化學發泡陶粒泡沫混凝土力學及熱工性能研究

王　康，陳國新

(新疆農業大學水利與土木工程學院， 新疆烏魯木齊830052)

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化學發泡陶粒泡沫混凝土力學及熱工性能研究

王康，陳國新

(新疆農業大學水利與土木工程學院， 新疆烏魯木齊830052)

摘要：為改善泡沫混凝土的抗裂性能和熱工性能，利用雙氧水、陶粒、玻化微珠、玻璃纖維、水泥等材料，通過化學發泡法制備玻璃纖維增強型陶粒泡沫混凝土砌塊，并采用單因素控制變量法進行順序試驗，分析了各因素對材料力學性能和熱工性能的影響，通過多元線性回歸得出滿足劈拉強度在0.80～0.90 MPa、抗壓強度在7.0～8.0 MPa的泡沫混凝土砌塊最優配合比。結果表明：泡沫混凝土脆性隨雙氧水、玻化微珠和陶粒用量的增加而顯著增大；玻璃纖維既可提高泡沫混凝土強度，又可改善其熱工性能。當雙氧水、玻璃纖維、玻化微珠和陶粒摻量分別為水泥質量的7.5%、1.0%、8.5%和8.5%時，泡沫混凝土導熱系數為0.203 W/(m·k)，劈裂抗拉強度達到0.81 MPa，抗壓強度達到7.3 MPa。化學發泡法制備的玻璃纖維增強型陶粒泡沫混凝土拉壓比高，保溫性能好。

關鍵詞：化學發泡法；泡沫混凝土；力學性能；熱工性能；多元線性回歸；最優配合比

0引言

泡沫混凝土的制備有兩種方法，一種是物理發泡法，另一種是化學發泡法[1-2]。目前，泡沫混凝土的試驗研究、生產工藝以及生產設備主要集中在物理發泡法制備的泡沫混凝土上，有關使用化學發泡制備泡沫混凝土的研究還比較少。與物理發泡法相比，化學發泡法制備泡沫混凝土省去了預制泡沫步驟，其強度發展快，操作更為簡單、快捷，但化學發泡混凝土在發泡過程中容易形成較大的串孔，料漿穩定性差，使泡沫混凝土脆性大、易開裂[3]。纖維能顯著提高泡沫混凝土的拉壓比[4-6]，延緩混凝土出現裂縫，并能刺破發泡時產生的較大氣泡，從而解決化學發泡法容易形成較大串孔的問題。陶粒和玻化微珠都是保溫、隔熱性能良好的建筑材料，適量地摻加陶粒能提高泡沫混凝土強度并減少水泥用量[7-8]，而玻化微珠則能有效降低泡沫混凝土容重并且顯著降低其導熱系數[9-10]。

為改善泡沫混凝土的抗裂性能和熱工性能，本文以工業雙氧水、陶粒、玻化微珠、玻璃纖維、水泥等材料，通過化學發泡法制備玻璃纖維增強型陶粒泡沫混凝土，并采用單因素控制變量進行順序試驗，分析各因素對材料的力學及熱工性能的影響，并通過多元線性回歸得到滿足一定考察指標的經驗公式。

1試驗材料與方法

1.1試驗材料

玻璃纖維長度8～12 mm，直徑15.3 μm，斷裂延伸率3.6%，密度2.70 g/cm3，抗拉強度2480.0 MPa，彈性模量80.0 GPa；玻化微珠顆粒粒徑0.1～2.0 mm，容重80.0～120.0 kg/m3，導熱系數0.028～0.048 W/(m·k)；陶粒堆積密度630～750 kg/m3；水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；工業雙氧水濃度為20%；自來水。

1.2試驗設計

考慮雙氧水、陶粒、玻璃纖維和玻化微珠在不同摻量下對泡沫混凝土的基本力學性能和熱工性能的影響進行順序試驗。水泥、水和二氧化錳的質量比為1∶0.53∶0.025[11-12]，雙氧水、陶粒、玻璃纖維和玻化微珠摻量均以水泥質量為基準，雙氧水取6.5%、7.5%、8.5%、9.5%和10.5%5個水平；陶粒和玻化微珠均取6.5%、8.5%、10.5%、12.5%和14.5%5個水平；玻璃纖維取0.4%、0.6%、0.8%、1.0%和1.2%5個水平。

