有机高分子增强泡沫混凝土及其保温性能的研究

论文总字数：23691字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 泡沫混凝土保温材料的研究现状与发展趋势 2

1.2.1 保温材料常见的种类 2

1.2.1.1 有机保温材料^[4] 2

1.2.1.2 无机保温材料 2

1.2.1.3 复合保温材料 2

1.2.2 国内外保温材料的研究应用现状 3

1.2.2.1 国外研究现状 3

1.2.2.2 国内研究现状 3

1.3 本课题的研究目的及意义 3

1.3.1 本课题的研究目的 3

1.3.2 本课题的研究意义 4

1.4 本课题的主要研究内容 4

2 试验原材料、设备及试验方法 5

2.1 试验原材料 5

2.1.1 复合硅酸盐水泥 5

2.1.2 粉煤灰 6

2.1.3 过氧化氢（H₂O₂） 6

2.1.4 二氧化锰（MnO₂） 6

2.1.5 液体石蜡 7

2.1.6 改性剂 7

2.2 主要实验设备 7

2.3 泡沫混凝土的制备方法 8

2.4 主要性能测试方法 9

2.4.1 泡沫混凝土的孔隙率n测试方法 9

2.4.2 泡沫混凝土的抗压强度σ（MPa）的测试方法 9

2.4.3 泡沫混凝土的导热系数λ(W/(m·K))的测试方法 10

3 泡沫混凝土的制备及主要性能研究 11

3.1 泡沫混凝土的配合比 11

3.2 水料比对泡沫混凝土抗压强度、孔隙率和导热系数的影响 11

3.2.1 水料比对泡沫混凝土制备的影响 11

3.2.2 试验结果及分析 12

3.3 发泡剂掺量对泡沫混凝土抗压强度、孔隙率和导热系数的影响 14

3.3.1 发泡剂掺量对试件性能的影响^[11] 14

3.3.2 实验结果及分析 14

3.4 稳泡剂掺量对泡沫混凝土抗压强度、孔隙率和导热系数的影响 16

3.4.1 泡沫的稳定性 16

3.5 催化剂掺量对泡沫混凝土抗压强度、孔隙率和导热系数的影响 18

3.5.1 二氧化锰对混凝土的影响 18

3.5.2 试验结果及分析 18

3.6 本章小结 20

4 酚醛树脂/环氧树脂增韧泡沫混凝土的研究 22

4.1 酚醛树脂/环氧树脂掺量和乙醇（对比组）对抗压强度和孔隙率的影响 22

4.1.1 酚醛树脂PF的改性 22

4.1.2 酚醛树脂/环氧树脂混合物的制备 22

4.1.3 试验结果及分析 22

4.2 本章小结 26

5 结论与讨论 27

5.1 结论 27

5.2 讨论 27

参考文献 28

致谢 29

1 绪论

1.1 研究背景

近年来资源短缺日益成为备受关注的世界性问题，同时大量能源消耗引起了大气污染、温室效应等一系列环境问题，也引起了一连串的能源问题^[1-2]，因此，节能和环保已成为世界性共识。而我国的建筑能耗就占据着总能源消耗的很大一部分，尤其是在北方地区，由于采暖而消耗了大量的煤炭等资源，同时还产生了大量的有害气体。有资料显示，我国建筑物单位面积采暖能耗为发达国家的2~3倍；为了降低我国的建筑能耗，同时达到环保的要求，人们开始致力于研制性能环保且保温效果良好的墙体材料，而建筑保温材料是一种理想型的、节能环保的建筑材料。

保温建筑材料通常具有质轻耐火、导热系数小等优点，一般用于屋面、墙板、墙面、地基等部位的隔热保温，它在建筑材料的节能方面起着不可忽视的作用。

传统的保温材料是一种采用物理发泡的方法来植被泡沫混凝土，具体过程是将泡沫剂溶液制成泡沫，再将泡沫液体混入由水泥、粉煤灰、外加剂和水制成的料浆中，经混合、搅拌、注模、静置成型、自然养护而得到的轻质泡沫混凝土。现如今，泡沫混凝土作为一种节能环保、价格低廉、性能优异的新型建筑保温材料，得到了社会上越来越广泛的认同、重视和应用，泡沫混凝土行业也因为其优秀的物理化学性能而得到了迅猛发展。

