承載保溫型泡沫混凝土性能研究

仲曉晨

(蘇州高新有軌電車集團有限公司，江蘇蘇州 215014)

1 概述

如今，建筑能耗以占整個社會能耗的46.7%而成為最大的耗能產業，建筑產業的節能已成為一項刻不容緩的工作［1］。隨著城市軌道交通的興建，地鐵管片襯砌需要大量既有一定強度又具有保溫功能的填充材料，研究和開發承載保溫型混凝土已成為一項迫切的工作。

承載保溫型泡沫混凝土是指可滿足承載及保溫雙重功能要求的泡沫混凝土，其密度在500 kg/m3～700 kg/m3，與普通混凝土相比，承載保溫泡沫混凝土具備了諸多優異性能，如適中的強度，低密度，優異的保溫性能和低廉的成本，吸引了國內外眾多學者和建筑從業人員的目光［2］。E.K.Kunhananda［3］研究了多因素對泡沫混凝土工作性能的影響機制，研究表明，發泡劑是影響不同密度泡沫混凝土工作性能的主要因素。M.R.Jones等［4］在泡沫混凝土中添加粉煤灰代替部分水泥，泡沫混凝土的后期強度有所提高，漿體流動性隨著粉煤灰摻量的提高而增強。Kearsley等［5］在泡沫混凝土中加入粉煤灰，取代部分水泥以降低成本，研究表明，粉煤灰最大取代量為水泥摻量的67%。本文探討不同粉煤灰摻量及水灰比對承載保溫型泡沫混凝土性能的影響，探討總體性能最優時的配合比，為在地鐵工程等領域應用提供理論指導。

2 試驗材料

水泥采用蘇州市某水泥廠生產的P.Ⅱ52.5級硅酸鹽水泥;砂為河砂;粉煤灰由蘇州市某公司提供，質量符合GB/T 1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰要求。試驗所采用的發泡劑為復合型化學試劑，性能指標:發泡倍數46.7倍，1 h泌水量為15.7 mL，1 h沉降距為1.2 mm、泡沫半衰期大于 96 h。減水劑由蘇州某高分子材料科技有限公司提供，減水率約25%;水采用城市自來水，質量符合JGJ 63混凝土用水標準的規定。

3 試驗結果與分析

3.1 水灰比對泡沫混凝土性能的影響

在承載保溫型泡沫混凝土漿體工作性能的諸多影響因素中，水灰比(W/C)占主導地位，漿體包裹泡沫能力在一定程度上取決于水灰比的大小。結合本課題組研究成果，設計了水灰比，并測定其工作性能(流動性和粘度值)如表1所示。

表1 不同水灰比下承載保溫型泡沫混凝土的工作性能

圖1為不同水灰比對承載保溫型泡沫混凝土7 d，28 d抗壓強度的影響。

圖1 不同水灰比對承載保溫型泡沫混凝土7 d，28 d抗壓強度的影響

由圖1可知，隨著水灰比的增大，承載保溫型泡沫混凝土的7 d，28 d抗壓強度先上升后下降，在水灰比為0.44處，抗壓強度最大，分別為2.75 MPa和4.02 MPa。泡沫在漿體中分布穩定，均勻，漿體的流動性良好，此時漿體的粘度更適合包裹泡沫，損泡率也很小，成型后形成的氣孔結構比較規則，此處抗壓強度達到最大。

圖2為水灰比對承載保溫型泡沫混凝土吸收率、導熱性能與干縮值的影響。

由圖2a)可知，承載保溫型泡沫混凝土的吸水率和導熱系數變化為先下降后上升，在水灰比為0.44處，承載保溫型泡沫混凝土的吸水率和導熱系數為14.5%和0.092 W/(m·K)。由前面分析可知，此處的泡沫在漿體中的分布均勻，形成的孔隙結構完整，氣孔連通可能性小。由圖2b)可知，干縮值有先下降后上升的變化，在水灰比為0.44處干縮值達到最小值，此時漿體粘度較高，導致部分泡沫發生破裂現象，泡沫中水分被釋放出來，一定程度上增加了漿體中的自由水含量。

