发泡水泥性能的计算关系式总结

发泡水泥性能的计算关系式总结

王爽;陈艺通;杨奕;翁雅青;王慧宾;游胜勇

【摘要】由于发泡水泥的密度不同,强度及导热系数也随之发生变化;生产发泡水泥产品的水温要根据环境温度、水泥温度进行调节,经过大量试验和理论研究得出发泡水泥的密度与强度的计算关系式Px=(ρ/ρf)2·P·N·K、生产发泡水泥的水温计算公式W=90Y-2W c、导热系数计算公式λ=(λ2-λ1)ρ1/[y·ρ2-(y-

1)ρ1]Z+λ1.%The density of different foamed cement is different,so its strength and thermal conductivity will change. The water temperature of foamed cement should be adjusted according to the environment temperature and cement temperature. A large number of experiments and theoretical studies have been carried out. The calculation formula of the density and strength of foamed cement is obtained Px=(ρ/ρf)2·P·N·K,and the formula for calculating the water temperature of foamed cement

W=90Y-2W c and the formula of thermal conductivity are obtained λ= (λ2-λ1)ρ1/[y·ρ2-(y-1)ρ1]Z +λ1.

【期刊名称】《新型建筑材料》

【年(卷),期】2017(044)007

【总页数】4页(P82-84,129)

【关键词】发泡水泥;抗压强度;水温;导热系数

【作者】王爽;陈艺通;杨奕;翁雅青;王慧宾;游胜勇

【作者单位】江西省科学院应用化学研究所,江西南昌 330096;广州轻能化工建材机械科技公司,广东广州 511400;江西省科学院应用化学研究所,江西南昌 330096;江西省科学院应用化学研究所,江西南昌 330096;江西省科学院应用化学研究所,江西南昌 330096;江西省科学院应用化学研究所,江西南昌 330096

【正文语种】中文

【中图分类】TU528.2

发泡水泥具有质轻抗震、保温隔热、吸声隔声、防火阻燃以及使用寿命长等优良性能，是目前继EPS、聚氨酯保温板外墙、聚苯颗粒、玻化微珠、现场喷涂聚氨酯墙体保温体系后的新型节能保温墙体材料的研究热点，项目具有广阔的市场前景，良好的社会和经济效益[1]。作为新型绿色建材，发泡水泥有望取代有机保温材料在

建筑保温行业中大量应用[2]。

现阶段我国只能靠经验或通过大量试验来实施发泡水泥的应用[3-5]，本文系统总

结了目前发泡水泥行业的经验计算公式，为更好地推广发泡水泥的应用提供参考。

1.1 原材料及仪器

水泥：佛山市高明区高明海螺水泥厂生产的P·C32.5水泥。石英砂：100目，要

求无其它粉尘掺杂在里面即可。稳泡增强剂：广州轻能化工建材机械科技公司生产，QN-D007W型，粉状，是一种大板式瓷质型的稳泡增强剂，采用免烧陶瓷为原料，用其制备的发泡水泥敲击有陶瓷的声音，能制备出质量较好的发泡水泥大板。发泡剂：双氧水，浓度为50%，市售。

1.2 试验仪器

数显式压力试验机：YES-300B型，绍兴市肯特机械电子有限公司生产。高速搅拌机：广州轻能化工建材机械科技公司制造的磨浆式搅拌机，能使水泥混合物实现360°搅拌均匀。导热系数测定仪：英贝儿（天津）测控设备有限责任公司产，

IMDRY3001-III型双平板导热系数测定仪。

1.3 试验方法

1.3.1 发泡水泥的制备

试验过程：先加水，再将称量好的稳泡剂（添加量为水泥质量的3%）、水泥、石英砂（添加量为水泥质量的20%）边搅拌边加入水中，随后加入1/3的双氧水，

边加边搅拌，用高速磨浆式搅拌机将其搅拌成均匀浆体，搅拌时间为3～5 min，然后在浆体中加入余下的2/3双氧水搅拌6～8 s，浇注模具成型，3～5 h后脱模，养护至测试龄期，切割成相应尺寸待用。

