生土泡沫混凝土的制備及其性能

張 磊， 趙倬躍， 張 楠， 榮 輝，2， 岳昌盛

（1.天津城建大學材料科學與工程學院，天津 300384；2.天津城建大學 天津市建筑綠色功能材料重點實驗室，天津 300384；3.承德石油高等?？茖W校 建筑工程系，河北 承德 067000；4.中冶建筑研究總院有限公司，北京100088）

生土是一種歷史悠久的建筑材料，生土建筑具有能耗低、造價低、可調節室內溫濕度等優點［1］. 同時，生土也存在強度低、脆性大、耐水性差等缺點，導致生土建筑的抗震性差，易受侵蝕破壞［2］.長期以來，國內外學者或采用了水泥、石灰等改性材料來改善夯土、生土砌塊、生土磚等生土材料的物理、力學和耐久性能［3-8］，或采用各種天然可再生資源，如動植物纖維等來改善未燒制生土材料的機械、濕熱和耐久性能［9-10］.然而，生土材料用作承重墻體材料時，在改性材料摻量（質量分數，文中涉及的摻量、泌水率、減水率等除特別說明外均為質量分數）較低的情況下，其強度和耐久性能提升有限.陳兵等［11］研究發現，利用生土、水泥和微硅粉等制備的生土泡沫混凝土具有較好的物理力學性能和保溫特性.這樣不僅充分利用了農村生土材料的資源優勢，而且泡沫混凝土作為填充用保溫隔熱材料，也避免了雨水和環境的侵蝕破壞，具有良好的應用前景.

本文采用自制微生物發泡劑、生土材料和適量改性材料，制備了不同密度等級的生土泡沫混凝土，研究了生土泡沫混凝土的孔隙分布、干密度、抗壓強度、導熱系數和吸水率，以期獲得一種可以調節室內溫濕度的生土泡沫混凝土.

1 原料與試驗方法

1.1 原材料

生土：取自陜西省北部，主要化學組成包括SiO2（52.5%）、Al2O3（14.6%）、Fe2O3（5.4%）和CaO（4.8%）等，礦物組成有石英、鈉長石和方解石等.水泥：天津冀東水泥有限公司生產的P·O 42.5 水泥.發泡劑：實驗室自制的微生物發泡劑［12-13］，發泡倍數為15 倍，1 h 泌 水 率 為48%，1 h 沉 降 距 為2 mm. 減 水劑：蘇博特PCA-1 型聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%.

1.2 試驗方法

1.2.1 生土泡沫混凝土的配合比設計

生土泡沫混凝土的配比見表1，其中水固比為0.35，減水劑摻量為0.5%（以水泥質量計），泡沫摻量以固體材料總質量計.確定生土泡沫混凝土中泡沫用量時，需要考慮攪拌過程中泡沫出現破裂的情況，通過調整系數K計算泡沫的實際使用量.

表1 A03～A12 等級生土泡沫混凝土的配比Table 1 Mix proportions of A03-A12 raw soil foam concretes

1.2.2 生土泡沫混凝土的制備

首先，將生土、水泥、聚羧酸減水劑和水按設計配合比加入攪拌器并攪拌均勻；其次，將微生物發泡劑高速攪拌制成泡沫，添加到水泥漿體中攪拌約2～3 min，泡沫均勻混入后停止攪拌；然后，將水泥漿體澆筑到邊長為100 mm 的立方體模具中，成型后在室溫下養護1 d 后脫模，試塊放在（20±2）℃、相對濕度95% 以上的恒溫恒濕養護箱中養護至規定齡期.

1.2.3 生土泡沫混凝土性能的測試方法

（1）孔隙率測試：采用VHX-600E 超景深顯微鏡拍攝生土泡沫混凝土試件的斷面（見圖1），再將拍攝的照片導入Image J 軟件中，通過二值化處理和Image J 軟件中內置的多種測試參數，可以得到孔隙率、孔徑分布、平均孔徑及孔形狀因子. 生土泡沫混凝土斷面經二值化處理后如圖2 所示.

圖1 生土泡沫混凝土的斷面Fig.1 Cross section of raw soil foam concrete

圖2 二值化處理Fig.2 Binary processing

（2）干密度測試：按照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進行.

（3）抗壓強度測試：按照JG/T 266—2011《泡沫混凝土》進行，并采用UltimaIv 型X 射線衍射儀（XRD）對試樣進行物相分析，采用JSM-7800F 型場發射掃描電子顯微鏡（FESEM）進行微觀分析.

（4）導熱系數測試：采用HFM 436 Lambda 型熱流法導熱儀進行測試.

（5）吸水率測試：按照JG/T 266—2011 進行.

