CO2在泡沫混凝土中的應(yīng)用

劉敏 白光輝　高明

摘要：泡沫混凝土是一種利廢、環(huán)保、節(jié)能、價格低、性能好的新型保溫隔熱材料。通過對泡沫混凝土試樣進(jìn)行碳化養(yǎng)護(hù)和制備CO2泡沫混凝土的研究發(fā)現(xiàn)：把CO2與泡沫混凝土的制備相結(jié)合，利用CO2可促進(jìn)水泥水化，提高泡沫混凝土早期強(qiáng)度，有助于解決泡沫混凝土強(qiáng)度低、現(xiàn)場施工養(yǎng)護(hù)周期長等問題。目前水泥行業(yè)向大氣中排放的二氧化碳為所占總數(shù)的5%，利用二氧化碳養(yǎng)護(hù)混凝土，將二氧化碳回收、利用和固定這個全球性的課題和混凝土材料學(xué)結(jié)合，對混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和緩解溫室氣體排放的全球氣候變化具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：泡沫混凝土；CO2；養(yǎng)護(hù)；強(qiáng)度；可持續(xù)發(fā)展

1前言

泡沫混凝土是一種新型的建筑材料，具有質(zhì)輕、保溫、隔熱、耐火、抗凍性好等特點(diǎn)[1]。近年來，我國越來越重視建筑節(jié)能工作，隨著與建筑節(jié)能有關(guān)政策的實施，節(jié)能材料倍受歡迎。泡沫混凝土作為一種節(jié)能環(huán)保材料，應(yīng)用將越來越廣泛。它可以用于生產(chǎn)保溫耐火材料、外墻保溫板、管道保溫外殼、砌塊、墻體、輕質(zhì)仿木制品、彩色藝術(shù)裝飾品、泡沫吊頂、泡沫石膏制品以及泡沫菱鎂制品等。但由于泡沫劑的緩凝作用，泡沫混凝土的凝結(jié)時間延長，早期強(qiáng)度發(fā)展較慢。為此提高泡沫混凝土早期強(qiáng)度，成為大家探討的問題。

本文是將CO2應(yīng)用于泡沫混凝土中，從利用CO2養(yǎng)護(hù)泡沫混凝土方面進(jìn)行研究。分別測定泡沫混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期的強(qiáng)度變化情況，并分別與相應(yīng)齡期時標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的泡沫混凝土進(jìn)行對比，同時對泡沫混凝土試樣碳化機(jī)理進(jìn)行了探討。此外，將工業(yè)排放的CO2收集起來用于泡沫混凝土中，將有助于節(jié)能減碳。

2 試驗過程

混凝土之所以能逐漸凝結(jié)硬化，主要是因為水泥水化作用的結(jié)果，而水化作用則需要適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件，因此為了保證混凝土有適宜的硬化條件，使其強(qiáng)度不斷增長，必須對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)[2]。混凝土的養(yǎng)護(hù)目的，一是創(chuàng)造各種條件使水泥充分水化，加速混凝土硬化：二是防止混凝土成型后在暴曬、風(fēng)吹、寒冷等條件下出現(xiàn)不正常收縮、裂縫等破損現(xiàn)象。

本實驗是用CO2養(yǎng)護(hù)的泡沫混凝土與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的泡沫混凝土進(jìn)行比較。

2.1實驗材料

試驗采用北京金隅集團(tuán)北京水泥廠生產(chǎn)金隅牌P.O 42.5水泥，抗折強(qiáng)度4.8 MPa，抗壓強(qiáng)度54.9 MPa，細(xì)度2.1%。采用UNF.5萘系高效減水劑，為棕黑色液體，密度為1.180±0.02g/cm3，用量一般占水泥質(zhì)量的0.5%～1.0%。試驗采用的發(fā)泡劑是由北京中科筑誠建材科技有限公司提供的“WD-11型泡皇牌”發(fā)泡劑。

2.2泡沫混凝土試樣的制備工藝

（1）空氣泡沫制備

本試驗采用機(jī)械發(fā)泡，即將空氣引入發(fā)泡劑，通過高速攪拌機(jī)攪拌充分發(fā)泡而形成均勻的空氣泡沫體[2]。試驗中取1.5g發(fā)泡劑溶于60g水中，采用攪拌機(jī)高速攪拌（1200 r/min）至泡沫體均勻為宜。肉眼觀察泡沫體大小均勻即可停止發(fā)泡，并以靜置2min后傾倒無溶液留下，泡沫體也無流動跡象作為每次泡沫制備標(biāo)準(zhǔn)。

