王武祥:泡沫混凝土的組成、密度和強(qiáng)度的相關(guān)性研究

　　【摘要】絕干密度和抗壓強(qiáng)度是泡沫混凝土應(yīng)用時(shí)最重要的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。研究表明，在組成、配比和制備工藝相同時(shí)，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度之間具有良好的相關(guān)性。通過控制泡沫混凝土濕密度，進(jìn)而控制絕干密度，可達(dá)到控制抗壓強(qiáng)度的目的。本文在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過回歸得到了絕干密度在400kg/m³-1100kg/m³之間泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度的乘冪方程式，相關(guān)系數(shù)R²均大于0.95，相關(guān)性很好。在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系中，摻加適量粉煤灰將有助于提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，提高抗裂性，同時(shí)可降低生產(chǎn)成本。

　　【關(guān)鍵詞】泡沫混凝土；粉煤灰；絕干密度；抗壓強(qiáng)度；乘冪方程式；相關(guān)系數(shù)

　　0  前  言

　　泡沫混凝土是用物理方法將泡沫劑水溶液制成泡沫，再將泡沫加入到由水泥、骨料、摻合料、外加劑和水等制成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、自然或蒸汽養(yǎng)護(hù)制成的多孔混凝土。其中含有大量封閉孔隙，因而表現(xiàn)出良好的物理力學(xué)性能和使用功能，如輕質(zhì)、保溫、隔熱、防潮、隔聲等。泡沫混凝土在墻體屋面保溫隔熱工程、輕質(zhì)混凝土構(gòu)件與制品、建筑物地暖系統(tǒng)、大型隧道、高等級公路和地鐵回填工程、建筑物輕質(zhì)墊層、吸隔聲屏障等具有巨大的市場需求和廣闊的推廣應(yīng)用前景[1-4]。

　　現(xiàn)階段我國泡沫混凝土的設(shè)計(jì)與施工尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，只能靠經(jīng)驗(yàn)或通過大量試驗(yàn)來實(shí)施泡沫混凝土應(yīng)用，不利于泡沫混凝土質(zhì)量控制和技術(shù)發(fā)展。研究原料組成對泡沫混凝土性能的影響，探討泡沫混凝土絕干密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性，建立絕干密度與抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，不但能正確指導(dǎo)泡沫混凝土組成優(yōu)化和配比設(shè)計(jì)，而且可節(jié)省財(cái)力，簡化試驗(yàn)試配和質(zhì)量控制工作，加快泡沫混凝土的推廣應(yīng)用。本文探討了主要組分對泡沫混凝土強(qiáng)度的影響，建立了最基本的泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，并以最常用的水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土為研究對象，研究絕干密度在400kg/m³-1100kg/m³之間的泡沫混凝土絕干密度與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性。

　　1  組成對泡沫混凝土強(qiáng)度的影響

　　泡沫混凝土主要組組分包括水泥、泡沫劑、骨料、粉煤灰、外加劑和水。必要時(shí)，可根據(jù)使用要求增加其它組成，如短切纖維、有機(jī)高分子聚合物。

　　1.1  水泥

　　水泥是泡沫混凝土強(qiáng)度的主要來源，也是首要影響因素。為達(dá)到強(qiáng)度最大化，每個(gè)設(shè)計(jì)絕干密度的泡沫混凝土均有一個(gè)最佳水泥用量。原材料體系不同，水泥用量對泡沫混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律并不一致。在非凈漿體系中，泡沫混凝土強(qiáng)度先隨水泥用量增加而提高，當(dāng)超過最佳水泥用量后，強(qiáng)度則隨水泥用量繼續(xù)增加而降低。在凈漿體系中，水泥用量則相對固定，只有水泥強(qiáng)度等級仍對泡沫混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

　　硅酸鹽系列水泥來源廣泛、質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、耐久性好，因而被泡沫混凝土行業(yè)廣泛使用。硫(鐵)鋁酸鹽第三系列水泥在泡沫混凝土漿體形成、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、早期強(qiáng)度發(fā)展等方面具有特色，應(yīng)用逐年增加，在一些特殊重點(diǎn)工程中的應(yīng)用相繼取得成功。

　　1.2  泡沫劑

　　能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)很多，但并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)都能作為泡沫劑使用。只有產(chǎn)生的泡沫在與砂(凈)漿混合時(shí)不破裂，具有足夠穩(wěn)定性，且不影響膠凝材料凝結(jié)和硬化的物質(zhì)才能用于制備泡沫劑。通過改變泡沫添加量，可制成不同漿體密度和絕干密度的泡沫混凝土，泡沫混凝土強(qiáng)度也將因泡沫引入量不同而不同。優(yōu)選泡沫劑品種和確定最佳摻量是制備高性能泡沫混凝土的必要條件。