1.3試塊制作與試驗方法

各因素各水平分別制作6個長寬高均為100 mm的標準立方體試塊(其中3個用于測試劈裂抗拉強度，3個用于測試抗壓強度)和1個300 mm×300 mm×30 mm平板導熱試塊。試驗開始前先將陶粒浸水10～12 h進行預濕，之后將預先準備好的二氧化錳、陶粒、玻化微珠、玻璃纖維等材料干拌成均勻的混合物；再將準備好的雙氧水(稀釋后)倒入干拌均勻的混合物中快速攪拌15 s左右；隨后快速將拌合好的泡沫混凝土裝入模具中，并在模具表面鋪蓋一層塑料薄膜或保鮮膜，然后將鋪好薄膜的試模置于室溫下靜置24 h以后拆模；最后將脫模后的泡沫混凝土試塊置于溫度在(20±3) ℃、濕度在95%以上的標準養護室養護28 d即可。

試塊制備過程如圖1所示。

(a) 拌制過程

立方體試塊的基本力學性能參照《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》(GB-T11969-2008)進行測試，抗壓和劈裂抗拉試驗的荷載加載速度分別為2.0 kN/s和0.2 kN/s。平板導熱試塊的熱工性能參照《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》(GB10294-88)進行測試。試驗測試過程如圖2所示。

(a) 抗壓強度測試

2試驗結果與分析

試驗結果如表1所示。

表1　試驗結果

續表1

變化因素組別名稱玻化微珠/%玻璃纖維/%雙氧水/%陶粒/%抗壓強度/MPa劈拉強度/MPa導熱系數/(W·m-1·k-1)玻化微珠3-18.50.86.56.58.11.080.2123-210.50.86.56.58.50.940.1983-312.50.86.56.57.80.830.1813-414.50.86.56.56.40.620.152陶粒4-16.50.86.58.57.91.080.2284-26.50.86.510.58.41.020.2334-36.50.86.512.58.50.930.2564-46.50.86.514.57.50.690.272

2.1雙氧水對強度和導熱系數的影響

雙氧水摻量變化對泡沫混凝土基本力學及熱工性能的影響如圖3所示。可見，隨雙氧水摻量的增加，泡沫混凝土試塊強度和導熱系數呈線性下降趨勢。雙氧水摻量超過8.5%，混凝土劈拉強度下降了24.1%，降低幅度較大。從試塊劈拉破壞面來看，隨雙氧水摻量的增加，試塊內部較大的閉口串孔孔隙增多。

試驗結果表明，雙氧水摻量過多會導致發泡速率過快，澆筑完成后容易塌模，且混凝土內部容易形成較大的串孔。當試塊受到外力作用時串孔孔邊由于應力集中易產生微裂縫，且裂縫沿著串孔方向迅速擴展，使混凝土強度顯著降低，且呈現脆性破壞。雙氧水摻量過少則達不到理想的發泡效果而造成泡沫混凝土容重大、導熱系數過高。

(a) 抗壓強度

(b) 劈裂抗拉強度

(c) 導熱系數

圖3雙氧水摻量對試塊力學性能和熱工性能影響

Fig.3Influence of hydrogen peroxide content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.2玻璃纖維對強度和導熱系數的影響

玻璃纖維摻量變化對泡沫混凝土基本力學及熱工性能性能的影響如圖4所示。可見，隨玻璃纖維摻量的增加，泡沫混凝土試塊導熱系數單調遞減，試塊抗壓強度和劈拉強度值在1.0%摻量下分別達到最大，1.0%摻量組別試塊相較0.4%摻量組別試塊其抗壓強度提高了36.8%，劈拉強度提高了56.8%；1.2%摻量組別試塊相較0.4%摻量組別試塊其導熱系數降低了15.0%。玻璃纖維對泡沫混凝土試塊的劈裂抗拉強度提高程度最明顯，對抗壓強度提高和導熱系數降低的影響較明顯。

玻璃纖維作為增強相，適當的摻量能明顯提高泡沫混凝土的劈裂抗拉強度，從而改善混凝土的抗裂性能[13-15]。1.2%摻量組別試塊的抗壓和劈拉強度均有所降低，原因在于玻璃纖維摻量過多會導致混凝土在短時間快速攪拌的過程中出現嚴重的纖維成團、成束的現象，玻璃纖維分布不均勻，使得纖維的 “三維約束”效應難以體現，且玻璃纖維與水泥砂漿的結合面是試塊受力作用下的比較薄弱的界面，玻璃纖維摻量的增加使弱界面數量增多，進而使空間約束能力減弱，導致泡沫混凝土強度穩定性變差。但泡沫混凝土導熱系數隨玻璃纖維摻量變化幅度較小，原因在于玻璃纖維摻量的變化水平遠小于其他因素，且纖維之間的搭接、牽連阻礙了混凝土發泡，纖維過多會造成混凝土難以發泡，這使得玻璃纖維質輕、隔熱的優勢在泡沫混凝土中難以體現。

