碳酸鈣晶須增韌泡沫混凝土性能試驗(yàn)研究

段世榮

（貴州省甕安縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，貴州 甕安 550400）

作為一種新型的建筑保溫材料，泡沫混凝土質(zhì)量輕，具有優(yōu)良的保溫隔熱性和防火性能。但泡沫混凝土存在強(qiáng)度偏低[1]、韌性差[2]、收縮大的缺陷[3]，限制了其推廣應(yīng)用。對(duì)于密度小于700 kg/m3的泡沫混凝土，當(dāng)內(nèi)部存在微小裂紋時(shí)便會(huì)導(dǎo)致該系列產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題[4-6]。

泡沫混凝土更多的是采用纖維素來(lái)實(shí)現(xiàn)增韌阻裂[7]，而纖維素的種類對(duì)泡沫混凝土制品的增韌效果存在較大差異[8]，傳統(tǒng)泡沫混凝土增韌制品研究主要是集中于毫米級(jí)材料的增韌阻裂等方面[9]，對(duì)于微米級(jí)和納米級(jí)纖維增韌性研究較少。碳酸鈣晶須作為一類纖維狀單晶體，其直徑處于亞微米和納米級(jí)[10]。將碳酸鈣晶須填充到泡沫混凝土中，對(duì)泡沫混凝土的增韌效果明顯，并且碳酸鈣晶須具有價(jià)格低廉的特點(diǎn)，較高的耐磨性和保溫性，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[11-13]。基于此，本文對(duì)以碳酸鈣晶須作為納米纖維增韌材料的泡沬混凝土的性能進(jìn)行分析，并進(jìn)行了機(jī)理研究，為泡沫混凝土的推廣應(yīng)用提供理論支持。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，玉山水泥公司生產(chǎn)；發(fā)泡劑：SY-F30，山東煙臺(tái)嘉世建筑公司生產(chǎn)；減水劑：SW-4，高效萘系減水劑，減水率20%，固含量40%，摻量推薦為0.5%～1.5%，大連源泉建筑公司生產(chǎn)；粉煤灰：Ⅱ級(jí)，京能熱電有限公司產(chǎn)；石英砂：黔南布依族苗族自治州產(chǎn)；膨脹珍珠巖：貴州貴宏盛保溫材料有限公司生產(chǎn)；穩(wěn)泡劑：S-1，廊坊市騰大化工有限公司產(chǎn)；碳酸鈣晶須：四川蜀陽(yáng)化工生產(chǎn)的增強(qiáng)型碳酸鈣晶須，具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度和摩擦系數(shù)，耐熱性能優(yōu)異，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品無(wú)毒、無(wú)污染，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 碳酸鈣晶須的主要化學(xué)成分 %

1.2 配合比設(shè)計(jì)

泡沫混凝土設(shè)計(jì)密度為800～1100 kg/m3，發(fā)泡劑按m（發(fā)泡劑）∶m（水）=1∶20的比例稀釋。先將干料用攪拌機(jī)干攪混合，再將碳酸鈣晶須摻入其中，最后混入泡沫。按照少量多次的制備原則，每次泡沫混凝土的制備量較少，為防止飛濺，采用微型攪拌器發(fā)泡和混泡。試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。表2為不同密度等級(jí)泡沫混凝土的基準(zhǔn)配合比，試驗(yàn)時(shí)分別摻入占水泥質(zhì)量1%、3%、5%的碳酸鈣晶須。

表2 不同密度等級(jí)泡沫混凝土的基準(zhǔn)配合比 kg

2 碳酸鈣晶須增韌泡沫混凝土的結(jié)構(gòu)

2.1 碳酸鈣晶須增韌泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

2.1.1 碳酸鈣晶須在泡沫中的排布

泡沫的穩(wěn)定性和泡徑尺寸是影響泡沫混凝土的2個(gè)主要因素，該因素與表面活性劑和表面張力相關(guān)。降低表面能能夠獲得泡徑相對(duì)較小且穩(wěn)定的液態(tài)泡沫。納米尺寸的晶須摻入泡沫混凝土中具有微粉末作用，能夠起到穩(wěn)泡的效果。碳酸鈣晶須降低了氣泡的表面能，增加了膜的韌性和穩(wěn)定性。圖1為密度等級(jí)為800 kg/m3條件下光學(xué)顯微鏡下拍攝的氣泡膜，小徑氣泡均勻分布，從孔徑尺寸可以看出，摻3%晶須后氣泡的尺寸明顯減小。同時(shí)，液態(tài)泡沫表面覆蓋著穩(wěn)定的碳酸鈣晶須，對(duì)于成型泡沫混凝土而言，晶須在多孔性方面具有很好的改良效果。事實(shí)上，碳酸鈣晶須加入到泡沫混凝土中有效提高了泡沫膜的彈性和機(jī)械強(qiáng)度，使液膜不易破裂；液膜的排液速度得到延續(xù)，泡沫呈現(xiàn)出雙電子層的致密結(jié)構(gòu)，更為細(xì)小均勻，有效提高了分子間作用力和液膜的自我修復(fù)能力。

