一种开孔泡沫水泥及其制备方法和应用与流程

本发明属于超轻多孔材料技术领域，具体涉及一种开孔泡沫水泥及其制备方法和应用。

背景技术：

泡沫水泥/混凝土是通过物理或化学的发泡方法将空气、氮气、二氧化碳或氧气等气体引入水泥浆体中，经固化制成含大量细小封闭气孔并具有相当强度的水泥/混凝土制品。泡沫水泥/混凝土以其优良的特性，如质轻、隔热、隔音、价格低廉等特点，在建筑材料领域占有举足轻重的地位。泡沫水泥还以其低密度、低渗透性、可减少气窜、防止套管腐蚀等优点，广泛应用于油气作业漏失层固井、长封固段固井及注气井固井作业，且以闭孔泡沫结构为主要表现形式。当前，泡沫水泥/混凝土的理论与应用研究仍以闭孔结构为主，而对于双连续泡沫水泥/混凝土结构的相关理论研究至今未见有公开报道。

物理发泡采用机械搅拌或压缩空气的方法将起泡剂水溶液制成泡沫，再将泡沫加入含硅质、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中，制备泡沫水泥/混凝土。物理发泡的原理是依靠表面活性剂或表面活性物的吸附，形成一层液/固膜，包裹住空气形成气泡。泡沫水泥/混凝土质量的好坏与发泡剂的性能密切相关，它是制备高性能泡沫水泥/混凝土的关键性因素。

化学发泡法是采用化学发泡剂，加入水泥材料中，使之与材料本身发生化学反应释放出气体发泡的方法。泡沫水泥/混凝土成型的关键在于使发泡剂发泡的速率与料浆凝结硬化速率相一致，达到一种动态的平衡。首先，发泡剂均匀分散在料浆中，在激发剂的作用下不断产生气体，形成无数独立的气核；当气核气体压力大于料浆的极限剪切应力(粘滞阻力和静水压力之和)时，气核开始加速膨胀，形成一个个独立的气泡；在气核膨胀的过程中，由于胶凝材料水化，料浆稠度不断增加，造成膨胀所要克服的阻力不断增大，同时，因为反应物质的消耗，膨胀的潜在动力也在变小，由此，膨胀经历了一个从加速到平缓、减慢，并逐渐趋近于停滞的过程。最终，膨胀结束后，水泥/混凝土发泡完成。

目前只是针对闭孔泡沫水泥的相关领域有较多的研究，而对于开孔泡沫水泥的形成还未见有公开报道。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种开孔泡沫水泥及其制备方法和应用。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种开孔泡沫水泥的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，配置水泥浆，按质量百分比计，将35％-40％的水泥和45％-50％的砂子与12％-15％的水混合；

步骤2，在水泥浆中加入1％～3％的起泡剂，通入气体，控制气体速率为0.5-2.5ml/50cm³·min，以2000-4000rpm速度搅拌，然后固化，得到开孔泡沫水泥。

优选的，步骤2中，搅拌时间为20～35分钟。

优选的，固化时间为12-36h。

优选的，起泡剂包括阴离子表面活性剂和非离子表面活性剂。

进一步的，阴离子表面活性剂为石油磺酸盐、十二烷基磺酸钠或十二烷基苯磺酸钠，非离子表面活性剂为吐温、司班或聚氧乙烯醚。

进一步的，按质量百分比计，起泡剂包括0.5％-2.0％的阴离子表面活性剂和0.5％-1.0％的非离子表面活性剂。

优选的，气体为n2、空气或co2气体中的一种或任意几种。

所述的制备方法制备得到的开孔泡沫水泥。

所述的开孔泡沫水泥在夹层材料中的应用，夹层材料作为隔热、减震或填充材料使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明开孔泡沫水泥的形成过程是：气泡核形成，气泡聚并粗化，气泡膜破裂，开孔泡沫形成，泡沫水泥胶凝固化。本发明的发泡过程关键在于气泡聚并速率与水泥水化胶凝速率相一致，本发明通过控制合适的起泡剂含量，控制合适的水泥含量，控制通气速率和搅拌强度，控制气泡成核速率、气泡聚并速率和水泥水化速率，从而使生成的气泡发生聚并，又由于控制了气泡聚并速率和水泥水化速率使其保持平衡，因此使得气泡聚并形成连续相而又不会导致消泡，达到对其形成及微观结构的调控，在通气的过程中，对工艺的参数要合理设置。通气过程的温度范围为25℃到45℃，分别设置为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃。压力不能太高且与气速相关。气速的范围应由慢到快依次递增。分别控制气体速率为0.5ml/50cm³·min、1.0ml/50cm³·min、1.5ml/50cm³·min、2.0ml/50cm³·min和2.5ml/50cm³·min。在转速为2000rpm到4000rpm下搅拌20min到35min。固化时间为24h。成功制备出开孔泡沫水泥，示意图如图1所示。开孔泡沫水泥不同于闭孔泡沫水泥，开孔泡沫水泥中的气相是连通的，在开孔泡沫水泥集中处形成了连通的空间支柱网络结构。与闭孔泡沫水泥相比，开孔泡沫水泥密更低，具有更高的比模量和抗压强度，在低应力下可产生较大的变形，具有更低的吸水率和导热系数，受压时具有优良的缓冲、吸能特性，可应用于超轻夹层材料隔热、减震和填充等功能材料方面。

