微集料增強粉煤灰泡沫混凝土配合比試驗*

郝贠洪，孫 浩，秦立達，鄔卓軒，慈天義，郭曉梅

(1. 內蒙古工業大學 土木工程學院，呼和浩特 010051；2. 內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，呼和浩特 010051；3. 內蒙古自治區建筑檢測鑒定與安全評估工程技術研究中心，呼和浩特010051；4. 中國新興建筑工程有限責任公司，北京 100009)

0 引 言

針對大宗固廢產生強度高、利用不充分、綜合利用產品附加值低等突出問題，2021年3月多部委聯合發布《關于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導意見》，明確指出，到2025年，新增大宗固廢綜合利用率達到60%，存量大宗固廢有序減少[1]。截至2018年，內蒙古自治區一般工業固體廢棄物產生量2.87億噸，綜合利用量1.06億噸，綜合利用率36.75%[2]。促進大宗固廢的綠色、高效、規?；?，積極響應國家“雙碳目標”的重大戰略部署是實現內蒙古自治區綠色低碳循環發展的關鍵。

作為新型綠色節能材料，泡沫混凝土兼具輕質、保溫、耐火等特點[3]。由于它在應用中存在強度偏低、開裂、吸水等缺陷[4]，為進一步提升泡沫混凝土的物理力學性能，研究學者們做了大量的研究工作。通過調配外加劑、摻入輕質材料等方式提升材料的熱工性能[5-8]；通過摻入纖維解決泡沫混凝土存在的干燥收縮開裂問題[9-13]；通過在泡沫混凝土中引入填料，提高材料的密實性，提升材料的力學性能[14-16]；通過配制不同種類鎂基鹽，改變鎂水泥水化反應后的水化產物來制備鎂基鹽泡沫混凝土[17-18]。盡管有大量提升泡沫混凝土材料性能的研究報道，然而有關微集料增強泡沫混凝土的研究報道卻很少，尤其采用石英粉和石英砂增強泡沫混凝土的研究。

基于以上論述，本文以水泥和粉煤灰為膠凝材料，摻入石英粉和石英砂，采用化學發泡的方法制備密度等級為A12的泡沫混凝土，研究各因素對材料抗壓強度、抗折強度和導熱系數的影響，通過正交試驗確定材料的優化配比并建立主要影響因素與材料28 d抗壓強度、抗折強度的關系模型，以期為后續的研究應用提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

水泥：冀東水泥有限公司的P.O42.5水泥；粉煤灰：內蒙古東華熱電廠的Ⅱ級粉煤灰，其物理性能指標見表1。石英砂：40～70目石英砂，粒徑450 μm。石英粉：200目石英粉，粒徑75 μm。發泡劑：天津市大茂化學試劑廠生產的30%濃度過氧化氫(H2O2)溶液。催化劑：天津市大茂化學試劑廠生產的二氧化錳(MnO2)試劑。穩泡劑：上海臣啟化工科技有限公司生產的羥丙基甲基纖維素(HPMC)，20萬粘度。減水劑：陜西秦奮建材有限公司生產的聚羧酸系高性能減水劑，減水率37%。纖維：采用聚丙烯纖維，由廊坊雙森建材有限公司生產，物理性能指標見表2。水：普通自來水。

表1 粉煤灰物理性能指標Table 1 Physical performance of fly ash

表2 聚丙烯纖維性能指標Table 2 Performance indexes of polypropylene fiber

1.2 配合比設計

1.2.1 單因素試驗配合比設計

經過前期試驗發現水膠比、粉煤灰摻量、微集料摻量對泡沫混凝土的抗壓強度影響較大，為提升材料的基本力學性能設計密度等級為A12的泡沫混凝土，初設水膠比為0.4、0.5、0.6進行單因素試驗探究粉煤灰摻量和微集料摻量改變對材料抗壓強度的影響。本試驗中涉及的比例均是相對于膠凝材料的質量百分比，膠凝材料包括主要膠凝材料水泥和輔助膠凝材料粉煤灰，試驗中石英粉和石英砂統稱微集料，兩者摻量的質量比為7∶3，具體試驗的配合比設計方案如表3所示。

