纖維再生微粉泡沫混凝土的配合比設計及制備研究

基金項目：揚州市建設科技計劃項目（202201）；江蘇省建筑垃圾循環利用技術工程研究中心子課題（無編號）

第一作者簡介：仝小芳（1980-），女，碩士，副教授。研究方向為再生混凝土性能。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.009

摘" 要：為解決再生微粉應用受限問題，提高資源化利用率，分析研究水灰比、發泡劑、摻合料、外加劑及纖維等因素對現有普通泡沫混凝土的影響規律，提出基于再生微粉的微活性和填充性，采用再生微粉部分取代水泥，通過物理發泡法制備纖維再生微粉泡沫混凝土，闡述新型纖維再生微粉泡沫混凝土配合比設計及制備工藝流程。

關鍵詞：再生微粉；泡沫混凝土；配合比；工藝流程；物理發泡法

中圖分類號：TU528" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0039-05

Abstract： In order to solve the limitation of the application of recycled micro-powder and improve the utilization rate of resources， the effects of water-cement ratio， foaming agent， admixture， and fiber on the existing ordinary foam concrete were analyzed and studied. Based on the micro-activity and filling property of recycled micro-powder， it is used to partially replace cement， and fiber recycled micro-powder foam concrete is prepared by physical foaming method. The mix design and preparation process of a new type of fiber recycled micro-powder foam concrete are described.

Keywords： recycled fine powder; foamed concrete; mix ratio; technological process physical foaming method

中國作為基建大國，建筑垃圾的回收利用，可以切實減少天然砂石資源的用量，有利于解決現階段的能源危機，符合國家環保政策。目前，建筑垃圾再生骨料的應用比較成熟，但是再生微粉由于自身的吸水率偏大、來源不同時成分不易控制、活性較低而沒有得到有效的利用[1-2]。泡沫混凝土作為優良的有機保溫材料，具有良好的耐火性能，本文研究的纖維再生微粉泡沫混凝土，基于再生微粉的微活性和填充性，采用再生微粉部分取代水泥，通過物理發泡法制備泡沫混凝土，在具有良好的耐火保溫性能的同時，可以有效解決再生微粉應用受限問題，提高資源化利用率。

1" 泡沫混凝土的應用

泡沫混凝土，也叫發泡混凝土，是一種由水泥、泡沫、石灰和粉煤灰等混合而成的多孔混凝土，泡沫混凝土由于其具有豐富的多孔結構，既可降低其質量又可起到隔熱作用，因此廣泛用于房屋建筑、基坑填埋等領域。泡沫混凝土已經有了較長的發展時間，作為無機保溫材料，有輕質保溫、抗震性好、防火等優點。在使用場景上，有公路工程、隧道工程、建筑保溫等，應用十分廣泛，因此泡沫混凝土的需求也日益增長。

泡沫混凝土也常用于房建當中的墻體現澆，現澆混凝土墻板可節能抑塵、提高施工效率、節約成本。其代表性的應用是輕鋼龍骨復合墻體，田穩苓等[3]將泡沫混凝土應用于輕鋼龍骨復合墻體中，該墻體圖如圖1所示。該墻體主體采用輕鋼龍骨為骨架，墻體內部由無毒、阻燃的材料泡沫混凝土澆注成型，制出的輕鋼龍骨復合墻體既有良好的隔音性和抗震性能，同時又保證了墻體的平整度，提高了墻體的整體性。研究表明，泡沫混凝土輕鋼龍骨復合墻的保溫和耐久性能在干密度為400 kg/m3時為最佳，同時對墻體的抗震性能有效提高，以及對墻體的剛度、承載力、延性都有較大的提高。

與普通混凝土相比，泡沫混凝土不但密度小，擁有優異的保溫隔熱性能，同時還可以應用于建筑現澆、墻體保溫、擋土墻等領域。經過研究和調查，用泡沫混凝土制成的無機保溫板能夠達到與建筑同樣的使用壽命，并且具有較好的防火性能，可以代替有機保溫板。但是，泡沫混凝土也有部分缺點，與普通混凝土相比，泡沫混凝土具有強度偏低、吸水性高、易開裂等缺點，具體指標詳見表1。要想推廣應用，就必須對泡沫混凝土的材料、配比等進行改進，使其力學性能等得到優化。

圖1" 輕鋼龍骨泡沫混凝土復合墻體

表1" 泡沫混凝土與普通混凝土的物理特性對比

2" 泡沫混凝土性能影響因素分析

2.1" 水灰比對泡沫混凝土的影響

影響泡沫混凝土強度的決定性因素是水灰比，在泡沫混凝土的制作過程中，制定水灰比時需要考慮泡沫混凝土的細集料的含水量，一般泡沫混凝土的設計水灰比為0.4～0.6，由于物理發泡，發泡泡沫中也含有一定的水分，漿體發生泌水的概率會增大，同時若水量過少難以滿足水化反應需求時，則會造成水化不充分強度降低。

