陶粒泡沫混凝土配合比對抗壓強度的影響研究

陶飛羽 劉耀寧

（江蘇建筑職業技術學院建筑智能學院，江蘇 徐州 221166）

0 引言

巨大的建筑能耗已成為我國經濟和環境的負擔[1、2]，各類建筑材料以低環境負荷為目標的優化一直在持續。陶粒泡沫混凝土材料就是目前新興的一種低環境負荷的建筑材料，其主要特征為輕骨料的低密度、高強度及保溫性較好，同時具有混凝土的高抗壓強度和耐久性等優點，是集強度高、密度低和適用范圍廣為一體[3、4]的建筑材料。因其具有的環保、輕質、保溫、隔音和高強度等特點，符合我國未來建筑材料發展的方向，有廣闊的市場應用前景。但目前陶粒泡沫混凝土還存在著因拌合物工作性能差、強度較低而影響其使用等缺點，本文通過正交試驗探索陶粒泡沫混凝土最佳配合比[5]，從而提高其抗壓強度。

1 試驗材料

1.1 水泥

陶粒泡沫混凝土的強度受水泥的強度影響最大，因此選用合適的水泥尤為重要。除了要符合國家標準之外，還應有較高的強度、較快的初凝速度、不得含有損害泡沫穩定性的成分等。綜合考慮，本研究采用42.5級普通硅酸鹽水泥[6]。

1.2 陶粒

陶粒是以黏土、污泥、工業廢渣等作為原材料，在回轉窯加工而成的一種性能較好的人造輕骨料。用作配制陶粒泡沫混凝土的陶粒要具有較低的密度、導熱率、吸水率以及陶粒表面光滑無明顯缺陷等特點。

本次正交試驗選用的陶粒粒徑為10～20mm，堆積密度為336kg/m3，表觀密度為394kg/m3，筒壓強度為1.2MPa，軟化系數取0.86[7]。

1.3 粉煤灰

粉煤灰作為火電廠主要工業廢棄物，經過處理后可以用作制備混凝土的原料，同時作為綠色新型能源，在高溫燃燒過程中形成的粉煤灰顆粒，絕大多數為玻璃微珠，摻入混凝土中可以減少內摩阻力，從而起到減水作用，合理地使用不僅可以緩解環境壓力，在一定程度上代替水泥從而減少水泥的用量，還改善材料的性能，如調節強度、提高抗侵蝕能力等[8]。本試驗采用的是Ⅱ級粉煤灰，粉煤灰的細度18.95%、含水量0.8%，活性指數74.2%，均符合Ⅱ級粉煤灰的要求。

1.4 發泡劑

發泡劑是指能夠降低液體表面張力，產生大量均勻穩定的泡沫，用來生產泡沫混凝土的外加劑[9]。本次試驗選用的發泡劑是干粉狀的，需要按照1∶30的比例兌水后攪拌使用。兌水后的混合液是白色，攪拌后得到大量白色絮狀的泡沫，密度為25kg/m3，pH值在6.0～8.0。

1.5 減水劑

減水劑作為外加劑，其主要作用就是改性，在配制陶粒泡沫混凝土時能有效地提高水泥的流動性和坍落度，同時可以使水泥顆粒分散得更均勻，使兌水過程中被水泥顆粒包裹住的水分分散出來，從而明顯減少混凝土用水量，提高工作性能[10]。本次試驗采用的聚羧酸減水劑，具有提高陶粒泡沫混凝土早期強度和后期強度的作用，適用范圍廣，價格低廉。

2 試驗設計以及試件制作

2.1 試驗方法

本試驗利用三因素四水平正交表組織試驗，設計干密度為700kg/m3，采用正交設計可對影響陶粒泡沫混凝土配合比的各種因素進行方差分析，得出其顯著性影響因素。

在本次試驗中，以陶粒摻量、水灰比和粉煤灰摻量作為正交試驗中的研究參數，對陶粒泡沫混凝土試塊進行抗壓強度測試，探索制備陶粒泡沫混凝土的最佳試驗配合比。

正交試驗的因素水平見表1。其中陶粒摻量和粉煤灰摻量均為代替水泥的質量百分數；水灰比是所用水與水泥的重量比。

表1 正交試驗因素水平表

2.2 試件制作

首先將稱量好的水泥、粉煤灰、陶粒、減水劑等倒入攪拌機攪拌60s，然后用攪拌機攪拌發泡劑，當出現了類似棉花絮狀的大量泡沫時停止攪拌，將泡沫倒入攪拌機內，然后倒入自來水，攪拌120s，成模，靜置24h后拆模，放入標準養護室內進行養護，到規定齡期后取出試塊進行測試。按照《普通混凝土力學性能試驗標準》（GB/T 50081-2002）的規定進行混凝土強度測試。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果和極差分析

