早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期性能形成影響的試驗研究

吳亞飛,劉德仁,2

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070)

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早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期性能形成影響的試驗研究

吳亞飛1,劉德仁1,2

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州 730070；2.甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州 730070)

早強劑作為一種能夠顯著提高混凝土早期強度的外加劑，對輕質復合發泡泡沫混凝土的早期性能有著較大影響。試驗采用WDW-E微機控制電子萬能試驗機分別對不同養護齡期下三種不同的濕密度，分別為500、800和1000 kg/m3的輕質復合發泡泡沫混凝土試樣做了室內無側限單軸抗壓試驗，分析了不同濕密度、不同摻和量的氯化鈣、硫酸鈉及碳酸鈉3種早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期強度形成的影響。結果表明：摻入不同摻和量的3種早強劑均可顯著提高輕質復合發泡泡沫混凝土早期強度指標(抗壓強度和彈性模量)，特別是試樣3 d、7 d抗壓強度及彈性模量，但對試樣養護后期的強度指標形成影響不大；就三種早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土試樣的早強效果而言，以硫酸鈉早強劑的早強效果最好，氯化鈣早強劑早強效果稍差，碳酸鈉早強劑早強效果最差；各濕密度下以早強劑摻入量為2.0%左右早強效果較為理想。

早強劑； 復合發泡劑； 輕質泡沫混凝土； 抗壓強度； 彈性模量； 養護齡期

1 引 言

輕質泡沫混凝土是在由水泥、骨集料、外摻料、改性劑和水等按照一定比例制成的混凝土漿體中引入一定量的氣體使漿體膨脹，經充分混合并均勻攪拌后合理養護、逐漸硬化形成的一種含有大量封閉微小氣孔的新型材料[1]，是近年來土木工程新型材料領域開發的一種輕質高強填筑材料[2]。輕質泡沫混凝土以其輕質高強、直立性強、保溫隔熱、隔音防火、低彈抗震和對環境影響小等良好性能[3-6]在土木工程新型材料領域有著較為廣泛的應用，如軟基處理、擋土墻、陡坡地區施工、管道回填等[7]，也可用于路基加寬、減小橋頭不均勻沉降及沿海地基填充等等[8-10]。

由于在施工實際應用中，泡沫混凝土從完成澆筑到養護至所需強度需要一定的周期，在一定程度上拖慢了施工進度、降低了施工效率。為提高其早期強度、縮短養護時間、加快施工進度以提高施工效率，在輕質泡沫混凝土中添加早強劑就顯得尤為必要。為此，相關學者做了許多關于在輕質泡沫混凝土中摻加早強劑對其早期物理力學性能影響的試驗研究：張欣等[11]研究了早強劑對煤矸石泡沫混凝土的早強效果及煤矸石泡沫混凝土早期抗壓強度影響因素；謝慧東等[12]在化學發泡混凝土中摻入3種不同摻和量的早強劑分別為氯化鈣、硫酸鈉、碳酸鈉早強劑，分析了這3種不同摻量的早強劑對其發泡倍數、漿體穩定性、抗壓強度、干表觀密度及體積吸水率的影響；邵洪江等[13]研究了在粉煤灰泡沫混凝土中摻入氯化鈣早強劑對其干容重、體積吸水率和早期抗壓強度的影響；俞心剛等[14]研究了在煤矸石-粉煤灰泡沫混凝土摻加不同摻和量的早強劑對輕質泡沫混凝土抗壓強度、干表觀密度的影響。但是對于目前在實際工程有較多應用的輕質復合發泡泡沫混凝土，早強劑對其早期強度形成的影響試驗研究卻很少見諸期刊。因此，本文對不同養護齡期條件下摻加不同劑量的3種早強劑(氯化鈣、硫酸鈉、及碳酸鈉早強劑)、濕密度分別為500、800和1000 kg/m3的輕質復合發泡泡沫混凝土試樣進行了室內無側限單軸壓縮試驗，分析了3 d、7 d、14 d及28 d不同養護齡期下3種不同摻和量的早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期強度形成的影響。

