泡沫混凝土性能優(yōu)化初探

于 方，殷素紅，王 果，張二猛

1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州興業(yè)混凝土攪拌有限公司，廣東 廣州 510700

隨著我國(guó)墻體材料的改革及建筑節(jié)能政策的推行，節(jié)能型建筑材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用受到廣泛地重視，泡沫混凝土作為一種新材料近年來(lái)得到普遍關(guān)注，對(duì)其進(jìn)行了大量的研究和開(kāi)發(fā).目前，我國(guó)泡沫混凝土砌塊年產(chǎn)量約為50萬(wàn)m3，而且在建筑領(lǐng)域中得到一定的應(yīng)用，如南方地區(qū)利用其隔熱和輕質(zhì)性能特點(diǎn)，將其作為框架結(jié)構(gòu)的填充墻，北方地區(qū)用其作墻體保溫層和管道保溫套[1].此外，現(xiàn)澆泡沫混凝土用于屋面保溫層施工、地基補(bǔ)償?shù)刃聭?yīng)用也在不斷地發(fā)展[2].

泡沫混凝土具有輕質(zhì)、保溫、抗震、隔音、調(diào)濕及防火等優(yōu)異性能，但其同時(shí)存在強(qiáng)度低、吸水率大、收縮大等缺點(diǎn).本文主要通過(guò)調(diào)節(jié)水膠比及發(fā)泡劑稀釋倍率，以及摻入增稠劑和增強(qiáng)纖維等，來(lái)提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)降低其吸水率，以期進(jìn)一步提高泡沫混凝土的性能.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥為廣州市珠江水泥廠生產(chǎn)的粵秀牌P.II42.5水泥，粉煤灰為廣東省佛山市發(fā)電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其中水泥和粉煤灰的理化性能列于表1.

表1 水泥和粉煤灰的理化性能Table 1 Phy-chemical properties of the cement and fly ash

增稠劑包括纖維素醚和膨潤(rùn)土，其中纖維素醚為上?；輳V精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素(HPMC)，膨潤(rùn)土為市售.泡沫劑為浙江嵊州文信閣復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的動(dòng)物蛋白型發(fā)泡劑，其pH值為6.5～7.5.纖維包括聚丙烯纖維和抗堿玻璃纖維，二者均為市售.其中聚丙烯纖維的長(zhǎng)度為16 mm，直徑為31 μm，密度為0.91 g/cm3；抗堿玻璃纖維的長(zhǎng)度為12 mm，直徑為14 μm，密度為2.68 g/cm3.

1.2 試驗(yàn)方法

首先用壓縮空氣發(fā)泡機(jī)將發(fā)泡劑液體制成泡沫，并按一定比例將泡沫與攪拌好的水泥凈漿(水泥質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為85%，粉煤灰質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為15%)混合均勻，然后成型為立方體試件，其棱長(zhǎng)為70.7 mm，待48 h拆模后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d，最后參照J(rèn)G/T266-2011中泡沫混凝土測(cè)試方法，測(cè)定試樣的抗壓強(qiáng)度、干密度及吸水率.

2 結(jié)果與分析

2.1 水膠比對(duì)泡沫混凝土性能的影響

水膠比是影響泡沫混凝土性能的重要因素之一.泡沫要保證在水泥漿體中有良好的穩(wěn)定性，既要克服漿體對(duì)泡沫的阻力，力求分布均勻，又要利用漿體對(duì)泡沫的包裹力，防止泡沫溢出漿體.因而水膠比直接影響泡沫混凝土漿體的粘度和稠化時(shí)間，進(jìn)而影響泡沫在漿體中的穩(wěn)定性.本試驗(yàn)分別選用0.25，0.30，0.35，0.40，0.45和0.50水膠比進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表2.

表2 不同水膠比下的泡沫混凝土的性能Table 2 The properties of foamed concrete with different water to binder ratios

由表2可以看出：隨著水膠比增大，加入泡沫前新拌凈漿逐漸變??；加入泡沫后，尤其是當(dāng)水膠比大于0.40時(shí)，泡沫混凝土漿體的均勻性開(kāi)始變差，出現(xiàn)沉漿現(xiàn)象.這是由于泡沫中帶有一定量的水，泡沫加入到凈漿中，會(huì)使?jié){體進(jìn)一步變稀，漿料難以在泡沫表面形成相對(duì)穩(wěn)定的保護(hù)層，使泡沫周?chē)臐{料層變薄，氣泡容易溢出，漿體容易沉降，導(dǎo)致氣泡在漿體中分布不均，上層氣泡較多，下層氣泡較少.所以水膠比越大，沉漿現(xiàn)象越明顯.