(a) 抗壓強度

(b) 劈裂抗拉強度

(c) 導熱系數

圖4玻璃纖維摻量對試塊力學性能和熱工性能影響

Fig.4Influence of the glass fiber content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.3玻化微珠對強度和導熱系數的影響

玻化微珠摻量變化對泡沫混凝土基本力學及熱工性能性能的影響如圖5所示。可見，隨玻化微珠摻量的增加，泡沫混凝土試塊劈拉強度和導熱系數的變化基本呈線性下降趨勢；玻化微珠摻量6.5%試塊相較摻量14.5%試塊其劈拉強度降低了42.6%，導熱系數降低了28.3%。玻化微珠明顯改善泡沫混凝土的熱工性能，但泡沫混凝土的脆性隨玻化微珠用量增加而顯著變大。

玻化微珠摻量由6.5%增至10.5%，試塊抗壓強度上升16.4%，劈拉強度下降18.3%，導熱系數下降11.2%。原因在于玻化微珠的多孔空腔結構發揮了良好的保溫作用，其用量越多則混凝土內部的閉口氣孔就越多，使泡沫混凝土導熱系數和容重越低。但玻化微珠用量過多會使混凝土內部孔隙率較大，試塊承受外荷載作用時應力集中的部位較多，最終導致泡沫混凝土脆性破壞。

(a) 抗壓強度

(b) 劈裂抗拉強度

(c) 導熱系數

圖5玻化微珠摻量對試塊力學性能和熱工性能影響

Fig.5Influence of the glazed hollow bead content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.4陶粒對強度和導熱系數的影響

陶粒摻量變化對泡沫混凝土基本力學及熱工性能性能的影響如圖6所示。可見，隨著陶粒摻量的增加，試塊劈拉強度基本呈線性下降趨勢；導熱系數呈上升趨勢；陶粒摻量為12.5%試塊抗壓強度達到最大值8.5 MPa。相較摻量12.5%試塊，陶粒摻量14.5%試塊抗壓強度降低11.7%，劈拉強度降低25.8%，導熱系數上升6.3%。

當陶粒摻量為14.5%時，泡沫混凝土的和易性較差，砂漿過剩系數明顯降低。砂漿過剩系數過低使砂漿約束陶粒變形的能力變弱，試塊受外力作用時陶粒容易產生裂紋而遭破壞。相同摻量的陶粒和玻化微珠相比，試塊的導熱系數并沒有隨陶粒摻量增加而有明顯變化，原因在于玻化微珠顆粒粒徑小，單位體積混凝土中玻化微珠分布范圍廣且更加均勻，更有利于發揮材料本身的保溫隔熱作用。

(a) 抗壓強度

(b) 劈裂抗拉強度

(c) 導熱系數

圖6陶粒摻量對試塊力學性能和熱工性能影響

Fig.6Influence of the ceramsite content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

3多元線性回歸分析

以玻璃纖維增強型陶粒泡沫混凝土的抗壓強度以及劈裂抗拉強度作為考核指標，采用多元線性回歸推導玻璃纖維增強型陶粒泡沫混凝土砌塊配合比經驗公式，以確定強度在7.0～8.0 MPa砌塊材料的最優配合比。

對泡沫混凝土試塊的抗壓強度和劈裂抗拉強度的試驗測試結果進行多元線性回歸，假設線性回歸模型為:

yi=b0-b1xx-b2x2-b3x3-b4x4+e,

(1)

其中，yi為試塊的抗壓強度或劈拉強度或導熱系數；x1為雙氧水摻量；x2為玻璃纖維摻量；x3為玻化微珠摻量；x4為陶粒摻量；e為試驗誤差。

將試驗數據代入回歸模型(1)中，得到下列回歸方程。

試塊抗壓強度多元線性回歸方程為：

y1=10.319-0.013xx+0.027x2+0.001x3+0.002x4,R2=0.848，n=17。

(2)

試塊劈拉強度多元線性回歸方程為：

y2=2.601-0.003xx+0.01x2-0.001x3-0.001x4，　R2=0.981，n=17。　(3)

1.*為一般顯著；***為非常顯著。

對多元線性回歸方程進行方差分析，結果如表2所示。由表2可知，劈裂抗拉強度線性回歸方程檢驗值非常顯著，抗壓強度線性回歸方程檢驗值顯著程度一般。所以在玻璃纖維增強型陶粒泡沫混凝土配合比的設計過程中應以劈裂抗拉強度為主要參考指標。