2 試 驗

2.1 試驗原材料及設備

本次試驗制備輕質復合發泡泡沫混凝土試樣所需原材料、設備如下：

(1)水泥：水泥為普通硅酸鹽水泥P·O42.5級，比重3.20 g/cm3、比表面積4200 cm2/g，甘肅祁連山水泥集團股份有限公司；

(2) 發泡劑：發泡劑為HTW-1型(出口型)復合發泡劑，具有良好的乳化、發泡、滲透及分散性能，河南華泰建材開發有限公司；

(3)水為蘭州自來水，對堿水、硬水不敏感；

(4)早強劑：3種早強劑分別為氯化鈣早強劑、硫酸鈉早強劑和碳酸鈉早強劑；

(5)摻和量：0.0%、1.5%、2.0%及2.5%；

(6)發泡設備：TH-30B發泡機，出口壓力高、發泡密度易控制，安徽泰恒機械制造有限公司。

2.2 試樣制備與試樣養護

依照一定的配合比分別稱取相應量的水泥和外加劑后將二者均勻混合，本次試驗取水固比為0.65，并按照要求稱取相應的水和水泥用量，將其均勻攪拌(人工、機械均可)后立即加入由發泡機制備好的泡沫，并均勻攪拌至達到相應設計要求。攪拌均勻后將制備好待用的泡沫混凝土漿液澆筑到尺寸為150 mm×150 mm×150 mm預先制好的模具中。完成澆筑后，需均勻振搗并使漿液均勻填充到模具中的每一處，以除去漿液中存在的過大氣泡。人工或機械振搗完成后試樣表面立即用一層保鮮膜覆蓋，以防止水分蒸發從而引起試塊開裂。試樣靜置于試驗室24 h后模具頂面多余的泡沫混凝土連同保鮮膜一并小心去除。小心脫去模具后需馬上送入標準養護室養護至試驗所需的規定齡期，養護期間注意間隔一定時間在試樣表面灑水以保持試塊表面濕潤防止水分蒸發而引起試塊表面收縮開裂。

2.3 試驗方法

為研究早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土早期彈性模量特性的影響，本次試驗具體試樣分組設計如下：

早強劑：氯化鈣、硫酸鈉早強劑及碳酸鈉早強劑3種早強劑；早強劑摻量：分別為水泥用量的0.0%、1.5%、2.0%及2.5%，其中不摻加早強劑組試樣作空白對照；三種濕密度：分別為500、800和1000 kg/m3；不同養護齡期：分別為3 d、7 d、14 d及28 d養護齡期。利用WDW-E微機控制電子萬能試驗機對不同濕密度、不同早強劑、早強劑摻量以及不同養護齡期的同組試樣分別進行室內無側限單軸壓縮試驗[15,16]，并取其平均值作為最終結果。另為盡量消除外部因素對試樣數據準確性的影響，對同一濕密度、同一早強劑及摻和量的試樣一次性完成澆筑，且對不同濕密度、不同早強劑及摻和量的試樣在同一條件下養護[17]。

3 結果與討論

3.1 早強劑對輕質復合發泡劑泡沫混凝土早期抗壓強度形成的影響分析

圖1、圖2、圖3分別為不同濕密度下不同早強劑及不同早強劑摻量試樣早期抗壓強度與3 d、7 d、14 d及28 d養護齡期關系圖。

圖1 早強劑摻量為1.5%、各濕密度輕質泡沫混凝土抗壓強度與3 d、7 d、14 d及28 d養護齡期關系圖(a) ρw=500 kg·m-3;(b) ρw=800 kg·m-3;(c) ρw=1000 kg·m-3Fig.1 Compressive strength of lightweight foam concrete at different curing ages with 1.5% added amount

