高強度低導熱泡沫混凝土性能研究

周學軍，咸國棟，王 振，劉 哲，王興博,王衛東

(1.山東建筑大學土木工程學院，濟南 250101；2.山東聯興綠廈建筑科技有限公司，德州 253500)

0 引 言

泡沫混凝土是泡沫與混凝土漿體經過充分攪拌而制成的多孔無機材料，具有輕質、隔聲、保溫隔熱等優點，被廣泛應用于建筑保溫、路基回填、隧道隔震層等工程中[1-4]。與聚苯板、聚氨酯板等保溫材料相比，泡沫混凝土具有防火、強度高、耐久性好等優勢，與保溫砂漿相比，泡沫混凝土具有導熱系數低的優勢，因此，近年來泡沫混凝土被廣泛應用于建筑墻體保溫材料和鋼框架組合墻體保溫填充材料中。

結構形式的創新和建筑節能要求的提高，對泡沫混凝土的應用條件提出了更高的要求，如何在保證抗壓強度的條件下，制備出導熱系數更低的泡沫混凝土成為當前研究的主要問題[5]。李十泉等[6]進行了粉煤灰改性試驗研究，結果表明粉煤灰對泡沫混凝土抗壓強度、導熱系數和吸水率的影響主要與其參與水泥水化的程度有關。嵇鷹等[7]研究主要通過其形態效應改善泡沫混凝土孔結構，減少了有害孔的數量，進而可以提高泡沫混凝土抗壓強度。白光等[8]研究了聚乙烯醇(PVA)纖維對泡沫混凝土性能的影響，發現PVA纖維可以起到提高泡沫混凝土延性、耐久性的作用。賈艷濤等[9]通過研究容重、纖維摻量對泡沫混凝土力學性能的影響，發現聚丙烯(PP)纖維可以提高泡沫混凝土的抗壓強度，改善其耐久性能。劉一飛等[10]通過研究發現纖維在提高泡沫混凝土抗壓強度的同時，還可以減小受力時的峰值應力，使其更易發生塑性破壞。上述研究表明，粉煤灰、纖維可以有效提高泡沫混凝土性能，然而目前對于粉煤灰、纖維的研究大多集中在單一材料對泡沫混凝土性能的影響，針對二者共同作用對泡沫混凝土性能影響的相關報道較少。

本文以水泥、粉煤灰以及聚丙烯纖維作為主要原料，通過研究水膠比、泡沫摻量、粉煤灰摻量和聚丙烯纖維摻量對泡沫混凝土力學性能和保溫性能的影響，制備出抗壓強度高且導熱系數低的泡沫混凝土。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗采用的中聯P·O 52.5水泥、華能熱電廠Ⅰ級粉煤灰、硅灰為山東博肯硅材料有限公司生產；聚丙烯纖維為濟南興泰新材料有限公司生產，長度為6～8 mm；外加劑為濟南拓達建材有限公司生產的聚羧酸系減水劑；發泡劑為鄭州豫科新型建材有限公司生產的最大稀釋倍數40倍的人工復合發泡劑，密度為1 010 kg/m3。

1.2 性能測試

泡沫混凝土干密度和抗壓強度的測定方法參照JG/T 266—2011進行，所需的試驗儀器為YS-5型發泡機、101-3型電熱鼓風恒溫干燥箱、WDW-100型萬能試驗機；泡沫混凝土導熱系數的測定方法參照GB/T 10294—2008進行，所需的試驗儀器為CD-DR3030導熱系數測定儀；采用JSM-7610F型掃描電鏡(SEM)觀察樣品的微觀形貌。