根據泡沫混凝土試塊劈裂抗拉強度多元線性回歸方程(3)，初步選取雙氧水摻量7.5%，玻璃纖維摻量1.0%，玻化微珠摻量10.5%和陶粒摻量10.5%為泡沫混凝土最優摻量。為驗證經驗公式的適用性，本研究以該配比實際配置了3組泡沫混凝土試塊。將試塊的配合比參數代入回歸方程(3)中，得到劈裂抗拉強度值為0.83 MPa，抗壓強度值為8.0 MPa；而按照初選配合比配置試塊的實測劈拉強度為值0.81 MPa，抗壓強度值為7.3 MPa，導熱系數為0.203 W/(m·k)。結果表明，劈拉強度實測值與計算值吻合較好，回歸方程(3)對于配置強度等級在7.0～8.0 MPa的砌塊有較大的參考價值和較強的適用性。

4結論

通過研究分析雙氧水、玻璃纖維、玻化微珠和陶粒在不同摻量下對泡沫混凝土基本力學性能及熱工性能的影響，得到如下結論：

①雙氧水摻量超過8.5%，泡沫混凝土抗壓強度和劈拉強度值下降幅度較大，其摻量每增加1.0%，泡沫混凝土抗壓強度下降約13.6%，劈拉強度下降約19.8%。

②玻璃纖維對泡沫混凝土試塊的劈裂抗拉強度提高程度最明顯，對抗壓強度提高和導熱系數降低的影響較明顯。相較0.4%摻量組別試塊，1.0%摻量組別試塊劈拉強度提高53.4%，抗壓強度提高17.6%，1.2%摻量組別試塊導熱系數降低了15.0%。

③玻化微珠顯著改善了泡沫混凝土的熱工性能，但是其用量過多將導致泡沫混凝土脆性顯著變大。其用量由6.5%增至14.5%，導熱系數由0.223 W/(m·k)降至0.152 W/(m·k)，下降31.8%。

④陶粒摻量14.5%試塊泡沫混凝土和易性差，相較摻量12.5%試塊其抗壓強度降低11.7%，劈拉強度降低25.8%，導熱系數上升6.3%。

⑤采用多元線性回歸分析得到的計算強度與實測強度吻合較好，當雙氧水摻量7.5%，玻璃纖維摻量1.0%，玻化微珠摻量8.5%，陶粒摻量8.5%，泡沫混凝土劈拉強度為0.81 MPa；抗壓強度為7.3 MPa；導熱系數為0.203 W/(m·k)。砌塊的延性比較好，拉壓比為0.11。可見經驗公式對于配置砌塊劈拉強度在0.80～0.90 MPa、抗壓強度在7.0～8.0MPa的砌塊有較大的參考價值和較強的適用性。

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(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Mechanical and thermal properties of ceramsite foamed concrete prepared with chemical foaming method

WANG Kang ,CHEN Guo-xin

(College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Abstract：In order to improve crack resistance and thermal properties of foamed concrete, hydrogen peroxide, ceramsite, glazed hollow bead, glass fiber, and cement were used to prepare glass fiber-reinforced ceramsite foamed concrete blocks with the chemical foaming method. A single factor control variate method was used to test the blocks, and the effect of various factors on mechanical and thermal properties of the concrete was analyzed. An optimal mixture ratio was obtained through a multiple linear regression analysis. The splitting tensile strength of the foamed blocks was between 0.80 MPa and 0.90 MPa, and the compressive strength was between 7.0 MPa and 8.0 MPa. Results show that the brittleness of foamed concrete corresponds with the increase of the hydrogen peroxide and glazed hollow bead contents. Glass fiber can improve the splitting tensile strength and thermal performance of foamed concrete. When the hydrogen peroxide, glass fiber and glazed hollow beads are 7.5%, 1.0%, 8.5% and 8.5% of the cement mass content, respectively, the thermal conductivity of foamed concrete is 0.203 W/(m·k), the splitting tensile strength is 0.81 MPa, and the compressive strength is 7.3 MPa. Glass fiber-reinforced ceramsite foamed concrete prepared with the chemical foaming method, have high ratio of tension to compression and good thermal properties.

Key words：chemical foaming method; foamed concrete; mechanical properties; thermal properties; regression analysis; optimum mixture ratio

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-0339-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0339

通訊作者：陳國新(1978-)，男，新疆巴州人，新疆農業大學副教授，博士(后)；E-mail:xjbnchgx@163.com。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11242007)；新疆維吾爾自治區優秀青年科技創新人才培養項目(2014721012)；中國科學院"西部之光"人才培養計劃項目(RCPY201208)

收稿日期：2015-10-18；

修訂日期：2016-02-19

引文格式：王康，陳國新.化學發泡陶粒泡沫混凝土力學及熱工性能研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(2)：339-345.