圖2 早強劑摻量為2.0%、各濕密度輕質泡沫混凝土抗壓強度與3 d、7 d、14 d及28 d養護齡期關系圖(a) ρw=500 kg·m-3;(b) ρw=800 kg·m-3;(c) ρw=1000 kg·m-3Fig.2 Compressive strength of lightweight foam concrete at different curing ages with 2.0% added amount

圖3 早強劑摻量為2.5%、各濕密度輕質泡沫混凝土抗壓強度與3 d、7 d、14 d及28 d養護齡期關系圖(a) ρw=500 kg·m-3;(b) ρw=800 kg·m-3;(c) ρw=1000 kg·m-3Fig.3 Compressive strength of lightweight foam concrete at different curing ages with 2.5% added amount

綜合圖1、圖2、圖3中得出的結論如下：

(1)同種濕密度下摻入相同早強劑但摻和量不同的試樣較未摻入早強劑的試樣其早期強度均隨著養護齡期的增加有較大幅度的提高，尤其是3 d、7 d早期抗壓強度，提高幅度較大，其中對7 d抗壓輕度提高幅度最高，另值得特別注意的是3種不同的早強劑摻和量對28 d抗壓強度提高幅度較小；(2)相同種類的早強劑及同摻量情況下，隨著試樣的濕密度增加，試樣的早期抗壓強度也隨著養護齡期的增長而提高，但提高幅度逐漸減小；(3)同種濕密度情況下，隨著早強劑摻和量的增加，試樣早期抗壓強度的提高幅度也有不同程度降低，說明早強劑摻入量不宜過高，綜合分析圖1、2、3表明早強劑摻入量以2.0%左右早強效果最好。

分析三種早強劑對復合發泡泡沫混凝土早期抗壓強度的早強效果而言，以硫酸早強劑的早強效果最好，氯化鈣早強劑的早強效果稍差，碳酸鈉早強劑的早強效果最差，但同時值得特別注意的是硫酸鈉早強劑對試樣28 d抗壓強度反而會有損害，導致試樣28 d抗壓強度有一定程度的降低。原因如下：水泥水化早期，硫酸鈉能夠迅速與水泥水化的產物氫氧化鈣作用生成硫酸鈣，其細度更大、活性更好的特點能使其與水泥中的鋁酸鈣迅速反應，而早期生成大量的鈣礬石又消耗了較多的氫氧化鈣，較大程度上減小了漿體中的氫氧化鈣濃度，大量生成的鈣礬石晶體互相搭接，又有水化硅酸鈣凝膠填充其間，因此能夠較大幅度的提高泡沫混凝土的早期抗壓強度[18]，但同時也是因為水泥水化反應早期速度過快以至于形成的水泥石結構本身不足以抵抗水化后期大量發育的鈣礬石晶體所產生的膨脹壓力，使得水化早期形成的水泥石結構遭到一定程度的破壞，導致試樣養護后期強度有所降低；氯化鈣早強劑的早強作用在于除了其能夠與水泥水化產物之一的鋁酸三鈣快速反應，生成難溶于水的水化氯鋁酸鈣，還能與水泥水化反應生成微溶于水的氫氧化鈣，從而一定程度增大了漿體中固體所占的比例，這是非常有利于水泥石結構的形成，進而可較大程度上提高輕質復合發泡泡沫混凝土的早期抗壓強度；碳酸鈉早強劑的早強效果在于其與漿體中氫氧化鈣作用生成難溶于水的碳酸鈣，遇到水泥中的氯酸鈣而生成大量鈣礬石，一定程度上降低了漿體中氫氧化鈣的濃度從而增大了漿體中的固相比例，故也能夠在一定程度上提高輕質泡沫混凝土的早期抗壓強度。

