聚羧酸高效減水劑對(duì)泡沫混凝土性能影響試驗(yàn)研究

朱俊杰，陶俊林，盧永剛

（1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng) 621900）

聚羧酸高效減水劑對(duì)泡沫混凝土性能影響試驗(yàn)研究

朱俊杰1，陶俊林1，盧永剛2

（1.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)工程物理研究院，四川 綿陽(yáng) 621900）

以普通硅酸鹽水泥為膠凝材料，摻入聚羧酸高效減水劑，采用物理發(fā)泡技術(shù)制備泡沫混凝土，研究了聚羧酸高效減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量、流值、氣孔結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：在水灰比不變的條件下，泡沫混凝土的流值隨著聚羧酸減水劑摻量的增加而增大，較小的摻量即可使泡沫混凝土獲得較大的流值；聚羧酸高效減水劑可顯著改善泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)，使得氣孔細(xì)小且分布較均勻，孔壁結(jié)構(gòu)完整；隨著水灰比的減小，聚羧酸減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)水灰比為0.5，聚羧酸減水劑摻量為0.08%，較未摻減水劑試樣的抗壓強(qiáng)度提高44.1%。

泡沫混凝土；聚羧酸減水劑；抗壓強(qiáng)度；彈性模量；流值；氣孔結(jié)構(gòu)

泡沫混凝土是由水泥、水、集料和外加劑（可不用）按比例混合形成漿體，然后再與由發(fā)泡劑水溶液制成的細(xì)小泡沫充分?jǐn)嚢杈鶆?，在施工現(xiàn)場(chǎng)或工廠澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成的一種多孔材料[1]。由于該材料具有質(zhì)量輕、流動(dòng)性好、直立性強(qiáng)、施工方便、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，近些年在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。但是，在實(shí)際施工中，由于材料、施工和管理等方面的因素，泡沫混凝土在使用性能上表現(xiàn)出一些不足，尤其是強(qiáng)度偏低的問(wèn)題[4]。而水灰比是影響泡沫混凝土強(qiáng)度的重要因素[5]，水泥完全水化的理論水灰比在0.2左右，實(shí)際施工應(yīng)用中，為了澆筑方便，泡沫混凝土的水灰比多在0.5～0.7，水泥凝結(jié)硬化過(guò)程中，多余的水分會(huì)蒸發(fā)掉，形成很多連通孔隙，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。另外，水灰比過(guò)大會(huì)造成泡沫混凝土的分層離析，也會(huì)影響其性能[6]。減水劑作為現(xiàn)代混凝土配比中必不可少的一種外加劑，能夠降低水灰比，顯著改善混凝土的性能，在普通混凝土中應(yīng)用技術(shù)和理論已經(jīng)相當(dāng)成熟[7-8]。但是，關(guān)于減水劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響研究卻很少。為此，本文選取應(yīng)用較廣泛的聚羧酸減水劑，研究這種減水劑在同一水灰比條件下，不同摻量對(duì)泡沫混凝土流值、氣孔結(jié)構(gòu)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并研究在不同水灰比、相同流值條件下，聚羧酸高效減水劑對(duì)泡沫輕質(zhì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，以期為工程建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料和主要儀器設(shè)備

水泥：P·O42.5水泥，四川拉法基集團(tuán)；發(fā)泡劑：HTW-Ⅰ（普通型）型復(fù)合發(fā)泡劑，河南華泰開(kāi)發(fā)有限公司，按照與水以1∶60的質(zhì)量比進(jìn)行稀釋，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1；減水劑：HSC聚羧酸高性能減水劑，青島虹廈高分子材料有限公司，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2；水：自來(lái)水。

WDW-50型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，西安力創(chuàng)材料檢測(cè)技術(shù)有限公司；LV-FP-40B水泥發(fā)泡機(jī)，煙臺(tái)綠林機(jī)械設(shè)備制造有限公司；Q1U-FF-160型攪拌機(jī)，江蘇東成機(jī)電工具有限公司；TLD-YH40B型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱，泰安市路達(dá)公路儀器制造有限公司。

表1 發(fā)泡劑的物理性能指標(biāo)

表2 減水劑的物理性能指標(biāo)

1.2 試樣制備

本試驗(yàn)采用物理發(fā)泡技術(shù)，預(yù)制泡沫的方法制備泡沫混凝土試樣。首先配制發(fā)泡劑溶液，調(diào)試出密度為30 kg/m3的泡沫；按照設(shè)計(jì)的配合比要求分別稱取水泥和水，二者混合后攪拌2 min，然后加入聚羧酸高效減水劑，再充分?jǐn)嚢? min，攪拌過(guò)程中不能使水泥顆粒粘附在容器側(cè)壁和底面。水泥漿攪拌均勻后，立即加入發(fā)泡裝置制備好的泡沫，攪拌至要求，然后將泡沫混凝土料漿澆筑到100 mm×100 mm×100 mm的模具中。澆筑完成后，需人工輕輕振搗均勻，使?jié){液均勻填充到模具的各個(gè)角落，并避免漿液中存在過(guò)大的氣泡，然后將表面覆蓋一層塑料薄膜。試件靜置于實(shí)驗(yàn)室中24 h后脫模，并送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.3 試驗(yàn)方法