由表2還可以看出，水膠比越大，泡沫混凝土的孔隙率越大，導(dǎo)致其干密度和抗壓強(qiáng)度下降，吸水率增大.但當(dāng)水膠比過(guò)小(水膠比為0.25)時(shí)，由于漿體過(guò)于粘稠，難以攪拌均勻，雖然混凝土的干密度大、吸水率小，但其抗壓強(qiáng)度卻小于水膠比為0.30的泡沫混凝土.由此可知，水膠比過(guò)大或過(guò)小都不合適.對(duì)于干密度為400 kg/m3等級(jí)的泡沫混凝土，選擇水膠比為0.30較適宜.后續(xù)研究均采用0.30水膠比.

2.2 發(fā)泡劑稀釋倍率對(duì)泡沫混凝土性能的影響

泡沫的好壞直接影響泡沫混凝土品質(zhì)的高低.好的泡沫是海綿狀、形狀接近球形、氣孔大小均勻、泌水率低、對(duì)膠凝材料沒(méi)有負(fù)作用的泡沫[3].由于發(fā)泡劑的稀釋倍率直接影響泡沫的這些性能，為了研究不同稀釋倍率下發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響，分別選用1︰40，1︰50，1︰60，1︰70，1︰80和1︰90的稀釋倍率進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果列于表3.

表3 不同發(fā)泡劑稀釋倍率下的泡沫混凝土性能Table 3 The properties of foamed concrete with different dilutions of foaming agent

由表3可見(jiàn)，隨著稀釋倍率的增加，泡沫體積量呈現(xiàn)先增大后減小.當(dāng)稀釋倍率很低時(shí)，發(fā)出的泡沫少且干稠，不易與凈漿攪拌均勻，易出現(xiàn)沉漿；當(dāng)稀釋倍率很高時(shí)，發(fā)出的泡沫少且很稀，類似于乳汁狀，加入到凈漿中無(wú)疑會(huì)增大漿體的水膠比，造成漿體的粘度增長(zhǎng)速度慢、稠化時(shí)間長(zhǎng)，泡沫在漿體稠化前已破滅，從而導(dǎo)致塌模.

從表3還可見(jiàn)，隨著稀釋倍率的增大，泡沫混凝土的干密度先減小后增大.這是因?yàn)橄♂尡堵蔬^(guò)低時(shí)，液膜過(guò)薄，氣泡略有排液，液膜就會(huì)因?yàn)槭屏眩幌♂尡堵蔬^(guò)高時(shí)，液膜過(guò)厚，氣泡因含水多而排液速度快，液膜也易破裂.氣泡的破滅會(huì)導(dǎo)致泡沫混凝土的孔隙率下降，從而增大其干密度.抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律與干密度的變化規(guī)律一致，隨著稀釋倍率的增大，抗壓強(qiáng)度先減小后增大，且在泡沫體積量最大時(shí)，抗壓強(qiáng)度最小.對(duì)于輕質(zhì)泡沫混凝土來(lái)說(shuō)，不能只考慮強(qiáng)度，其低密度和均勻穩(wěn)定性也非常重要.綜上，適宜的泡沫劑質(zhì)量稀釋倍率為1︰70.

2.3 增稠劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響

本試驗(yàn)選用纖維素醚和膨潤(rùn)土作為增稠劑，纖維素醚是一種重要的保水材料，加入漿體中可以防止水分過(guò)快散失[4].膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主的含水粘土礦物，摻入一定量可以提高泡沫混凝土的泡沫穩(wěn)定性和材料強(qiáng)度[5].圖1及圖2為不同纖維素醚和膨潤(rùn)土的摻量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))對(duì)泡沫混凝土干密度、吸水率及抗壓強(qiáng)度的影響.

