泡沫混凝土的制備及性能研究

摘要 以硅酸鹽水泥和粉煤灰為主要原料，采用化學(xué)發(fā)泡劑發(fā)泡和礦物發(fā)泡劑發(fā)泡相結(jié)合的復(fù)合發(fā)泡方式，用預(yù)發(fā)泡的方法制備免蒸養(yǎng)泡沫混凝土。研究了礦物發(fā)泡劑的發(fā)泡原理及摻量的確定，并研究了發(fā)泡劑摻量、減水劑、水灰比以及粉煤灰等對(duì)泡沫混凝土性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：采用高濃萘系減水劑和磨細(xì)粉煤灰可以大幅度增加泡沫混凝土的強(qiáng)度；水灰比對(duì)泡沫混凝土的影響規(guī)律不同于一般水泥混凝土；要達(dá)到一定容重的泡沫混凝土，其泡沫摻量具有一定的范圍。

關(guān)鍵字 泡沫混凝土 普通硅酸鹽水泥 礦物發(fā)泡劑

0 前言

　　隨著我國(guó)墻體材料改革與建筑節(jié)能政策的推行，節(jié)能型建筑材料的開發(fā)和應(yīng)用受到廣泛的重視，國(guó)內(nèi)大力發(fā)展節(jié)能、利廢、保溫、輕質(zhì)、隔熱等新型材料[1,2],其中，泡沫混凝土砌塊在非承重墻體材料中，占有重要的地位。泡沫混凝土通常是用機(jī)械或壓縮空氣的方法將泡沫劑的水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到含硅質(zhì)材料、鈣質(zhì)材料、水及各種外加劑等組成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種內(nèi)部含有大量封閉氣孔的混凝土[3,4]。這種混凝土由于多孔輕質(zhì)，使其具有較低的熱膨脹系數(shù)、較好的隔熱、隔音以及耐火性能[5-7]。

　　目前，國(guó)內(nèi)制備泡沫混凝土的基體材料主要選用早強(qiáng)、快硬特種水泥(如硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥等) [8,9]，但這類特種水泥價(jià)格昂貴且產(chǎn)量小、分布不廣，限制了這些成果的轉(zhuǎn)化；并且國(guó)內(nèi)外制備泡沫混凝土一般采用傳統(tǒng)的表面活性劑物理發(fā)泡。針對(duì)免蒸養(yǎng)工藝，本研究選用價(jià)格低廉、分布普遍的普通硅酸鹽水泥作基材，選擇傳統(tǒng)的表面活性劑物理發(fā)泡與礦物材料物理發(fā)泡相結(jié)合的新型發(fā)泡模式，采用預(yù)發(fā)泡的方法制備泡沫混凝土。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

　　普通硅酸鹽水泥，42.5R，四川雙馬集團(tuán)；粉煤灰，原灰，江油巴蜀火電廠；礦物發(fā)泡劑，工業(yè)基，市售；發(fā)泡劑，混合型，市售；FDN高效減水劑，市售。

1.2工藝流程

　　將普通硅酸鹽水泥、粉煤灰以及外加劑等計(jì)量后加水預(yù)混均勻，然后按比例加入制備好的泡沫攪拌，制成均勻流態(tài)漿，澆注成型。試件尺寸100×100×100（mm）3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)相應(yīng)齡期參照GB/T11969測(cè)試泡沫混凝土的體積密度、吸水率和抗壓強(qiáng)度。具體工藝流程見圖1。

