摻和料對(duì)泡沫混凝土性能影響的試驗(yàn)研究

郭 慧 高 銳 周俊杰

（江西科技學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，江西 南昌330098）

0 引言

據(jù)報(bào)道，每生產(chǎn)1t水泥會(huì)排放0.83tCO2[1]，這給“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)造成了巨大的壓力。合理使用礦物摻合料作為輔助膠凝材料，能降低水泥用量并改善混凝土的部分性能[2-6]，減少水泥用量。江西省每年因生產(chǎn)銅會(huì)產(chǎn)生幾百萬噸的銅礦渣，這些銅礦渣的堆存不但占用耕地，而且對(duì)環(huán)境也造成了潛在的危害，因此研究銅礦渣的資源化利用具有重要的意義。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)銅礦渣在普通混凝土中的應(yīng)用做了大量的研究[7-10]，但是關(guān)于銅礦渣在泡沫混凝土中的應(yīng)用研究還較少。

泡沫混凝土廣泛應(yīng)用于保溫隔熱材料、地基的處理、采礦區(qū)的充填等方面[11-15]。研究制備銅礦渣泡沫混凝土，具有廣泛的應(yīng)用前景，這不僅能緩解銅礦渣廢棄物的堆積存放壓力，而且還能減少水泥的使用，達(dá)到節(jié)能減排的目的。本文通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)分別制備出普通泡沫混凝土與銅礦渣泡沫混凝土，分析銅礦渣摻合料對(duì)泡沫混凝土性能的影響，為銅礦渣在泡沫混凝土中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥為江西海螺水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)水泥，比表面積為356m2/kg；銅礦渣取材于江西銅業(yè)集團(tuán)，在80℃的烘箱干燥4h后，經(jīng)行星式球磨機(jī)研磨，所測(cè)銅礦渣粉的比表面積為540m2/kg。水泥和銅礦渣的化學(xué)組成如表1所示。

表1 水泥和銅礦渣的化學(xué)組成（單位：%）

砂為廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂；水為自來水；十二烷基硫酸鈉為西隴化學(xué)股份有限公司生產(chǎn)，化學(xué)純，記為WA；十二烷基苯磺酸鈉為天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司生產(chǎn)，分析純，記為WB。濃縮型高效水泥發(fā)泡劑為鄭州市鵬翼化工建材有限公司生產(chǎn)，外觀為褐色黏稠液體，pH值范圍為6～7，記為FA。LG-2258水泥發(fā)泡劑為山東優(yōu)索化工科技有限公司生產(chǎn)，外觀為無色至微黃色黏稠液體，pH值范圍為6.5～7.5，記為FB。

1.2 試驗(yàn)方案

選擇制備泡沫混凝土所需要的發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑，設(shè)計(jì)試驗(yàn)配合比如表2所示，發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑摻量分別為膠凝材料用量的2.0%、0.4%，根據(jù)所制備的泡沫混凝土的性能來進(jìn)行發(fā)泡劑種類與穩(wěn)泡劑種類的篩選。制備泡沫混凝土?xí)r，先把標(biāo)準(zhǔn)砂與膠凝材料混合，利用水泥膠砂攪拌機(jī)緩慢攪拌30s，然后緩慢加入水、穩(wěn)泡劑、發(fā)泡劑的混合液體，慢攪至300s后停止。利用40mm×40mm×160mm的試模澆筑成型，在溫度為20±2℃和相對(duì)濕度為70%±5%的條件下放置1d后從模具中取出，放入到快速養(yǎng)護(hù)箱中，用溫度為20±2℃的清水養(yǎng)護(hù)至28d齡期。

表2 泡沫混凝土制備試驗(yàn)配合比

根據(jù)泡沫混凝土制備試驗(yàn)所選出的發(fā)泡劑與穩(wěn)泡劑組合，利用銅礦渣粉取代20%的水泥制備銅礦渣泡沫混凝土，主要配合比如表3所示。FCM0、FCM20分別表示銅礦渣粉摻量為0、20%的泡沫混凝土。

表3 銅礦渣泡沫混凝土試驗(yàn)配合比

使用HYZ-300、10型恒加載水泥抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試試件的抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度，首先測(cè)試3個(gè)40 mm×40mm×160mm試件的抗折強(qiáng)度，取3個(gè)測(cè)試值的平均值作為試件的抗折強(qiáng)度值，然后測(cè)被折斷的半截試塊的抗壓強(qiáng)度值，取6個(gè)測(cè)試值的平均值作為試件的抗壓強(qiáng)度值。

將泡沫混凝土試塊烘干稱出質(zhì)量m1，再將烘干后的試塊放入水中浸泡48h，稱出浸泡后試塊的質(zhì)量m2，用排水法測(cè)出浸泡后試塊的體積V0，最后通過公式（1）計(jì)算出干密度ρ，通過公式（2）計(jì)算出吸水率W。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫混凝土的影響