2 結果與分析

2.1 泡沫摻量對生土泡沫混凝土孔結構的影響

泡沫摻量對生土泡沫混凝土孔隙率的影響如圖3 所示.由圖3 可見：隨著泡沫摻量的增加，生土泡沫混凝土的孔隙率逐漸增大；當泡沫摻量由6.1%增加至26.4%時，生土泡沫混凝土的孔隙率從45.8%提升至74.6%.

圖3 泡沫摻量對生土泡沫混凝土孔隙率的影響Fig.3 Effect of foam content on porosity of raw soil foam concretes

泡沫摻量對生土泡沫混凝土平均孔徑的影響如圖4 所示.由圖4 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的平均孔徑呈逐漸增大的趨勢；當泡沫摻量由6.1%增加至26.4%時，生土泡沫混凝土的平均孔徑由127 μm 增加到420 μm.這是因為隨著泡沫摻量的增加，泡沫出現了聚集合并，從而導致氣孔孔徑增大.泡沫摻量直接影響生土泡沫混凝土的內部結構，泡沫摻量降低，孔隙率減小，孔壁的厚度隨之增大，可以為生土泡沫混凝土提供更好的力學性能［14］.

圖4 泡沫摻量對生土泡沫混凝土平均孔徑的影響Fig.4 Effect of foam content on mean pore size of raw soil foam concretes

泡沫摻量分別為19.1%、13.5%、11.0%、8.1%時，所制得生土泡沫混凝土的密度等級分別為400、600、800、1 000 kg/m3.不同密度等級生土泡沫混凝土的孔徑分布如圖5 所示. 由圖5 可見：生土泡沫混凝土的孔徑分布近似遵循高斯分布，密度等級分別為400、600、800、1 000 kg/m3的生土泡沫混凝土擬合后的相關系數R2分別為0.985、0.972、0.970 和0.984；隨著泡沫摻量的逐漸增加，生土泡沫混凝土的孔徑分布曲線變寬，較大尺寸孔的出現頻率和數量也隨之增加.這是因為當泡沫摻量較大時，生土泡沫混凝土的總孔隙率增加，孔隙中連通孔的數量也增加所導致的.

圖5 生土泡沫混凝土的孔徑分布圖Fig.5 Pore size distribution of raw soil foam concretes

2.2 泡沫摻量對生土泡沫混凝土性能的影響

2.2.1 干密度

圖6 為泡沫摻量對生土泡沫混凝土干密度的影響.由圖6 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的干密度逐漸減??；當泡沫摻量從6.1%增加至26.4%時，生土泡沫混凝土的干密度從1 167 kg/m3降低至346 kg/m3；隨著泡沫摻量的增加，生土泡沫混凝土的干密度隨著泡沫摻量的增加而降低的趨勢逐漸放緩.這是因為攪拌過程中攪拌機葉片對泡沫產生擠壓作用，泡沫摻量越高，受擠壓泡沫的比例越高，導致生土泡沫混凝土中泡沫消泡的數量明顯增加.

圖6 泡沫摻量對生土泡沫混凝土干密度的影響Fig.6 Effect of foam content on dry density of raw soil foam concretes

2.2.2 抗壓強度

圖7 為泡沫摻量對生土泡沫混凝土抗壓強度的影響.由圖7 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的密度降低，孔隙率增大，孔壁厚度隨之減小，抗壓強度明顯降低；泡沫摻量從6.1% 增加至26.4%，生土泡沫混凝土的抗壓強度從10.3 MPa 降至0.8 MPa；當泡沫摻量為13.5%時，生土泡沫混凝土的密度為598 kg/m3，28 d 抗壓強度達2.6 MPa，高于同密度等級加氣混凝土的抗壓強度（2.0 MPa）；與600 kg/m3等級生土泡沫混凝土相比，800 kg/m3等級生土泡沫混凝土所需的泡沫摻量僅減少2.5%，但抗壓強度卻提高了77.0%，其抗壓強度受泡沫摻量的影響更加明顯.

圖7 泡沫摻量對生土泡沫混凝土抗壓強度的影響Fig.7 Effect of foam content on compressive strength of raw soil foam concretes

生土作為一種散粒材料，呈現層片狀，自然條件下結構疏松，難以提供力學性能.水泥作為膠凝材料摻入生土后，可以填補土顆粒之間的空隙，提供強度，但試驗設計泡沫混凝土試塊內生土摻量較大，結構較純水泥水化產物松散.

圖8 為生土泡沫混凝土的XRD 圖譜.由圖8 可見，生土泡沫混凝土中生土的活性未被完全激發，生土主要起到填充作用.

