粉煤灰摻量及聚丙烯纖維對泡沫混凝土性能的影響

石 川 陳 陽

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司第五檢測部）

0 引言

泡沫混凝土因其本身多孔的結(jié)構(gòu)具有保溫隔熱、隔音和抗震等優(yōu)良性能[1-3]，但由于其強(qiáng)度低、干燥收縮大，制約了其在墻體材料領(lǐng)域的應(yīng)用。粉煤灰含有部分輕質(zhì)空心微珠、較水泥輕，其本身具有一定的潛在火山灰活性，在降低成本的同時(shí)還可改善泡沫混凝土的保溫性能和輕質(zhì)性能，同時(shí)可以改善泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)以及孔分布[4-6]。聚丙烯纖維本身質(zhì)輕，且具有強(qiáng)度高、彈性好、耐熱和耐腐蝕性能，能有效地提高輕質(zhì)泡沫混凝土的綜合性能[7-8]。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥

由于泡沫混凝土本身強(qiáng)度不足，為了保證成型的泡沫混凝土具有一定的強(qiáng)度和可研究性，采用較高強(qiáng)度等級的水泥是有必要的。本研究中采用P.II42.5 水泥，基本性能見表1。

表1 水泥的基本性能

1.1.2 粉煤灰

粉煤灰主要含二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)和氧化鐵(Fe2O3)，晶體礦物有莫來石、α-石英、方解石、鈣長石、硅酸鈣、赤鐵礦和磁鐵礦等以及少量未燃的碳，主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、Na2O、SO3、MnO2等，此外還有P2O5等。

本研究采用II 級灰，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粉煤灰技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 發(fā)泡劑

泡沫混凝土具有優(yōu)異的保溫隔熱性能，最主要取決于其內(nèi)部均勻大小的氣孔，氣孔主要是發(fā)泡劑在通過外界作用下引入空氣產(chǎn)生大量泡沫后待漿體硬化后形成的。要想形成細(xì)致均勻的氣孔，泡沫應(yīng)盡量細(xì)小、均勻、穩(wěn)定，因此選用發(fā)泡劑的質(zhì)量應(yīng)穩(wěn)定有保障。

蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑較植物類發(fā)泡劑具有發(fā)泡倍數(shù)高、泡沫質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，本研究采用河南華泰公司生產(chǎn)蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑：棕褐色液體，微臭。

1.1.4 減水劑

減水劑是一種高分子表面活性劑。加入混凝土拌合物后對水泥顆粒有分散作用，能改善其工作性，減少單位用水量，改善混凝土拌合物的流動性。

本研究中采用固含量為32.77%的萘系減水劑。

1.2 儀器設(shè)備

1.2.1 發(fā)泡機(jī)

發(fā)泡機(jī)（圖1）技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 發(fā)泡機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

圖1 發(fā)泡機(jī)實(shí)物圖

1.2.2 其它設(shè)備

電子萬能試驗(yàn)機(jī)；30L 攪拌機(jī)；電子秤；直尺；燒杯；游標(biāo)卡尺；烘箱；砂漿攪拌機(jī)等。

1.3 試樣制備

本研究采用0.4 水灰比、萘系減水劑摻量1.0%：①將發(fā)泡劑與水按1：15 稀釋，攪拌均勻制得發(fā)泡液備用；②將粉料（以及纖維材料）加入攪拌機(jī)，攪拌2～3min，混合均勻，加入水和外加劑，繼續(xù)攪拌2～3min，制得水泥漿體；③將準(zhǔn)備好發(fā)泡液注入發(fā)泡機(jī)中制備所需泡沫；④將泡沫通過發(fā)泡管直接泵入正在攪拌的漿體中，攪拌（5～6）min，待泡沫與水泥漿混合均勻后，將帶有泡沫的水泥漿體灌入模具中。

靜置2h 后，刮平試件表面，隨后在室溫下養(yǎng)護(hù)48h拆模，拆模后立即送入溫度（20±5）℃、濕度65%～90%的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至齡期。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉煤灰對泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

粉煤灰作為工業(yè)廢棄物用于泡沫混凝土有利于資源回收利用和環(huán)境保護(hù)，也可適當(dāng)降低泡沫混凝土的成本。此外，粉煤灰具有滾珠效應(yīng)與火山灰效應(yīng)，很多研究表明，粉煤灰部分取代水泥后，水泥漿體的流動性、強(qiáng)度、收縮等都得到了改善。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表4；粉煤灰對泡沫混凝土性能的影響如圖2 所示。

從表4 可以看出，泡沫混凝土的干密度隨粉煤灰摻量的增加而降低，這主要是因?yàn)榉勖夯业拿芏刃∮谒嗟拿芏龋荣|(zhì)量取代時(shí)會降低試件的干密度。因此，可選用部分粉煤灰取代水泥以滿足其輕質(zhì)的特性。

表4 粉煤灰對泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

圖2 粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響

從圖2a 可以看到：隨著粉煤灰摻量增加，泡沫混凝土質(zhì)量吸水率先減小后增大；粉煤灰摻量30%時(shí)，質(zhì)量吸水率達(dá)到最低值21.89%，與未摻粉煤灰時(shí)質(zhì)量吸水率21.65%基本接近，摻量低于30%時(shí)，質(zhì)量吸水率減小，速率緩慢；高于30%的摻量以后，質(zhì)量吸水率劇增，這是由于粉煤灰摻量增加，水泥用量減少，粉煤灰的活性在短期內(nèi)尚未發(fā)揮，所形成的硬化石結(jié)構(gòu)較疏松，大泡孔比例增加，中孔減少，大孔的增加會使泡孔之間的連通性增加，導(dǎo)致吸水率增加。