2 結(jié)果與討論

　　2.1礦物發(fā)泡劑發(fā)泡原理及摻量的確定 本研究采用傳統(tǒng)的表面活性劑物理發(fā)泡與礦物材料物理發(fā)泡相結(jié)合的新型發(fā)泡模式，這種發(fā)泡方式充分利用了表面活性劑發(fā)泡迅速、發(fā)泡效率高的特點(diǎn)和礦物發(fā)泡劑發(fā)泡穩(wěn)定性好、容易形成孤立、封閉的氣孔的優(yōu)點(diǎn)。至今，這種發(fā)泡方式的相關(guān)技術(shù)國(guó)內(nèi)外沒有相關(guān)的報(bào)道。礦物材料發(fā)泡的原理是利用礦物材料遇水膨脹的特性，根據(jù)所采用礦物材料的膨脹性能及所需形成的氣孔的尺寸大小，將一定粒度的礦物發(fā)泡材料摻入泡沫混凝土內(nèi)，使泡沫混凝土漿體的體積產(chǎn)生膨脹。由于此時(shí)的漿體尚處于可塑階段，產(chǎn)生的膨脹不產(chǎn)生破壞作用。當(dāng)泡沫混凝土硬化后，礦物發(fā)泡材料在泡沫混凝土體系內(nèi)的存在還賦于了泡沫混凝土具有一定的濕度調(diào)節(jié)功能。由于礦物發(fā)泡劑具有優(yōu)越的物理化學(xué)性能,如吸水率和膨脹倍數(shù)高，陽(yáng)離子交換容量高,其膠體懸浮液觸變性、粘度、潤(rùn)滑性好,熱穩(wěn)定性能好,并具有較強(qiáng)的可塑性和粘接性等。表1為不同摻量礦物發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土基體材料強(qiáng)度的影響。

　　由表1可以看出，隨著礦物發(fā)泡劑摻量的增加（<3%），泡沫混凝土基體材料的3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度均逐漸增加；當(dāng)摻量為3％，強(qiáng)度達(dá)到最大；之后隨著摻量的增加，強(qiáng)度顯著降低。因此礦物發(fā)泡劑的摻量確定為3%。相同水灰比下，由于礦物發(fā)泡劑具有吸水性，加入一定摻量的礦物發(fā)泡劑，可以降低漿體的水灰比，使得強(qiáng)度增加；而隨著摻量的增加，由于吸收更多的水分，使得水泥水化不完全，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。 2.2發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土的影響 發(fā)泡劑質(zhì)量的好壞直接影響到泡沫混凝土的質(zhì)量，能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)有很多，但并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)都能用于泡沫混凝土的生產(chǎn)。只有發(fā)泡倍數(shù)夠大、在泡沫和料漿混合時(shí)薄膜不致破壞具有足夠的穩(wěn)定性、對(duì)膠凝材料的凝結(jié)和硬化不起有害影響的發(fā)泡劑，才適合用來生產(chǎn)泡沫混凝土。本實(shí)驗(yàn)采用某市售混合型發(fā)泡劑,由其制得的泡沫流動(dòng)性較好，氣孔相對(duì)細(xì)小。發(fā)泡液摻量對(duì)泡沫混凝土的影響如表2所示。

　　由表2可以看出：隨著發(fā)泡劑摻量的增加，泡沫混凝土的干容重和抗壓強(qiáng)度隨之降低，吸水率隨之增加，因此其摻量應(yīng)有一定限制。分析其原因，當(dāng)發(fā)泡液摻量的增加，高速制泡產(chǎn)生的微氣泡量越多，在水泥料漿中產(chǎn)生的微細(xì)閉合氣泡量亦越多，故體積增大，容重降低。同時(shí)由于孔隙率的增加，吸水率也會(huì)明顯增大。隨著發(fā)泡液摻量的增加，28d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，這是由于發(fā)泡液摻量增加，水泥料漿中形成閉合氣泡量大，導(dǎo)致受壓面內(nèi)單位面積上凈壓面較小，因此抗壓強(qiáng)度降低幅度相對(duì)較大。 2.3減水劑對(duì)泡沫混凝土的影響 本試驗(yàn)選用700級(jí)粉煤灰泡沫混凝土砌塊，針對(duì)不同減水劑對(duì)泡沫混凝土的早期強(qiáng)度影響進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

