于承重结构的较少，特对干密度在800 kg/m3以上承重型泡沫混凝土的配合比进行设计，以期对泡沫混凝土在西藏地区的生产和质量控制提供参考。

1 试验原材料和方法

1.1 原材料

1)胶凝材料:P.O42.5普通硅酸盐水泥(西藏高争建材股份有限公司产)；一级粉煤灰(德令哈市广远再生资源利用有限公司产)；石粉(西藏林芝多多石料有限公司产)；2)发泡剂:30%浓度的H2O2(郑州惠泽生化科技有限公司产)；3)其他组分:UNF-1萘系高效减水剂(西藏五色石建材有限公司产)；复合稳泡剂；高锰酸钾(商丘市光源消毒产品有限公司产)。

1.2 泡沫混凝土制备工艺

1)按设计的配合比称取胶凝材料、稳泡剂、高锰酸钾，量取水、H2O2溶液、减水剂。2)制备砂浆。将称取的稳泡剂和高锰酸钾溶于量取的水溶液中，用玻璃棒搅拌均匀。用砂浆搅拌机先将干料搅拌60 s，再将制备好的稳泡剂和高锰酸钾的水溶液倒入搅拌均匀的干料中，先低速搅拌60 s，再高速搅拌30 s。3)制备泡沫混凝土。将量取的H2O2溶液加入到制备好的水泥砂浆中，低速搅拌20 s，使发泡剂均匀的分散在水泥砂浆中，立刻浇筑于100 mm×100 mm×100 mm模具中，并记录浆体发泡高度和发泡时间。养护环境湿度100%、温度25 ℃,成型后带模养护24 h,到达预定养护龄期3 d前取出试件置入120 ℃烘箱连续烘干3 d后立即测定密度[3]。绝干密度测试方法按JC/T 1026—2007泡沫混凝土砌块进行。

2 双氧水制取氧气的产率计算

2.1 试验原理与方法

双氧水是过氧化氢气体的H2O2水溶液，无色透明液体，可以与众多物质发生氧化还原反应放出气体。试验中利用了双氧水作为还原剂，与高锰酸钾溶液反应放出氧气，同时反应生成物之一二氧化锰作为催化剂，还可以促使双氧水分解，反应过程如式(1)和式(2)所示[4]。

2KMnO4+3H2O2→2MnO2+2KOH+3O2↑+2H2O

(1)

(2)

氧气的产量直接通过方程计算不可行，特采用排水法收集氧气的方法来计算双氧水制取氧气的产率，试验简图如图1所示。

2.2 试验结果

试验结果如表1所示。

表1 双氧水制备O2量记录表

2.3 双氧水的产率计算

标准的大气压：P1=1.01×105Pa。

西藏林芝地区的大气压：P1=7.01×104Pa。

1 mol气体在标准状况下的体积：V1=22.4 L。

根据气压换算方程:P1×V1=P2×V2。

林芝地区1 mol O2的体积V2:

根据表1的试验结果可以计算出1 mol双氧水与高锰酸钾反应制取氧气体积V3:

双氧水的产率α：

3 高锰酸钾对发泡时间的影响

当泡沫混凝土中发泡剂的掺量不变时，高锰酸钾是影响泡沫混凝土发泡速率的主要因素。图2是高锰酸钾的不同掺量对泡沫混凝土发泡高度和时间的影响曲线。从图中可以看出，在发泡初期，发泡速率较快，在发泡后期，发泡速率较慢；随着反应时间的增加，发泡速率越来越慢。主要原因有两个：1)双氧水在加入水泥砂浆后，最开始进行的是双氧水与高锰酸钾的反应(即第一阶段的反应)，高锰酸钾比双氧水的氧化性更强，双氧水只能作为还原剂，因此第一阶段的反应比较剧烈；当高锰酸钾反应完全后，双氧水开始与二氧化锰反应(即第二阶段的反应)，在第二阶段中双氧水既是氧化剂又是还原剂，反应的程度没有第一阶段的剧烈，致使反应速率减缓，使泡沫混凝土的发泡速率降低。2)随着反应的进行双氧水的浓度逐渐减少，使反应的速率降低。随着高锰酸钾掺量的减少，泡沫混凝土的发泡时间在逐渐增加。原因分析：在双氧水总的掺入量不变的条件下，随着高锰酸钾掺量的减少，反应进程中进行第一阶段反应的时间变短，第一阶段反应所消耗的双氧水就减少，使更多的双氧水留在第二阶段反应，因而进行第二阶段反应的时间将变长，使混凝土的发泡时间增加。当高锰酸钾掺量为3.0%时，发泡时间在2 min左右，泡沫混凝土的发泡时间太短暂，不利于装模。因为在装模时对泡沫混凝土的扰动较大，使泡沫混凝土的气孔遭受破坏，又因反应停止使气孔无法恢复。当高锰酸钾掺量为1.0%时，泡沫混凝土的发泡高度有所降低，不宜采用。当高锰酸钾的掺量为1.2%时，发泡时间为9 min左右，发泡高度为15 cm左右，因此高锰酸钾掺量选为1.2%较为合适。