隨著水灰比的增大，泡沫混凝土的熱導率有明顯的下降趨勢。結果表明，隨著水灰比的增大，泡沫混凝土的干密度也會隨之減小。隨著水灰比的增大，其吸水性能也隨之增大。

2.2" 發泡劑對泡沫混凝土的影響

發泡劑的類型對其密度、抗壓強度等指標的影響很小，發泡劑的種類、摻量對泡沫混凝土的導熱系數、工作性能、泡沫穩定性和孔結構等有顯著的影響，影響機制復雜[4]。預制泡沫與漿體混合時，泡沫質量不良將產生消泡，漿體中總泡沫量降低，孔隙率降低，漿體密度增大。適配的發泡劑應當在配料攪拌時，不影響泡沫混凝土的凝結和硬化過程[4]。

2.3" 摻合料對泡沫混凝土的影響

常見的泡沫混凝土摻合料有粉煤灰，礦渣粉，硅灰及再生微粉等。

粉煤灰是煤炭燃燒后的主要產物，在建筑領域應用也十分廣泛。向泡沫混凝土中添加適量的粉煤灰，能夠有效地提高其抗壓強度。同時，粉煤灰的加入也對泡沫混凝土中的堿性環境有一定的影響。郝贠洪[5]等以水泥、粉煤灰、石英粉和石英砂為原材料，H2O2溶液為發泡劑，采用化學發泡的方法制備密度等級為A12的泡沫混凝土。研究結果表明：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%，28 d抗壓強度、抗折強度和導熱系數分別為19.05 MPa、2.6 MPa和0.361 5 W/（m·K）。

礦渣粉為煉鐵的工業副產品，屬于優質水泥混凝土礦物摻合料。王洪飛等[6]研究表明，礦渣泡沫混凝土水料比存在一個最佳范圍0.4～0.45，礦渣取代水泥量應控制在45%以內，堿激發劑能夠提高礦渣泡沫混凝土力學強度，但應綜合考慮工作性能。杭美艷等[7]研究了礦渣粉和復摻粉煤灰與礦渣粉對干密度為400 kg/m3泡沫混凝土的抗壓強度、導熱系數以及吸水率的性能影響。當礦渣粉摻量為20%時，可增加抗壓強度和降低吸水率，但導熱系數卻隨摻量增大而變大；當復摻粉煤灰與礦渣粉取代50%水泥，復摻比例為2∶3時，能增加抗壓強度和降低吸水率，導熱系數隨復摻比例增大而變大。

適量的硅灰可以提高水泥漿的稠度，并降低混凝土的泌水離析率。在配制泡沫混凝土過程中，采用硅粉代替水泥，可顯著改善其早凝性能。吳子豪等[8]以水泥為膠凝材料，膨脹聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）顆粒、摻合料、泡沫劑、改性劑和水等為主要原料制備超輕水泥基復合保溫材料（UCIM）。研究結果表明，當采用硅灰時，UCIM未產生分層離析現象且制品強度試驗結果較好；適宜摻量的硅灰能提高UCIM的力學性能，使UCIM的泡沫混凝土基體的平均孔徑減小，進而有利于降低UCIM導熱系數。劉召超[9]通過分別單摻硅灰和礦粉及復摻硅灰、礦粉研究了礦物摻合料對泡沫混凝土性能的改善作用。結果表明：當分別單摻硅灰和礦粉時，泡沫混凝土的抗壓強度、抗折強度及抗凍性均得到一定提升，導熱系數隨之增大；當復摻硅灰和礦粉，且復摻比例為2∶1時，泡沫混凝土的強度和抗凍性最佳，導熱系數最大。