1.3 制備方法

試驗采用預制泡沫混合法制備泡沫混凝土，制備流程如下：

(1)將膠凝材料(水泥、粉煤灰及硅灰)與纖維攪拌3 min，隨后再向其中加入水和外加劑充分攪拌7 min即可得到混凝土漿體；

(2)將發泡機制備好的泡沫加入混凝土漿體中攪拌3 min，得到泡沫混凝土漿體；

(3)把泡沫混凝土漿體倒入模具，養護24 h后方可拆模。

1.4 配合比

根據JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》(以下簡稱《規程》)的要求進行泡沫混凝土的制備。固定膠凝材料質量18.75 kg不變，硅灰摻量為膠凝材料質量的5%，減水劑摻量為膠凝材料質量的0.25%。首先通過比較不同水膠比下泡沫混凝土的抗壓強度和導熱系數，確定適宜的水膠比。然后以此類推，再以較優的水平為基礎依次確定泡沫摻量、粉煤灰摻量和PP纖維摻量。泡沫混凝土配合比如表1所示，配合比試驗因素水平表如表2所示。其中泡沫摻量、粉煤灰摻量和PP纖維摻量為質量分數，如無特別說明，文中出現的百分數均為占膠凝材料的質量分數。

表1 泡沫混凝土配合比

2 結果與討論

2.1 水膠比對泡沫混凝土性能的影響

水膠比對泡沫混凝土的作用主要有兩方面：一是水膠比可以控制水泥水化程度，從而影響泡沫混凝土強度；二是水膠比通過控制漿體流動性影響泡沫混凝土性能。

水膠比對泡沫混凝土干密度及導熱系數的影響如圖1(a)所示。水膠比較小時，漿體較為黏稠，混泡時泡沫易出現破損導致泡沫所占的比重下降，致使干密度隨水膠比的增大而降低。由于氣相所占的比例越高，熱量傳遞的效率越低[11]，因此泡沫混凝土導熱系數降低，與水膠比為0.45時相比，導熱系數降低最多可達5.2%。水膠比較大時，隨著水膠比的增大，漿體流動性升高，泡沫容易上浮，泡沫混凝土的干密度和導熱系數升高，與水膠比為0.65時相比，導熱系數升高最多可達0.9%。

水膠比對泡沫混凝土抗壓強度的影響如圖1(b)所示。當水膠比小于0.6時，隨著水膠比的增大，水泥水化反應更充分，且泡沫更容易與漿體拌合均勻，因此泡沫混凝土抗壓強度隨水膠比的增大而升高，與水膠比為0.45時相比，抗壓強度升高最多可達163.4%。當水膠比大于0.6時，隨著水膠比的增大，水分蒸發會增加連通孔的數量，還會增加干燥收縮裂縫的數量，從而使泡沫混凝土抗壓強度下降，與水膠比為0.6時相比，抗壓強度降低最多可達10.5%。

綜合考慮泡沫混凝土抗壓強度和導熱系數，水膠比為0.6時，泡沫混凝土導熱系數為0.112 W/(m·K)，28 d抗壓強度為1.71 MPa，此時泡沫混凝土性能相對較優。

圖1 水膠比對泡沫混凝土性能的影響

2.2 泡沫摻量對泡沫混凝土性能的影響

氣孔是泡沫混凝土可以作為保溫材料的決定性因素，泡沫混凝土的氣孔形狀、尺寸及壁厚等參數決定了其物理性能[12]。

圖2(a)為泡沫摻量對泡沫混凝土的干密度及導熱系數的影響。由圖2(a)可知，當泡沫摻量增加時，單位體積內膠凝材料的含量逐漸減小，泡沫混凝土的孔隙率升高。同時泡沫摻量的增加還會降低漿體的流動性，使泡沫與漿體難以混合均勻，因此隨著泡沫摻量的增加，泡沫混凝土的干密度和導熱系數逐漸降低，與泡沫摻量為3.2%時相比，導熱系數降低最多可達45%。

圖2(b)為泡沫摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響。由圖2(b)可知，當泡沫摻量增加時，漿體中氣孔所占的比重逐漸升高，因此在攪拌過程中氣孔不可避免會出現融合，這種現象會隨泡沫摻量的增加而越發明顯，泡沫摻量的增加還會減少膠凝材料占比，導致結構中水化產物的數量減少，最終使泡沫混凝土抗壓強度逐漸減小，與泡沫摻量為3.2%時相比，抗壓強度降低最多可達87.3%。