4 稳泡剂对发泡高度的影响

图3是稳泡剂对泡沫混凝土发泡高度的影响。从图3可以分析出，当不掺稳泡剂的时候，发泡高度较掺加稳泡剂组的高。这是由于净水泥砂浆的粘滞性较掺入稳泡剂的水泥砂浆的粘滞性小，发泡时克服的粘滞力较小，因而会产生较大的发泡高度，但是在发泡后期存在塌模现象，对泡沫混凝土的稳定性不利。稳泡剂掺量从0.01%～0.15%变化时，发泡高度随稳泡剂的增加而呈现减小的趋势，从试块的横、纵断截面可以看出，随着稳泡剂掺量的增加，泡沫混凝土中形成的气孔直径和不均匀性呈现增大的趋势。这是由于随着稳泡剂掺量的增加，水泥砂浆的粘性增大，产生气泡液膜的强度和弹性增大，气泡内的氧气必然增加，增加的氧气将产生更大的表面张力，增大的表面张力使气泡变得更大，从而使气泡呈现增大的趋势。

5 引气剂对设计干密度的影响

图4是掺入不同浓度的双氧水对泡沫混凝土干密度的影响曲线。从图中可以看出随着双氧水掺入量的增加，泡沫混凝土的干密度呈现出先减小，后又小幅度增加的现象；双氧水是影响泡沫混凝土干密度的主要因素。原因是随着双氧水掺入量的增加，产生氧气的体积不断增大，从而使水泥砂浆中滞留的氧气增加，导致泡沫混凝土的孔隙率增大，使泡沫混凝土的干密度降低；后又小幅度增加的原因是在双氧水掺入量过大，泡沫混凝土在后期发泡的情况下，会存在塌模的情况，使泡沫混凝土的气孔遭到破坏，泡沫混凝土的体积变小，从而导致泡沫混凝土的干密度增大，但这种增加的幅度是有限的。

图4中，富余系数为K>1，主要考虑双氧水制取的氧气不能全部被包裹到水泥浆体中而形成损失,具体的关系请看本文6.2部分。

6 泡沫混凝土配合比

6.1 配合比设计的基本原则

本配合比设计是在李应权等[5]通过确定泡沫混凝土的干密度，达到控制泡沫混凝土强度为目的的基础上，用水泥—粉煤灰—石粉—泡沫—水为原料体系制备干密度在800 kg/m3以上的化学发泡泡沫混凝土，基本原则如下：

1)按泡沫混凝土干密度要求,确定水泥、粉煤灰、石粉用量；2)通过水泥、粉煤灰、石粉用量,确定泡沫混凝土用水量；3)按照胶凝材料、用水量,确定水泥净浆体积；4)通过水泥净浆体积,确定泡沫空隙的体积；5)按泡沫空隙的体积,确定所需的氧气体积；6)根据氧气的体积和西藏林芝地区双氧水制取氧气的产率,确定双氧水的用量；7)计算添加剂的量。