　　1.3  骨料

　　制備泡沫混凝土骨料通常分為普通集料、輕骨料和超輕骨料三類。根據(jù)泡沫混凝土密度和強(qiáng)度要求，決定是否采用骨料和采用哪類骨料。骨料品種和表觀密度對泡沫混凝土強(qiáng)度影響明顯。為保證泡沫混凝土密度，用輕骨料比用普通骨料可使水泥漿體形成的結(jié)構(gòu)更致密。泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度通常較低，抗壓破壞通常發(fā)生在含有大量氣孔的水泥基基體中。與普通混凝土相比，使用密度較低的骨料將明顯提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度。

　　1.4  粉煤灰

　　鑒于粉煤灰來源廣泛、價(jià)格低廉，并具有一定活性，成為泡沫混凝土的首選摻合料。粉煤灰能顯著提高泡沫混凝土的后期強(qiáng)度，改善成型效果。

　　1.5  外加劑

　　泡沫混凝土常用外加劑包括分散劑、早強(qiáng)劑、速凝劑、防水劑、憎水劑。早強(qiáng)劑和速凝劑可加速泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的形成過程和強(qiáng)度發(fā)展，提高漿體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

　　2  配合比設(shè)計(jì)研究

　　泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)固定原材料重量法和固體混合料體積法進(jìn)行。通過檢測泡沫混凝土濕密度，進(jìn)而控制泡沫混凝土絕干密度和均勻性，達(dá)到控制泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度目的。

　　2.1  固定原材料重量法

　　以水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土為研究對象。設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　泡沫混凝土設(shè)計(jì)絕干密度為r干，單位為kg/m³；

　　基本用水量為y_w，單位為kg/m³。

　　基本水料比為ω，取值見表1。視粉煤灰摻量和泡沫劑質(zhì)量作適當(dāng)調(diào)整；

　　水泥用量為y_C，單位為kg/m³。水泥水化修正系數(shù)k₁，經(jīng)驗(yàn)值取k1=0.10；

　　粉煤灰用量為y_f，單位為kg/m³；粉煤灰水化修正系數(shù)k₂，經(jīng)驗(yàn)值取k1=0.02；

　　粉煤灰摻量為η，單位為%；

表1  ω經(jīng)驗(yàn)值

　　配合比設(shè)計(jì)關(guān)系式見式(1)和式(2)：

k₁y_C+ k₂y_f=ρ_干            (1)

y_f/(y_f +y_C)=h                (2)

　　水泥、粉煤灰和水用量按式(3)、式(4)和式(5)計(jì)算：

y_f=ηρ_干/((1-η)k₁+ηk₂)          (3)

y_C=(1-η)ρ_干/( (1-η)k₁+ηk₂) (4)

y_w=w(y_C+y_f)                      (5)

　　2.2  固定混合料體積法

　　1m³泡沫混凝土中，由水泥、粉煤灰和水組成的漿體總體積為V1，泡沫添加量V2按式(6)計(jì)算。即配制單位體積泡沫混凝土，由水泥、粉煤灰和水組成漿體體積不足部分由泡沫填充。

V₂= k₃(1-V₁)           (6)

　　式中：V_²——泡沫添加量，單位為m³；

　　　　　V₁——加入泡沫前，水泥、粉煤灰和水組成的漿體總體積，單位為m³；

　　　　　k₃——富余填充系數(shù)，k3通常大于1，視泡沫劑質(zhì)量和制泡時(shí)間而定。主要考慮泡沫加入到漿體中再混合時(shí)的損失。

　　2.3  泡沫混凝土漿體密度

　　泡沫混凝土漿體密度r濕按式(7)計(jì)算：

　　ρ_濕= (1+ω)ρ_干/(ηk₂+(1-η)k₁) +V₂/F_v        (7)

　　式中：ρ_濕——泡沫混凝土漿體密度，單位為kg/m³；

　　F_v——泡沫劑水溶液發(fā)泡量，單位為m³/kg。

　　3．泡沫混凝土絕干密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

　　3.1  試驗(yàn)研究

　　3.1.1  原材料

　　水泥：北京琉璃河水泥廠產(chǎn)42.5普通硅酸鹽水泥。

　　粉煤灰：北京石景山發(fā)電廠產(chǎn)Ⅲ級干排粉煤灰。

　　混凝土泡沫劑：白色粉末，CCW-2008型，中國建筑材料科學(xué)研究總院研制。具有起泡、穩(wěn)泡、增粘、防水功能。

　　3.1.2  試樣制備

　　首先使用高速攪拌機(jī)(轉(zhuǎn)速700轉(zhuǎn)/min)將設(shè)定比例的泡沫劑水溶液制成泡沫，攪拌時(shí)間以泡沫達(dá)到均勻、細(xì)小、穩(wěn)定為準(zhǔn)。再按設(shè)定比例計(jì)量水泥、粉煤灰和水，使用砂漿攪拌機(jī)將其攪拌成均勻漿體，攪拌時(shí)間控制在180s。然后在漿體中加入一定體積的泡沫，繼續(xù)攪拌至均勻?yàn)橹?，預(yù)計(jì)時(shí)間在180s左右。采用固定混合料體積法和原材料重量法來控制泡沫混凝土混合料密度，進(jìn)而控制泡沫混凝土密度。成型好的試件在室內(nèi)放置，用塑料布覆蓋。2d-5d(時(shí)間長短視CFC密度而定)后脫模，在室內(nèi)密封條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。