分2次添加双氧水的原理和优点是：（1）由于水泥中含有一些与双氧水有冲突的材料成分，会影响发泡的质量和稳定性，因此可以在正式发泡之前先添加1次双

氧水，让第1次添加的双氧水先将水泥中与双氧水有冲突的和影响发泡稳定性的

进行氧化反应或中和处理。这样在第2次添加双氧水正式发泡时就会发泡比较稳

定和匀速；（2）能显著地提高发泡水泥的强度达30%以上；（3）泡孔更加均匀

一致圆正；（4）发泡水泥产品更加不容易开裂。

制备过程中需要注意的是：要使用磨浆式搅拌机进行搅拌，以保证能在几秒钟内把双氧水搅拌均匀，目的是使产品的所有泡孔均匀一致。

1.3.2 性能测试方法

发泡水泥抗压强度测试龄期为28 d，抗压强度参照GB/T 11971—1997《加气混凝土力学性能试验方法》进行测试；导热系数参照GB/T 5486—2008《无机硬质绝热制品试验方法》进行测试。

由于发泡水泥的密度不同，强度随之变化，导热系数也随之变化；生产发泡水泥产品的水温要根据环境温度、水泥温度而进行调节，经过大量试验和理论研究得出发泡水泥的密度与强度的计算关系式、生产发泡水泥水温计算公式、导热系数计算公式。

2.1 发泡水泥的密度与强度的计算关系式

式中：Px——发泡水泥强度，MPa；

ρ——发泡水泥的密度，kg/m3；

ρf——水泥（混凝土）的密度，kg/m3；

P——水泥或混凝土的强度等级，MPa；

N——发泡水泥的水化率（≤1）；

K——发泡水泥外加剂的增强系数，根据增强效果而定。

发泡水泥的水化率N与发泡剂、工艺、搅拌、水温、养护、龄期有关。发泡水泥外加剂的增强系数K与增强剂、稳泡剂、减水剂、工艺、搅拌、水温、纤维、砂子等外加材料有关。

发泡水泥强度计算式（1）按如下方法进行推导：首先确定发泡水泥不发泡时的密度ρf＝水泥（或混凝土）的密度ρ，其强度是水泥相应强度等级的强度，因此得出Px＝P。在实际生产中，不可能做到100%水化，其实际强度会受到水化程度的影响，所以式（1）中就必定有水化率N，那么此时的Px＝P·N。实际生产中发泡水泥还会添加增强剂、减水剂、砂等材料，水泥（混凝土）的实际强度又会受到外加各种材料的影响，因此式（1）中就会有出现增强系数K，此时的Px＝P·N·K。发泡水泥的发泡率代表发泡水泥的密度变化，当发泡率＝0时，Px＝0，当发泡率＝ρ时，即没有发泡时，Px＝P·N·K。由于发泡的泡型是球型中空的，其壳强度是平方指数式变化的，所以发泡水泥的强度就跟随发泡率的平方指数式变化，因此式（1）最后就变成了Px＝（ρ/ρf）2·P·N·K。

根据实际检测的数据对该发泡水泥强度计算式（1）进行验证计算，可以得出该公式符合实测的数据。

表1为中国混凝土协会发泡混凝土分会提供的发泡水泥强度实测数据，现阶段化学发泡比较理想的发泡水泥密度与强度的关系见表1。

水泥（混凝土）的密度ρ一般为2350～2450 kg/m3，可取平均值ρ＝2400

kg/m3。当水化率达到100%时，则N＝1。目前较好的发泡水泥其增强效果可达到2倍，因此取增强系数K＝2。水泥强度等级P＝52.5 MPa。表2是由式（1）计算出的发泡水泥（发泡混凝土）密度与强度的关系。

对比表1和表2中的实测值与计算值可知，超低密度段的实测强度比理论计算的

要低得多，这是因为在实际工程中，越低密度的发泡水泥（混凝土）越不容易制备，所以越低密度的就与理论计算值相差越大。所以对于超低密度段的发泡仍不理想，下阶段在这方面可多做研究。

2.2 水温计算公式

制备发泡水泥系列产品的水温要根据环境温度、水泥温度进行调节，气温低水温就要高一点，气温高水温就要相对低一点，具体要以水与水泥搅拌成浆体并加双氧水发泡后的温度40℃左右为准。实际操作时可按从实践经验中归纳出的水温理论公

式计算水温：

式中：W——水温，℃；

Y——修正系数，在0.95～1.05选取，一般取1；

Wc——水泥的温度，℃。

需要注意的是：由于各地的水泥和气候偏差很大，当Y=1所得的浆体最佳温度不

是40℃，偏差很大时就要进行修正，以得到1个符合本地的系数Y，以后就可以

按此系数方便地计算水温。若系数取1时就可以简单地理解为：水温＝90-2倍的水泥温度。

水温计算式（2）按如下方法进行推导：在生产实践中发现，在用双氧水作发泡剂发泡的发泡水泥中，其发泡温度以浆料温度在40℃时发泡效果最好，因此必须将

浆料温度调整到40℃左右进行发泡，所以必须加入热水才能得到40℃的浆料。但由于水泥的温度会随气温变化，所以水温要根据水泥的温度进行调整，使水和水泥

混合搅拌成为浆料后的温度为40℃。为了在生产时能方便灵活地用公式去计算水温，而不是去估算水温，就有必要推导出符合实际水温的计算公式，以解决生产中如何确定水温的问题。