3.2 早強劑對輕質復合發泡劑泡沫混凝土早期彈性模量形成的影響分析

圖4、圖5、圖6分別為不同濕密度下不同早強劑及不同早強劑摻量試樣早期彈性模量與3 d、7 d、14 d、28 d養護齡期關系圖。

圖4 早強劑摻量為1.5%、各濕密度輕質泡沫混凝土彈性模量與3 d、7 d、14 d及28 d養護齡期關系圖(a) ρw=500 kg·m-3;(b) ρw=800 kg·m-3;(c) ρw=1000 kg·m-3Fig.4 Elastic modulus of lightweight foam concrete at different curing ages with 1.5% added amount

圖5 早強劑摻量為2.0%、各濕密度輕質泡沫混凝土彈性模量與3 d、7 d、14 d、28 d養護齡期關系圖(a) ρw=500 kg·m-3;(b) ρw=800 kg·m-3;(c) ρw=1000 kg·m-3Fig.5 Elastic modulus of lightweight foam concrete at different curing ages with 2.0% added amount

圖6 早強劑摻量為2.5%、各濕密度輕質泡沫混凝土彈性模量與3 d、7 d、14 d、28 d養護齡期關系圖(a) ρw=500 kg·m-3;(b) ρw=800 kg·m-3;(c) ρw=1000 kg·m-3Fig.6 Elastic modulus of lightweight foam concrete at different curing ages with 2.5% added amount

綜合圖4、5、6來看，3種早強劑輕質對復合發泡泡沫混凝土早期彈性模量形成的影響規律與對早期抗壓強度的形成作用規律大概是一致的：(1) 同種濕密度、摻入的早強劑及早強劑摻和量均相同的試樣其早期彈性模量較未摻入早強劑的試樣均隨著養護齡期的增加有較大幅度的提高，其中以3 d彈性模量提高幅度最高；(2) 早強劑摻和量相同情況下，3種早強劑雖然對輕質泡沫混凝土的早期彈性模量提高幅度很大，但對試樣養護后期的彈性模量影響不大；(3) 相同早強劑及摻量情況下，隨著濕密度增加，試樣的早期彈性模量也隨著齡期的增長而提高，但增長幅度逐漸減小；(4) 同種濕密度情況及同種早強劑情況下，試樣的早期彈性模量提高幅度隨著早強劑摻量增加有所降低，說明早強劑摻入量不是越高越好。

4 結 論

試驗通過對3種不同濕密度、摻加3種不同種類的早強劑及不同早強劑摻量的輕質復合發泡劑泡沫混凝土試樣進行的室內無側限單軸壓縮實驗，分析了3種早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土各個齡期早期強度形成的影響，結論如下：

(1) 摻入的3種不同早強劑均可顯著提高輕質復合發泡劑泡沫混凝土的早期強度指標，抗壓強度和彈性模量，特別是對試樣的3 d、7 d抗壓強度及彈性模量，提高幅度最高；

(2)早強劑雖然對輕質復合發泡泡沫混凝土試樣的3 d、7 d強度指標提高幅度很大，但對試樣的后期強度形成提高不大，尤其是28 d抗壓強度及彈性模量，另外硫酸鈉早強劑對試樣后期的強度形成反而會有所降低，值得特別注意；

(3) 三種早強劑對輕質復合發泡泡沫混凝土試樣的早強效果以硫酸鈉早強劑早強效果最好，氯化鈣早強劑的早強效果稍差，碳酸鈉早強劑的早強效果最差；

(4) 綜合上圖所有數據表明各濕密度下以早強劑摻入量為2.0%左右早強效果最為理想。

[1] Kearslega E P,Wainwright P J.Porosity and permeability of foamed concrete[J].CementandConcreteResearch,2001,31:805-812.

[2] 蔡 力,陳忠平,吳立堅.氣泡混合輕質土的主要力學特性應用綜述[J].公路交通科技,2005,22(12):71-74.

