摻合料與外加劑對(duì)泡沫混凝土的性能影響研究

郭元強(qiáng)

（廈門市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361004）

摻合料與外加劑對(duì)泡沫混凝土的性能影響研究

郭元強(qiáng)

（廈門市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361004）

本文通過正交設(shè)計(jì)對(duì)粉煤灰－石灰－石膏－水泥硬化膠凝材料漿體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，探索出泡沫混凝土基體最佳配合比。在此基礎(chǔ)上，添加泡沫制備泡沫混凝土，并研究了促凝劑和穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響。研究表明摻入適量的促凝劑和穩(wěn)泡劑，可以提高泡沫混凝土多方面性能，但超過一定范圍將對(duì)其性能不利。

泡沫混凝土；抗壓強(qiáng)度；外加劑

0 引言

近年來，隨著我國(guó)建筑節(jié)能工作的不斷深入，外墻保溫的節(jié)能方式已經(jīng)逐漸普及，但隨之而來的是上海、北京等地大規(guī)模的易燃保溫材料所引發(fā)的火災(zāi)，一例例建筑大火的慘痛事例無不暴露出建筑保溫與建筑防火的巨大矛盾，以及有機(jī)保溫材料耐火性能差的缺陷[1]。泡沫混凝土作為一種環(huán)保、節(jié)能材料，具有體積和密度小，且保溫、隔熱、耐火性、隔音性和抗震性優(yōu)良的特點(diǎn)，既可工廠化生產(chǎn)成各種形狀的預(yù)制品，又可現(xiàn)場(chǎng)澆筑，在各類建筑，尤其是建筑節(jié)能防火中具有廣泛的應(yīng)用前景，受到了人們的廣泛關(guān)注[2-4]。但泡沫混凝土也存在抗壓強(qiáng)度低、脫模時(shí)間長(zhǎng)、脫模強(qiáng)度低、干密度較低時(shí)成型困難等不足之處[2,5-7]。為此希望在降低泡沫混凝土干密度的前提下盡可能提高其 28d 抗壓強(qiáng)度和脫模強(qiáng)度，減少脫模時(shí)間。本文通過摻入聚羧酸減水劑、促凝劑、穩(wěn)泡劑和保水劑，改善泡沫混凝土漿體工作性能，提高硬化后的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、降低導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率，確定最佳配合比。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

所用水泥為南京中國(guó)水泥廠有限公司生產(chǎn)的金寧羊牌P·Ⅱ42.5R 早強(qiáng)型水泥，其物理性能見表 1；粉煤灰為南京華能電廠的 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，其化學(xué)組成和性能見表 2；發(fā)泡劑為南京金博節(jié)能技術(shù)發(fā)展中心（江蘇和田集團(tuán)）提供的 JT 復(fù)配泡沫劑，發(fā)泡倍數(shù)大于 20，泡沫均勻且穩(wěn)定性很好；為加快水泥硬化速度，縮短泡沫混凝土脫模時(shí)間，并提高早期強(qiáng)度，本試驗(yàn)選用市售粉末狀促凝劑 J；為提高泡沫混凝土保水性和泡沫穩(wěn)定性，防止離析和塌模、減少泌水，本試驗(yàn)選用市售粉末狀穩(wěn)泡劑 Y。

表 1 水泥物理性能

表 2 粉煤灰的化學(xué)組成與性能 %

2.2 試驗(yàn)方法

發(fā)泡劑的制備：將發(fā)泡劑與水以質(zhì)量比為 1:100 混合，采用 D8401－ZH 立軸葉輪式電動(dòng)攪拌機(jī)高速攪拌 10min 制備泡沫。攪拌結(jié)束后需將泡沫靜置約 15min，待量杯底部泌出的溶液體積穩(wěn)定后，使得泡沫性能達(dá)到最佳。按設(shè)定的配合比，將水泥、粉煤灰、促凝劑、穩(wěn)泡劑倒入攪拌鍋內(nèi)干拌 1～2min，待干粉物料混合均勻后，按標(biāo)準(zhǔn)膠砂自動(dòng)攪拌240s，在此攪拌過程中緩慢加入預(yù)稱量的水和減水劑。再加入一定質(zhì)量的預(yù)制泡沫進(jìn)行低速攪拌 1～2min，制成均勻流態(tài)料漿，澆注成 70.7mm×70.7mm×70.7mm 試塊。試件在(20±3)℃、相對(duì)濕度大于 90% 的條件下養(yǎng)護(hù) 3d 后脫模，在(20±2)℃、相對(duì)濕度大于 90% 的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至 28d 齡期。泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、干密度和吸水率試驗(yàn)均參照泡沫混凝土行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JG/T266—2011 進(jìn)行測(cè)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 泡沫混凝土用膠凝材料漿體的研究

