A級(jí)輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土影響因素探索

陳建波，馬紅宵，穆 琰，任曉林，張志國(guó)，趙風(fēng)清

（1.河北省建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050051；2.河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，石家莊 050018）

水泥、發(fā)泡劑等作原材料經(jīng)發(fā)泡制成多孔性輕質(zhì)混凝土，稱為蜂窩混凝土（又稱泡沫混凝土）。該類產(chǎn)品由于質(zhì)量輕、有良好的保溫隔熱性能，同時(shí)又具有自流平的特點(diǎn)，可制成各種砌塊，也可泵送現(xiàn)場(chǎng)澆注施工，因而受到市場(chǎng)的青睞。

19世紀(jì)80年代，歐洲首先研制成功了泡沫混凝土。進(jìn)入20世紀(jì)，泡沫混凝土不僅可在工廠中生產(chǎn)泡沫混凝土制品，而且可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)澆注，保溫效果良好，施工操作簡(jiǎn)單、安全、成本低［1］。日本采用蛋白質(zhì)物添加適量的陰離子表面活性劑制備成混凝土發(fā)泡劑，現(xiàn)澆即可成型，導(dǎo)熱系數(shù)小，節(jié)能效果顯著。美國(guó)、意大利等國(guó)家的學(xué)者也對(duì)泡沫混凝土的性能進(jìn)行了大量的研究，并將它在建筑工程中的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，泡沫混凝土的使用加快了工程進(jìn)度，提高了工程質(zhì)量［2－5］。

近年來(lái)，我國(guó)發(fā)生多起高層建筑物的嚴(yán)重火災(zāi)事故，暴露出以聚苯板等有機(jī)材料為主的建筑外墻保溫材料存在嚴(yán)重的火災(zāi)安全隱患問(wèn)題，業(yè)內(nèi)專家建議替換有機(jī)易燃保溫材料的呼聲日益高漲。在建筑節(jié)能中，使用無(wú)機(jī)保溫材料代替有機(jī)保溫材料已是大勢(shì)所趨［6，7］。無(wú)機(jī)保溫材料主要有巖棉、玻璃棉、加氣混凝土、泡沫混凝土、保溫砂漿及新型的?；⒅椴牧系龋?，9］。與有機(jī)保溫材料相比，輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土（或泡沫混凝土）以其良好的防火、耐久、隔聲、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越引起人們的重視［10］。但由于受發(fā)泡工藝、發(fā)泡劑和材料本身性質(zhì)的影響，蜂窩混凝土的表觀密度比較大（化學(xué)發(fā)泡工藝的在200kg/m3以上，物理發(fā)泡工藝的在400kg/m3以上）、強(qiáng)度低、保溫性差，在建筑外墻保溫中的應(yīng)用受到限制。

課題組以物理發(fā)泡工藝的蜂窩混凝土為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)發(fā)泡劑和物料配比等的研究，優(yōu)化蜂窩混凝土制備工藝，制備出表觀密度小、保溫性能良好的蜂窩水泥混凝土保溫材料，并建立一套完整的生產(chǎn)工藝，為新型墻體材料的制備提供技術(shù)支持。

1 主要原材料

皂粉：白色粉末，干皂含量≥91%、乙醇不溶物≤0.9%；發(fā)泡劑：CF－W，自配，白色粉狀；界面劑N：非離子型表面活性劑，淡黃色液體；普通硅酸鹽水泥：P.O 42.5，3d抗壓強(qiáng)度23.4MPa，28d抗壓強(qiáng)度47.4 MPa；快硬硫鋁酸鹽水泥：42.5R，1d抗壓強(qiáng)度33.4MPa，28d抗壓強(qiáng)度46.8MPa；粉煤灰：二級(jí)粉煤灰；減水劑：萘系減水劑，棕黃色粉末；激發(fā)劑：CF激發(fā)劑，白色粉狀，為硅酸鹽、硫酸鹽混合物；纖維：耐堿玻璃纖維，長(zhǎng)度6mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑的篩選