圖2 不同水灰比對承載保溫型泡沫混凝土吸水率，導熱吸收與干縮值的影響

3.2 不同粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響

在承載保溫型泡沫混凝土中摻入適量粉煤灰代替水泥可降低成本，但粉煤灰摻入會在一定程度上影響漿體的工作性能。根據以上結論，本試驗中采用水灰比0.44，粉煤灰代替水泥量分別為10%，20%，30%和40%，試驗配合比如表2所示。

表2 不同粉煤灰替代物與承載保溫型泡沫混凝土的配合比

圖3為粉煤灰摻量對承載保溫型泡沫混凝土7 d，28 d抗壓強度的影響。

由圖3可知，隨著粉煤灰代替量以10%的數量遞增，承載保溫型泡沫混凝土7 d強度降低非常明顯，但28 d強度有所提高。當粉煤灰代替30%的水泥量時，28 d抗壓強度為4.14 MPa。粉煤灰屬火山灰質活性材料，能與水泥水化產物中的C-H發生化學反應，使水泥水化產物更加致密，填充了承載保溫型泡沫混凝土內部孔隙，從而提高了后期強度。但隨著其摻量的增加，減少了承載保溫型泡沫混凝土水泥含量，導致了水泥水化中C-H量減少，影響粉煤灰的后期水化，導致抗壓強度明顯下降，當粉煤灰摻量達到40%時，承載保溫型泡沫混凝土28 d抗壓強度僅為2.31 MPa。

圖3 粉煤灰摻量對承載保溫型泡沫混凝土不同齡期抗壓強度的影響

圖4為不同粉煤灰代替量對承載保溫型泡沫混凝土吸收率、導熱吸收與干縮值的影響。

如圖4a)所示，在粉煤灰摻量為0% ～30%時，隨著摻量的增加，吸水率緩慢增大，在摻量為40%處，吸水率和導熱系數達到最大值。主要原因是粉煤灰的摻入能夠改善泡沫混凝土氣孔的結構和分布，但也會損壞泡沫，泡沫中水分被釋放出來，導致漿體中自由水分的增加，造成硬化后材料中毛細管增多。由圖4b)可知，隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的干縮值呈現出先減小后增大趨勢，從總體上看有改善作用，原因是由于粉煤灰自身填充效應減弱。當粉煤灰代替水泥量達到30%時，測試干縮值降為0.66 mm/m，但當代替量大于30%時，游離狀態水增多，抵消了這種效應，使干縮值反而變大。

圖4 不同粉煤灰代替量對承載保溫型泡沫混凝土吸收率，導熱吸收與干縮值的影響

由圖4可知，當粉煤灰代替量為0% ～30%時，承載保溫型泡沫混凝土28 d強度和干縮變形有了明顯改善，但吸水率和導熱系數呈緩慢增大趨勢。當粉煤灰代替量大于30%時，7 d，28 d抗壓強度明顯下降，干縮值也明顯增大，整體性能呈現反方向變化，不利于其推廣應用。因此，在用粉煤灰代替水泥以降低承載保溫型泡沫混凝土成本時，其最佳代替量為30%左右，此時承載保溫型泡沫混凝土整體性能最優。

4 結語

粉煤灰摻量和水灰比對承載保溫型泡沫混凝土抗壓強度、吸水率、導熱系數及干縮值影響明顯。最優配合比為水灰比0.44，粉煤灰摻量為30%。按此配合比下的導熱系數為0.116 W/(m·K)分析計算，上人屋面現澆15 cm厚承載保溫型泡沫混凝土完全達到節能65%的目標，同時，滿足地鐵管片襯砌對填充材料抗壓強度的要求，且成本低，周期短，施工方便。