7.1 结 论
本书研究了化学发泡、物理发泡工艺对发泡性能的影响,以固废基GHBSC为主要胶凝材料制备了低干密度且具有优良保温性能的UHBFC。探究了不同种类的发泡剂、不同的发泡剂稀释比和不同的发泡机吸液阀角度α产生的泡沫性能差异,并结合微观分析探究了UHBFC的物理性能,从而筛选出最优发泡方案。基于优化后的发泡方案,探究了3种不同品质的粉煤灰按不同比例替代GHBSC对制备UHBFC微观形貌、水化产物、物理性能及收缩性能的影响,并筛选出最适用于制备UHBFC的粉煤灰级别。采用四因素四水平的正交试验,探究了不同粉煤灰掺量、泡沫掺量、水胶比及减水剂掺量对UHBFC微观结构和物理性能的影响,并对实验结果进行了极差分析和方差分析,找出了各因素的优水平及显著性顺序,筛选出用于制备UHBFC的最优配比。选用了4种粉状憎水剂和两种液态憎水剂对UHBFC进行防水处理,探究了不同憎水剂防水效果的差异,并得出了最优防水方案。采用机械搅拌分散、超声波分散、电场作用分散、共价化学修饰或与表面活性剂非共价修饰等分散工艺,将纳米材料均匀分散于水性体系,结合化学发泡工艺,静停发泡成型多壁碳纳米管(MCNT)增强泡沫混凝土,切割养护而成纳米泡沫混凝土(NFC),并系统了研究NFC的物理性能、阻尼减振、电磁吸波及阻抗防腐等综合性能。本书的主要研究结论如下:
①将石油焦渣、粉煤灰、电石渣、铝矾土按1.65∶1∶0.4∶2.5生料配比,在1 300℃烧制出42.5级GHBSC,固废综合利用率近85%。
②不同种类的发泡剂、不同的发泡剂稀释比和不同的发泡机吸液阀角度α对产生泡沫的性能和制备的UHBFC性能的影响各不相同。其中,高分子复合型发泡剂在发泡剂稀释比为1∶20和α为60°的条件下发出的泡沫性能最好,其泡沫密度、发泡倍数、1 h沉降距及1 h泌水量分别为33.4 kg/m3,29.9倍,9 mm及35 mL。
③经过极差分析和方差分析得知,采用植物蛋白型发泡剂,在发泡剂稀释比为1∶30和α为60°的条件下制备的UHBFC性能最好,并制得了干密度为290 kg/m3,抗压强度为0.45 MPa,比强度为1 551.7 N·m/kg,导热系数为0.078 2 W/(m·K),体积吸水率为56.9%的UHBFC。
④植物蛋白型发泡剂和动物蛋白型发泡剂制备的UHBFC,其孔结构完整性和孔的均匀程度优于高分子复合型发泡剂制备的UHBFC,且连通孔较少孔壁较厚。相比于其他两种发泡剂,用植物蛋白型发泡剂制备的UHBFC其水化产物中不但具有较多的钙矾石,而且钙矾石上覆盖的硅酸钙和硅铝酸钙凝胶较多,保证了其较高的强度。
⑤3种级别粉煤灰的加入都不同程度地降低了UHBFC的抗压强度、导热系数和比强度,减少了水化产物的生成,掺有Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰的UHBFC的抗压强度、导热系数和比强度相差不大但都优于掺有Ⅲ级粉煤灰的UHBFC。Ⅱ级粉煤和Ⅰ级粉煤灰的加入,都较好地改善了UHBFC的孔结构,减少了连通孔,使孔壁结构更致密。
⑥相同密度等级下,用GHBSC制备的UHBFC的28 d收缩值为1.792 mm/m,这远低于用普通硅酸盐水泥制备的UPCFC的收缩值。在UHBFC中,掺入3种级别的粉煤灰并没有抑制收缩反而增大了收缩值。其中,掺有Ⅱ级粉煤和Ⅰ级粉煤灰的UHBFC收缩值低于掺有Ⅲ级粉煤灰的UHBFC收缩值。当Ⅱ级粉煤掺量为15%时,UHBFC的收缩值为2.930 mm/m,仍远低于UPCFC收缩值,且UHBFC的其他性能较好,其比强度、导热系数和拉伸黏结强度分别为1 276.6 N·m/kg,0.079 1 W/(m·K)和0.128 MPa。
