大摻量粉煤灰泡沫混凝土正交試驗研究

王元月

（陽西縣建兆混凝土有限公司）

大摻量粉煤灰泡沫混凝土正交試驗研究

王元月

（陽西縣建兆混凝土有限公司）

采用L16（45）正交表設計大摻量粉煤灰泡沫混凝土正交試驗配比方案，并進行相關性能測試，研究分析了水泥、粉煤灰、激發劑、泡沫、減水劑和水灰比等因素對泡沫混凝土28d抗壓強度的影響。

大摻量粉煤灰；泡沫混凝土；正交試驗；抗壓強度

1　前言

泡沫混凝土是通過物理發泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經過現澆成型，經自然養護所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質保溫材料［1-3］，具有輕質、保溫、隔熱、隔音、不燃、抗震、利廢等優點。粉煤灰是良好的輔助性膠凝材料，具有改善混凝土工作和力學性能的優點，泡沫混凝土中大量使用粉煤灰將有利于節能減排、節約資源和保護環境。但大摻量粉煤灰泡沫混凝土強度低，嚴重制約其推廣與應用［4-5］。通過研究泡沫混凝土的特點，分析影響粉煤灰泡沫混凝土性能的主要因素，改進配合比，提高泡沫混凝土的性能，將具有重要的經濟與社會意義。

2　原材料與配合比設計

2.1原材料

本實驗選用P·Ⅱ42.5硅酸鹽水泥，II級粉煤灰，激發劑為堿性激發劑，發泡劑為動物蛋白類發泡劑；減水劑為聚羧酸類高效減水劑。

2.2配合比設計

以粉煤灰摻量、激發劑用量、泡沫量、減水劑摻量和水灰比為五個因素，各取四個水平設計正交試驗并得出測試結果。試驗采用L16（45）正交表，試驗因素水平設計如表1所示，正交試驗配比方案及試驗結果如表2所示，其中膠凝材料用量為400kg/m3，泡沫混凝土干容重為500±50kg/m3。

表1　試驗因素水平

表2　正交試驗配比方案及試驗結果

3　結果與分析

根據表2所示的正交配比方案與試驗結果，對泡沫混凝土28d抗壓強度進行直觀分析，并繪制不同因素對28d抗壓強度的效應曲線圖，直觀分析見表3，效應曲線圖見圖1。

表3中，A表示粉煤灰摻量、B表示激發劑摻量、C表示泡沫量、D表示減水劑摻量、E表示水灰比。從表3中可以看出，A因素即粉煤灰摻量是影響抗壓強度的主要因素，結合極差結果分析，其次要因素為激發劑摻量，然后是水灰比、減水劑摻量和泡沫量。各因素對強度的影響程度大小為：A＞B＞E＞D＞C。

從圖1中可以看出，粉煤灰摻量、激發劑摻量、泡沫量、減水劑摻量、水灰比等對泡沫混凝土抗壓強度均有不同程度的影響。隨著粉煤灰摻量增加，泡沫混凝土抗壓強度先增加后減少，這由于粉煤灰微粒作用，水泥漿體中顆粒能均勻分散，擴大了水泥水化空間和水化產物生成的場所，從而促進了初期水泥水化反應，粉煤灰球形顆粒的形態效能減少泡沫混凝土需水量，提高流動度，使泡沫混凝土的性能顯著提高，從而大幅度提高了泡沫混凝土的強度。另一方面，水化反應后期粉煤灰的活性效應（指粉煤灰中活性SiO2和Al2O3）與漿體中Ca（OH）2反應生成更多的膠凝產物，從而使漿體具有較高的強度。粉煤灰火山灰活性的高低取決于反應的能力、速度及水化產物的數量、結構和性質等因素。通過堿激發等方法，可提高粉煤灰的火山灰活性。但粉煤灰摻量比繼續增加會使水泥用量相應減少，對泡沫混凝土強度形成不良影響。