為了研究在同一水灰比條件下，聚羧酸減水劑不同摻量對(duì)泡沫混凝土流值、抗壓強(qiáng)度和氣孔結(jié)構(gòu)的影響，試驗(yàn)固定水灰比為0.4（水泥用量為400 kg/m3），分別摻入不同摻量的聚羧酸減水劑（折固，按占水泥質(zhì)量計(jì)，下同）。另外，為了研究不同水灰比、相同流值條件下，聚羧酸高效減水劑對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，選取不摻加減水劑水灰比為0.6（水泥用量為400kg/m3）的泡沫混凝土為基準(zhǔn)配合比，在保持水泥用量不變的前提下，水灰比依次為0.55、0.50、0.45、0.40、0.30，分別調(diào)整減水劑用量，使得泡沫混凝土的流值控制在合適范圍內(nèi)。

泡沫混凝土流值試驗(yàn)參照CECS 249—2008《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》，采用內(nèi)徑80 mm，凈高80 mm，壁厚2 mm的硬質(zhì)塑料圓筒測(cè)其流值，以3次試驗(yàn)的算術(shù)平均值作為測(cè)試結(jié)果。壓縮試驗(yàn)參照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用WDW系列微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)其3、7、14、28 d的試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，每組壓縮試驗(yàn)有3個(gè)試樣，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 相同水灰比條件下聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

2.1.1 流值（見(jiàn)圖1）

圖1 聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土流值的影響

由圖1可以看出：在水灰比不變的條件下，泡沫混凝土的流值隨聚羧酸減水劑摻量的增加而增大。摻量在0～0.1%時(shí)，泡沫混凝土的流值增長(zhǎng)較緩慢；當(dāng)摻量大于0.1%時(shí)，流值迅速增長(zhǎng)；摻量達(dá)到0.18%后，流值增長(zhǎng)速度有所降低。不摻加聚羧酸減水劑時(shí)，泡沫混凝土的流值僅為14.2 cm，流動(dòng)性很差；摻量為0.15%時(shí)，流值可達(dá)19.8 cm，比不摻減水劑提高39.4%，此時(shí)流動(dòng)性較好；摻量為0.20%時(shí)，流值為27.0 cm，比不摻時(shí)提高90.1%?？梢?jiàn)，聚羧酸高效減水劑對(duì)流值的影響很大，較小的摻量即可使泡沫混凝土獲得較大的流值。

實(shí)際施工過(guò)程中，泡沫混凝土的流值過(guò)小，流動(dòng)性差，會(huì)導(dǎo)致澆筑不到位，且容易引起設(shè)備堵塞，難以施工，而流值過(guò)大，泡沫混凝土易分層離析，也會(huì)影響其性能，所以，控制泡沫混凝土的流值在合適的范圍內(nèi)是保證泡沫混凝土性能良好的前提條件，本文在后續(xù)不同水灰比試驗(yàn)中，調(diào)整聚羧酸減水劑摻量，使得流值控制在（19±1）cm左右。

2.1.2 抗壓強(qiáng)度（見(jiàn)圖2）

圖2 聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可以看出：（1）在水灰比不變的條件下，無(wú)論是否摻加聚羧酸減水劑，泡沫混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大，且早期增長(zhǎng)速度快，后期增長(zhǎng)速度慢。（2）摻加減水劑的試樣，其強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展速度明顯比未摻加減水劑的試樣要快。（3）隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，摻量為0.15%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別較未摻加減水劑的試樣提高257.0%、233.2%。

2.1.3 氣孔結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3～圖5）

圖3 未摻聚羧酸減水劑泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)

圖4 摻0.15%聚羧酸減水劑泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)

圖5 摻0.20%聚羧酸減水劑泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)

由圖3～圖5可知，未摻加減水劑的試樣氣孔大小分布不均勻，孔壁結(jié)構(gòu)不完整，連通孔隙較多，而且有很多未分散的水泥顆粒微團(tuán)；摻加0.15%聚羧酸減水劑后，泡沫混凝土內(nèi)部的氣孔細(xì)小且分布相對(duì)較均勻，孔壁結(jié)構(gòu)完整，無(wú)未分散的水泥顆粒微團(tuán)；摻加0.20%聚羧酸減水劑試樣的氣孔大且孔壁較薄，有很多連通孔隙。

2.2 不同水灰比條件下聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

圖6為不同水灰比時(shí)聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

圖6 不同水灰比時(shí)聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6可以看出：（1）在相同環(huán)境條件下，無(wú)論是基準(zhǔn)泡沫混凝土試樣，還是摻加聚羧酸減水劑的泡沫混凝土試樣，其抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大，且早期增長(zhǎng)速度快，后期增幅逐漸降低。（2）隨著水灰比的減小，聚羧酸減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢(shì)。聚羧酸減水劑摻量在0～0.08%時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而增大，但增長(zhǎng)速度逐漸趨緩。當(dāng)摻量為0.08%，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別較未摻加聚羧酸減水劑的試樣提高44.1%、20.3%。當(dāng)摻量超過(guò)0.08%時(shí)，抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低，摻量為0.08%～0.15%時(shí)降低的速度較快，摻量大于0.15%時(shí)，降低速度有所減緩，但此時(shí)抗壓強(qiáng)度已經(jīng)低于基準(zhǔn)泡沫混凝土試樣。