發(fā)泡劑對(duì)于泡沫混凝土的制備具有關(guān)鍵性的作用，泡沫與膠凝材料混合時(shí)應(yīng)穩(wěn)定性好、消泡量少，其穩(wěn)定期應(yīng)超過(guò)膠凝材料凝結(jié)硬化的時(shí)間，這樣才能保證發(fā)泡砌塊氣孔分布均勻且具有足夠的孔隙率，使保溫材料具有良好的保溫性能。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和進(jìn)行探索性試驗(yàn)，試驗(yàn)選取皂粉、CF－W、界面劑N三種發(fā)泡劑，有機(jī)助劑作穩(wěn)泡劑，為確定各因素的影響主次關(guān)系和最佳配比，設(shè)計(jì)了L9（34）四因素三水平的正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平表

正交試驗(yàn)以發(fā)泡倍率、1h沉陷距和1h泌水量作為主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，考察各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著性，分析結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)方差分析表

從分析結(jié)果可以看出：CF－W發(fā)泡劑對(duì)發(fā)泡倍率有顯著性影響，皂粉對(duì)泌水量有顯著性影響，四個(gè)因素對(duì)沉陷距的影響均不具有顯著性。綜合極差和方差分析，以發(fā)泡倍率為目標(biāo)時(shí)最優(yōu)方案為A3B1C3D2，以沉陷距作為考察目標(biāo)時(shí)最優(yōu)方案為ABCD，以泌水量作為考察目標(biāo)時(shí)的最優(yōu)方案為ABCD。

對(duì)于不同的性能指標(biāo)進(jìn)行分析，得到不同的最優(yōu)方案，每種方案在一定范圍內(nèi)具有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)。綜合考慮復(fù)合發(fā)泡劑的發(fā)泡倍率、穩(wěn)定性及成本問(wèn)題，確定最終的優(yōu)化方案為A2B1C3D1。

2.2 泡沫用量

水泥作為膠凝材料，主要為泡沫混凝土提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度支撐；從某種意義上說(shuō)，泡沫可看作填充物，填充于水泥漿體之間，使硬化材料具備了保溫性能。試驗(yàn)時(shí)控制水泥量300kg/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.55，改變泡沫的摻量，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

泡沫混凝土中，泡沫主要是作填充材料，其用量多少直接影響泡沫混凝土的孔隙率和材料結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其綜合性能。試驗(yàn)表明，隨著泡沫摻量的增加，泡沫混凝土的氣孔量增加、表觀密度降低、抗壓強(qiáng)度下降。這是因?yàn)榧尤氲拇罅颗菽紦?jù)了水泥漿體的空間，使泡沫間壁變薄，硬化支撐作用降低。

2.3 水料比

泡沫混凝土的制備，一般認(rèn)為水灰比越大，漿體的流動(dòng)性越好，泡沫與漿體混合時(shí)越容易分散到漿體中，降低泡沫損失，從而得到性能較好的泡沫混凝土。但是當(dāng)水灰比超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，泡沫混凝土的性能也會(huì)下降，尤其是強(qiáng)度降低更為顯著。因此，有必要將水料比控制在適宜的范圍。實(shí)驗(yàn)時(shí)的配比為水泥300kg/m3、減水劑1kg/m3、泡沫0.9m3/m3，水料比在0.40～0.70之間變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，水料比在0.40～0.70范圍變化時(shí)，試塊表觀密度基本保持不變，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)水料比為0.50時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。水料比小時(shí)，水泥料漿稠度大、泡沫損失大，水泥組分易團(tuán)聚形成球形顆粒，導(dǎo)致泡沫間壁水泥量減少，從而造成試塊強(qiáng)度低。增大水料比，水泥分散均勻，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象消失，料漿的整體均勻性得到改善，強(qiáng)度提高。水料比過(guò)大時(shí)，起支撐作用的孔壁微孔增加，造成強(qiáng)度下降，還會(huì)引起泡沫離析，甚至導(dǎo)致塌陷、試模滲水等情況，無(wú)法制得合格的泡沫混凝土［11］。因此，水料比是一個(gè)重要的影響因素，存在一個(gè)合理的數(shù)值。