綜合考慮泡沫混凝土的抗壓強度和導熱系數，在泡沫摻量為4%時，泡沫混凝土導熱系數為0.115 W/(m·K)，28 d抗壓強度為2.17 MPa，泡沫混凝土性能相對較優。

圖2 泡沫摻量對泡沫混凝土性能的影響

2.3 粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響

粉煤灰對泡沫混凝土的作用主要有兩方面[13]:其一，粉煤灰的填充作用以及形態效應可以起到填充混凝土孔隙、提高結構密實度的作用；其二，粉煤灰可以與Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，起到促進混凝土水泥水化進程的作用。

圖3(a)為粉煤灰摻量對泡沫混凝土干密度及導熱系數的影響。由圖3(a)可知，當粉煤灰摻量小于25%時，粉煤灰的形態效應以及水泥二次水化生成的水化硅酸鈣凝膠均能起到填充孔隙的作用，減少了泡沫混凝土內大孔及連通孔的數量。粉煤灰可以使泡沫在攪拌過程中不易破損，有利于泡沫和漿體的均勻拌合，從而提高泡沫混凝土的孔隙率，結果表現為干密度和導熱系數降低，與未摻粉煤灰時相比，導熱系數降低最多可達3.4%。粉煤灰摻量大于25%時，粉煤灰的填充作用顯著，試塊微觀結構更加密實，同時由于此時漿體流動性較大，粘度降低，導致大量氣泡上浮，使泡沫混凝土干密度和導熱系數升高，與粉煤灰摻量為25%時相比，導熱系數升高最多可達7.9%。

圖3 粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響

圖3(b)為粉煤灰摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響。由圖3(b)可知，當粉煤灰摻量小于35%時，粉煤灰對孔隙起到填充作用，使泡沫混凝土內部結構更加緊密。粉煤灰中的SiO2、Al2O3等活性物質可以與Ca(OH)2反應生成C-S-H凝膠，對水泥水化也有促進作用。此時泡沫混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而升高，與未摻粉煤灰時相比，抗壓強度升高最多可達38.1%。當粉煤灰摻量大于35%時，水泥所占的比重變小，由于粉煤灰不能發生水化反應，導致泡沫混凝土抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而降低，與粉煤灰摻量為35%時相比，抗壓強度降低最多可達36.1%。對比試塊3 d、7 d、28 d抗壓強度，不難看出粉煤灰活性反應對泡沫混凝土后期強度的提升作用顯著。

綜合考慮泡沫混凝土的抗壓強度和導熱系數，在粉煤灰摻量為25%時，泡沫混凝土導熱系數為0.114 W/(m·K)，28 d抗壓強度為2.46 MPa，泡沫混凝土性能相對較優。

不同粉煤灰摻量的泡沫混凝土SEM照片如圖4所示。由圖4(a)可知，粉煤灰摻量為0%時，結構中存在較多的針狀、片狀水化產物，水化產物結構不均勻、不致密，結構中存在較大的孔隙，因此不利于結構受力。由圖4(b)可知，粉煤灰摻量為25%時，結構中針狀、片狀水化產物明顯減少，水化產物更致密，說明粉煤灰對水化過程有一定的調控作用，同時粉煤灰還起到填充孔隙的作用，有助于結構抗壓強度的提高。由圖4(c)可知，粉煤灰摻量為55%時，此時由于結構中水化產物較少，因此相對于圖4(a)、圖4(b)，其微觀結構較為松散，進而導致泡沫混凝土抗壓強度較低。

圖4 不同粉煤灰摻量的泡沫混凝土SEM照片

2.4 纖維摻量對泡沫混凝土性能的影響

纖維對泡沫混凝土的作用主要有兩方面:一方面，纖維的骨架作用和橋接作用可以抑制裂縫發展，從而提高結構的強度；另一方面，纖維可以改善泡沫混凝土的孔結構，有利于提高其保溫性能。