表3 泡沫混凝土單因素配合比設計Table 3 Single factor mix design of foamed concrete

1.2.2 正交試驗配合比設計

設計正交表L16(45)研究水膠比、粉煤灰摻量、微集料摻量、聚丙烯纖維摻量、減水劑摻量對材料抗壓強度、抗折強度和導熱系數的影響規律及顯著性，具體試驗的配合比設計方案如表4所示。

表4 泡沫混凝土L16(45)正交試驗因素、水平Table 4 Orthogonal test factors and levels of foam concrete L16(45)

1.3 試驗方法

1.3.1 制備過程

將水泥、粉煤灰、石英砂、石英粉與聚丙烯纖維加入攪拌桶內使用手持混凝土攪拌機干拌3 min；水和聚羧酸減水劑按設計配合比加入到干料中攪拌3 min，制成均勻的漿料；雙氧水、二氧化錳、HPMC加入漿料，調整攪拌機的轉速，使其達到120 r/min以上后快速攪拌2 min，待發泡料漿攪拌均勻后倒入100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm的模具中，靜停90 min左右刮平表面靜置24 h后拆模；拆模后放到標準養護室中養護至規定齡期。

1.3.2 性能測試

(1)干密度測試：依據《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)中的試驗方法進行。

(2)抗壓強度測試：依據《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)中的試驗方法進行。

(3)抗折強度測試：參照《混凝土物理力學性能試驗方法》(GB/T 50081-2019)中的試驗方法進行。

(4)導熱系數測試：使用JTRG-III型建筑熱流計式導熱儀測試。

(5)微觀形貌測試：取微微集料增強粉煤灰泡沫混凝土試樣內部斷面，表面經過噴金處理后使用美國FEI生產 QUANTA 650 FEG進行場發射掃描電子顯微鏡(SEM微觀形貌分析以及對其微觀形貌進行表征。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果分析

不同水膠比的泡沫混凝土單因素試驗結果分別如圖1、2和3所示。

圖1 水膠比0.4Fig.1 Water binder ratio 0.4

由圖1可見，固定水膠比為0.4，改變粉煤灰摻量和微集料摻量，28 d抗壓強度為11.32～15.15 MPa。粉煤灰摻量為20%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長8.89%后減小4.86%；粉煤灰摻量為30%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長11.64%后減小5.41%；粉煤灰摻量為50%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長13.78%后減小8.77%。微集料摻量為40%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長3.98%后減小16.58%；微集料摻量為60%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長6.62%后減小14.98%；微集料摻量為80%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長5.99%后減小18.00%。

由圖2可見，固定水膠比為0.5，改變粉煤灰摻量和微集料摻量，28 d抗壓強度為14.58～18.52 MPa。粉煤灰摻量為20%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長13.85%后減小4.75%；粉煤灰摻量為30%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長11.23%后減小3.73%；粉煤灰摻量為50%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長14.88%后減小4.84%。微集料摻量為40%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長5.85%后減小12.43%；微集料摻量為60%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長3.41%后減小9.56%；微集料摻量為80%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長4.51%后減小18.00%。

圖2 水膠比0.5Fig.2 Water binder ratio 0.5

由圖3可見，固定水膠比為0.6，改變粉煤灰摻量和微集料摻量，28 d抗壓強度為10.45～13.08 MPa。粉煤灰摻量為20%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長10.50%后減小5.81%；粉煤灰摻量為30%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長13.15%后減小2.60%；粉煤灰摻量為50%時，隨著微集料摻量的增加，抗壓強度增長8.90%后減小4.83%。微集料摻量為40%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長4.62%后減小9.60%；微集料摻量為60%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長7.13%后減小13.00%；微集料摻量為80%時，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度增長10.78%后減小14.99%。