可見(jiàn)，泡沫輕質(zhì)混凝土水灰比較小時(shí)，摻加適量的聚羧酸高效減水劑既能保證其流動(dòng)性，也能提高其抗壓強(qiáng)度，但當(dāng)水灰比小到一定程度，即使添加減水劑使得流值滿足要求，也會(huì)對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。這主要是因?yàn)樗冶却蠓档秃?，減水劑的加入雖然能改善其流動(dòng)性，但水泥漿的內(nèi)聚力過(guò)大，泡沫在混合過(guò)程中會(huì)因摩擦力過(guò)大而破裂[6]。本試驗(yàn)得出：當(dāng)泡沫輕質(zhì)混凝土的水灰比不小于0.4時(shí)，隨著水灰比的減小，摻加適量的聚羧酸高效減水劑，可顯著提高泡沫輕質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度。滿足實(shí)際施工條件（控制泡沫混凝土的流值在19 cm左右）具體摻量如下：水灰比0.55時(shí)，減水劑摻量為0.038%；水灰比0.5時(shí)，減水劑摻量為0.08%；水灰比0.45時(shí)，減水劑摻量為0.12%。

2.2.2 彈性模量

圖7為不同水灰比時(shí)聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土彈性模量的影響。

圖7 不同水灰比時(shí)聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土彈性模量的影響

由圖7可以看出：（1）在相同環(huán)境條件下，無(wú)論是基準(zhǔn)泡沫混凝土試樣，還是摻加聚羧酸減水劑的試樣，其彈性模量均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增大，且早期增長(zhǎng)速度快，后期增幅逐漸降低。（2）隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，各齡期的彈性模量均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。聚羧酸減水劑摻量為0～0.08%時(shí)，泡沫混凝土的彈性模量隨著摻量的增加而增大，但增長(zhǎng)速度逐漸趨緩。當(dāng)摻量為0.08%，彈性模量達(dá)到最大值，此時(shí)的3 d、28 d彈性模量分別較未摻加聚羧酸減水劑的試樣提高77.4%、20.5%。當(dāng)摻量超過(guò)0.08%時(shí)，彈性模量開(kāi)始降低，在0.08%～0.15%內(nèi)降低的速度較快，摻量大于0.15%時(shí)，降低速度減緩。

3 結(jié)論

（1）在水灰比不變的條件下，泡沫混凝土的流值隨著聚羧酸減水劑摻量的增加而增大，且較小的摻量即可使泡沫混凝土獲得較大的流值。

（2）水灰比為0.4時(shí)，隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)?？箟簭?qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)的摻量為0.15%，此時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度較未摻加減水劑的試樣提高233.2%。

（3）摻加適量的聚羧酸高效減水劑可顯著改善泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)，使得氣孔細(xì)小且分布相對(duì)較均勻，孔壁結(jié)構(gòu)完整。

（4）隨著水灰比的減小，聚羧酸減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)水灰比為0.5，聚羧酸減水劑摻量為0.08%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和彈性模量達(dá)到最大值，3 d抗壓強(qiáng)度較未摻加減水劑試樣的抗壓強(qiáng)度提高44.1%，彈性模量提高77.4%，28 d抗壓強(qiáng)度較未摻加減水劑的試樣提高20.3%，彈性模量提高20.5%。

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Experimental research on effect of poly carboxylic acid water reducing agent on performance of foamed concrete

ZHU Junjie1，TAO Junlin1，LU Yonggang2
（1.School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Foamed lightweight concrete was prepared by introducing preformed foam into ordinary Portland cement slurry with poly carboxylic acid water reducing agent.The effect of poly carboxylic acid water reducing agent on the compressive strength，elastic modulus，flow value，and pore structure were researched.Test results illustrated that the flow value of foamed lightweight concrete increased with the increment of poly carboxylic acid water reducing agent under the same water cement ratio and foamed lightweight concrete could achieve larger flow value with smaller mixing amount.The poly carboxylic acid water reducing agent had an obvious effect on the pore structure，decreasing the pore diameter，achieving more uniform distribution of air voids and integrating the pore wall.The compressive strength and elastic modulus increased at first then decreased as the decrease of the water cement ratio and increase of poly carboxylic acid water reducing agent.When the water cement ratio was 0.5 and the addition amount of poly carboxylic acid water reducing agent was 0.08%，the compressive strength could be raised by 44.1%.

foamed concrete，poly carboxylic acid water reducing agent，compressive strength，elastic modulus，flow value，pore structure

TU528.2

A

1001-702X（2016）08-0016-04

2016-04-11；

2016-05-16

朱俊杰，女，1991年生，河南駐馬店人，碩士研究生。