石粉泡沫混凝土應(yīng)用研究

胡宏峽

（中國水利水電第四工程局勘測設(shè)計研究院，青海 西寧 810000）

0 前言

玉樹地震災(zāi)后重建工程平均海拔4000 m左右，晝夜溫差大，冬季氣溫低，年平均氣溫3.2℃，極端最低氣溫－27℃。為適應(yīng)建筑物節(jié)能減排需求，重建工程屋頂保溫層采用泡沫混凝土材料。

災(zāi)后重建期間，中水集團(tuán)砂石場在生產(chǎn)人工骨料過程中產(chǎn)生大量石粉無法正常利用，如果直接拌在混凝土中將對其性能造成不利影響，直接排放則污染環(huán)境。通過研究認(rèn)為，如果將產(chǎn)生的石粉收集起來，用于生產(chǎn)泡沫混凝土，則可以防止環(huán)境污染，節(jié)約水泥，降低泡沫混凝土的生產(chǎn)成本。

為了解決這一技術(shù)問題，查閱了國內(nèi)外有關(guān)泡沫混凝土的技術(shù)資料。在原材料方面，國外主要以水泥為主，采用粉煤灰、礦粉等活性摻合料的很少，對于采用石粉等非活性摻合料生產(chǎn)泡沫混凝的情況，未見報到；在國內(nèi)同樣以水泥為主，對粉煤灰、礦粉等活性摻合料的應(yīng)用研究比較多，對于采用石粉等非活性摻合料的，報道有個別單位利用石材加工廢棄物石粉生產(chǎn)泡沫混凝土砌塊的，但采用石粉生產(chǎn)現(xiàn)澆泡沫混凝土的未見報道。

進(jìn)行該項(xiàng)目研究主要解決2方面問題：（1）通過選擇適宜的水泥和高性能發(fā)泡劑，解決在高海拔、高溫差及干燥環(huán)境條件下泡沫混凝土穩(wěn)定性問題。（2）解決人工石粉在泡沫混凝土中應(yīng)用。把石粉作為泡沫混凝土摻合料，通過試驗(yàn)選擇適宜的配合比參數(shù)，配制滿足性能要求的石粉泡沫混凝土。

本次試驗(yàn)研究依托玉樹災(zāi)后重建工程，不僅可以達(dá)到上述目的，還可以解決當(dāng)時災(zāi)后重建工程屋面材料缺乏的問題。另外，混凝土和泡沫混凝土、泡沫混凝土砌塊的需求數(shù)量很大。用于生產(chǎn)混凝土的天然骨料越來越少，以后主要以人工破碎骨料為主，由此產(chǎn)生的石粉會越來越多，如果不能妥善處理將對環(huán)境造成不良影響。所以，利用人工骨料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的石粉，進(jìn)行石粉泡沫混凝土和泡沫混凝土砌塊方面應(yīng)用研究很有必要。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5水泥，其比表面積、安定性、凝結(jié)時間、強(qiáng)度、燒失量、SO3含量、MgO含量、氯離子、堿含量等指標(biāo)檢測結(jié)果均符合規(guī)范要求，青海金鼎水泥有限公司生產(chǎn)。

（2）石粉：中水集團(tuán)砂石場位于玉樹結(jié)古鎮(zhèn)果青村，用于生產(chǎn)混凝土骨料的巖石主要由這里開采的淺灰色砂巖和淺綠色的砂巖或板巖組成，較堅(jiān)硬，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，單軸抗壓強(qiáng)度35～45 MPa，在生產(chǎn)人工骨料過程中產(chǎn)生大量石粉。經(jīng)過測試，石粉密度2.74 g/cm3，與生產(chǎn)骨料的巖石視比重接近；比表面積為158 m2/kg，約只有水泥比表面積的1/2，主要是破碎骨料時產(chǎn)生的石粉，與水泥不同，沒有經(jīng)過進(jìn)一步的磨細(xì)工藝，顆粒相對較粗；在水泥中摻入石粉后，凝結(jié)時間隨石粉含量提高而延長。

（3）發(fā)泡劑：采用河南華泰建材有限公司生產(chǎn)的HTW-1型復(fù)合發(fā)泡劑，其密度和pH值依據(jù)GB/T 8077—2008《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，發(fā)泡倍數(shù)、泡沫沉降距和泡沫泌水量依據(jù)DGJ 32/TJ 104—2010《現(xiàn)澆輕質(zhì)泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。