圖1 纖維素醚摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

Fig.1Effect of cellulose ether content on the properties of foamed concrete

從圖1可以看出，隨纖維素醚摻量的增加，泡沫混凝土的干密度增大，吸水率降低，抗壓強(qiáng)度增加.一方面是因?yàn)槔w維素醚有很強(qiáng)的保水作用，在漿體包裹著泡沫并逐漸硬化的過(guò)程中，能保證水分不會(huì)散失，故因水分散失形成的連通孔數(shù)量減少，從而降低了吸水率，這也有助于提高材料的強(qiáng)度；另一方面由于纖維素醚的緩凝作用，導(dǎo)致在漿體凝結(jié)之前部分泡沫已破滅，漿體中氣泡體積減少，從而干密度增加，吸水率減小，抗壓強(qiáng)度增加.

圖2 膨潤(rùn)土摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

Fig.2Effect of bentonite content on the properties of foamed concrete

從圖2可見(jiàn)：摻入膨潤(rùn)土后泡沫混凝土的干密度下降，這是因?yàn)榕驖?rùn)土的增稠穩(wěn)泡作用可以防止泡沫溢出漿體，在膨潤(rùn)土摻量為0.1%～0.4%的范圍內(nèi)，隨其摻量的增加對(duì)泡沫混凝土的干密度影響不大；由于摻入膨潤(rùn)土后泡沫混凝土的干密度下降，故其抗壓強(qiáng)度也隨之下降，但強(qiáng)度隨著膨潤(rùn)土摻量的增加抗壓強(qiáng)度反而有增大趨勢(shì)，這是因?yàn)榕驖?rùn)土具有良好的粘結(jié)、增稠作用，故強(qiáng)度有所增大；摻入少量的膨潤(rùn)土，泡沫混凝土的吸水率有所降低，與摻入纖維素醚的相似，其增稠作用使水分不易散失，故因水分散失形成的連通孔數(shù)量減少，從而減小了吸水率，但隨膨潤(rùn)土摻量的增加，吸水率有所上升，這是因膨潤(rùn)土本身的吸水作用強(qiáng)所致.

通過(guò)纖維素醚與膨潤(rùn)土對(duì)比可知，摻加纖維素醚對(duì)泡沫混凝土性能的影響程度遠(yuǎn)大于摻加膨潤(rùn)土，表明泡沫混凝土對(duì)纖維素醚更為敏感.當(dāng)纖維素醚摻入量為0.1%時(shí)，雖然泡沫混凝土的干密度有所增大，但吸水率降低，抗壓強(qiáng)度明顯增加，可達(dá)1.34 MPa，而摻入膨潤(rùn)土對(duì)泡沫混凝土的性能無(wú)明顯改善作用.

2.4 纖維對(duì)泡沫混凝土的性能影響

由于纖維在水泥基材料中具有增強(qiáng)、阻裂的作用，對(duì)于輕質(zhì)保溫材料來(lái)說(shuō)，在泡沫混凝土中加入玻璃纖維可使其抗折強(qiáng)度大大地提高[6]，加入聚丙烯纖維可使其柔韌性顯著提高[7]，摻加了改性聚丙烯纖維和膨脹珍珠巖的輕質(zhì)保溫隔熱泡沫混凝土砌塊，其保溫隔熱性能明顯提高，并能避免墻體干縮開(kāi)裂[8].本試驗(yàn)使用聚丙烯纖維及抗堿玻璃纖維，并對(duì)其不同的摻量(體積百分?jǐn)?shù))對(duì)泡沫混凝土干密度、吸水率及抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行了研究.

圖3為不同聚丙烯纖維摻量對(duì)泡沫混凝土的性能影響.從圖3可見(jiàn)：摻入聚丙烯纖維后泡沫混凝土的干密度先下降后增加，這是因?yàn)榫郾├w維經(jīng)過(guò)特殊的表面處理，在水泥中有著較好的分散性，其摻入后會(huì)提高漿料的穩(wěn)定性和減少泡沫破滅，從而增加了泡沫混凝土的孔隙率[9].此外，因聚丙烯纖維的密度比水稍小，隨其摻量增加，分散不均勻可能引起泡沫破滅，使干密度又有所上升；摻入聚丙烯纖維后，泡沫混凝土的吸水率呈先升后降，在干密度下降的同時(shí)吸水率有所降低，這主要是因?yàn)榫郾├w維具有不吸水性；隨著聚丙烯纖維摻量的增加，泡沫混凝土吸水率逐漸降低；摻入聚丙烯纖維后泡沫混凝土的干密度下降，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降，但隨聚丙烯纖維摻量增加，泡沫混凝土的強(qiáng)度反而增大，這是因?yàn)榫郾├w維具有良好的抗裂性能所致.