6.2 试配干密度在800 kg/m3以上的泡沫混凝土

在粉煤灰占干粉料总量的25%，石粉占干料总量的10%情况下，生产1 m3的干密度为800 kg/m3泡沫混凝土的配比计算如下：

普通水泥、粉煤灰、石粉总质量：

Mc+Mfa+Ms=800/1.2=666.7 kg。

粉煤灰质量：

Mfa=0.25×667=166.7 kg。

石粉的质量：

Ms=0.1×667=66.7 kg。

普通水泥质量：

Mc=667-167-66.7=433.3 kg。

用水量：

Mw=φ×(Mc+Mfa+Ms)=0.4×666.7=266.7 kg。

净浆体积：

V1=Mfa/ρfa+Mc/ρc+Ms/ρs+Mw/ρw=166.7/2 600+433.3/3 100+66.7/2 800+266.7/1 000=0.494 m3。

泡沫体积(图4采用内插法可计算出ρ干=800 kg/m3对应的富余系数K在12.5～13.2之间，初选K=12.5)：

V2=K×(1-V1)=12.5×(1-0.494)=6.320 m3。

根据双氧水与高锰酸钾反应制取氧气的产率为55.7%，可计算出在西藏林芝地区1 mL双氧水可以产生165 mL左右的氧气，则双氧水的体积：

VH2O2=V2×106÷165=38 305.8 mL≈38.3 L。

高锰酸钾用量：

MKMnO4=VH2O2×1.2%≈459.7 g。

稳泡剂用量：

Mw=VH2O2×0.05%≈19.2 g。

减水剂用量：

Mj=Mc×2%=433.3×0.02≈8.7 kg。

按照此种设计原则，可以计算出其他不同干密度的配合比，结果见表2。

表2 泡沫混凝土配合比设计

7 结语

1)在西藏高寒地区用双氧水与高锰酸钾反应制取氧气的产率为55.7%。

2)在发泡剂双氧水的掺量一定时，发泡时间随着高锰酸钾的掺量减少而增加，当高锰酸钾的掺量在3.0%～1.2%之间时对泡沫混凝土的最终发泡高度几乎没有影响。

3)随着稳泡剂的掺量增加泡沫混凝土的最终发泡高度呈下降趋势。

4)随着双氧水掺入量的增加，泡沫混凝土的干密度呈现出先减小，后又小幅度增加的现象。双氧水是影响泡沫混凝土干密度的主要因素。

5)西藏林芝地区用化学方法制备泡沫混凝土的最佳富余系数应选择在12.5～13.2之间。

[1] 闫振甲.泡沫混凝土发展状况与发展趋势[J].混凝土世界，2009(5):48-55.

[2] 郑 健.泡沫混凝土的研究及常见问题分析与对策[J].山西建筑，2008,34(32):166-167.

[3] 潘志华,程 麟,李东旭.新型高性能泡沫混凝土制备技术研究[J].新型建筑材料,2002(5):1-5.

[4] 徐 文，钱冠龙，化子龙.用化学方法制备泡沫混凝土的实验研究[J].混凝土与水泥制品，2011(12):1-4.

[5] 李应权，朱立德，李菊丽.泡沫混凝土配合比设计[J].徐州工程学院学报(自然科学版)，2011(2)：1-5.

Exploration on chemical foaming concrete preparation based on alpine region★

Song Bowen Zhang Cun Qiu Binyu Zhang Lei

(AgricultureandAnimalHusbandryCollege,TibetUniversity,Linzhi860000,China)

In order to prepare high-strength lightweight foam concrete in Tibet alpine region, this paper explored the foam concrete mix ratio design and the quantitative control in its content, the results showed that in the area the oxygen yield was 55.7% of hydrogen peroxide preparation, the optimum dosage was 1.2% of Potassium Permanganate, with the increase of foam stabilizing agent the final foaming height decreased, with the increase of hydrogen peroxide dosage the dry density of foam concrete first increase then small decrease, the spare coefficient optimum parameters should be between the 12.5～13.2 taking the hydrogen peroxide as foaming agent preparation of foam concrete.

foam concrete, mix design, hydrogen peroxide, Potassium Permanganate, foam stabilizing agent

2015-03-29★：西藏自治区大学生创新实验训练项目

宋博文(1992- )，男，在读本科生； 张 存(1979- )，男，讲师； 邱斌雨(1993- )，男，在读本科生； 张 雷(1991- )，男，在读本科生

1009-6825(2015)16-0101-03

TU528

A