一種新型保溫材料的制備及其力學(xué)性能的研究

章錦洋，范黎，范晨，顧成軍

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210000)

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一種新型保溫材料的制備及其力學(xué)性能的研究

章錦洋，范黎，范晨，顧成軍

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210000)

摘要：設(shè)計干密度為400 kg/m3的輕質(zhì)泡沫混凝土用作保溫隔熱材料時，普遍存在強度偏低的問題。通過實驗的方法，根據(jù)控制變量的不同配比研究常用摻合料和減水劑的摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響。通過大量的泡沫混凝土試塊抗壓實驗，發(fā)現(xiàn)適量加入粉煤灰和聚羧酸減水劑有助于混凝土強度的增長，硅灰的摻入對其強度增長不利，而聚丙烯纖維摻量較少時影響并不明顯。通過四因素四水平的正交試驗，在綜合考慮泡沫混凝土的力學(xué)和保溫性能后，認(rèn)為水泥摻量91%、硅灰摻量9%、聚羧酸減水劑用量0.5%時的配比為合理配比。

關(guān)鍵詞：泡沫混凝土；抗壓強度；正交試驗；配合比；摻合料；減水劑

0前言

泡沫混凝土相對于普通混凝土在各項物理性能方面均有很大優(yōu)勢。它的密度僅為普通混凝土的1/15～1/2，可有效減輕建筑物自重[1]；內(nèi)部的大量封閉空隙使泡沫混凝土的隔音性能比普通混凝土提升5～8倍，導(dǎo)熱系數(shù)增大了20～30倍[2]，消散地震波沖擊能量的能力顯著提升[3]。同時，泡沫混凝土在施工工程中可泵性好，特別適用于大體積現(xiàn)場澆筑及地下采空區(qū)的填充澆筑工程。除此以外，泡沫混凝土用料環(huán)保，可摻入粉煤灰、礦渣微粉等工業(yè)廢渣，在實現(xiàn)材料循環(huán)利用的同時節(jié)約施工成本[4]。在綠色、節(jié)能、環(huán)保的理念逐漸深入人心的今天，泡沫混凝土有了更好的發(fā)展機遇和更廣闊的市場空間。

泡沫混凝土的原材料有水泥、水、發(fā)泡劑等，外加必要的摻合料和外加劑。常用的摻合料有粉煤灰、礦渣粉、碎石、陶粒等，常用的外加劑有減水劑、促凝劑等。制備時常用預(yù)制泡混合法，即先將發(fā)泡劑按一定比例加水稀釋后倒入泡沫制備機打出泡沫，再與用水泥、水、摻合料、外加劑攪拌好的料漿混合均勻后在模具中澆筑成型。現(xiàn)在也有同時進行發(fā)泡和拌和料漿的混合制泡法[5-7]。

當(dāng)泡沫混凝土用作保溫隔熱材料時，其密度一般為300～600 kg/m3，屬于輕質(zhì)泡沫混凝土[8]。目前，工程領(lǐng)域?qū)ζ鋸姸群捅匦阅艿囊笤絹碓礁?，泡沫混凝土中泡沫摻量越多，其質(zhì)量越輕，保溫效果越好，但不可避免地會帶來強度下降的問題[9-10]。如何在保證泡沫混凝土保溫性能的同時，最大程度地減小強度損失，維持各項性能之間的平衡，是一個值得研究的問題。

1實驗方法與內(nèi)容

本項研究的主要目的是通過實驗的方法找到既能保證保溫性能又能最大程度地減小強度損失的泡沫混凝土最佳配比。在實驗過程中，采用控制變量的方法，不斷改變原料的配比來制備不同的試件，通過測試其力學(xué)性能和隔熱性能找到材料配比的規(guī)律，重點研究幾種常用摻合料(粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維)及減水劑等對泡沫混凝土抗壓強度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，探尋在滿足規(guī)范要求的前提下能改善其強度和保溫性能的合理配比。

1.1試塊制備

本實驗所采用的材料有：普通硅酸鹽水泥(P.O42.5R)，粉煤灰(二級)，硅灰(硅含量>90%，粒度為0.1～0.2 μm)，聚羧酸減水劑(海森化工，固含量>99%)，動物蛋白發(fā)泡劑(pH值為6～7，固含量>40%)，聚丙烯纖維(密度為0.91 g/m3)。在測試材料的力學(xué)性能與隔熱性能之前，先對材料試塊進行制備，具體步驟為：