（2）配合比設(shè)定

泡沫混凝土配合比設(shè)計如表1，水灰比為0.5，減水劑為0.8%的水泥量。

（3）泡沫混凝土攪拌、成型

按照表2.1配合比稱量好水泥、水、減水劑和發(fā)泡劑，先將水泥和水拌和，再將泡沫體加入水泥漿體進(jìn)行攪拌，將拌和均勻的泡沫體與水泥漿拌合物澆筑于40×40×160mm的模具內(nèi)，在20±0.5℃、濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)48±2h拆模。脫模后試樣分兩組，第一組（Sχ）試樣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下濕養(yǎng)護(hù)至齡期（齡期中含模養(yǎng)48±2h，以下同）3d、7d、14d、28d；第二組（Cχ）試樣在碳化養(yǎng)護(hù)箱（溫度：20±2℃，二氧化碳濃度：20±2%，濕度：70±5%）中養(yǎng)護(hù)至與第一組相同齡期。

2.3強(qiáng)度測定

抗折強(qiáng)度測定：對樣品100mm的長度進(jìn)行三點(diǎn)彎曲破壞，測其抗折強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度測定：對樣品40mm×40mm的面積進(jìn)行抗壓測試，測其抗壓強(qiáng)度。

2.4實驗結(jié)果與分析

圖1（a）、1（b）分別為4500 kg/m3和1150 kg/m3密度等級泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和碳化養(yǎng)護(hù)下試樣不同齡期抗折抗壓強(qiáng)度圖。由圖可知，隨著齡期增加，試樣抗折抗壓強(qiáng)度不斷增加。齡期相同情況下，碳化養(yǎng)護(hù)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的泡沫混凝土試樣抗折、抗壓強(qiáng)度都要高，450 kg/m3密度等級泡沫混凝土試驗碳化養(yǎng)護(hù)3d比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3d后抗折和抗壓強(qiáng)度提高112.0%和10.5%；碳化養(yǎng)護(hù)28d后抗折和抗壓強(qiáng)度提高5.3%和18.6%；1150 kg/m3密度等級泡沫混凝土試驗碳化養(yǎng)護(hù)3d后抗折、抗壓強(qiáng)度分別提高63.7%和91.5%，1150 kg/m3密度等級試樣碳化養(yǎng)護(hù)3d甚至比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)14d抗折、抗壓強(qiáng)度都要高出好幾倍。泡沫混凝土材料強(qiáng)度主要由水泥水化產(chǎn)物C-S-H凝膠提供，C-S-H量越多，強(qiáng)度越高[3]。這說明齡期3d時，碳化養(yǎng)護(hù)試樣中C-S-H凝膠量較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)多得多，碳化加速了水泥水化。由此可知碳化養(yǎng)護(hù)可提高泡沫混凝土材料強(qiáng)度，密度越高，碳化養(yǎng)護(hù)提高強(qiáng)度的效果越明顯。

3碳化機(jī)理

P.O 42.5水泥熟料礦物主要由硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）組成。水泥顆粒與水接觸后，熟料礦物與水的作用稱為水化。水泥熟料中C3S和C2S質(zhì)量分?jǐn)?shù)占75%～82%，即主要是C3S和C2S的水化反應(yīng)，C3S和C2S都與水反應(yīng)生成Ca（OH）2和C-S-H凝膠[4]，水泥水化硬結(jié)后強(qiáng)度主要由水化產(chǎn)物中C-S-H凝膠提供。當(dāng)水泥漿體在CO2氣氛下養(yǎng)護(hù)或有CO2參與時，CO2將參與C3S和C2S的水化反應(yīng)，使水泥水化過程中產(chǎn)生的Ca（OH）2、CaO·SiO2·yH2O碳化，以及使未水化的3CaO·SiO2和2CaO·SiO2也發(fā)生碳化，這還大大加快了C3S和C2S的水化反應(yīng)，從而增加了C-S-H凝膠生成量，提高泡沫混凝土的強(qiáng)度。

4結(jié)論

對泡沫混凝土試樣進(jìn)行碳化養(yǎng)護(hù)，可通過CO2參與反應(yīng)提高水化速率，提高其早期強(qiáng)度。同時能利用工業(yè)排放的CO2，減少向大氣中排放，對發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、減少碳排放、緩解溫室效應(yīng)和混凝土行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹明莉，呂興軍.發(fā)泡劑及泡沫混凝土技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].建材技術(shù)與應(yīng)用.2007，07-08.

[2]陳德平，坂井悅郎，大場陽子，大門正機(jī).5%乙烯–醋酸乙烯共聚物復(fù)合低熱水泥漿體的碳化促進(jìn)養(yǎng)護(hù)[J].硅酸鹽學(xué)報，2006，34（10）：1263-1269.

[3]宋少民，孫凌.土木工程材料[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2006.

[4]Chen Deping，Jingyu Liu，Min Liu. Accelerated carbonation curing of foam concrete with lower density[J].Advanced Building Materials，2011，172-177.