圖3 水膠比0.6Fig.3 Water binder ratio 0.6

綜上所述，材料的抗壓強度隨著水膠比、粉煤灰摻量、微集料摻量的增大所呈現的變化趨勢為先增長后減小。水膠比為0.6時材料的抗壓強度降幅最高達41.59%，下降的幅度較大，故材料的水膠比適宜范圍為0.4～0.5。微集料摻量在60%～80%時材料的抗壓強度下降幅度較小，故材料的微集料摻量適宜范圍為60%～80%。粉煤灰摻量在30%～50%時材料的抗壓強度下降幅度適中且滿足經濟綠色的要求綜合考慮其適宜范圍為30%～50%。

2.2 正交試驗極差結果分析

2.2.1 各因素對抗壓強度的影響

不同齡期泡沫混凝土抗壓強度曲線如圖4所示，極差分析結果如表5～7所示。

圖4 抗壓強度曲線Fig.4 Compressive strength curve

由表5可知：各因素對材料3 d抗壓強度影響的主次關系為：水膠比>粉煤灰摻量>微集料摻量>聚丙稀纖維摻量>減水劑摻量，選取各因素使試驗指標取得最大值的水平，確定材料3 d抗壓強度的優化配比為A4B1C3D2E4。

表5 3 d抗壓強度結果極差分析表Table 5 Range analysis of 3 d compressive strength results

表6 7 d抗壓強度結果極差分析表Table 6 Range analysis of 7 d compressive strength results

表7 28 d抗壓強度結果極差分析表Table 7 Range analysis of 28 d compressive strength results

由表6可知：各因素對材料7 d抗壓強度影響的主次關系為：水膠比>微集料摻量>粉煤灰摻量>聚丙稀纖維摻量>減水劑摻量，確定材料7 d的抗壓強度優化配比為A4B3C3D2E4，粉煤灰最佳摻量由30%增加到40%，主要由于粉煤灰等質量取代水泥，使得水化反應的速率降低，需要更長的時間完成凝結和硬化，而且合適摻量的粉煤灰能夠提高材料的后期強度[19-20]。由表7可知：各因素對材料28 d抗壓強度影響的主次關系以及確定的優化配比均與7 d相同。

2.2.2 各因素對抗折強度的影響

微集料增強粉煤灰泡沫混凝土28 d抗折強度曲線如圖5所示，極差分析結果如表8所示，由表8可知：各因素對材料28 d抗折強度影響的主次關系為：水膠比>粉煤灰摻量>聚丙稀纖維摻量>微集料摻量>減水劑摻量，此與28 d抗壓強度影響的主次關系略有不同，聚丙烯纖維摻量的影響顯著性增強，說明纖維高彈性模量的特性對于提高材料的抗折強度有明顯的效果。選取各因素使試驗指標取得最大值的水平，確定28 d抗折強度的優化配比為A4B3C3D4E4。

圖5 28 d抗折強度曲線Fig.5 28 d flexural strength curve

表8 28 d抗折強度結果極差分析表Table 8 Range analysis of 28 d flexural strength results

2.2.3 各因素對導熱系數的影響

微集料增強粉煤灰泡沫混凝土導熱系數曲線如圖6所示，極差分析結果如表9所示，由表9可知：各因素對材料導熱系數影響的主次關系為：水膠比>粉煤灰摻量>微集料摻量>減水劑摻量>聚丙烯纖維摻量，減水劑摻量和聚丙烯纖維摻量對于導熱系數的影響較小。選取各因素使試驗指標取得最大值的水平，確定導熱系數的優化配比為A4B3C1D4E1。

表9 導熱系數結果極差分析表Table 9 Range analysis of thermal conductivity results

圖6 導熱系數曲線Fig.6 Thermal conductivity curve

綜合評價不同因素對抗壓強度、抗折強度和導熱系數性能指標的影響規律，最終得到微集料增強粉煤灰泡沫混凝土的優化配比為：A4B3C3D2E4。

2.3 關系模型

由正交試驗極差分析可知水膠比、微集料摻量、粉煤灰摻量為微集料增強粉煤灰泡沫混凝土力學性能的重要影響因素，建立材料28 d抗壓強度、抗折強度與主要影響因素的定量關系，為材料的研究應用提供參考。引入Poly 2D函數對微集料增強粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度、抗折強度試驗數據進行回歸分析得到對應的關系模型，式中x為水膠比，y為微集料摻量，z為粉煤灰摻量，ai和bi(i=1、2、3、4、5、6)為系數，由回歸分析得到。