泡沫混凝土的优势主要有如下几点：

1. 质轻耐久。泡沫混凝土的干密度很小，常用的泡沫混凝土的密度等级在300kg/m³-1200 kg/m^3之间，使得其在墙体、屋面、地面等部位的应用很广泛，可以在一定程度上降低建筑物的自身的重量，而且它和主体工程寿命相同，耐久性能很好。
2. 防火阻燃安全性好。泡沫混凝土是一种无机建筑材料，它不会燃烧，因而具有优异的耐火性能，在建筑物中可提高建筑物的防火性。因而可以应用在密集型的房屋、公共建筑、大型的公共场所建筑、易燃易爆场所等对防火性要求严格的场合。
3. 保温隔热性能优异。因为泡沫混凝土中含有大量的细小气泡，所以它具有很好的热工性能，即优异的保温绝热性能。一般密度等级在300-1200 kg/m³之间的泡沫混凝土，其导热系数大致在0.08-0.3w/(m·K)范围内，热阻约是普通混凝土的10~20倍。采用泡沫混凝土用作建筑物的墙体、屋面、地面的填充材料，可以达到很好的节能保温效果。
   4、隔音性能佳。泡沫混凝土是一种多孔建筑材料，所以它具有很好的隔音效果，在建筑物的楼层、高速公路的隔音板等部位都可采用该材料作为隔音层。
   5、减震性优良。由于泡沫混凝土的多孔性，使得其具有较低的弹性模量，从而可以很好的缓冲冲击载荷，达到吸收和分散的效果。
   6、便捷环保。泡沫混凝土的制备和加工很方便，不但可以在工厂内生产成为各种各样的泡沫混凝土制品，而且还可以在现场直接进行施工，浇注在屋面、地面和墙体等部位，很便捷。同时，由于泡沫混凝土的原料是水泥、粉煤灰和各种各样的发泡剂，且发泡剂大多接近中性，不含有毒有害物质，从而避免了污染环境等问题的发生，也可以在其中加入适量的粉煤灰，即能减少睡你的用量，又可以变粉煤灰废料为宝，即节能环保。

由于泡沫混凝土以上诸多优势，越来越多的人们将视线集中在提高泡沫混凝土的各种性能总共，而在泡沫混凝土的制备过程中，泡沫混凝土的固相材料和气相的孔隙对于泡沫混凝土的性能有着决定性的影响，因此，采用不同的原料、发泡剂、稳泡剂制备出的泡沫混凝土具有不同的性能，本次试验采用实验室中常见的原料，来探索各类原料对泡沫混凝土的影响，同时，实验探索具有很好韧性的酚醛树脂/环氧树脂混合物对与泡沫混凝土的力学性能会不会有所提高。

1.2 泡沫混凝土保温材料的研究现状与发展趋势

1.2.1 保温材料常见的种类

保温材料的种类繁多，目前，从应用角度来划分，保温材料课可分为有机保温材料、无机保温材料和复合型保温材料三种类型^[3]。

1.2.1.1 有机保温材料^[4]

主要有膨胀聚苯乙烯泡沫板、挤塑聚苯乙烯泡沫板以及酚醛树脂发泡材料等材料^[5]。有机保温材料具有密度小、质轻、导热系数低、耐水性能良好、可加工性能强等诸多优点。但是这类材料也存在着严重的缺陷，例如：易老化、易燃、易变形、稳定性能很差等等。从而制约了它在保温材料领域的发展。

1.2.1.2 无机保温材料

无机保温材料是指一种可以粉刷建筑物的内外墙体的新型节能材料，是目前为止应用效果最好，最理想的保温材料，主要有矿棉、玻璃棉等。与有机保温材料相比，无机材料虽然存在容重较大、保温效果也稍逊色等问题，但是它在某些方面有着有机保温材料不可超越的优势。例如：该类材料的防火性能很好、形变系数很小、抗老化性能优异、物理化学性能稳定、在加工和施工过程中可以很好的与墙基面紧密结合。同时，无机保温材料的力学强度和耐久性都很高、使用寿命很长、成本低、环保等性能也是有机保温材料不可比拟的优点。

1.2.1.3 复合保温材料

由于该类材料很容易老化，且强度较低，不能够与建筑物有同样长的寿命，所以在建筑物使用的期限内，需要数次更新建筑物的保温层，这会浪费很多人力、物力、财力，甚至更为严重的是其防火性很差。无机发泡材料存在吸水率高，脆性比较大，保温性差等缺点，而将有机和无机材料进行结合，就能够制备出综合性能优异的复合保温材料。