2.4" 外加劑對泡沫混凝土的影響

泡沫混凝土在制作過程中，不摻加任何外加劑，泡沫混凝土的強度往往都不會達到要求，在常見的外加劑中，減水劑、纖維素、硬脂酸鈣都是可以使泡沫混凝土強度增大的外加劑。

制備泡沫混凝土時，如果摻加高效減水劑，其吸水率和干燥收縮率會有所下降，同時，其抗壓強度會有所提高。纖維素會對泡沫混凝土的保水率有較大影響，纖維素的摻加使用可改變濕表觀密度和流動性。泡沫混凝土的穩定性主要受泡沫的穩定性的影響，在泡沫混凝土中加入纖維素的時候，纖維素有較大的保坍性能，有助于提高混凝土的整體穩定性。硬脂酸鈣是良好的穩泡劑，泡沫混凝土是由水泥漿或者水泥砂漿中加入發泡劑所制出的微小氣泡，攪拌后逐漸硬化的產品，泡沫混凝土在摻加泡沫時候，泡沫容易有消泡的情況出現，以及出現大泡，這種情況都會影響到后期泡沫混凝土的成型以及泡沫混凝土的強度，但是硬脂酸鈣作為穩泡劑，可以有效地減少此類事情的發生。采用的硬脂酸鈣是白色粉末狀產品，硬脂酸鈣穩泡能力受溫度和pH的影響小，硬脂酸鈣在化學發泡體系中提供了前期泡沫混凝土所需要的支撐強度，并且，硬脂酸鈣屬于疏水材料，附著在泡沫混凝土的表面，使得表面產生憎水性，有利于提高保溫隔熱性能。

2.5" 纖維對泡沫混凝土的影響

各種纖維類材料已廣泛應用于建筑領域，纖維摻入泡沫混凝土可增加強度，改善抗裂性能，減少泡沫混凝土早期開裂，減少塌模。常見的纖維有玻璃纖維、植物纖維及碳纖維等，具體性能指標詳見表2。

玻璃纖維具有良好的絕緣性能、耐腐蝕性好、機械強度高等優點。在泡沫混凝土中，摻加適量的玻璃纖維可以有效地提升強度和提高保溫性能等。泡沫混凝土制作過程中，在發泡劑發泡較小的情況下，隨著發泡程度的增大，玻璃纖維在泡沫棉混凝土的制作中的摻加對干密度的影響較小。玻璃纖維的使用可以有效地增加泡沫混凝土的抗拉強度。泡沫混凝土的質量輕，不使用外加劑則抗壓和抗拉強度往往達不到需求，但是，在適當摻加部分外加劑后，其整體強度就會有顯著提升。在纖維再生微粉泡沫混凝土的制備中，玻璃纖維的摻量對泡沫混凝土力學性能以及工作性能將產生影響。其次在制作泡沫混凝土時，摻加玻璃纖維，需要把玻璃纖維均勻地分散在泡沫混凝土的內部，在攪拌的過程中，需要充分地混合水泥漿和玻璃纖維，使其充分均勻混合，避免玻璃纖維纏繞在一起，纏繞在一起會使泡沫混凝土的內部結構不均勻。

聚丙烯纖維是以聚丙烯為原料紡制的合成纖維。聚丙烯纖維具有高強、高彈、耐腐和耐磨的特點。聚丙烯纖維摻量增加有利于增韌，不利于形成封閉孔隙。

碳纖維具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等優良特性，其耐高溫性能居化纖之首。陸正華等[10]研究了泡沫混凝土的配合比及碳纖維切絲改性試件的強度，研究結果表明：碳纖維切絲對發泡混凝土增強效果顯著；切絲長度大；增強效果更好。碳纖維性能優越，但高昂的價格限制了其在泡沫混凝土中的應用。

3" 纖維再生微粉泡沫混凝土配合比設計

纖維再生微粉泡沫混凝土由膠凝材料、水、纖維、外加劑、泡沫制備而成，產品基本性能由原材料及各組成材料配合比決定。以各原材料的性能為基礎，纖維再生微粉泡沫混凝土的某一性能為設計目標，經設計經驗公式計算，試拌調整得到目標成品。

3.1" 配合比設計方法

纖維再生微粉泡沫混凝土配合比設計的主要設計方法有2種：①根據設計密度等級和原材料組分的占比進行配合比設計；②根據成品密度等級、強度等級、保溫隔熱性能等要求進行配比的設計。本研究采用方法一進行配合比的設計，計算方法如下：

1）已知纖維再生微粉泡沫混凝土的設計目標干密度，確定單位體積膠凝材料的總用量。

2）由已知計算得到的膠凝材料的總用量，根據設計的水膠比，確定單位用水量。

3）根據膠凝材料各組成物料比和膠凝材料總用量，確定再生微粉、粉煤灰、玻璃纖維、外加劑的用量。

4）根據1）、2）、3）這3個步驟，由相關公式計算出泡沫的單位體積用量。

5）計算拌合所需樣品的體積，換算得到單次試驗所需各組成材料的用量。

3.2" 配合比設計依據

配合比設計參考JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應用技術規程》規定的密度等級性能要求進行設計，干密度、導熱系數、強度指標不得低于表3中規定范圍的下限。

