燒結(jié)空心砌塊填芯用泡沫混凝土制備研究

游勁秋，張國永，王立，李杰，董澤

（浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

燒結(jié)空心砌塊填芯用泡沫混凝土制備研究

游勁秋，張國永，王立，李杰，董澤

（浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

為解決泡沫混凝土澆注入燒結(jié)空心砌塊后出現(xiàn)的塌陷問題，研究了幾種穩(wěn)泡劑和速凝劑對泡沫混凝土性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：羥丙基甲基纖維素醚摻量為0.05%時(shí)，泡沫混凝土的體積穩(wěn)定性有所提高；ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量為10%時(shí)，泡沫混凝土可脫模時(shí)間在30 min內(nèi)。通過改進(jìn)泡沫混凝土配合比解決了塌陷問題。

泡沫混凝土；配合比；穩(wěn)泡；速凝；燒結(jié)空心砌塊

0 引言

隨著對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能要求的提高，墻體材料的保溫隔熱性能要求也相應(yīng)提高。開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用新型節(jié)能墻體材料，已成為建筑墻體材料的重要發(fā)展方向。以燒結(jié)空心砌塊為基體，空腔內(nèi)填充輕質(zhì)泡沫混凝土形成的燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊，綜合了燒結(jié)空心砌塊高強(qiáng)度、低收縮率的特點(diǎn)和泡沫混凝土保溫性能好的優(yōu)點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的自保溫墻體材料。

泡沫混凝土是一種水泥基多孔材料，具有輕質(zhì)、保溫、防火、耐久等優(yōu)點(diǎn)。泡沫混凝土根據(jù)發(fā)泡方式不同，主要分成物理發(fā)泡法和化學(xué)發(fā)泡法2大類。2種方法的一個(gè)主要區(qū)別是漿料的發(fā)泡時(shí)間不同[1]：物理發(fā)泡法中，發(fā)泡過程就是泡沫與水泥漿料混合的過程，漿料倒入模具后體積基本不再發(fā)生變化；化學(xué)發(fā)泡法中，發(fā)泡過程主要是在漿料倒入模具后完成的發(fā)泡程度受養(yǎng)護(hù)條件影響較大。從這個(gè)角度上講，物理發(fā)泡法更適用于填芯用泡沫混凝土的制備，本文選擇物理發(fā)泡法制備泡沫混凝土。

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低密度的泡沫混凝土填充到燒結(jié)空心砌塊后易出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诘兔芏扰菽炷翝{料中泡沫體積占80%以上，穩(wěn)定性較差，泡沫容易因燒結(jié)空心砌塊吸水等因素干擾而破滅，從而導(dǎo)致泡沫混凝土塌陷。因此需要對燒結(jié)空心砌塊填芯用泡沫混凝土制備技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5水泥，杭州錢潮水泥有限公司。減水劑：聚羧酸鹽高效減水劑，固含量98%，減水率45%，北京德昌偉業(yè)建筑工程技術(shù)有限公司。發(fā)泡劑：HTQ-1型復(fù)合發(fā)泡劑，河南華泰建材開發(fā)有限公司。穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣，工業(yè)級，市售；羥丙基甲基纖維素醚（HPMC），黏度200 Pa·s，市售；三乙醇胺分析純，無錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司。速凝劑：碳酸鈉、碳酸鉀、硝酸鐵、偏鋁酸鈉，分析純，上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；ZJK鋁酸鹽速凝劑，粉體，自制。

1.2 主要儀器設(shè)備

攪拌機(jī)，符合GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》的要求；發(fā)泡器，河南華泰建材開發(fā)有限公司HT-10型發(fā)泡器。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 泡沫混凝土的制備