纖維摻量對泡沫混凝土干密度及導熱系數的影響如圖5(a)所示。由圖5(a)可知，當纖維摻量小于0.2%時，纖維可以把大孔分割成小孔，在一定程度上改善泡沫混凝土的孔結構，使氣孔更均勻，因此泡沫混凝土導熱系數隨纖維摻量的增加而降低，與未摻纖維時相比，導熱系數降低最多可達1.7%。當纖維摻量大于0.2%時，漿體的流動性下降，纖維容易成團導致漿體與泡沫混合不均，過量的纖維會使泡沫在攪拌過程中出現大量破損，致使泡沫所占的比重下降，此時泡沫混凝土的干密度和導熱系數隨纖維摻量的增加而升高，與纖維摻量0.2%時相比，導熱系數升高最多可達6.2%。

纖維摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，當纖維摻量小于0.2%時，纖維在漿體中呈亂向分布，起到骨架橋接的作用，同時還可以起到抑制裂縫的作用，減少了結構內部的缺陷，有助于泡沫混凝土抗壓強度的升高，與未摻纖維時相比，抗壓強度升高最多可達10.5%。當纖維摻量大于0.2%時，纖維在漿體中分散不均勻時，會表現出“團聚”現象，同時由于纖維表面疏水，纖維周圍水膠比較大，出現結塊現象，不利于結構受力，致使泡沫混凝土抗壓強度降低，與纖維摻量0.2%時相比，抗壓強度降低最多可達33.7%。

綜合考慮泡沫混凝土抗壓強度和導熱系數，在纖維摻量為0.2%時，泡沫混凝土導熱系數為0.113 W/(m·K)，28 d抗壓強度為2.51 MPa，泡沫混凝土性能相對較優。

不同纖維摻量的泡沫混凝土SEM照片如圖6所示。由圖6(a)可知，纖維摻量為0%時，由于干燥收縮等原因，結構裂縫數量較多，不利于結構受力。由圖6(b)可知，纖維摻量為0.2%時，其發揮了橋接裂縫的作用，一定程度上減少了干燥收縮等原因引起的裂縫數量，又減小了裂縫寬度，起到“鋼筋”的作用，進而有助于提高結構抗壓強度。由圖6(c)可知，纖維摻量為1%時，纖維不容易分散均勻，出現“團聚”現象，不利于結構受力。

圖5 纖維摻量對泡沫混凝土性能的影響

圖6 不同纖維摻量的泡沫混凝土SEM照片

2.5 應用示例

考慮鋼框架組合墻體的強度[14]以及建筑節能要求，泡沫混凝土抗壓強度應滿足《規程》中的要求，即其導熱系數不應高于0.12 W/(m·K)。結合配合比試驗結果，建議泡沫混凝土的配合比如表3所示，此時泡沫混凝土干密度為529.8 kg/m3，干密度等級為A05級，抗壓強度為2.51 MPa，為JG/T 266—2011中建議A08級抗壓強度值，在保證其具有較高抗壓強度的前提下，導熱系數為0.113 W/(m·K)，仍低于A05級泡沫混凝土限值。

表3 泡沫混凝土配合比

3 結 論

(1)當水膠比為0.6、泡沫摻量為4%時，泡沫混凝土漿體具有適宜的流動性和膠凝材料占比，確保了泡沫混凝土具有較高的抗壓強度和較低的導熱系數；當粉煤灰摻量為25%、PP纖維摻量為0.2%時，泡沫混凝土的孔結構得到了改善，微觀結構更加密實，水泥水化程度更完全，在提高泡沫混凝土抗壓強度的同時降低了導熱系數。

(2)微觀分析表明，粉煤灰可以起到填充孔隙的作用，使結構更加密實，同時還可以起到促進水化的作用，有效減少針狀、片狀水化產物的數量；纖維可以起到橋接裂縫的作用，從而提高泡沫混凝土的力學性能。

(3)當需要配制導熱系數不高于0.12 W/(m·K)、抗壓強度滿足《規程》中要求的泡沫混凝土時，建議配合比為：水膠比0.6、泡沫摻量4%、粉煤灰摻量25%、PP纖維摻量0.2%。此時泡沫混凝土抗壓強度為2.51 MPa，導熱系數為0.113 W/(m·K)。