2.4 水泥用量

表觀密度在300kg/m3以下的泡沫混凝土雖然保溫性好，但其強(qiáng)度較低，很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。水泥摻量對(duì)保溫材料的性能有很大影響，實(shí)驗(yàn)控制配比為：減水劑1kg/m3、泡沫0.9m3/m3、水料比0.50，調(diào)整水泥的用量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

水泥是泡沫混凝土強(qiáng)度的主要來(lái)源，對(duì)其力學(xué)性能起決定性作用。一般來(lái)說(shuō)，在其它條件不變的情況下，水泥摻量與泡沫混凝土的表觀密度和強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，即水泥摻量越大，泡沫混凝土的表觀密度越大、抗壓強(qiáng)度越高。在泡沫間壁中，水泥的水化產(chǎn)物支撐起泡沫混凝土的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，水泥摻量越大材料的強(qiáng)度越高。

2.5 粉煤灰代替量

用粉煤灰部分替代水泥，研究粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土的影響。試驗(yàn)配比為：泡沫0.9m3/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.50，粉煤灰和水泥的總量為300kg/m3，改變二者的摻量，激發(fā)劑量為粉煤灰量的0.4%，試驗(yàn)方案及結(jié)果見圖4。

粉煤灰替代30%以內(nèi)的水泥時(shí)，保溫材料的強(qiáng)度隨粉煤灰量的增加而稍有增長(zhǎng)；粉煤灰替代量達(dá)到40%時(shí)，強(qiáng)度下降42.8%，損失較大。分析原因，粉煤灰為火山灰性材料，有較高的水化活性，在激發(fā)劑的作用下，能發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成水化硅酸鈣等產(chǎn)物［12］。適量使用可發(fā)揮其火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，改善拌和物性能，提高強(qiáng)度并降低生產(chǎn)成本。另外，粉煤灰與鈣質(zhì)成分發(fā)生“二次水化反應(yīng)”（或）生產(chǎn)水化產(chǎn)物需要較長(zhǎng)的時(shí)間［13］，對(duì)生產(chǎn)不利。

2.6 纖維摻加量

在輕質(zhì)保溫材料中加入纖維，能保持制品邊、角、面的完整性，提高制品的質(zhì)量，增強(qiáng)耐久性。在試驗(yàn)中加入不同量的耐堿玻璃纖維，研究纖維對(duì)輕質(zhì)保溫材料性能的影響，試驗(yàn)配比及結(jié)果見表3。

表3 纖維對(duì)泡沫混凝土性能的影響

由結(jié)果可以看出，在泡沫混凝土中摻入不同量的耐堿玻璃纖維，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度及其干燥密度均無(wú)明顯的變化。在工程施工中，混凝土內(nèi)部存在的微裂縫對(duì)其抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度，微裂縫的存在會(huì)導(dǎo)致材料破損。加入玻璃纖維能使制品局部開裂的現(xiàn)象得到較好的控制，降低破損率，提高混凝土的耐久性。

3 工業(yè)化試驗(yàn)

在以上研究基礎(chǔ)上，建成一套年產(chǎn)10萬(wàn)m3輕質(zhì)保溫混凝土砌塊生產(chǎn)裝置。設(shè)備包括發(fā)泡機(jī)、攪拌機(jī)、切割設(shè)備及養(yǎng)護(hù)窯等。發(fā)泡劑加入100倍的清潔水溶解后進(jìn)入發(fā)泡機(jī)制泡，其它物料例如水泥、粉煤灰、激發(fā)劑、減水劑、纖維等計(jì)量后加入到攪拌機(jī)中預(yù)混合，再加入適量的拌合水，攪拌制成混合料漿。發(fā)泡劑經(jīng)發(fā)泡機(jī)制成泡徑均勻的泡沫，將泡沫加入到混合料漿中，攪拌使泡沫均勻分散到料漿中。攪拌好的料漿澆注到模具中成型，坯體靜置養(yǎng)護(hù)形成一定強(qiáng)度后，拆模、切割、砌塊養(yǎng)護(hù)，得到輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土砌塊產(chǎn)品。

經(jīng)檢測(cè)，工業(yè)化生產(chǎn)的蜂窩輕質(zhì)水泥混凝土達(dá)到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》規(guī)定的FCB A0.5B03等級(jí)的要求，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 輕質(zhì)蜂窩輕質(zhì)水泥混凝土檢測(cè)結(jié)果