（1）準(zhǔn)確稱量水泥、水、外加劑等原料，稱量結(jié)束后將液體類外加劑加入水中混合均勻，固體類外加劑與水泥混合均勻；（2）將水或已溶解外加劑的水溶液加入固體物料中攪拌均勻，形成水泥漿料；（3）使用發(fā)泡器將發(fā)泡劑制備成細(xì)密的泡沫，并加入水泥漿料中混合均勻，制得泡沫混凝土拌合物；（4）將泡沫混凝土拌合物澆注入燒結(jié)空心砌塊空腔內(nèi)（空腔尺寸：長122.5 mm×寬120 mm×高190 mm），在自然條件下養(yǎng)護(hù)。

通過控制干物料的總質(zhì)量和泡沫混凝土漿料的總體積，控制泡沫混凝土的目標(biāo)密度。本文控制泡沫混凝土的干密度≤300 kg/m3，根據(jù)長期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[2]，選取泡沫混凝土的基礎(chǔ)配方如表1所示。該配方制得的泡沫混凝土拌合物澆注入鋼模中成型、養(yǎng)護(hù)，測得性能如下：絕干密度277 kg/m3，抗壓強(qiáng)度0.23 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.064 W（/m·K）。

表1 泡沫混凝土的基礎(chǔ)配合比kg/m3

1.3.2 泡沫混凝土性能評價(jià)指標(biāo)

為解決泡沫混凝土拌合物澆注入燒結(jié)空心砌塊空腔后出現(xiàn)的塌陷問題，筆者考慮通過提高泡沫混凝土以下2方面性能：（1）提高拌合物的穩(wěn)定性；（2）提高拌合物的凝結(jié)速度。從實(shí)際應(yīng)用角度，本文選定的評價(jià)泡沫混凝土拌合物性能的具體指標(biāo)如下：（1）拌合物澆注入空心砌塊30 min時(shí)的塌陷深度不超過1 mm；（2）拌合物澆注入空心砌塊至可以脫去底模的時(shí)間（可脫模時(shí)間）應(yīng)不超過30 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 穩(wěn)泡劑對泡沫混凝土性能影響

在表1所列的泡沫混凝土基礎(chǔ)配方中分別摻入硬脂酸鈣、羥丙基甲基纖維素醚、三乙醇胺作為泡沫混凝土的穩(wěn)泡劑（摻量以水泥的質(zhì)量百分比計(jì)，下同），考查泡沫混凝土拌合物澆注入燒結(jié)空心砌塊中后的塌陷情況。不同穩(wěn)泡劑對泡沫混凝土拌合物穩(wěn)定性的影響如表2所示。

表2 不同穩(wěn)泡劑對泡沫混凝土拌合物穩(wěn)定性的影響

從表2可知，羥丙基甲基纖維素醚的穩(wěn)泡效果最理想，硬脂酸鈣次之，三乙醇胺基本沒有穩(wěn)泡效果。羥丙基甲基纖維素醚常用作水泥砂漿保水劑和增稠劑[3-4]，將它摻入泡沫混凝土拌合物中能夠增加拌合物的黏稠度，將泡沫束縛在體系中，從而提高泡沫的穩(wěn)定性[5]。

不摻穩(wěn)泡劑以及摻0.05%羥丙基甲基纖維素醚的泡沫混凝土澆注入燒結(jié)空心砌塊30 min時(shí)塌陷程度如圖1所示。

圖1 泡沫混凝土澆注30 min時(shí)的塌陷情況

從圖1可以看出，摻0.05%羥丙基甲基纖維素醚的泡沫混凝土拌合物基本不塌陷，可以滿足使用要求。因此，選擇羥丙基甲基纖維素醚作為泡沫混凝土拌合物的穩(wěn)泡劑，摻量為0.05%。