表1 HTW-1型發(fā)泡劑的性能

1.2 發(fā)泡劑的選擇

混凝土發(fā)泡劑是指能夠降低液體表面張力，產(chǎn)生大量均勻而穩(wěn)定的泡沫，用以生產(chǎn)泡沫混凝土的外加劑。發(fā)泡劑具有較高的表面活性，并在液膜表面雙電子層排列而包圍空氣，形成氣泡，再由單個氣泡組成泡沫。國內(nèi)目前使用的水泥發(fā)泡劑主要分為4種類型：松香發(fā)泡劑、合成類發(fā)泡劑、蛋白類發(fā)泡劑和復(fù)合類發(fā)泡劑。

在泡沫混凝土中，泡沫是形成泡沫混凝土的基礎(chǔ)，發(fā)泡劑的性能對泡沫混凝土的質(zhì)量影響極大，優(yōu)良的發(fā)泡劑發(fā)泡量多，泡沫強(qiáng)度高，不易破碎，發(fā)泡水泥的稠度也易控制。發(fā)泡劑的質(zhì)量主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）泡沫穩(wěn)定性，質(zhì)量好的發(fā)泡劑所制取的泡沫液膜堅(jiān)韌，機(jī)械強(qiáng)度好，不易在漿體擠壓下破滅或過度變形，具有自我保水性，液膜上的水分不易在重力作用及表面張力作用下流失，可長時間保持泡沫液膜的厚度和完整性，從而可使泡沫長間不破滅；（2）泡沫均勻性，制取的泡沫泡徑不可能完全相同，但應(yīng)基本相近，泡徑范圍應(yīng)盡可能小，最好在0.1～1.0 mm之間；（3）泌水率，泡沫制出后，就逐漸向外泌水，泡沫泌水率低，才能更好地保證泡沫中的氣泡數(shù)量和泡沫混凝土的氣孔率，即保證泡沫混凝土的密度；（4）對膠凝材料無負(fù)作用，膠凝材料是泡沫混凝土強(qiáng)度的主要來源，有些發(fā)泡劑所制取的泡沫穩(wěn)定性非常好，但加入膠凝材料后，會降低泡沫混凝土的強(qiáng)度，甚至喪失強(qiáng)度，所以要選用不對膠凝材料產(chǎn)生負(fù)作用的發(fā)泡劑。

HTW-1型復(fù)合發(fā)泡劑是用多種高分子成分制作的一種無污染的強(qiáng)力物理型發(fā)泡劑，其性能特點(diǎn)：易溶于水，泡沫豐富；發(fā)泡倍率高，泡沫細(xì)密均勻；沉降量低，泌水量小，性價比高。

1.3 石粉泡沫混凝土配合比設(shè)計方法

現(xiàn)階段我國泡沫混凝土設(shè)計與施工一般通過經(jīng)驗(yàn)或大量試驗(yàn)來實(shí)施泡沫混凝土應(yīng)用，當(dāng)然不利于泡沫混凝土質(zhì)量控制和技術(shù)發(fā)展[1]。根據(jù)本課題研究內(nèi)容，水泥-石粉-泡沫-水體系泡沫混凝土配合比設(shè)計關(guān)系見式（1）、式（2）：

式中：ρ干——泡沫混凝土設(shè)計干密度，kg/m3；

Sa——泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，各基本組成材料的干物料總量和制品中非蒸發(fā)物總量所確定的質(zhì)量系數(shù)，對于普通硅酸鹽水泥，取1.2；

Mc——1 m3泡沫混凝土水泥用量，kg；

Ms——1 m3泡沫混凝土石粉用量，kg；

Mw——1 m3泡沫混凝土基本用水量，kg；

φ——基本水料比，視施工和易性可作適當(dāng)調(diào)整，一般情況下取0.5。

1 m3泡沫混凝土中，由水泥、石粉和水組成的漿體總體積為 V1，按式（3）計算，泡沫添加量 V2按式（4）計算。即配制單位體積泡沫混凝土，由水泥、石粉和水組成漿體體積不足部分由泡沫填充。