　　從表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在泡沫混凝土中摻加減水劑，7d、28d抗壓強(qiáng)度均顯著增加；并且同是萘系減水劑，但由于Na2SO4濃度的不同，其中高濃萘系減水劑中Na2SO4濃度為1.5％－3％，而低濃萘系減水劑中Na2SO4濃度為18％－20％，因此對(duì)強(qiáng)度的影響不盡相同，摻入高濃萘系減水劑對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)更大。通過摻高濃萘系減水劑，使得水泥水化產(chǎn)物不僅結(jié)構(gòu)較為致密，C-S-H膠凝較多，而且與Ca(OH)2晶體穿插搭接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這說明摻加高濃萘系減水劑后，粉煤灰二次水化反應(yīng)程度較高，被反應(yīng)吸收多。這就是摻加高濃萘系減水劑強(qiáng)度顯著提高的主要原因。

　　2.4水灰比對(duì)泡沫混凝土的影響 一般情況下，普通水泥混凝土強(qiáng)度隨成型水灰比的減小而增大，但在泡沫混凝土試驗(yàn)中，水灰比對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律卻不盡相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

　　由表4可以看出:隨著水灰比的降低，泡沫混凝土的吸水率逐漸降低，干容重逐漸增加，而在相同養(yǎng)護(hù)齡期下泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨成型水灰比減小而增加至最大值后又開始下降。分析原因，隨水灰比減小，其強(qiáng)度逐漸增加，但當(dāng)水灰比繼續(xù)降低，由于水泥水化的需水量不足會(huì)吸收泡沫中的水量，使得泡沫破裂，從而引起容重的增加、強(qiáng)度的降低。進(jìn)一步說明了，泡沫混凝土強(qiáng)度除了受到膠凝材水泥的影響外，同時(shí)也在很大程度上受到發(fā)泡劑添加量、泡沫本身的尺寸、泡沫尺寸的分布和泡沫在混凝土中的分布影響。所以，泡沫混凝土的水灰比存在一個(gè)合適的范圍，過分增加水灰比必然會(huì)導(dǎo)致硬化體強(qiáng)度的降低。

　　2.5粉煤灰對(duì)泡沫混凝土的影響 由于一般粉煤灰本身并不具有膠凝性質(zhì)，且活性相對(duì)較低，二次水化過程緩慢，粉煤灰對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響如圖2所示。

　　由圖2可以看出：隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)摻量<30％時(shí)，強(qiáng)度下降的幅度較小，而當(dāng)摻量>30％后，強(qiáng)度下降幅度較大。分析其原因，隨著粉煤灰摻量的增加，28d抗壓強(qiáng)度降低主要是因?yàn)椋勖夯抑饕ㄟ^與Ca(OH)2進(jìn)行二次水化反應(yīng)，但是在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水化緩慢，直至28d才能觀察到粉煤灰泡沫混凝土的試驗(yàn)研究煤灰顆粒表面有膠凝狀水化產(chǎn)物，而水泥28d水化程度已較充分。

　　粉煤灰質(zhì)量的好壞直接決定了其對(duì)泡沫混凝土貢獻(xiàn)的大小，粉煤灰質(zhì)量差，如含炭量高，顆粒較粗將對(duì)混凝土性能產(chǎn)生極為不利的影響，特別是要影響需水性，當(dāng)水灰比一定時(shí)，若粉煤灰需水比過大，將直接導(dǎo)致漿體過稠影響其流動(dòng)性，并且粉煤灰還可能將發(fā)泡液中的水分吸走，導(dǎo)致泡沫破裂形成“塌模”。要提高粉煤灰泡沫混凝土的強(qiáng)度，首先要提高粉煤灰的質(zhì)量、充分發(fā)揮粉煤灰的活性，最有效的方法就是改變粉煤灰顆粒的性質(zhì)?？梢杂袃煞N方法來進(jìn)行:一是物理方法(磨細(xì))，打碎粗大的多孔玻璃體，增加粉煤灰玻璃質(zhì)顆粒的表面積;二是化學(xué)方法，通過改變粉煤灰玻璃質(zhì)顆粒的表面特性從而提高表面層的反應(yīng)能力。不論用何種方法，均要使粉煤灰發(fā)泡混凝土成本增加，但同時(shí)可提高混凝土的物理性能。