圖1 晶須在泡沫中排布

2.1.2 晶須在基壁的排布

為保證泡沫混凝土基體的孔壁處能夠富集碳酸鈣晶須，分別將碳酸鈣晶須摻入混凝土膠結(jié)料和混合制泡過(guò)程中，碳酸鈣晶須作為礦物微纖維對(duì)泡沫混凝土基壁結(jié)構(gòu)具有改良作用，可有效減少氣泡的合并和破裂，提高氣泡穩(wěn)定性，同時(shí)，作為孔隙充填物，封閉了水泥結(jié)構(gòu)中的部分間隙，晶須與水泥漿體內(nèi)部的水泥發(fā)生水化作用，生成了三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)形式。圖2為碳酸鈣晶須在孔壁的整體SEM結(jié)構(gòu)照片。圖中柱狀結(jié)構(gòu)為碳酸鈣晶須，可以看出，在泡沫混凝土孔壁上覆蓋了大量晶須成分，從而對(duì)孔壁起到支撐穩(wěn)固作用，形成了較為穩(wěn)固狀態(tài)。

圖2 晶須在孔壁排布的SEM照片

圖3為晶須在基壁排布的掃描電鏡照片。

圖3 晶須在基壁排布的SEM照片

由圖3可見(jiàn)，摻入碳酸鈣晶須后，基壁得到了充分水化，整個(gè)基體組成相對(duì)較為致密，晶須和水泥基體融合在一起，呈三維亂向分布。

2.2 各因素對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1 減水劑對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

圖4為密度等級(jí)為800 kg/m3條件下，未摻減水劑和摻減水劑下的泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。

圖4 未摻和摻加減水劑的泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

由圖4可見(jiàn)，未摻減水劑時(shí)，泡沫混凝土孔徑大小極不均勻，大孔間夾雜著諸多的小空隙；摻入減水劑后，泡徑由混亂的不均勻狀轉(zhuǎn)化為均勻狀，混凝土孔結(jié)構(gòu)得到了較大改善。2.2.2 晶須對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)的影響

圖5為密度等級(jí)為800 kg/m3條件下，不同晶須摻量的泡沫混凝土的微觀形貌。

圖5 不同晶須摻量的泡沫混凝土結(jié)構(gòu)

由圖5可見(jiàn)，晶須摻量為3%時(shí)的孔徑大小和分布一致性最優(yōu)。當(dāng)晶須摻量較低時(shí)，摻入晶須僅僅破壞了部分泡沫結(jié)構(gòu)，并未形成完整的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；當(dāng)晶須摻量達(dá)到3%時(shí)，漿體內(nèi)晶須結(jié)構(gòu)與水化水泥共同形成了穩(wěn)固的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，隨著晶須摻量的繼續(xù)提高，則易形成分散性較差的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，優(yōu)化效果大幅下降。

3 碳酸鈣晶須增韌泡沫混凝土的性能分析

3.1 對(duì)吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

本試驗(yàn)選擇了800、900、1100 kg/m3等3個(gè)干密度等級(jí)泡沫混凝土進(jìn)行研究，碳酸鈣晶須對(duì)泡沫混凝土質(zhì)量吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 碳酸鈣晶須摻量對(duì)泡沫混凝土吸水率的影響

由圖6可知，當(dāng)密度等級(jí)為800、900 kg/m3時(shí)，隨碳酸鈣晶須摻量的增加，試件的吸水率基本呈減小的趨勢(shì)；而密度等級(jí)為1100 kg/m3時(shí)，隨碳酸鈣晶須摻量的增加，試件的吸水率逐漸增大。碳酸鈣晶須摻量相同時(shí)，隨泡沫混凝土密度的增大，試件的吸水率逐漸減小，這是因?yàn)槊芏鹊脑龃髮?dǎo)致試件的孔隙率下降，從而減小了泡沫混凝土的吸水面積。

圖7 碳酸鈣晶須摻量對(duì)泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖7可見(jiàn)，碳酸鈣晶須摻量相同時(shí)（1%～5%范圍內(nèi)），隨泡沫混凝土密度的增大，試件的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大；密度等級(jí)相同時(shí)，摻1%～5%碳酸鈣晶須的泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)均低于未摻碳酸鈣晶須的泡沫混凝土，可見(jiàn)，碳酸鈣晶須摻量在一定范圍時(shí)，則相應(yīng)密度等級(jí)下的泡沫混凝土仍然可以獲得較為優(yōu)異的保溫性能。