對(duì)基體材料[8]即硬化膠凝材料漿體的性能進(jìn)行改性是研制性能優(yōu)異的泡沫混凝土的第一步[9]。通過正交設(shè)計(jì)，在不摻入泡沫的情況下，先對(duì)粉煤灰、石灰和石膏的摻量對(duì)硬化膠凝材料漿體 7d 和 28d抗壓強(qiáng)度的影響做以下研究。

粉煤灰取代水泥質(zhì)量的 20%、25% 和 30%；石灰摻量占膠凝材料總量的 1%、1.5% 和 2%；外摻石膏量占膠凝材料總量的 0.5%、0.75% 和 1%；水膠比為 0.3。采用三因素三水平的正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見表 3 所示。

表 3 正交試驗(yàn)與結(jié)果

從表 3 三因素極差大小發(fā)現(xiàn)，對(duì) 7d 抗壓強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)椋菏覔搅浚臼鄵搅浚痉勖夯胰〈浚覔搅繛橹饕蛩兀鄵搅亢头勖夯胰〈坑绊戄^小；對(duì) 28d 抗壓強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)椋悍勖夯胰〈浚臼覔搅浚臼鄵搅浚勖夯胰〈繛橹饕蛩亍?duì)比發(fā)現(xiàn)，粉煤灰取代量為20% 時(shí)，基體 28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最佳值，這與粉煤灰的二次水化有關(guān)，但摻量不宜過大，否則反而會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降[10]。總體來看，當(dāng)石灰摻量為 1.5%～2% 之間時(shí)，泡沫混凝土 28d抗壓強(qiáng)度較大，但石膏摻量對(duì)基體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律并不明顯。在兼顧 7d 抗壓強(qiáng)度的情況下，確定泡沫混凝土用硬化膠凝材料漿體優(yōu)化配合比為：水膠比 0.3，粉煤灰取代水泥質(zhì)量20%，石灰摻量 1.5%，石膏摻量 0.5%。

3.2 外加劑種類和摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

在優(yōu)化泡沫混凝土用膠凝材料的基礎(chǔ)上，添加適宜的外加劑和選擇適宜的混泡工藝最終決定了泡沫混凝土質(zhì)量的優(yōu)劣。在優(yōu)化的配比基礎(chǔ)上擬添加促凝劑和穩(wěn)泡劑，研究外加劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響。試驗(yàn)中固定水膠比為 0.3，泡沫量比為 3.0m3/m3。試驗(yàn)配比和結(jié)果如表 4 所示。

表 4 試驗(yàn)配合比及試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表 4 的結(jié)果來看，當(dāng)促凝劑摻量為 1.5%，穩(wěn)泡劑摻量為 2.5% 時(shí)，泡沫混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值1.71MPa，干密度為 530kg/m3；當(dāng)促凝劑摻量為 1.5%，穩(wěn)泡劑摻量為 2% 時(shí)，泡沫混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值2.9MPa，吸水率達(dá)到最小值 29%，干密度為 532kg/m3。

利用 Origin 將表 4 的結(jié)果進(jìn)行矩陣轉(zhuǎn)換，圖 1～圖 4是用泡沫混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度和吸水率分別與促凝劑、穩(wěn)泡劑摻量之間的關(guān)系繪制出的三維曲面圖。根據(jù)表 4 的結(jié)果來看，不摻促凝劑和穩(wěn)泡劑時(shí)，泡沫混凝土的干密度為最大值 545kg/m3，原因是泡沫混凝土在混泡攪拌和固化期間存在泡沫破損的情況，泡沫穩(wěn)定性差，漿體凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)。從圖 1中也可以看出，泡沫混凝土干密度隨兩種外加劑摻量的增加呈整體下降趨勢(shì)。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)摻入一定量的促凝劑和穩(wěn)泡劑可以有效縮短脫模時(shí)間，且有利于消除塌模和泌水現(xiàn)象，這對(duì)提高泡沫混凝土性能和大批量生產(chǎn)有重要作用。但促凝劑和穩(wěn)泡劑摻量并非越大越好，在選擇摻量時(shí)應(yīng)考慮兩者對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響。