复合保温材料的优点众多。如:抗老化性能好、耐久性能佳、强度高、导热系数低、防火性能优异、变形系数低、工程成本少、原料来源广泛、节能环保等。

1.2.2 国内外保温材料的研究应用现状

1.2.2.1 国外研究现状

随着世界经济的发展和科学技术的不断进步，泡沫混凝土在国外市场上得到了广泛的应用，到现在各个国家都在致力于发展低碳经济、低碳生活，因此政府开始大力的发展新材料，而泡沫混凝土的诸多优点符合低碳经济、低碳生活的发展理念，从而取得了巨大的发展。泡沫混凝土的优点如下;首先，泡沫混凝土主要采用了水泥、粉煤灰等轻质材料，经过发泡而成，大大减少了砂子、石子的用量，节省了大量的原料，同时也减少了固体废弃物对于环境的污染，间接的形成了一种建筑环保材料，所以得到了国家的大力支持。其次，泡沫混凝土在施工的过程中可以很好的满足施工质量的要求，同时也能很好的达到施工进度的要求，以上两个方面的优点，使得泡沫混凝土在建筑行业能够迅速发展。

泡沫混凝土在国外中的应用主要包括：一是作为挡土墙，可用于港口岩墙的填充材料，这主要是因为泡沫混凝土优异的粘结性；二是作为复合墙板，泡沫混凝土的密度等级在600㎏/㎥左右时可以被制作成轻质板材，也可以和金属框架结构一起制作成混合型墙板。三是作为防火墙的填充材料、隔音板墙的填充材料、隧道衬管回填等各个方面。除此之外，泡沫混凝土的在地下废弃的油柜、空穴等部位的填充中也起着重要的作用。

1.2.2.2 国内研究现状

早在二十世纪五十年代 ，前苏联就把泡沫混凝土的制备工艺带到了我国，因此，我国在泡沫混凝土方面的起步并不算晚。1952年中国科学院土木建筑研究所建立了第一个泡沫混凝土的试验中心，开始了中国的泡沫混凝土的试制。随后泡沫混凝土的研发几经波澜，在迈进新世纪后，因为泡沫混凝土符合国家在建筑方面制定的节能环保的倡导，从而获得了快速的发展，并在2005年进入发展的高潮时期。如今，关于泡沫混凝土在建树材料方面的标准规范也陆续制定的发布，泡沫混凝土的商品标准系统正在渐渐走向完善，到目前为止，我国已发布的国家标准、行业标准以及工程协会标准近20项之多。自保温砌块、自保温墙板、屋面板等新型泡沫商品混凝土保温制品也开始出现在人们的生活中。

现如今，泡沫混凝土作为泡沫混凝土砌块，在建筑墙体中有着很大的应用空间，这是利用了泡沫混凝土的抗冻性能好、防火性能高、质轻等优势。同时，泡沫混凝土制作的超轻墙板、补偿地基等一系列建筑材料制品，在生活中应用也很广泛。

1.3 本课题的研究目的及意义

1.3.1 本课题的研究目的

从上世纪八十年代以来，我国一直致力于外墙保温材料的研究，而泡沫混凝土作为一种全新的保温材料在建筑施工中得到了越来越多的使用。泡沫混凝土具有质量轻、节省原料等优点，使得泡沫混凝土在建筑领域得到快速的发展，但同时，一般在建筑材料中着重考虑泡沫混凝土的保温性能，而对其力学性能没有过高的要求，而随着人们需求的多样化，泡沫混凝土的力学性能有时候并不能满足人们的需求，因此，研发出一种以普通水泥作为主要胶凝材料的、力学性能优良的泡沫混凝土保温材料势在必行。

1.3.2 本课题的研究意义

本课题的研究意义主要包括以下几个方面：

1、用工业废料粉煤灰作为填充料，一方面合理利用了工业废料，符合绿色建筑的标准；另一方面，粉煤灰独特的化学结构使得粉煤灰可使用微集料效应、形态效应和火山灰效应对混凝土制品的综合性能进行改良。

2、以复合硅酸盐水泥为原料来制备出泡沫混凝土，一方面可以充分发挥复合硅酸盐水泥的力学强度高、耐久性能好等优势；另一方面可以大幅度降低其生产成本，使泡沫混凝土存在价格优势，利于泡沫混凝土的推广和应用。

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