表3是在生产实践中测得的水温与水泥温度的实际数值关系。

根据实际的水温与水泥温度的数值关系，就可以很容易地列出水温与水泥温度的关系式：W=90－2Wc。用此计算式可反算出水温的数值与生产实践中测得的实际

数值是相符的，证明公式的正确性很好。由于各地的水泥有偏差，有时需要对计算的数值进行修正，因此还需要加上修正系数Y，这样水温计算公式最后就变成了

W=90Y－2Wc。

2.3 导热系数计算公式

不同密度发泡水泥的导热系数用公式计算出来，可以作为简单的推算了解用。表4为中国混凝土协会泡沫混凝土分会提供的发泡水泥密度与导热系数实测的经验关系。发泡材料导热系数计算式：

式中：λ——发泡水泥或发泡混凝土的导热系数，W/（m·K）；

λ1——泡内材质的导热系数，当泡内包覆的是空气或氧气时即为空气或氧气的导

热系数，W/（m·K）；

λ2——泡壁材质的导热系数，如果泡壁材质是水泥或混凝土时，即为水泥或混凝

土的导热系数，W/（m·K）；

ρ1——发泡材料产品的密度，当发泡材料为水泥或混凝土时，则是发泡水泥或发

泡混凝土的密度，kg/m3；

ρ2——泡壁材质的密度，当泡壁材质为水泥或混凝土时，即为水泥或混凝土的密度，kg/m3；

y——修正系数，当发泡材质为水泥或混凝土时，取y＝5；

Z——闭孔率，当所有泡都是密闭孔时，Z＝1。

从式（3）可以看出，当完全发泡至空时，即发泡最轻，发泡密度＝0时，其导热

系数=泡内材质的导热系数。此时，若泡内材质是空气或氧气时，即为空气或氧气的导热系数。当完全不发泡时，这时发泡的密度就等于泡壁材质的密度，此时的导热系数就等于泡壁材质的导热系数。

空气的导热系数λ1＝0.0233 W/（m·K），氧气的导热系数为0.024 W/（m·K），混凝土的导热系数λ2＝1.74 W/（m·K），如果闭孔率达到100%，此时Z＝1。

表5是以λ1＝0.0233 W/（m·K），ρ2＝2400 kg/m3，y＝5计算得出发泡水泥的密度与导热系数的关系。

当实测的导热系数达不到理论计算值时，特别是低密度段的相差较大时，说明闭孔率没达到100%，有穿孔或裂纹影响了导热，还需要努力提高低密度段的质量。

因此，可以依据式（3）计算出导热系数理论值，去纠偏那些与理论值有偏差的和做得不好的发泡水泥，找出原因，少走弯路，从而做得更好。

导热系数计算公式的推导方法为：首先确定当发泡密度ρ1＝0时，其导热系数λ

＝泡内材质的导热系数λ1，此时λ＝λ1。当发泡密度ρ1＝ρ2，即不发泡时，此

时λ＝λ2；由于计算式中要包含λ1，所以此时λ＝λ2－λ1+λ1，又由于计算式中

还要包含ρ1和ρ2，因此此时当发泡的密度是变化的时，此时式中的分母应该是

递减变化，则，不同材质的发泡材料其修正系数y大小不同，对于发泡水泥（发

泡混凝土）其修正系数y是用实测的数据反算出来的。由于实际的发泡水泥存在

一定的穿孔，即不一定做到100%地闭孔，所以计算式中还要加入闭孔率系数Z，这样导热系数计算公式最后就变成了

在我国现阶段只能靠经验或通过大量试验来实施发泡水泥应用的情况下，经过多年的试验研究和理论推导总结出的计算公式：发泡水泥强度计算公式Px＝（ρ/ρf）2·P·N·K；水温理论计算公式W=90Y－2Wc；发泡材料导热系数计算公式λ＝从

这些计算式的理论和实测值可以看出，要制备理想的低密度发泡水泥还需进一步研

究实践。这些计算式对科学研究和实际生产具有积极的参考作用。

【相关文献】

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