本发明开发出新颖结构的超轻多孔水泥材料，开孔泡沫材料不同于闭孔泡沫材料，材料中的气相是连通的，在材料集中处形成了连通的空间支柱网络结构。本发明的开孔泡沫水泥与闭孔泡沫水泥相比，开孔泡沫水泥密更低，具有更高的比模量和抗压强度，在低应力下可产生较大的变形，具有更低的吸水率和导热系数，受压时具有优良的缓冲、吸能特性，可应用于超轻夹层材料隔热、减震和填充等功能材料方面，适用于建筑、交通、能源和化工行业。

附图说明

图1为开孔泡沫水泥形成过程示意图。

图2为实施例1得到的开孔泡沫水泥的电镜图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述的开孔泡沫水泥，按质量百分比计，包括以下组份：水泥浆97％～99％；起泡剂1％～3％；气体。

以开孔泡沫水泥的总质量计，按质量百分比计，所述的水泥浆，包括35％-40％的波特兰水泥、45％-50％的砂子和12％-15％的水。

以开孔泡沫水泥的总质量计，按质量百分比计，所述的起泡剂，包括0.5％-2％的阴离子表面活性剂和0.5％-1.0％的非离子表面活性剂。阴离子表面活性剂选取石油磺酸盐中的一种，例如α-烯烃磺酸盐、十二烷基磺酸钠(sds)或十二烷基苯磺酸钠。非离子表面活性剂为吐温、司班或者聚氧乙烯醚。

所述的气体为n2、空气或co2气体中的一种或任意几种。

所述的开孔泡沫水泥的制备方法，包括：波特兰水泥和砂子混合，加入水，搅拌，得到水泥浆，在水泥浆中加入起泡剂，通入气体，控制气体速率为0.5-2.5ml/50cm³·min，选择具有长方体结构的通气装置，横置；在气体进口处安装一等面积的矩形筛板，选取的筛板直径应该固定，目数应尽可能的小，本实验选取直径为0.3mm，目数为50目的筛板。在通气的过程中，对工艺的参数要合理设置。通气过程的温度范围为25℃-45℃。压力不能太高且与气速相关。控制气体速率为0.5-2.5ml/50cm³·min。在转速2000-4000rpm下搅拌20～35分钟后，固化12-36h，得到开孔泡沫水泥。

本发明通过控制气体通入过程、搅拌强度和水泥浆组成以控制开孔泡沫水泥的成型过程，达到对其形成及微观结构的调控，形成开孔泡沫水泥。

本发明的产品在上述不同组分的配比下，均可形成开孔泡沫水泥。其主要的性能评价指标有抗压强度、干密度、吸水率及其导热系数。

根据相关行业标准，采用gb/t5486进行抗压强度的性能测定试验，其指标规定抗压强度≥0.35mpa；

根据相关行业标准，采用gb/t5486进行干密度的性能测定试验，其指标规定干密度≤0.2g/cm³；

根据相关行业标准，采用gb/t5486进行吸水率的性能测定试验，其指标规定体积吸水率≤10；

根据相关行业标准，采用gb/t10294进行导热速率的性能测试试验，其指标规定导热系数≤0.053w/(m.k)。

本发明首先表征所形成的开孔泡沫水泥的制备方法，通过改变起泡剂的含量，得到气泡的聚并速率和气泡成核速率的关系；通过改变加入的水泥含量可以确定出水泥的水化速率；通过控制进气流量和搅拌强度，可以确定气泡聚并速率和水泥水化速率的关系。从而可以验证所得开孔泡沫水泥的性能。且所制备出的开孔泡沫水泥在建筑、交通、能源和化工等不同领域具有广泛的应用。

实施例1：采用配方为0.5％的石油磺酸盐+0.5％的聚氧乙烯醚+99％的水泥浆体系，水泥浆配方为35％波特兰水泥、50％的砂子和14％的水。波特兰水泥和砂子混合，加水搅拌，形成水泥浆，向水泥浆中加入石油磺酸盐和聚氧乙烯醚，搅拌，然后通入空气，控制通气速率为0.5ml/50cm³·min，以2000rmp/min转速搅拌20分钟后，经固化24小时可以制得所需的开孔泡沫水泥。其中，所得到的气泡的聚并速率和气泡成核速率相一致，为25ml/min。所制备的开孔泡沫水泥扫描电镜如图2所示。气泡直径约为50nm。