試驗配合比以及試驗結果如表2所示。

表2 試驗配合比設計及抗壓強度

由表3可見，在極差結果分析中，極差（R）越大對抗壓強度的影響越明顯，試塊抗壓強度影響因素的主次順序是：C＞A＞B，即粉煤灰摻量對陶粒泡沫混凝土抗壓強度影響最大，陶粒摻量次之，水灰比是最小的；7d和28d的抗壓強度測試結果得到的結論一致。試驗得到的最佳配合比為陶粒摻量10%，水灰比0.5，粉煤灰摻量15%，7d和28d抗壓強度分別為3.81MPa和8.07MPa。

表3 極差分析表

為了進一步研究陶粒摻量、水灰比和粉煤灰對陶粒泡沫混凝土抗壓強度的影響，對每個因素的抗壓結果取4個數值的算術平均值，分別繪制了這3個因素與陶粒泡沫混凝土的7d和28d抗壓強度的關系曲線圖，如圖1～圖3所示。

圖1 陶粒摻量對抗壓強度的影響

3.2 陶粒摻量與抗壓強度的關系

由圖1可知，陶粒摻量越多，陶粒泡沫混凝土的強度下降得越多，這是由于陶粒本身是一種人造輕骨料，摻量過多的陶粒會占據較大的體積，減少了水泥的用量，從而影響整體的抗壓強度。因此，在計算配合比時不宜摻入過多的陶粒。建議陶粒摻量控制在20%～30%。摻入適量的陶粒不僅可以減輕重量，還可以使混凝土具有隔熱保溫性、吸水率低等特點。同時在試驗過程中發現，制備陶粒泡沫混凝土試塊時，選用的陶粒粒徑不宜過大，容易造成陶粒上浮、攪拌不均勻等不良情況，粒徑大小范圍建議在10～20mm內。

3.3 水灰比與抗壓強度的關系

由圖2可知，在制備陶粒泡沫混凝土時，陶粒泡沫混凝土的抗壓強度在水灰比為0.2～0.3時出現了少許下降，在0.3～0.5時又有了提升，這主要是因為在水灰比達到0.3時，粉煤灰的作用沒有完全發揮，不能彌補水泥用量減少造成的強度降低；而隨著水灰比的逐漸加大，達到0.5時，粉煤灰的作用開始逐漸發揮出來，強度出現增強。在水灰比較小時，雖然強度較高，但是會出現流動性較差的問題，混合料沒有攪拌均勻，內部存在大量孔隙，不利于試件的制備。隨著水灰比的增加，漿料由糊狀變得具有流動性，減小了內部孔隙率，從而提高了抗壓強度；在水灰比過大時，過量的水分會在試塊振搗時不斷流出，同時在混凝土硬化過程中過量的水分也會不斷蒸發，使試塊內部出現了大量的連通孔洞，降低了混凝土的吸水率，對陶粒泡沫混凝土的強度不利。因此，建議水灰比控制在0.4～0.5。

圖2 水灰比對抗壓強度的影響

3.4 粉煤灰摻量對抗壓強度的影響

由圖3可知，陶粒泡沫混凝土的強度在粉煤灰摻量為10%～15%時有所增加，這是因為粉煤灰本身就具有提高混凝土早期強度的作用。從機理角度分析，粉煤灰中的主要化學成分SiO2和硅酸鹽水泥中的主要產物Ca（OH）2發生二次水化反應，生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣可作為膠凝材料使各種拌合物黏結得更緊實，在一定程度上起到增加強度的作用。但是摻量超過15%以后就隨著摻量的增加，強度不斷降低，這是因為粉煤灰并不能完全代替水泥，摻量增多會減少水泥的用量從而導致強度下降。因此建議粉煤灰摻量10%～15%，不僅可以增加一定的強度，同時又可以確保粉煤灰在制備陶粒泡沫混凝土時發揮改性的作用。

圖3 粉煤灰摻量對抗壓強度的影響

4 結束語

為了提高陶粒泡沫混凝土抗壓強度，采用正交試驗的方法對其配合比進行研究，結論如下：

（1）既要保證自重小，又要保證具有一定的強度，因此陶粒摻量不宜過多，選用的粒徑范圍在10～20mm范圍內。

（2）粉煤灰的使用不僅可以減少水泥用量，還可以在一定程度上彌補摻入陶粒后強度的下降，更重要的是可以改善陶粒泡沫混凝土的工作性能，但是摻量不宜過多。

（3）水灰比是影響泡沫與水泥漿是否能均勻混合和新拌混凝土使用性能的關鍵因素。水灰比過小，會出現流動性差，自重較大，泡沫損失過多的現象；水灰比過大，會出現陶粒上浮，新拌混凝土易離析，泡沫穩定性下降等不利情況。

（4）探索陶粒摻量、水灰比和粉煤灰摻量對抗壓強度影響程度，從7d和28d抗壓強度的測試結果看：粉煤灰摻量對陶粒泡沫混凝土抗壓強度影響最大，陶粒摻量次之，水灰比最小。綜合比較，最優配合比為：陶粒摻量20%～30%，粉煤灰摻量10%～15%，水灰比0.4～0.5。