隨著堿性激發劑摻量增加，泡沫混凝土強度顯著增加，這由于粉煤灰雖具有化學活性，但這種活性是潛在的，需要靠熟料水化產生的Ca（OH）2等堿性物質來激發其活性，使它們進行水化反應并生成二次水化產物。有研究表明［6-12］，粉煤灰在pH值低于13.2的堿溶液中反應十分緩慢，而熟料水化早期堿度有限，早期粉煤灰水化緩慢，水化程度低，粉煤灰水泥制品早期強度低。通過堿處理可以加快粉煤灰早期水化進程，提高粉煤灰水泥制品的早期性能，從而提高了泡沫混凝土的強度。隨著堿激發劑用量繼續增加，泡沫混凝土漿體體系中堿含量處于過飽和狀態，反而不利于水泥和粉煤灰發生水化反應。

隨著水灰比和減水劑的增大，用水量增加，泡沫混凝土強度先增加后減小，當水灰比為0.40時存在拐點，為水灰比的最佳摻量。水灰比和減水劑摻量增加使泡沫混凝土獲得更好的流動性和均勻性，強度有所增加，水灰比過高和減水劑過摻，泡沫混凝土包裹泡沫能力變差，對強度造成不良的影響。

本試驗設計的泡沫混凝土干容重為500±50kg/m3，實際檢驗結果為510～540kg/m3，達到設計要求，因此本試驗中泡沫量對泡沫混凝土的容重和強度影響都較小。

綜合各因素對泡沫混凝土抗壓強度的影響，綜合最優配比為水泥用量280kg/m3、粉煤灰摻量30%、激發劑用量1.6%、泡沫量35kg/m3、減水劑摻量1.2%和水灰比0.40。

表3　抗壓強度直觀分析

圖1　不同因素對28d抗壓強度的效應曲線圖

4　結論

隨著粉煤灰摻量增加，泡沫混凝土抗壓強度先增加后減少，這由于粉煤灰形態效應、活性效應和微集料效應的作用。隨著堿性激發劑摻量增加，泡沫混凝土強度顯著增加，這由于堿性物質激發粉煤灰的化學活性，進行水化反應并生成二次水化產物。水灰比和減水劑摻量增加使泡沫混凝土獲得更好的流動性和均勻性，強度有所增加，水灰比過高和減水劑過摻，泡沫混凝土包裹泡沫能力變差，對強度造成不良的影響。綜合各因素對泡沫混凝土抗壓強度的影響，綜合最優配比為：水泥用量280kg/m3、粉煤灰摻量30%、激發劑用量1.6%、泡沫量35kg/m3、減水劑摻量1.2%和水灰比0.40。●

［1］亓延軍.常用有機外墻外保溫系統火災特性研究［D］.中國科學技術大學，2012.

［2］于寧，張云飛，謝慧東，欒佳春，郭中光.憎水劑對化學發泡泡沫混凝土性能影響的試驗研究［J］.商品混凝土，2012（09）.

［3］徐文，劉興亞，朱清華.外墻外保溫用化學發泡泡沫混凝土板的試驗研究［J］.混凝土，2012（03）.

［4］張欣，葉劍鋒，周海兵，李石林，馮濤.化學發泡制備超輕憎水泡沫混凝土研究［J］.新型建筑材料，2013（03）.

［5］蔡娜.超輕泡沫混凝土保溫材料的試驗研究［D］.重慶大學，2009.

［6］卡哈爾·艾買提.淺談粉煤灰有效、綜合利用及發展建議［J］.中國西部科技，2010，9（10）：14-15.

［7］Wang A.Q.，Zhang C.Z.，Sun.W.Fly ash effects：I. The morphological effect of fly ash［J］.Cement and Concrete Research，2003，33（12）：2023-2029.

［8］沈旦申，張蔭濟.粉煤灰效應的探討［J］.硅酸鹽學報，1981，1：9-14.

［9］沈旦申.粉煤灰混凝土［M］.北京：中國鐵道出版社，1989.

［10］Wang A.Q.，Zhang C.Z，Sun.W.Fly ash effects：III. The micro-aggregate effect of fly ash［J］.Cement and Concrete Research，2004，34（11）：2061-2066.

［11］潘鋼華，王愛勤，等.改善粉煤灰水泥早期性能的兩個措施［J］.東南大學學報，1998，28（1）：97-102.

［12］Takemoto K.，Uchikawa H.火山灰質水泥水化［C］.第七屆國際水泥化學會議論文選1集.北京：中國建筑工業出版社，1985.