微集料增強粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度回歸分析結果如圖7所示，關系模型如式(1)所示，數據回歸分析的相關系數為0.9513；28 d抗折強度回歸分析結果如圖8所示，關系模型如式(2)所示，數據回歸分析的相關系數為0.93014，擬合情況良好。

圖7 28 d抗壓強度與水膠比、微集料摻量關系Fig.7 Relationship between water binder ratio, micro-aggregate content and 28 d compressive strength

F(x,y)=-70.01567-203.9165x+3.56973y+201.75338x2-0.02782y2+0.76114xy

(1)

G(x,z)=21.71915-145.12863x+0.62001z+171.9751x2-0.0078z2-0.08909xz

(2)

圖8 28 d抗折強度與水膠比、粉煤灰摻量關系Fig.8 Relationship between water binder ratio, fly ash content and 28 d flexural strength

2.4 微觀形貌分析

采用掃描電鏡對水膠比0.5，粉煤灰摻量30%，微集料摻量40%、60%、80%的試件進行觀察，其形貌特征如圖9所示。由圖9(a)可以看出，微集料摻量40%時，材料水化生成的產物主要是C-S-H凝膠和Ca(OH)2以及石英粉、石英砂、粉煤灰中的活性SiO2與Ca(OH)2所生成的針狀晶體，水化產物之間邊界分明，空隙較大，顆粒之間連接不緊密,材料的宏觀力學性能欠佳。由圖9(b)可見，隨著微集料摻量增加到60%時，水化產物C-S-H凝膠和Ca(OH)2數量有所減少，活性SiO2與Ca(OH)2所生成的針狀晶體數量有所增加，水化產物之間連接緊密，顆粒之間的空隙明顯減少，有小的顆粒物質作為填充，提升材料密實性使得材料的宏觀力學性能得到增強。由圖9(c)可見，當微集料摻量80%時，其微觀形貌較前面有較大變化，水化產物C-S-H凝膠和Ca(OH)2數量明顯減少，水化產物連接更為緊密，但活性SiO2與Ca(OH)2所生成的針狀晶體的占比加大使得材料的強度有所降低。

圖9 微集料增強粉煤灰泡沫混凝土微觀形貌Fig.9 Microstructure of micro-aggregate reinforced fly ash foam concrete

3 結 論

(1)微集料增強粉煤灰泡沫混凝土的抗壓強度隨著水膠比、粉煤灰摻量、微集料摻量的增加均呈現出先增長后降低的變化趨勢；其配比適宜的范圍是：水膠比0.4～0.5、粉煤灰摻量30%～50%、微集料60%～80%。

(2)微集料增強粉煤灰泡沫混凝土3 d抗壓強度影響因素的主次關系為：水膠比>粉煤灰摻量>微集料摻量>聚丙稀纖維摻量>減水劑摻量；7與28 d抗壓強度的影響主次關系均為：水膠比>微集料摻量>粉煤灰摻量>聚丙稀纖維摻量>減水劑摻量；28 d抗折強度的影響主次關系為：水膠比>粉煤灰摻量>聚丙稀纖維摻量>微集料摻量>減水劑摻量；導熱系數影響主次關系為：水膠比>粉煤灰摻量>微集料摻量>減水劑摻量>聚丙烯纖維摻量。

(3)集料增強粉煤灰泡沫混凝土優化配比為水膠比0.5，粉煤灰摻量40%，微集料摻量70%，聚丙稀纖維摻量0.1%，減水劑摻量0.8%。

(4)適量的微集料摻量可以提高其抗壓強度，分析原因是石英砂和石英粉中的活性SiO2與水化產物Ca(OH)2所生成的針狀晶體填充顆粒之間的空隙，水化產物連接緊密，提升其密實性。