1)泡沫制備。取100 mL動物蛋白發(fā)泡劑放入1 000 mL的燒杯中，在高速攪拌器下攪拌制成泡沫。

2)混合砂漿制備。將水泥、粉煤灰、硅灰、外加劑及聚丙烯纖維等混合原料在攪拌機內(nèi)先干拌攪勻，再加水?dāng)嚢? min。

3)泡漿混合攪拌。將泡沫緩慢倒入混合料內(nèi)繼續(xù)攪拌5 min，保證泡沫均勻分布在混合料中。

4)澆筑成型。將制得的料漿注模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱養(yǎng)護，24 h后脫模，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，到規(guī)定的測試時間后測試其性能。

1.2材料性能測試

選用3種常用摻合料(粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維)和1種常用減水劑(聚羧酸減水劑)，設(shè)計了四因素四水平的正交試驗，泡沫混凝土試塊的設(shè)計干密度為400 kg/m3，水膠比為0.5；導(dǎo)熱系數(shù)測試采用規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm的長方體試塊，同種配比做2塊試件，抗壓強度測試采用規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，同種配比做6塊試件，其中3塊用于測定7 d強度，3塊用于測定28 d強度。

所制備樣品的導(dǎo)熱系數(shù)通過導(dǎo)熱系數(shù)測定儀DRCD-3030B進行測試，使用校正過的熱流傳感器測量通過樣品的熱流。測量樣品厚度、溫度梯度與通過樣品的熱流便可計算出導(dǎo)熱系數(shù)。樣品的力學(xué)強度通過抗壓強度試驗機HD-501-700進行測試，試件抗壓強度=試件破壞荷載/ 試件承壓面積。材料測試的數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1(續(xù))

注：泡沫混凝土試塊的設(shè)計干密度為400 kg/m3，水膠比為0.5。

2實驗數(shù)據(jù)分析

2.1單一變量影響

為了深入探究各種摻合料和減水劑的摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響，對各種摻合料和減水劑分別單獨進行實驗，進一步探討單一變量對泡沫混凝土抗壓強度的影響。

2.1.1粉煤灰摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響

圖1為僅摻入粉煤灰時，不同粉煤灰摻量對泡沫混凝土試塊抗壓強度的影響情況。通過實驗，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度先增大后減小，在粉煤灰摻量約為30%時其抗壓強度達到最大值。

在粉煤灰摻量較小時，由于粉煤灰的活性較水泥小，水化比純水泥慢，因此，在用料相同的情況下，早期大部分水泥的水化都能得到充足的水分供應(yīng)。在實驗中還發(fā)現(xiàn)對整個漿體的和易性起到良好的作用，有效地避免了粉體團聚的現(xiàn)象，且由于粉煤灰具有活性，其后期強度的增長性較大。但是，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥摻量的減小，水化反應(yīng)即使是充分反應(yīng)，生成的C-S-H依然較少，其強度呈下降趨勢。

圖1　不同粉煤灰摻量條件下試塊7 d和28 d的抗壓強度對比圖

2.1.2硅灰摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響

圖2為僅摻硅灰條件下，不同硅灰摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響。通過實驗，發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量的增加，泡沫混凝土的7 d抗壓強度先增大后減小，在硅灰摻量約為4%時其抗壓強度達到最大值；28 d抗壓強度總體呈下降趨勢。

圖2　不同硅灰摻量條件下試塊7 d和28 d的抗壓強度對比圖

由于硅灰的表面積較大，在和易性相同的條件下，其需水量較大，水灰比也較大，因此摻雜了硅灰的泡沫混凝土強度總體呈下降趨勢。但由于其具有一定的活性，能與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，故其后期強度較高。由于硅灰的粒度較小，能有效填補水泥之間的空隙，使水化漿體更致密，因此，摻雜了硅灰的泡沫混凝土強度能在一定程度上獲得提升。

2.1.3聚羧酸減水劑摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響

圖3為僅摻聚羧酸減水劑條件下，不同聚羧酸減水劑摻量對泡沫混凝土抗壓強度的影響。通過實驗，發(fā)現(xiàn)隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強度先增大后減小，在聚羧酸減水劑摻量約為1.5%時其抗壓強度達到最大值。