⑦随着粉煤灰掺量增加,UHBFC的抗压强度和导热系数逐渐降低,孔壁结构变得越来越疏松。随着水胶比的增加,UHBFC的干密度、抗压强度和导热系数均呈先增加后降低的趋势。随着泡沫掺量增加,UHBFC的干密度、抗压强度和导热系数均不断降低,且UHBFC的孔径增大,孔隙占得体积增加。随着减水剂掺量的增加,UHBFC的干密度、抗压强度和导热系数均呈先增加后下降的趋势。
⑧经过极差和方差分析并通过综合评定的方法得知,影响UHBFC干密度、抗压强度和导热系数的各因素显著性顺序都为C＞D＞A＞B,筛选出的最优方案为A3B2C3D2,即粉煤灰掺量为10%,水胶比为0.4,泡沫掺量为15%,减水剂掺量为0.4%。经过试验验证,此方案制备的UHBFC干密度为315 kg/m3,抗压强度为0.52 MPa,导热系数为0.079 3 W/(m·K),符合装配轻质墙板中对UHBFC提出的性能指标。
⑨随着4种粉状憎水剂掺量的增加,UHBFC的抗压强度呈出先增加后降低的趋势。其中,当硬脂酸锌的掺量为1.5%时,UHBFC抗压强度最高,为0.54 MPa。硬脂酸钙和聚硅氧烷对UHBFC的导热系数影响较小,硬脂酸锌和可再分散性乳胶粉对UHBFC的导热系数影响较大。随着4种粉状憎水剂掺量增加,UHBFC的体积吸水率逐渐降低。其中,硬脂酸钙的憎水效果最好,当其掺量为4%时,UHBFC的72 h体积吸水率可降至23.6%。
⑩用液态憎水剂处理的UHBFC的1 h体积吸水率可降低至5%以内,憎水角在90°以上。浸泡法处理的UHBFC的体积吸水率要低于用表面涂刷法处理的UHBFC。含氢硅油的防水效果要优于甲基聚硅氧烷树脂。其中,用掺有KH550的含氢硅油对UHBFC试样采用浸泡法处理后72 h体积吸水率可降至4.4%,憎水角可增至125.87°,但固化率过高。而组NCHK的试样不但72 h体积吸水率较低(为5.8%),而且固化率也较低(为8.2%)。因此,可选择该组方案,即用掺加KH550的含氢硅油来对不掺加粉状憎水剂的UHBFC试样进行表面涂刷处理。
⑪MCNT的加入可使NFC的孔结构得到改善,平均孔径减小,形貌得到改善。MCNT对NFC的性能指标影响明显,尤其对抗压强度和导热系数,在一定的掺入量范围内,随着MCNT的加入,抗压强度升高,导热系数降低。当wCNT为0.05%时,抗压强度增加35%,导热系数降低10%。采用的正交因素和水平中,最优方案为A1B1C2,即W/C为0.7,
为3%,wCNT为0.05%。
⑫当MCNT掺量达到0.1%时,由于MCNT分散较困难而团聚,使相应的干密度、吸水率、抗压强度及导电性能等相对于0.05%掺量的BNFC均有所降低。此外,用正硅酸乙酯处理NFC,可在BNFC表面形成一层憎水膜,使BNFC具有表面防水特性,从而能提高其耐久性。
⑬掺0.05% MCNT的阻尼自增强NFC的fc,Wc,ρd,λc分别为0.45 MPa,371.1 kg/m3,118.7%,0.035 W/(m·K),但其阻尼系数未见明显变化。相比于空白试样,阻尼自增强NFC的fc,Wc,ρd,λc分别提高50.0%,降低15.3%,提高13.3%,降低77.3%。MCNT在NFC基体中能发挥泡沫成核与纤维桥联效应。掺加适量的MCNT(0.10%)后,阻尼自增强NFC拥有平衡的力学与阻尼性能,fc,Wc,ρd,λc分别提高30.0%,降低12.3%,提高11.8%,降低69.5%,且ζc达到最大(为0.060 1),增幅为36.2%,内部细小孔隙、MCNT良好的层间摩擦力及其与水化产物间的内摩阻力对NFC阻尼性能均有促进作用。
⑭掺0.05% CNT的CNT增强发泡混凝土板拥有90%以上的宽频吸波率,在一些频段还有超30%反射率,综合吸波性能与性价比良好。基于引入的气泡有效降低了混凝土密度、声阻抗与纳米纤维CNT多重散射/界面极化带来的宽频带电磁波-热能损耗效应,综合解释该CNT增强发泡混凝土宽频吸波能力。