圖8 生土泡沫混凝土的XRD 圖譜Fig.8 XRD patterns of raw soil foam concretes

圖9 為生土與泡沫混凝土的微觀形貌.由圖9 可見：生土顆粒已充分分散，但水泥水化產物在泡沫作用下，未能形成完全連續的膠凝網絡；生土泡沫混凝土中泡沫摻量增加，導致生土泡沫混凝土中孔隙分布不均勻，有害孔的數目增加，有害孔多由大尺寸的泡沫直接或間接組合而成，這使得結構內的膠結性能降低，直接影響了生土泡沫混凝土的耐久性和強度［15］.未來試驗可通過激發生土顆粒本身活性，用以細化孔結構使其孔隙均勻，或優化膠凝物質含量、配比，以期得到力學性能更佳的生土泡沫混凝土.

圖9 泡沫混凝土微觀形貌Fig.9 Micro-morphology of raw soil foam concretes

2.2.3 導熱系數

泡沫摻量對生土泡沫混凝土導熱系數的影響如圖10 所示. 由圖10 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的導熱系數逐漸降低，試驗結果與文獻［16］一致；泡沫摻量從6.1%增加至26.4%，生土泡沫混凝土的導熱系數從0.25 W/（m·K）降低到0.08 W/（m·K）；當密度等級為500 kg/m3時，生土泡沫混凝土的導熱系數為0.12 W/（m·K），滿足規范要求.生土泡沫混凝土是由孔隙和固相材料所組成的，孔隙中充滿空氣，固相由水泥水化產物和生土顆粒二者膠結在一起所組成.氣相的傳熱是由氣體分子之間的碰撞實現，固相的熱傳遞主要是通過分子或原子的熱振動實現［17-18］.由于固相的導熱系數遠大于氣相，因此隨著泡沫摻量的增加，生土泡沫混凝土的孔隙率增加，氣相熱傳導占比逐漸增加，導熱系數不斷降低. 水泥水化產物膠結生土顆粒所組成的固相結構又較純水泥的水化產物結構更為松散，這也進一步降低了生土泡沫混凝土的導熱系數.

圖10 泡沫摻量對生土泡沫混凝土導熱系數的影響Fig.10 Effect of foam content on thermal conductivity of raw soil foam concretes

2.2.4 吸水率

泡沫摻量對生土泡沫混凝土吸水率的影響如圖11 所示.由圖11 可見：隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的吸水率逐漸增加；當泡沫摻量為6.1%時，生土泡沫混凝土的干密度為1 167 kg/m3，吸水率為6.5%；當泡沫摻量為19.1%時，生土泡沫混凝土的干密度為444 kg/m3，吸水率為26.4%；當泡沫摻量增加至26.4% 時，生土泡沫混凝土的干密度為346 kg/m3，吸水率增加至67.7%.生土泡沫混凝土中孔隙可分為2 種：一種是生土顆粒本身存在或堆積形成的微觀孔，這種微觀孔本身具有較強的吸濕吸水能力，隨著泡沫摻量的增加，生土占比降低，這部分孔隙所占比例減少，吸水率隨之減低；另一種是生物發泡劑引入的宏觀孔，隨著泡沫摻量的增加，其孔隙率隨之增大. 與圖3 對比可知，當泡沫摻量低于17.8%時，生土泡沫混凝土中氣孔大多是被凝固的水泥石等固相材料所包圍的封閉孔；當泡沫摻量超過19.1%時，大部分孔隙由封閉變成連通，提高了宏觀孔的吸水率.由圖5 可知，隨著泡沫摻量增加，生土泡沫混凝土中生物發泡劑引入的宏觀孔占比逐漸成為孔隙的主導因素，致使其吸水率急劇增加.

圖11 泡沫摻量對生土泡沫混凝土吸水率的影響Fig.11 Effect of foam content on water absorption ratio of raw soil foam concretes

3 結論

（1）以生土、水泥、聚羧酸減水劑及自制微生物發泡劑為原材料，采用先預制氣泡后混合的方法，成功制備出300～1 200 kg/m3密度等級的生土泡沫混凝土.隨著泡沫摻量的增大，生土泡沫混凝土的孔隙率逐漸升高，平均孔徑逐漸增大，孔徑分布近似遵循高斯分布.

（2）當泡沫摻量從6.1%增加至26.4%時，生土泡沫混凝土的干密度從1 167 kg/m3降低至346 kg/m3，抗壓強度從10.3 MPa 降至0.8 MPa，導熱系數從0.27 W/（m·K）降至0.08 W/（m·K），吸水率從6.5%增加至67.7%.

（3）試驗設計生土泡沫混凝土的力學性能優于相關國家標準要求，導熱系數低，保溫隔熱性能好，但其泡沫摻量大于19.1%時的吸水率有待進一步優化.