式中：ρs——石粉密度，測試結(jié)果為2740 kg/m3；

ρc——水泥密度，測試結(jié)果為3130 kg/m3；

ρw——水的密度，取1000 kg/m3；

V1——加入泡沫前，水泥、石粉和水組成的漿體總體積，m3；

V2——泡沫添加量，m3；

k——富余系數(shù)，通常大于1，視泡沫劑質(zhì)量和制泡時間而定，主要考慮泡沫加入到漿體中再混合時的損失，對于穩(wěn)定性較好的發(fā)泡劑，一般取1.1～1.3，本項(xiàng)目采用的HTW-1型發(fā)泡劑質(zhì)量較好，取1.1。

泡沫劑用量 Mp按式（5）、式（6）計算：

式中：My——形成的泡沫液質(zhì)量，kg；

ρ泡——實(shí)測泡沫密度，測試結(jié)果為33 kg/m3；

Mp——1 m3泡沫混凝土中發(fā)泡劑質(zhì)量，kg；

β——發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)，廠家資料推薦稀釋70倍，針對玉樹高海拔高溫差地區(qū)，空氣干燥、氣壓相對較低的情況，為提高泡沫穩(wěn)定性，發(fā)泡劑稀釋倍數(shù)為50倍。

1.4 不同石粉摻量對泡沫混凝土性能的影響

為了研究摻加石粉對泡沫混凝土影響情況，進(jìn)行不同摻量石粉對泡沫混凝土性能影響試驗(yàn)。以密度等級為D400泡沫混凝土為基準(zhǔn)，基本水料比按0.50，發(fā)泡劑按50倍稀釋，形成的泡沫密度實(shí)測為33 kg/m3，石粉取代水泥摻量依次為0、10%、15%、20%、25%、30%。按照上述配合比設(shè)計關(guān)系式計算配合比，生產(chǎn)工藝流程見圖1。拌合物性能試驗(yàn)主要為濕密度、流值、凝結(jié)時間以及拌合物外觀等。干密度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，抗壓強(qiáng)度在不同規(guī)定齡期時分別測試，干密度在標(biāo)養(yǎng)28 d后進(jìn)行測試，試驗(yàn)采用電熱鼓風(fēng)干燥箱，首先在（60±5）℃下保溫24 h，然后在（80±5）℃下保溫 24 h，再在（105±5）℃下烘干至恒重。不同石粉摻量泡沫混凝土的拌合物性能、干密度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

圖1 泡沫混凝土生產(chǎn)工藝流程

表2 不同石粉摻量泡沫混凝土的拌合物性能、干密度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出：

（1）摻石粉后泡沫混凝土的干、濕密度均稍有降低，不同石粉摻量濕密度為 513～532kg/m3，28d 干密度為 388～404kg/m3。

（2）不同石粉摻量泡沫混凝土的流值為152～184 mm，石粉摻量提高，拌合物流值降低，說明石粉吸水率較高，需水比較大。

（3）不摻石粉泡沫混凝土的初凝時間為20.7 h、終凝時間31.3 h；隨石粉摻量增大，拌合物初、終凝時間均延長，當(dāng)石粉摻量超過25%時，泡沫混凝土初、終凝時間急劇延長，說明石粉摻量不宜超過25%。

（4）石粉對泡沫混凝土強(qiáng)度有較大影響，隨石粉摻量增大，泡沫混凝土強(qiáng)度降低，尤其對高摻量短齡期強(qiáng)度影響顯著，3 d抗壓強(qiáng)度只有28 d強(qiáng)度的1/3左右，特別是石粉摻量超過25%時強(qiáng)度更低，當(dāng)石粉摻量為30%時泡沫混凝土3 d齡期測不出強(qiáng)度，分析原因可能是凝結(jié)時間太長。到7 d齡期時，抗壓強(qiáng)度才有較大提高，石粉摻量在25%以下時，抗壓強(qiáng)度均可達(dá)到28 d的2/3以上。28 d齡期時，不摻石粉強(qiáng)度達(dá)0.82 MPa，摻30%石粉時強(qiáng)度只有0.49 MPa；石粉摻量在25%以下時，抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到不摻石粉強(qiáng)度的70%以上。

綜合分析石粉摻量對泡沫混凝土凝結(jié)時間和抗壓強(qiáng)度的影響，說明石粉最多不宜超過25%。針對玉樹高原地區(qū)氣溫相對較低、溫差較大的環(huán)境條件，石粉摻量以10%～20%較為合適，本研究對20%以下石粉摻量做進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