圖3　不同減水劑摻量條件下試塊7 d和28 d的抗壓強度對比圖

隨著減水劑摻量的增加，漿體的流動性得到明顯改善，有效分散了水泥，避免了在攪拌過程中出現(xiàn)粉體團聚的現(xiàn)象，有利于水化反應(yīng)的充分進行，因此，在一定范圍內(nèi)減水劑能有效改善泡沫混凝土的抗壓強度。但隨著減水劑含量的增大，可能會增大泡沫的表面張力，引起泡沫大量破損或集聚上浮，降低整個試塊的整體性，從而降低泡沫混凝土的抗壓強度。

2.2其他比較分析

通過正交試驗，發(fā)現(xiàn)在抗壓強度方面，第2、5、10、13組的7 d抗壓強度較高，其共同特點是粉煤灰摻量較少，硅灰用量適中，減水劑用量減少；第4、7、12組的7 d抗壓強度較低，其共同特點是粉煤灰摻量較多。由此可知減少泡沫混凝土中粉煤灰的摻量，適量增加硅灰摻量可提高其抗壓強度，聚丙烯纖維因摻量較少，對泡沫混凝土的強度影響不夠明顯。為盡可能提高泡沫混凝土的抗壓強度，可采用的優(yōu)化配合比為水泥摻量91%、硅灰摻量9%、聚羧酸減水劑用量0.5%。

在導(dǎo)熱系數(shù)方面，各種配比情況下的導(dǎo)熱系數(shù)大致相等，在0.085 W/(m·K)上下浮動，可知在試塊密度相同時，摻合料和減水劑用量的變化對泡沫混凝土的保溫性能影響不大。結(jié)合相關(guān)文獻資料，推測可以采用減小泡沫混凝土密度的手段來減小其導(dǎo)熱系數(shù)，改善其保溫性能。

3結(jié)論

1)粉煤灰和聚羧酸減水劑摻量的增加均使泡沫混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。適量摻入粉煤灰能提高混凝土的和易性，利用粉煤灰自身活性促進混凝土后期的強度增長；減水劑的加入有助于混凝土進行水化反應(yīng)，但摻量過多造成的泡沫大量破損或集聚上浮對混凝土強度增長較為不利。

2)硅灰的摻入總體上會對泡沫混凝土的抗壓強度產(chǎn)生不利影響，但因其粒徑較小、且能發(fā)生二次水化反應(yīng)，可使混凝土強度稍有增長。聚丙烯纖維摻量較少時對泡沫混凝土抗壓強度的影響不明顯。

3)對于設(shè)計干密度為400 kg/m3的泡沫混凝土來說，較少的粉煤灰摻量、適中的硅灰摻量和較少的減水劑用量利于提升其抗壓強度。在保持泡

沫混凝土干密度恒定的條件下，摻合料和減水劑的用量變化對其導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大。綜合考慮后的優(yōu)化配合比為水泥摻量91%、硅灰摻量9%、聚羧酸減水劑用量0.5%。

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責(zé)任編輯：唐海燕

Preparation and Mechanical Property of a New Type of Thermal Material

ZHANG Jinyang,FAN Li,FAN Chen,GU Chengjun

(School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210000)

Abstract：The problem of low strength exists in the design of lightweight foam concrete as a thermal material with dry density of 400 kg/m3.This experiment uses the method of controlling variables to study the effects of content of normal admixture and water reducing agent on the compressive strength of foam concrete.Through a great number of tests on compressive strength of foam concrete testing models,the experiment shows that adding proper amount of fly ash and poly carboxylic water reducing agent contributes to the growth of concrete strength while the addition of silica fume has a negative effect on strength increase,and a small amount of polypropylene fiber has relatively little influence.Through the orthogonal test with four factors and at four levels,while considering mechanical and thermal insulation properties of foam concrete,it can be concluded that when the content of cement is 91%,the content of silica fume is 9%,and the content of poly carboxylic water reducing agent is 0.5%,the ratio of foam concrete is relatively reasonable.

Key words：foam concrete；compressive strength；orthogonal test；proportion；admixture；water reducing agent

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.002

收稿日期：2016- 03- 03

作者簡介：章錦洋(1995—)，男，本科生。

中圖分類號：TU55+1

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1671- 0436(2016)02- 0006- 04