2.2 速凝劑對泡沫混凝土性能的影響

普通硅酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間較長，一般初凝時(shí)間大于150 min，終凝時(shí)間大于200 min。在水泥凝結(jié)固化前，泡沫混凝土拌合物的體積穩(wěn)定性取決于泡沫的穩(wěn)定性，但是泡沫是一個(gè)熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，隨時(shí)間延長泡沫不斷破滅，尤其澆注入燒結(jié)空心砌塊空腔內(nèi)，空腔壁的吸水作用將加速泡沫排液，導(dǎo)致泡沫加速破滅。圖1（b）中摻0.05%羥丙基甲基纖維素醚的泡沫混凝土拌合物在30 min內(nèi)基本不塌陷，但是隨著時(shí)間延長至60 min塌陷深度急劇增加。這說明摻0.05%羥丙基甲基纖維素醚只能在短時(shí)間內(nèi)提高泡沫混凝土拌合物的穩(wěn)定性。若提高水泥的凝結(jié)速度使泡沫混凝土拌合物的固化時(shí)間控制在30 min內(nèi)，由水泥水化產(chǎn)物包裹的泡孔壁提供后續(xù)的強(qiáng)度支撐，將會(huì)有效解決泡沫混凝土拌合物澆注入燒結(jié)空心砌塊后的塌陷問題，并且能夠有效提高燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊的生產(chǎn)效率。

在表1的泡沫混凝土配方基礎(chǔ)上，摻水泥質(zhì)量0.05%的羥丙基甲基纖維素醚穩(wěn)泡劑，然后分別選用碳酸鈉、碳酸鉀、硝酸鐵、偏鋁酸鈉、ZJK鋁酸鹽速凝劑作為水泥速凝劑，研究不同速凝劑對泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同速凝劑對泡沫混凝土性能的影響

碳酸鈉和碳酸鉀為常用混凝土速凝劑，其機(jī)理是與水泥中的石膏反應(yīng)形成硫酸鈉，使石膏喪失其原有的緩凝作用，從而導(dǎo)致鋁酸鈣礦物迅速水化。另外碳酸鈉和碳酸鉀是可溶性鹽，能與水泥水化生成的Ca（OH）2反應(yīng)生成碳酸鈣微細(xì)晶核，也能促進(jìn)水泥水化[6]。但是從表3可以看出，摻碳酸鈉和碳酸鉀的試驗(yàn)結(jié)果類似，可脫模時(shí)間長而且泡沫混凝土塌陷現(xiàn)象嚴(yán)重，具體原因有待進(jìn)一步深入研究。偏鋁酸鈉對泡沫混凝土的速凝效果非常顯著，但是泡沫混凝土的后期強(qiáng)度損失大，而且試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)凝結(jié)時(shí)間太短不便于操作。摻3%硝酸鐵的泡沫混凝土可脫模時(shí)間為50 min，離目標(biāo)值還有一定差距，而且泡沫混凝土固化后表面存在開裂現(xiàn)象。ZJK鋁酸鹽速凝劑效果相對理想，摻量為5%時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果與目標(biāo)值較接近。

ZJK鋁酸鹽速凝劑主要成份的XRD圖譜如圖2所示。

圖2 ZJK鋁酸鹽速凝劑的XRD圖譜

從圖2可以看出，ZJK鋁酸鹽速凝劑的主要礦物組成為鋁酸一鈣（CA）、二鋁酸一鈣（CA2）、七鋁酸十二鈣（C12A7）、鈣鋁黃長石（C2AS）等，其中CA和CA2具有很強(qiáng)水化反應(yīng)活性ZJK鋁酸鹽速凝劑的速凝機(jī)理如下[7]：在普通硅酸鹽提供的堿性環(huán)境中，CA和CA2迅速水化反應(yīng)生成CAH10、C2AH8和C3AH6等水化產(chǎn)物，并繼續(xù)與普通硅酸鹽水泥中的石膏反應(yīng)生成難溶于水的針狀晶體——鈣釩石，使拌合物失去流動(dòng)性另外，普通硅酸鹽水泥由于石膏被消耗后，失去緩凝作用，水化反應(yīng)也得以加速。

綜合對比，選擇ZJK鋁酸鹽速凝劑作為泡沫混凝土速凝劑并進(jìn)行摻量優(yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。由于ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量較大，外摻法易導(dǎo)致泡沫混凝土密度差異較大，因此本組實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)摻法，控制水泥和ZJK鋁酸鹽速凝劑的總量為250 kg/m3左右，其它組分摻量保持不變。