表3" 泡沫混凝土基本性能等級要求

3.3" 原材料選擇與應用

3.3.1" 膠凝材料選擇

泡沫混凝土通常采用常溫養護，摻入大量泡沫達到設計密度等級，若膠凝材料強度低，則無法滿足強度指標，且影響其耐久性，故常以水泥為主要膠凝材料。為滿足泡沫混凝土產品生產所需流動度，應用所需密度等級和導熱性能，通常在水泥基膠凝材料中摻入粉煤灰、礦渣粉、硅灰等輔助膠凝材料。復合膠凝材料的配比會影響泡沫混凝土凝結時間、拌合物流動性、骨架強度、孔隙特征等，進而影響泡沫混凝土成型性能、力學性能、保溫性能[11]。可通過正交試驗設計，確定以水泥、再生微粉、粉煤灰為復合膠凝組分的最優配比。

3.3.2" 纖維材料選擇

常見的纖維種類有玻璃纖維、聚丙烯纖維、植物纖維、聚乙烯醇纖維、碳纖維和鋼纖維等[12-13]。聚乙烯醇纖維易于吸水，易導致收縮開裂；鋼纖維易吸水，且自重較大，故不宜在泡沫混凝土中使用。玻璃纖維、聚丙烯纖維、植物纖維保水性好，且有較好的抑制收縮的作用。本研究采用膠凝材料、纖維、外加劑預拌干混后制備纖維再生微粉泡沫混凝土的工藝，簡化操作流程，節約設備投入。本研究選擇玻璃纖維作為纖維材料，因前期研究表明玻璃纖維各單纖間靜電作用少，更易在干混操作中均勻分散于膠凝材料中，保障纖維泡沫混凝土質量的均勻與穩定。

3.3.3" 泡沫劑選擇

常用的泡沫劑按物質成分可分為松香型、表面活性劑型、蛋白質型和復合型[4]。泡沫是泡沫混凝土中孔隙的形成基礎，均勻、密閉、細微、堅韌及泌水率低的高質量泡沫，有利于提高產品綜合性能。本研究通過對比泡沫劑成本、環保性、發泡性能、泡沫質量和泡沫混料制漿性能，選擇植物源復合水泥發泡劑。

3.4" 配合比計算

根據設計密度等級和原材料組分的占比進行配合比設計，水泥、再生微粉、粉煤灰3種組分的質量比例為60∶20∶20，水膠比為0.8，玻璃纖維摻量為0.3%。生產1 m3干表觀密度為500 kg/m3的纖維再生微粉泡沫混凝土的配合比計算如下。

1）纖維再生微粉泡沫混凝土的設計干表觀密度？籽d為500 kg/m3；

2）每立方米膠凝材料和纖維用量為

3）每立方米用水量為

4）每立方米料玻璃纖維摻量為

5）每立方米料水泥摻量為

6）每立方米料再生微粉摻量為

7）每立方米料粉煤灰摻量為

8）每立方米泡沫體積為

4" 纖維再生微粉泡沫混凝土制備

4.1" 配料階段

依照設計配合比分別稱取水泥、再生微粉、粉煤灰，以及玻璃纖維、增稠劑、防水劑、減水劑，將上述干物料倒入泡沫混凝土攪拌機，均勻攪拌30 s后，得到干混物料。將水倒入攪拌機后繼續攪拌均勻，持續攪拌90 s左右，得到混合料漿。

4.2" 發泡制漿階段

將植物源復合水泥發泡劑與水以質量比1∶60的比例混合均勻，將發泡機進液管放置于稀釋好的發泡劑溶液中，帶過濾網的管口應處于液面以下制備泡沫。將制出的泡沫泵入混合料漿中并迅速均勻攪拌120 s，得到纖維再生微粉泡沫混凝土。將新拌漿體倒入預先涂抹高效脫模劑的模具內，待6 h后刮平表面，并覆蓋保鮮膜至于20±2 ℃的室內。

4.3" 后期養護階段

覆蓋保鮮膜靜置一天后拆模。低密度等級的泡沫混凝土早期強度低，需配合高效脫模劑并小心脫模，以免造成試件損壞。脫模后須立即放入恒溫恒濕養護箱中養護3 d，取出并放至于常溫下自然養護至28 d后對試樣進行測試。

纖維再生微粉泡沫混凝土的制備工藝流程如圖2所示。

5" 結束語

以水泥、再生微粉、粉煤灰作為混合膠材，以增稠劑、防水劑、減水劑作為外加劑，摻加玻璃纖維，根據設計密度等級和原材料組分的占比進行纖維再生微粉泡沫混凝土配合比設計，采用物理發泡法制備泡沫混凝土，自身重量輕，保溫性能好且有良好耐火性能可廣泛應用于保溫墻材，同時由于加入再生微粉的原因，可以有效解決廢棄混凝土再生微粉應用問題。

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