圖 1 促凝劑、穩(wěn)泡劑摻量對(duì)干密度的影響

圖 2 促凝劑、穩(wěn)泡劑摻量對(duì) 7d 抗壓強(qiáng)度影響

從圖 2 可以明顯的看出，當(dāng)促凝劑摻量小于 1.5% 時(shí)，隨著穩(wěn)泡劑摻量的增加，泡沫混凝土的 7d 強(qiáng)度先減小后增大；當(dāng)促凝劑摻量為 1.5%，穩(wěn)泡劑摻量為 2.5% 時(shí)，7d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值 1.71MPa，干密度為 530kg/m3；當(dāng)促凝劑摻量超過 1.5% 時(shí)，7d 抗壓強(qiáng)度隨促凝劑摻量的增加而減小，穩(wěn)泡劑對(duì) 7d 抗壓強(qiáng)度影響較小。

圖 3 促凝劑、穩(wěn)泡劑摻量對(duì) 28d 抗壓強(qiáng)度影響

圖 4 促凝劑、穩(wěn)泡劑摻量對(duì)吸水率的影響

從圖 3 看出，當(dāng)促凝劑摻量小于 1.5% 時(shí)，隨著穩(wěn)泡劑摻量的增加，泡沫混凝土的 28d 強(qiáng)度先減小后增大；當(dāng)促凝劑摻量為 1.5%，穩(wěn)泡劑摻量為 2% 時(shí)，泡沫混凝土 28d 抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值 2.9MPa，干密度為 532kg/m3；當(dāng)促凝劑摻量超過 1.5% 時(shí)，28d 抗壓強(qiáng)度隨促凝劑摻量的增加而減小；從圖2 和圖 3 看出，當(dāng)促凝劑摻量為 2%，穩(wěn)泡劑摻量為 3% 時(shí)，泡沫混凝土 7d、28d 強(qiáng)度均降到最小值，說明在摻入促凝劑和穩(wěn)泡劑時(shí)要嚴(yán)格控制摻量，超過一定的范圍則會(huì)對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度造成不利影響。

從圖 4 可以看出，泡沫混凝土吸水率與促凝劑、穩(wěn)泡劑的摻量之間存在著良好的相關(guān)性，當(dāng)促凝劑摻量為 1.5%、穩(wěn)泡劑摻量為 2% 時(shí)，吸水率降低到最小值 29%，說明摻入兩種外加劑可以降低泡沫混凝土的吸水率。其原因是摻入促凝劑和穩(wěn)泡劑后，不但減少了泡沫混凝土漿體的凝結(jié)時(shí)間，而且提高了泡沫的穩(wěn)定性，因此減少了由于泡沫破裂造成的孔缺陷，降低連通孔形成的幾率；同時(shí)，在促凝劑和穩(wěn)泡劑的協(xié)同作用下，泌水現(xiàn)象消失，減少了因?yàn)槊谒纬傻募?xì)微通道，從而降低了泡沫混凝土的吸水率[11-12]。

綜上所述，在泡沫混凝土中摻入促凝劑和穩(wěn)泡劑，對(duì)其干密度、抗壓強(qiáng)度和吸水率均有較大影響，促凝劑的最佳摻量為 1.5%，穩(wěn)泡劑的最佳摻量為 2%。

4 結(jié)論

（1）對(duì)硬化膠凝材料漿體的 28d 抗壓強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)?：粉煤灰取代量＞石灰摻量＞石膏摻量，摻入適量的粉煤灰對(duì)后期強(qiáng)度的提升有利；

（2）一定量的促凝劑和穩(wěn)泡劑有利于提高泡沫混凝土的性能，能縮短脫模時(shí)間，提高泡沫混凝土的強(qiáng)度，降低吸水率。二者的最佳摻量分別為：促凝劑 1.5%，穩(wěn)泡劑 2%。

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Influences of additives on performances of foamed concrete

GuoYuanqiang
(Xiamen Academy of Building Research Group CO,. Ltd, FuJian Xiamen 361004)

This paper studied the compressive strength performance of fly ash-lime-gypsum-hardened cement slurry cement materials with the aid of orthogonal experiment, and the best proportion of the compressive strength for the matrix of foam concrete was found out. Through the systematic study of the effect of coagulant agent and steady bubble agent on the properties of the foamed concrete, which was made by adding foam into the foamed concrete matrix, the results show that adding proper amount of coagulant agent and steady bubble agent, the prepared foamed concrete can show a good performance,but exceeding some range will against the performance of concrete.

foamed concrete; compressive strength; additives

郭元強(qiáng)（1973—），男，工程師，廈門市建筑科學(xué)研究院，經(jīng)理。