经性能测定后：抗压强度达1.8mpa、干密度达0.186g/cm³、吸水率为2.4％、导热系数为0.012w/(m.k)。

实施例2：采用配方为0.5％的十二烷基磺酸钠+0.5％的吐温+99％的水泥浆体系，水泥浆配方为40％波特兰水泥、45％的砂子和14％的水。波特兰水泥和砂子混合，加水搅拌，形成水泥浆，向水泥浆中加入十二烷基磺酸钠和吐温，搅拌，然后通入n2，控制通气速率为1.0ml/50cm³·min，以2500rmp/min转速搅拌25分钟后，经固化12小时制得开孔泡沫水泥。在制备过程中，控制表面活性剂的质量分数均为0.5％，水泥含量由35％增加到40％后，可制得开孔泡沫水泥。

经性能检测后：抗压强度达1.86mpa、干密度达0.154g/cm³、吸水率为3.44％、导热系数为0.018w/(m.k)。

实施例3：采用配方为1.0％的十二烷基苯磺酸钠+1.0％的司班+98％的水泥浆体系，水泥浆配方为40％波特兰水泥、46％的砂子和12％的水。波特兰水泥和砂子混合，加水搅拌，形成水泥浆，向水泥浆中加入十二烷基磺酸钠和吐温，搅拌，然后通入co2，控制通气速率为1.5ml/50cm³·min，以3000rmp/min转速搅拌30分钟后，经过固化30小时制得开孔泡沫水泥。其中，当搅拌强度为3000rmp/min时，所生成气泡的聚并速率和水泥水化速率相一致，均为22ml/min。为开孔泡沫水泥。

经性能检测后：抗压强度达2.24mpa、干密度达0.128g/cm³、吸水率为4.52％、导热系数为0.024w/(m.k)。

实施例4：采用配方为1.3％的十二烷基磺酸钠+0.7％的吐温+98％的水泥浆体系，水泥浆配方为37％波特兰水泥、46％的砂子和15％的水。波特兰水泥和砂子混合，加水搅拌，形成水泥浆，向水泥浆中加入十二烷基磺酸钠和吐温，搅拌，然后通入空气，控制通气速率为2ml/50cm³·min，以3500rmp/min转速搅拌35分钟后，经过固化24小时后制得开孔泡沫水泥。当通气速率为2ml/min时，所形成气泡的聚并速率和水泥水化速率相一致，为24ml/min。所得到的开孔泡沫水泥质量最佳。

经性能检测后：抗压强度达2.43mpa、干密度达0.104g/cm³、吸水率为5.24％、导热系数为0.032w/(m.k)。

实施例5：采用配方为2.0％的十二烷基磺酸钠+1.0％的吐温+97％的水泥浆体系，水泥浆配方为36％波特兰水泥、48％的砂子和13％的水。波特兰水泥和砂子混合，加水搅拌，形成水泥浆，向水泥浆中加入十二烷基磺酸钠和吐温，搅拌，然后通入n2，控制通气速率为2.5ml/50cm³·min，以4000rmp/min转速搅拌20分钟后，经过固化36小时制得开孔泡沫水泥。

经性能检测后：抗压强度达2.66mpa、干密度达0.086g/cm³、吸水率为5.6％、导热系数为0.038w/(m.k)。

对比例1：采用配方为2.0％的十二烷基磺酸钠+1.0％的吐温+97％的水泥浆体系，水泥浆配方为36％波特兰水泥、48％的砂子和13％的水。波特兰水泥和砂子混合，加水搅拌，形成水泥浆，向水泥浆中加入十二烷基磺酸钠和吐温，搅拌，然后通入n2，控制通气速率为4ml/min，以4000rmp/min转速搅拌20分钟后，固化36小时，由于所得到的泡沫水泥的气泡聚并速率和气泡成核速率不相等，聚并速率为19ml/min、气泡成核速率为23ml/min。通气速率为4ml/min时，气泡的聚并速率和水泥水化速率也不一致，其中聚并速率为19ml/min、水泥水化速率为15ml/min。由于所测速率均不一致，故形成了一种闭孔泡沫水泥体系。

经性能检测后：闭孔泡沫水泥的抗压强度仅达1.82mpa、干密度为0.198g/cm³、吸水率仅为1.26％、导热系数为0.054w/(m.k)。

通过以上实施案例可以证明：本发明的开孔泡沫水泥，随着起泡剂含量的增加，其抗压强度和吸水率不断增加，而其干密度和导热系数不断下降。其开孔泡沫水泥的各项性能指标均优于闭孔泡沫水泥。可见，本发明产品具有低密度，高的比强度、传质与传热性能均优越的特性。在不同的领域中也有着更为有效的应用且均满足行业的相关标准。