3.2 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖8）

圖8 碳酸鈣晶須摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖8可見(jiàn)，碳酸鈣晶須摻量相同時(shí)，隨泡沫混凝土密度的增大，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸提高。密度等級(jí)為800、900 kg/m3時(shí)，碳酸鈣晶須的摻入對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度影響并不明顯；密度等級(jí)為1100kg/m3時(shí)，碳酸鈣晶須的摻入對(duì)材料的抗壓強(qiáng)度影響較明顯，當(dāng)晶須摻量為1%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度最高，較未摻晶須的提高了34.0%；當(dāng)晶須摻量超過(guò)1%后對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的提升作用開始下降，當(dāng)摻量為5%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度較未摻晶須的只提高了8.3%。

3.3 對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖9）

由圖9可見(jiàn)，碳酸鈣晶須摻量相同時(shí)，隨泡沫混凝土密度的增大，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸提高；密度等級(jí)為1100kg/m3的試件相對(duì)于800 kg/m3的試件，其劈裂抗拉強(qiáng)度提高了近10倍。當(dāng)密度等級(jí)為800 kg/m3時(shí)，晶須摻量由1%提高到3%時(shí)，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度由0.15 MPa提高到0.45 MPa，提升效果顯著。不同密度等級(jí)下，當(dāng)晶須摻量小于3%時(shí)，對(duì)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度具有較大的促進(jìn)作用；但當(dāng)晶須摻量大于3%后，隨晶須摻量的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度降低。

圖9 碳酸鈣晶須摻量對(duì)泡沫混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

3.4 對(duì)收縮性能的影響（見(jiàn)圖10）

圖10 碳酸鈣晶須摻量對(duì)泡沫混凝土收縮性的影響

由圖10可見(jiàn)，在不同齡期下，隨著密度等級(jí)的增大，試件的收縮值逐漸減??；隨著齡期的延長(zhǎng)，試件的收縮值增大。不同密度等級(jí)下56 d齡期相對(duì)于7 d齡期下的收縮值增大了100%。隨著碳酸鈣晶須摻量的增加，試件的收縮值整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，當(dāng)碳酸鈣晶須摻量超過(guò)3%時(shí)，減小趨勢(shì)漸趨于平緩。由此可知，晶須的摻入可有效阻止泡沫混凝土的收縮。通過(guò)分析可知，晶須摻量對(duì)密度等級(jí)較低的泡沫混凝土的收縮值影響最大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）碳酸鈣晶須呈三維亂向分布在泡沫混凝土中，降低了泡沫表面張力；碳酸鈣晶須的摻入能夠降低泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，提高保溫性能；當(dāng)碳酸鈣晶須量為3%時(shí)獲得最優(yōu)的綜合物理性能。

（2）摻入碳酸鈣晶須能夠有效提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)密度等級(jí)為1100kg/m3，碳酸鈣晶須摻量為1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度較未摻晶須的提高了34%；當(dāng)碳酸鈣晶須摻量為3%時(shí)，獲得最優(yōu)的劈裂抗拉強(qiáng)度和收縮率。

（3）綜合考慮，碳酸鈣晶須的最佳摻量為3%，能有效提高泡沫混凝土的保溫性能以及抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)增韌、防開裂的效果。

[1] 呂桂珍，王偉令.建筑外墻保溫技術(shù)淺析[J].經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2009（5）：99.

[2] 吳月月，倪修全，王德明.泡沫-EPS輕集料混凝土配合比及性能試驗(yàn)研究[J].混凝土，2012（4）：131-133.

[3] 趙武勝，陳衛(wèi)忠，譚賢君，等.高性能泡沫混凝土隧道隔震材料研究[[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2013，35（8）：1544-1552.

[4] Ramamurthy K，Kunhanandan Nambiar E K，Indu Siva Ranjani G.A classification of studies on properties offoam concrete[J].Cement and Concrete Composites，2014，31（6）：388-396.

[5] 鄧容有.隔熱泡沫混凝土的工程應(yīng)用[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2011，（2）：41-43.

[6] 唐虹.泡沫混凝土在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（3）：115-117.

[7] 潘志華，陳國(guó)瑞，李東旭.現(xiàn)澆泡沫混凝土常見(jiàn)質(zhì)量問(wèn)題分析及對(duì)策[J].新型建筑材料，2014（1）：4-7.

[8] 陳兵，劉睫.纖維增強(qiáng)泡沫混凝土性能試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2010（3）：286-290.

[9] 鄧均，霍冀川，宋言紅，等.聚乙烯醇纖維泡沫混凝土的性能試驗(yàn)[J].混凝土與水泥制品，2012（2）：41-44.

[10] 趙星，霍冀川，高亞，等.玄武巖纖維增強(qiáng)泡沫棍凝土性能的研究[J].混凝土與水泥制品，2012（12）：54-57.

[11] 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），2014（2）：226-229.

[12] 牛云輝，盧忠遠(yuǎn)，嚴(yán)云，等.泡沫混凝土整體現(xiàn)澆墻體工程應(yīng)用研究[J].新型建筑材料，2013（3）：25-29.

[13] 李應(yīng)權(quán)，朱立德，李菊麗，等.泡沫混凝土配合比的設(shè)計(jì)[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（2）：1-5.