表4 ZJK鋁酸鹽速凝劑對泡沫混凝土性能的影響

從表4可以看出，在5%～20%摻量范圍內(nèi)，隨著ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量增加，泡沫混凝土的可脫模時(shí)間縮短，5%～ 10%時(shí)縮短幅度較大，而后幅度逐漸變緩。這可能是因?yàn)閆JK鋁酸鹽速凝劑摻量較低時(shí)，普通硅酸鹽水泥中的石膏相對富余，隨ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量增加生成鈣釩石的量以相應(yīng)的幅度增加，當(dāng)ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量較高時(shí)，普通硅酸鹽水泥中的石膏相對不足，隨ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量增加生成鈣釩石的量不能以相應(yīng)的幅度增加或不再增加。

從表4還可以看出，泡沫混凝土的塌陷深度隨ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量增加出現(xiàn)先減小而急劇增加的規(guī)律。筆者分析認(rèn)為出現(xiàn)這種規(guī)律的可能原因如下：（1）泡沫混凝土澆注入燒結(jié)空心砌塊后，維持體積穩(wěn)定的時(shí)間約為30 min。ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量為5%時(shí)，可脫模時(shí)間大于30 min，不利于泡沫混凝土保持體積穩(wěn)定，摻量增加至10%～15%，可脫模時(shí)間降至30 min以內(nèi)，塌陷程度明顯改善；（2）水泥水化放熱不利于泡沫混凝土拌合物的體積穩(wěn)定性。ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量增加至20%時(shí)，在制備泡沫混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn)拌合物的溫度急劇升高，泡沫破滅速度明顯提高，這應(yīng)該是由于ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量較高時(shí)水泥水化放熱劇烈，泡沫混凝土中的泡沫受熱膨脹而脹破。因此，ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量為10%比較合適

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，確定了燒結(jié)空心砌塊填芯用泡沫混凝土的配合比如表5所示。

表5 燒結(jié)空心砌塊填芯用泡沫混凝土的配合比kg/m3

將該配比制備的泡沫混凝土澆注入燒結(jié)空心砌塊后形成燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊如圖3所示。經(jīng)測試，泡沫混凝土固化后性能為：絕干密度286 kg/m3，抗壓強(qiáng)度0.19 MPa，導(dǎo)熱系數(shù)0.068 W/（m·K）。

圖3 燒結(jié)復(fù)合保溫砌塊

3 結(jié)語

本文通過摻加羥丙基甲基纖維素醚提高泡沫混凝土拌合物穩(wěn)定性，繼續(xù)摻入ZJK鋁酸鹽速凝劑縮短拌合物固化時(shí)間，從而制得了燒結(jié)空心砌塊填芯用泡沫混凝土。羥丙基甲基纖維素醚摻量為0.05%，ZJK鋁酸鹽速凝劑摻量為10%時(shí)，制得的泡沫混凝土拌合物澆注入燒結(jié)空心砌塊后26 min即可脫模，且泡沫混凝土表面平整基本無塌陷。

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Study on the preparation of foam concrete filled in fired hollow blocks

YOU Jinqiu，ZHANG Guoyong，WANG Li，LI Jie，DONG Ze
（Zhejiang Academy of Building Research＆Design Co.Ltd.，Hangzhou 310012，China）

To solve the subsidence problem of foam concrete filled into fired hollow blocks，the effect of foam stabilizers and accelerator additives on the property of foam concrete were studied.The results of experiment show：volume stability of foam concrete was improved by adding 0.05%HPMC，the setting time of foam concrete was controlled in 30 mins by adding 10%self-made aluminate accelerating additive.The subsidence problem of foam concrete was solved through adjusting its formulation.

foam concrete，formulation，foam-stabilizing，acceleration setting，fired hollow blocks

TU528.2

A

1001-702X（2016）09-0087-04

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014F50008）

2016－03－10；

2016-04-07

游勁秋，男，1967年生，江蘇泰縣人，教授級高級工程師。