圖3 聚丙烯纖維摻量對(duì)泡沫混凝土的性能影響

Fig.3Effect of polypropylene fiber content on the properties of foamed concrete

圖4為不同玻璃纖維摻量對(duì)泡沫混凝土的性能影響.從圖4可以看出：摻入玻璃纖維后泡沫混凝土的干密度增加，這與玻璃纖維的密度大于漿體的平均密度有關(guān)；在玻璃纖維摻量比聚丙烯纖維少得多的情況下，泡沫混凝土的吸水率更低，這主要是因?yàn)椴ＡЮw維具有不吸水性，以及干密度增加兩者共同作用所致；摻入玻璃纖維后泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度增大，這是因?yàn)楦擅芏仍龃蠹安ＡЮw維具有抗裂性能所致.

通過(guò)聚丙烯纖維與玻璃纖維對(duì)比可知，聚丙烯纖維的摻入可降低泡沫混凝土的干密度及吸水率，但泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度下降；當(dāng)玻璃纖維的摻入量占漿體體積0.1%時(shí)，雖然泡沫混凝土的干密度有所增大，但吸水率降低了17.4%，抗壓強(qiáng)度明顯增加，可達(dá)1.48 MPa.

圖4 玻璃纖維摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

Fig.4Effect of glass fiber content on the properties of foamed concrete

3 結(jié) 論

(1)在水膠比為0.3，發(fā)泡劑稀釋倍率為1︰70條件下，配制干密度為400 kg/m3的泡沫混凝土較為適宜，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.88 MPa.

(2)膨潤(rùn)土的摻入，對(duì)泡沫混凝土性能無(wú)明顯改善作用；纖維素醚的摻入對(duì)泡沫混凝土的性能有影響，當(dāng)其摻入量占膠凝材料質(zhì)量的0.1%時(shí)，雖然泡沫混凝土的干密度有所增大，但吸水率降低，抗壓強(qiáng)度明顯增加，可達(dá)1.34 MPa.

(3)聚丙烯纖維的摻入，可降低泡沫混凝土的干密度及吸水率，但泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度下降；玻璃纖維的摻入量占漿體體積0.1%時(shí)，雖然泡沫混凝土的干密度有所增大，但吸水率降低了17.4%，抗壓強(qiáng)度明顯增加，可達(dá)1.48 MPa.

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[J]. 混凝土，2005(8)：44-48.

[2] 郭立英，趙蕓平，張大偉，等. 泡沫混凝土的制備及強(qiáng)度影響研究[J].混凝土，2011 (10)：133-135.

[3] 閆振甲，何艷君. 泡沫混凝土實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：1-36.

[4] 袁偉，秦岷，丁來(lái)彬，等. 纖維素醚對(duì)泡沫混凝土性能影響研究[J]. 生態(tài)建材，2012(5)：34-40.

[5] 喬歡歡. 利用普通水泥制備免蒸養(yǎng)泡沫混凝土的研究[D]. 綿陽(yáng)：西南科技大學(xué)，2008: 36-39.

[6] 詹炳根，郭建雷，林興勝. 玻璃纖維增強(qiáng)泡沫混凝土性能試驗(yàn)研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32(2)：226-229.

[7] 曹萬(wàn)智，王洪鎮(zhèn)，邵繼新，等. 纖維增強(qiáng)微孔輕質(zhì)混凝土系列墻體制品的研制開(kāi)發(fā)[J]. 墻材革新與建筑節(jié)能，2003(11)：25-28.

[8] 符向桃，謝朝學(xué)，錢(qián)書(shū)昆. 纖維混凝土?？ü?jié)能砌塊的研究與探討[J]. 混凝土與水泥制品，2005(2)：43-45.

[9] 林興勝. 纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的研制與性能[D]. 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007：34-36.