從圖2b 和2c 可以看出，與基準(zhǔn)泡沫混凝土相比，粉煤灰摻量較低時(shí)（低于30%），泡沫混凝土的氣孔率略有增加，其3d、14d 和28d 強(qiáng)度也略有降低；粉煤灰摻量為30%的氣孔率和強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)。隨著粉煤灰摻量進(jìn)一步增加氣孔率呈大幅上升趨勢， 3d、14d 和28d 強(qiáng)度也有較大幅度降低。這是由于粉煤灰的摻入，水泥用量降低，其水化產(chǎn)物量相對減少，且粉煤灰的二次水化反應(yīng)較慢，在28d 齡期時(shí)水化程度小；而粉煤灰摻量為30%時(shí)，由于粉煤灰具有滾珠效應(yīng)，呈球狀的粉煤灰顆粒部分替代水泥后與不規(guī)則的水泥顆粒之間形成較佳緊密堆積，漿料的流動性較好，泡沫在混凝土內(nèi)部分散均勻，在很大程度上提高了泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度；較低摻量時(shí)粉煤灰的滾珠效應(yīng)不明顯。同時(shí)，從圖2可以看出，同一配合比的泡沫混凝土，其3d 和14d 強(qiáng)度基本相當(dāng)，28d 強(qiáng)度增加20%左右，泡沫混凝土在3d 時(shí)基本上可以到達(dá)強(qiáng)度的70%左右，3d 到14d 的水化反應(yīng)緩慢，14d 到28d 因?yàn)樗睦^續(xù)進(jìn)行使得強(qiáng)度增長20%左右，剩余的強(qiáng)度貢獻(xiàn)全部在28d 以后，占10%左右。

2.2 聚丙烯纖維對泡沫混凝土性能的影響

因具備大量封閉的氣孔，具有良好保溫隔熱性能的泡沫混凝土常用作建筑物墻體保溫隔熱材料。但同樣因?yàn)闅饪祝菽炷翉?qiáng)度低、收縮大、易開裂吸水。而纖維具有增強(qiáng)、阻裂和增韌的作用。向泡沫混凝土中加入聚丙烯纖維，可以改善其柔韌性，顯著降低泡沫混凝土混凝土的脆性，提高其抗折強(qiáng)度及抗?jié)B性和熱工性能。纖維用在墻體保溫材料中具有較好的效果。

在泡沫混凝土中采用纖維是否也能起到較好的改性作用，本研究采用聚丙烯纖維來改進(jìn)泡沫混凝土，考察了纖維對泡沫混凝土物理力學(xué)性能的影響。泡沫混凝土中粉煤灰摻量30%，聚丙烯纖維按體積百分比摻入0.3%，試驗(yàn)結(jié)果見表5，其收縮見圖3。

表5 聚丙烯纖維實(shí)驗(yàn)配合比

圖3 泡沫混凝土的收縮

從表5 可以看出，未摻聚丙烯纖維的泡沫混凝土28d 強(qiáng)度為2.31MPa，摻入聚丙烯纖維后28d 強(qiáng)度達(dá)2.83MPa，強(qiáng)度提高了22.5%。這是因?yàn)槔w維的加入使得毛細(xì)孔降低，漿體內(nèi)部更加致密；另外纖維可以承載泡沫混凝土內(nèi)部的載荷。然而纖維的加入增加了連通孔的數(shù)量導(dǎo)致吸水率略有升高，孔隙率沒有太大的變化。

從圖3 可以看出，未摻纖維的泡沫混凝土14d 收縮為2.021mm/m，28d 收 縮 為2.500mm/m，60d 收 縮 為2.666mm/m；摻有纖維的泡沫混凝土14d 收縮為2.042mm/m，28d 收 縮 為 2.396mm/m，60d 收 縮 為2.562mm/m。無論是摻有纖維還是未摻纖維，泡沫混凝土的收縮主要集中在前28 天，占60 天收縮量的90%以上；前14 天摻有纖維和未摻纖維的泡沫混凝土收縮基本接近；28d 時(shí)摻有纖維的泡沫混凝土收縮小于未摻纖維的泡沫混凝土，最終收縮摻有纖維的泡沫混凝土比未摻纖維的小6.9%。纖維的摻入使得泡沫混凝土的收縮趨于平緩、均勻。

泡沫混凝土主要原材料是水泥，沒有集料，其收縮主要是化學(xué)收縮、自收縮以及干燥收縮。水泥的水化在早期比較集中，前一個(gè)月可以達(dá)到70%以上。纖維的加入，一方面作為柔性材料對泡沫混凝土基質(zhì)部分做了改性，即改進(jìn)了材料的彈性模量；另一方面在收縮較大的地方起到緩沖作用。由此可以看出，纖維可以增加強(qiáng)度，也可改善收縮，其改善收縮的原因可能是纖維的加入使得基質(zhì)材料的彈性模量得到了提高，收縮得到了改善。

3 結(jié)論

⑴粉煤灰的摻入可以有效提高泡沫混凝土的質(zhì)量，改善吸水率、降低氣孔率、穩(wěn)定強(qiáng)度，最佳摻量為30%。

⑵聚丙烯纖維能有效改善泡沫混凝土的綜合性能：摻量0.3%時(shí)，泡沫混凝土28d 強(qiáng)度提高22.5%，28d 收縮降低3.9%，孔隙率略有降低。