發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、干密度和吸水率的影響見圖1所示。

圖1 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響

由圖1（a）可知，泡沫混凝土FM1、FM2、FM3和FM4的抗壓強(qiáng)度分別為5.4MPa、2.1MPa、4.7MPa和5.7MPa，抗折強(qiáng)度分別為1.8MPa、1.1MPa、1.8MPa和1.9MPa，根據(jù)《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中關(guān)于強(qiáng)度等級(jí)的劃分，泡沫混凝土FM1、FM2、FM3和FM4的抗壓等級(jí)分別為C5、C2、C4和C5，可見試件FM1與FM4同屬一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，抗壓強(qiáng)度僅相差5.6%，抗折強(qiáng)度也僅相差5.6%，力學(xué)性能相差不大；試件FM2比FM1下降了3個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，抗壓強(qiáng)度下降了61.1%，抗折強(qiáng)度下降了38.9%，強(qiáng)度等級(jí)為4個(gè)試件中最低的；試件FM3比FM1下降了1個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，抗壓強(qiáng)度下降了13.0%，抗折強(qiáng)度相等；從泡沫混凝土的力學(xué)性能方面考慮，試件的強(qiáng)度越高則其力學(xué)性能越好，試件的優(yōu)選順序?yàn)镕M4＞FM1＞FM3＞FM2。由圖1(b)可知，試件FM1、FM2、FM3和FM4的 干 密 度 分 別 為1328kg/m3、1240kg/m3、1216kg/m3和1365kg/m3，都在1200～1400kg/m3之間，符合《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中干密度等級(jí)A14的要求，從泡沫混凝土干密度的角度考慮，試件的干密度越低則其保溫隔熱性能越好，試件的優(yōu)選順序?yàn)镕M3＞FM1＞FM2＞FM4。試件FM1、FM2、FM3和FM4的吸水率分別11%、13%、19%和17%，根據(jù)《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中關(guān)于吸水率等級(jí)的劃分，泡沫混凝土FM1與FM2的吸水率等級(jí)為W15，F(xiàn)M3與FM4的吸水率等級(jí)為W20，從泡沫混凝土吸水性能方面考慮，試件的吸水率越低則其耐久性越好，試件的優(yōu)選順序?yàn)镕M1＞FM2＞FM4＞FM3。綜合圖1（a）、（b）的測(cè)試分析結(jié)果，試件FM2的強(qiáng)度太低，不予采用；試件FM3的吸水率最高、干密度最低，并且強(qiáng)度低于試件FM1與FM4；試件FM1與FM4強(qiáng)度等級(jí)一樣、干密度等級(jí)一樣，但試件FM1比FM4的吸水率低了35.3%，因此試件FM1的綜合性能優(yōu)于FM4，試件的優(yōu)選順序?yàn)镕M1＞FM4＞FM3。

綜合上述分析結(jié)果，說明以FM1的配合比配制的泡沫混凝土綜合性能較好，但是通過觀察幾組試件的表觀形貌（如圖2所示），試件FM1與FM3表面的孔洞分布并不均勻，試件FM4表面的孔洞分布最均勻，因此，綜合泡沫混凝土的表觀形貌與強(qiáng)度、干密度、吸水率這幾項(xiàng)性能指標(biāo)，選擇FM4的配合比作為后續(xù)試驗(yàn)的基準(zhǔn)配合比，水灰比為0.55，砂灰比為3，LG-2258水泥發(fā)泡劑（FB）作為發(fā)泡劑，摻量為膠凝材料用量的2.0%，十二烷基苯磺酸鈉（WB）作為穩(wěn)泡劑，摻量為膠凝材料用量的0.4%，配制的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度為5.7MPa，干密度為1365kg/m3，吸水率為17%。

圖2 發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑對(duì)泡沫混凝土表觀形貌的影響

2.2 銅礦渣對(duì)泡沫混凝土的影響

銅礦渣對(duì)泡沫混凝土28d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、干密度和吸水率的影響，如圖3所示。由圖3（a）可知，試件FCM0、FCM20的28d抗壓強(qiáng)度分別為6.2MPa、2.9MPa，28d抗折強(qiáng)度分別為1.8MPa、1.1MPa，添加了20%的銅礦渣之后，泡沫混凝土FCM20比FCM0的抗壓強(qiáng)度降低了53%、抗折強(qiáng)度降低了39%，這是由于水泥用量減少了20%，而銅礦渣的火山灰活性還沒有被完全激發(fā)，從而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。汪波[16]研究發(fā)現(xiàn)銅渣前期火山灰活性非常弱，隨著水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2的增多，銅渣中的活性物質(zhì)才逐漸被激發(fā)，摻加銅渣的水泥膠砂的90d抗壓強(qiáng)度高于28d抗壓強(qiáng)度。杭美艷[17]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)泡沫混凝土中添加超過一定量的摻合料時(shí)，氣泡的破裂幾率變大，連通孔隙增加，從而導(dǎo)致吸水率增加、強(qiáng)度降低；由圖3（b）可見，泡沫混凝土FCM0、FCM20的干密度分 別 為1430kg/m3、1300kg/m3，吸 水 率 分 別 為12.5%、18.5%，可見添加了20%的銅礦渣之后，泡沫混凝土的干密度下降了9.1%、吸水率上升了48%，說明銅礦渣泡沫混凝土內(nèi)部形成了較多的連通孔隙，因此會(huì)引起干密度降低與吸水率增加。

圖3 銅礦渣對(duì)泡沫混凝土性能的影響

3 結(jié)束語

通過以上研究結(jié)果表明：選擇LG-2258水泥發(fā)泡劑作為發(fā)泡劑，摻量為膠凝材料用量的2.0%，十二烷基苯磺酸鈉作為穩(wěn)泡劑，摻量為膠凝材料用量的0.4%，水灰比為0.55，砂灰比為3，以此配合比來制備泡沫混凝土，添加了20%的銅礦渣之后，28d齡期泡沫混凝土的力學(xué)性能降低、吸水性能提高。