　　磨細(xì)是提高粉煤灰質(zhì)量最直接有效的方法，將實(shí)驗(yàn)用原灰磨細(xì)至細(xì)度為3.5μm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用磨細(xì)灰代替原灰，達(dá)到相同容重，不僅需水量降低，而且強(qiáng)度顯著增加。圖3為其強(qiáng)度對(duì)比。由圖3可以得出，用磨細(xì)灰7d、28d強(qiáng)度均比用原灰強(qiáng)度高，并且28d強(qiáng)度差別較大。圖4為粉煤灰磨前與磨后的對(duì)比圖，可以看出，磨細(xì)灰是通過磨機(jī)將粉煤灰中大顆粒玻璃球體、多孔海綿狀玻璃體磨細(xì)，大部分是由碎屑狀玻璃體及破碎的玻璃微球及較小粒徑的實(shí)心微球構(gòu)成。通過磨細(xì)，破壞了玻璃體表面堅(jiān)固的保護(hù)膜，使內(nèi)部可溶性SiO2，A1203溶出，斷鍵增多，比表面積增大，新增結(jié)合面積增加，活化分子增加，有利于新的化學(xué)鍵組合，早期活性提高，并且磨細(xì)灰在泡沫混凝土28d時(shí)已發(fā)揮了較多的火山灰效應(yīng)。另外，磨細(xì)可使粉煤灰中的炭粒變成細(xì)屑，燒失量雖不降低，但其對(duì)混凝土的不利影響明顯得到改善。

3 結(jié)論

　?。?）以普通硅酸鹽水泥作基材，采用傳統(tǒng)的表面活性劑物理發(fā)泡與礦物材料物理發(fā)泡相結(jié)合的新型發(fā)泡模式，用預(yù)發(fā)泡的方法制備出性能優(yōu)異的免蒸養(yǎng)泡沫混凝土。

　　（2）通過對(duì)比選用高濃萘系減水劑可以提高泡沫混凝土的早期強(qiáng)度；與原灰比較，將粉煤灰磨細(xì)可以大幅度提高泡沫混凝土的后期強(qiáng)度。

　?。?）不同于普通水泥混凝土，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度隨成型水灰比減小，逐漸增加至最大值后又開始下降。泡沫混凝土的水灰比存在一個(gè)合適的范圍，過分增加水灰比或減小水灰比都會(huì)導(dǎo)致硬化體強(qiáng)度的降低。

參考文獻(xiàn)

　　[1]張磊,楊鼎宜.輕質(zhì)泡沫混凝土的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀.混凝土,2005,190(8):44

　　[2]謝明輝.大摻量粉煤灰泡沫混凝土的研究:[碩士論文].吉林:吉林大學(xué),2006.9

　　[3]閆振甲，何艷君.泡沫混凝土實(shí)用生產(chǎn)技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.1

　　[4]王少武.提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度:[碩士論文].湖南:中南大學(xué),2005.1

　　[5]Alaettin Kılıc, Cengiz Duran Atis,Ergul Yasar,Fatih Ozcan. High-strength lightweight concrete made with scoria aggregate containing mineral admixtures. Cement and Concrete Research, 2003,33(10):1595

　　[6]Paul J. Tikalsky, James Pospisil, William MacDonald. A method for assessment of the freeze–thaw resistance of preformed foam cellular concrete. Cement and Concrete Research, 2004,34(5): 889

　　[7]Jamal Alduai, Khalid Alshaleh, M. Naseer Haque, Khalid Ellaithy. Lightweight concrete in hot coastal areas. Cement & Concrete Composites, 1999,21(5): 453

　　[8]高倩,王兆利.泡沫混凝土.青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002,23(6):113

　　[9]王永滋.粉煤灰泡沫混凝土的生產(chǎn)與應(yīng)用.福建建設(shè)科技,2001,2:35