4 研究結(jié)論

通過(guò)對(duì)輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土的影響因素開展系統(tǒng)研究，開發(fā)出一種穩(wěn)定性好的復(fù)合發(fā)泡劑，制備出A級(jí)輕質(zhì)保溫的蜂窩水泥混凝土。主要結(jié)論如下：

a.對(duì)不同發(fā)泡劑進(jìn)行比較及復(fù)合，開發(fā)出一種穩(wěn)定性良好的復(fù)合發(fā)泡劑，其組成以皂粉、CF－W發(fā)泡劑、界面劑N等為主，用于制輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土，發(fā)泡效果良好。

b.通過(guò)對(duì)影響輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土因素試驗(yàn)研究，包括泡沫、水料比、水泥、粉煤灰、纖維的用量等，優(yōu)化了物料配比，選擇了合適的生產(chǎn)工藝參數(shù)。通過(guò)調(diào)整膠凝材料等物料配比得到不同密度及強(qiáng)度等級(jí)的輕質(zhì)混凝土砌塊。

c.通過(guò)工業(yè)化試驗(yàn)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)，得到A級(jí)輕質(zhì)蜂窩水泥混凝土的最優(yōu)配比：水泥210kg/m3、粉煤灰90kg/m3、CF激發(fā)劑0.36kg/m3、萘系減水劑1kg/m3、耐堿玻璃纖維1.5kg/m3、復(fù)合發(fā)泡劑0.6kg/m3、水料比0.5，制品經(jīng)檢測(cè)達(dá)到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》FCB A0.5B03產(chǎn)品等級(jí)，防火等級(jí)達(dá)到A級(jí)。

d.粉煤灰摻量達(dá)到30%，降低了水泥用量和生產(chǎn)成本，提高建筑的保溫性能，節(jié)約資源，具有良好的社會(huì)效益和環(huán)保效益。

［1］ 關(guān)博文，劉開平，趙秀峰.泡沫混凝土研究及應(yīng)用新進(jìn)展［J］.廣東建材，2008（2）：19－21.

［2］ 蔣冬青.泡沫混凝土研究新進(jìn)展［J］.中國(guó)水泥，2003（3）：46－48.

［3］ Khamphee Jitchaiyaphum，Theerawat Sinsiri.Cellular Lightweight Concrete Containing Pozzolan Materials［J］.Procedia Engineering，2011（14）：1157－1164.

［4］ Kearsleya E P，Wainwright P.J.The Effect of High Fly Ash Content on the Compressive Strength of Foamed Concrete［J］.Cement and Concrete Research，1999（31）：105－112.

［5］ Nambiar E.K，Kunhanandan，Ramamurthy K.Air－void Characterisation of Foam Concrete［J］.Cement and Concrete Research，2007（37）：221－230.

［6］ 謝明輝.大摻量粉煤灰泡沫混凝土的研究［D］.吉林：吉林大學(xué)，2005.

［7］ 閆振甲.泡沫混凝土有望成為保溫材料首選［J］.混凝土世界，2010（1）：22－26.

［8］ 王隆田，袁耀明.淺析建筑保溫材料［J］.建筑節(jié)能，2011（5）：43－44.

［9］ 張澤平，李 珠，董彥莉.建筑保溫節(jié)能墻體的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.工程力學(xué)，2007（12）：34－36.

［10］吳兆春.泡沫混凝土——未來(lái)建筑節(jié)能重要的保溫材料發(fā)展方向［J］.磚瓦，2012（1）：58－60.

［11］Harris D J.A Quantitative Approach to Assessment of the Environmental Impact of Builling Materials［J］.Building and Environment，1999（34）：751－758.

［12］Khamphee Jitchaiyaphum，Theerawat Sinsiri.Cellular Lightweight Concrete Containing Pozzolan Materials［J］.Procedia Engineering，2011（14）：1157－1164.

［13］邵洪江，王永滋.粉煤灰泡沫混凝土研究［J］.山東建材，1999（2）：1－4.