　　3.1.3  性能測試

　　測試試件28d齡期的抗壓強(qiáng)度、絕干密度和吸水率，試驗(yàn)方法參照J(rèn)C/T 1062-2007《泡沫混凝土砌塊》進(jìn)行。試件尺寸為100mm×100mm×100mm。

　　3.2  試驗(yàn)結(jié)果

　　泡沫混凝土設(shè)計(jì)絕干密度ρ_干取400kg/m³、500kg/m³、600kg/m³、700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，對應(yīng)的基本水料比w分別取0.69、0.64、0.60、0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰摻量η取0、10%、20%、30%和40%。測試28d齡期泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和絕干密度。粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%和40%時(shí)，泡沫混凝土絕干密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性回歸曲線見圖1、圖2、圖3、圖4和圖5。回歸結(jié)果列于表2。

　　顯然，不論是否摻加粉煤灰，還是粉煤灰摻量有所變化，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度之間具有良好的相關(guān)性。即在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度基本是一一對應(yīng)。而粉煤灰摻量則對泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度值產(chǎn)生影響。

圖1  粉煤灰摻量為0時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

[Page]

圖2  粉煤灰摻量為10%時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

圖3  粉煤灰摻量為20%時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性　　

圖4  粉煤灰摻量為30%時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

圖5  粉煤灰摻量為40%時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

表2  泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度的乘冪方程式

　　4  粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響

　　泡沫混凝土設(shè)計(jì)絕干密度ρ_干取700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，對應(yīng)的基本水料比ω分別取0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰摻量η取0、10%、20%、30%和40%。含有不同摻量粉煤灰的泡沫混凝土，其28d抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果列于圖6。結(jié)果表明，在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，粉煤灰占有適當(dāng)比例，將有助于提高泡沫混凝土強(qiáng)度，而且可降低成本，降低收縮率，提高抗裂性(見圖7)。

　　粉煤灰中含有70%以上的玻璃體，主要成分是SiO₂和Al₂O₃。在強(qiáng)堿激發(fā)作用下將顯現(xiàn)膠凝活性。在泡沫混凝土中，水泥因水化不斷放出強(qiáng)堿Ca(OH)₂，與粉煤灰產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有膠凝性能的水化硅酸鈣、低硫型和高硫型水化硫鋁酸鈣，促進(jìn)泡沫混凝土強(qiáng)度增長。

　　在早期，粉煤灰?guī)缀醪话l(fā)生火山灰反應(yīng)，因此隨粉煤灰摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低。表現(xiàn)為摻加粉煤灰的泡沫混凝土試塊脫模時(shí)間長，低絕干密度泡沫混凝土表現(xiàn)極為明顯。隨著泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)齡期增加，粉煤灰火山灰作用和水泥水化反應(yīng)的促進(jìn)作用，以及粉煤灰微集料效應(yīng)，摻加適量粉煤灰的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到和超過純水泥泡沫混凝土(也稱泡沫水泥)。在本研究中，粉煤灰適宜摻量為20%。

圖6  粉煤灰摻量與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度

　　(a) 不摻加粉煤灰泡沫混凝土試塊(b) 摻加50%粉煤灰泡沫混凝土試塊

圖7  泡沫混凝土試塊外觀質(zhì)量

　　5  結(jié)  論

　　(1) 組成是影響泡沫混凝土強(qiáng)度的首要因素，主要包括水泥品種和強(qiáng)度等級、骨料種類與絕干密度、粉煤灰品質(zhì)、外加劑品種和發(fā)泡倍數(shù)等。

　　(2) 泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)可依據(jù)固定原材料重量法和固體混合料體積法進(jìn)行。即控制單位體積泡沫混凝土漿體中固體組分量和固體組分比例優(yōu)化。

　　(3) 在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度之間具有良好的相關(guān)性。通過檢測泡沫混凝土濕密度，進(jìn)而控制泡沫混凝土絕干密度，從而達(dá)到控制泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的目的。

　　(4) 在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，摻加適量粉煤灰將有助于提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，提高抗裂性，同時(shí)可降低生產(chǎn)成本。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王武祥.泡沫混凝土在房屋建筑中的應(yīng)用.房材與應(yīng)用.1998.6(3):3-6.

　　[2] 王武祥.泡沫混凝土砌塊的性能與生產(chǎn).廣東建材.1999(6):40-42.

　　[3] 王武祥,劉寧,羅栓定.泡沫混凝土在引黃工程洞穿管回填中應(yīng)用.混凝土與水泥制品.2002,8(4):12-15.

　　[4] 王武祥,謝堯生.泡沫混凝土在建筑物補(bǔ)償?shù)鼗械膽?yīng)用.新型建筑材料.1997.7(7)：40-42.

　　【作者簡介】 王武祥(1966-),中國建筑材料科學(xué)研究總院混凝土研究室主任，教授級高級工程師，主要從事墻體屋面保溫材料、新型墻體材料、泡沫混凝土及制品、特種工程與功能材料的研究與開發(fā)。