[3] 佳 奇,霍冀川,雷永林,等．發泡劑及泡沫混凝土的研究進展[J]．化學工業與工程,2010,27(1):73-78．

[4] Ramamurthy N R,Ranjanigis.A classification of studies on properties of foam concrete[J]．CementConcreteComposites，2009，31(6):388-396．

[5] Tkashi T,Fujisaki H,Makibuchi M,et al.Application of lightweight soil mixed with the raw material to the soil and soil embankment[J].ProceedingsoftheInstituteofCivilEngineering, 2000,644(46):13- 23.

[6] Yokota M,Mitsushima N.Lightweight soil using bubble mixed light soil[J].SoilandFoundation,1996,44(5):5-8.

[7] 張小平,包承綱,李進軍.泡沫輕質材料在巖土工程中的應用[J].巖土工程技術,2000,(01):58-62.

[8] 李英姿.氣泡混合輕質土在加固軟土地基中的應用[J].巖土工程界,2008,11(4):66-68.

[9] Otani J,Mukunoki T,Kikuchi Y.Visualization for engineering property of in-situ light weight soils with air foams[J].SoilsandFoundations,2002,42(3):93-105.

[10] Satoh T,Tsuchida T,Mitsukuri K,et al.Field placing test of lightweight treated soil under seawater in port[J].SoilsandFoundations,2001,41(5):145-154.

[11] 張 欣,周海兵,陳飛宇,等.充填用煤矸石泡沫混凝土的制備與性能研究[J].硅酸鹽通報，2015,34(6):1470-1474.

[12] 謝慧東,郭中光,于 寧,等.早強劑對化學發泡泡沫混凝土性能影響的研究[J].新型建筑材料,2013,8:35-37.

[13] 邵洪江,丁 鑄,孫風金,等.早強劑和蒸養對粉煤灰泡沫混凝土性能影響[J].吉林建材,1999,1:16-20.

[14] 俞心剛,李德軍,田學春,等.煤矸石泡沫混凝土的研究[J].新型建筑材料,2008,1:16-19.

[15] GB/T11969-2008,蒸壓加氣混凝土性能試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2008.

[16] CECS/249:2008,現澆泡沫輕質土技術規程[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[17] 蘇 謙,王亞威,趙文輝,等.早強劑對泡沫輕質混凝土抗壓強度及彈性模量的影響試驗研究[J].鐵道建筑，2015,10:138-141.

[18] 施惠生,孫振平,鄧 愷,等.混凝土外加劑技術大全[M].北京:化學工業出版社,2013.

Effect of Early Strength Agents on Early Performance of Composite Foamed Lightweight Concrete

WUYa-fei1，LIUDe-ren1,2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.Key Laboratory of Road and Bridge and Underground Engineering of Gansu Province,Lanzhou 730070,China)

Early strength agent, as a admixture that can significantly improve the early strength of concrete, has significant impacts on the early performance of composite foamed lightweight foam concrete. The experiment adopted WDW-E microcomputer control electronic testing machine for different curing age of the wet density of 500, 800 and 1000 kg/m3light composite foamed concrete specimens to do unconfined uniaxial compression test. The effects of 3 kinds of early strength agents, calcium chloride, sodium sulfate and sodium carbonate, on the formation of early strength of lightweight composite foam concrete were analyzed. The results illustrated that incorporation of 3 kinds of early strength agent can significantly improve the early strength index of lightweight composite foam concrete, especially the 3 d, 7 d strength index, but had little effects on the strength at the end of the curing time. As for the early strength effect among the three early strength agents of composite foaming lightweight foam mixed specimen of concrete, the sodium sulfate early strength agent performed the best, then the calcium chloride early strength agent, and sodium carbonate early strength agent was the worst. Furthermore, the most ideal admixture quantity is 2.0% to improve the early strength under all wet densities.

early strength agent;composite foaming agent;foamed lightweight concrete;compressive strength;elastic modulus;curing time

蘭州交通大學土木工程學院校青年基金(2013031)

吳亞飛(1990-)，男，碩士研究生.主要從事路基方向的研究.

U416

A

1001-1625(2016)10-3351-06