1.5 泡沫混凝土干密度與抗壓強(qiáng)度和吸水率關(guān)系

泡沫混凝土配合比設(shè)計一般根據(jù)目標(biāo)干密度來配制。通常泡沫混凝土密度越小，其保溫性能越好，但強(qiáng)度越低；反之密度越大，其保溫性能越差，但強(qiáng)度增長比較明顯?，F(xiàn)澆輕質(zhì)泡沫混凝土主要應(yīng)用于屋面和地面工程，常用干密度在300～900 kg/m3之間，干密度小于300 kg/m3時強(qiáng)度很低，難以用到工程中，大于900 kg/m3時保溫性能優(yōu)勢不明顯，同時也不經(jīng)濟(jì)。為此，本課題研究干密度為300～900 kg/m3泡沫混凝土的密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。

隨著建筑防火力度的加大，無機(jī)類保溫材料將在建筑節(jié)能領(lǐng)域越來越受青睞。泡沫混凝土具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、耐火、施工方便等特性，在建筑節(jié)能領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。但是，泡沫混凝土的吸水率較高，吸水后其保溫效果急劇下降；在寒冷天氣條件下，則會因凍融而造成強(qiáng)度降低和結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重影響泡沫混凝土的耐久性[2]。混凝土吸水率一般分為質(zhì)量吸水率和體積吸水率。對于材料的耐久性能的影響一般用質(zhì)量吸水率來衡量，對于材料保溫性能的影響大多用體積吸水率來衡量。所以，在研究泡沫混凝土干密度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系時，必須探討干密度與吸水率的關(guān)系。

將發(fā)泡劑按50倍稀釋，形成的泡沫密度實(shí)測為33 kg/m3；石粉取代水泥摻量分別為0、10%、15%、20%，基本水料比按0.50，泡沫混凝土設(shè)計干密度 ρ干分別取 300、400、500、600、700、800和900 kg/m3，根據(jù)以上參數(shù)計算不同石粉摻量和不同干密度時的配合比。

從拌合物性能試驗(yàn)結(jié)果來看，不同密度等級泡沫混凝土的濕密度一般為設(shè)計干密度的1.2～1.3倍，流值為160～180 mm。試驗(yàn)成型3、7和28 d齡期抗壓強(qiáng)度試件，同時成型干密度和吸水率試件。干密度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均成型100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期時測試抗壓強(qiáng)度。干密度的試件標(biāo)養(yǎng)28 d后進(jìn)行測試。吸水率、抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系曲線見圖2～圖3。

圖2 泡沫混凝土吸水率與干密度的關(guān)系曲線

圖3 泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系曲線

從圖2可以看出，未摻和石粉摻量為20%泡沫混凝土的質(zhì)量吸水率為8%～22%，吸水率隨著干密度減小而增大；體積吸水率在6%～11%之間，但受干密度影響不大。

從圖3可以看出，在制備工藝相同的前提下，不同石粉摻量泡沫混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度與干密度具有良好的相關(guān)性，呈指數(shù)函數(shù)方程式，這些關(guān)系對于泡沫混凝土配合比參數(shù)選擇和確定具有一定指導(dǎo)意義，也可以通過測試泡沫混凝土濕密度來控制泡沫混凝土的干密度，從而達(dá)到控制泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和其它各項(xiàng)相關(guān)性能的目的。

1.6 配合比設(shè)計及驗(yàn)證試驗(yàn)

結(jié)合玉樹重建工程實(shí)際，泡沫混凝土主要用于樓頂、屋面等隔熱保溫部位，對材料保溫性能有一定要求，泡沫混凝土的體積密度不能太大，要求采用干密度級別為300～500 kg/m3范圍，強(qiáng)度等級在0.5～1.0 MPa范圍。

為了保證隔熱保溫效果，泡沫混凝土配合比設(shè)計主要以密度等級為基準(zhǔn)，同時滿足強(qiáng)度指標(biāo)要求。B03級泡沫混凝土的干密度以300 kg/m3為基準(zhǔn)，最高不得超過350 kg/m3，強(qiáng)度不得低于0.5 MPa；B04級干密度以400 kg/m3為基準(zhǔn)，最高450 kg/m3，最低 350 kg/m3，強(qiáng)度不得低于 0.7 MPa；B05 級干密度以 500 kg/m3為基準(zhǔn)，最高 550 kg/m3，最低 450 kg/m3，強(qiáng)度不得低于1.0 MPa。施工配合比設(shè)計需要考慮材料的不均勻性，材料質(zhì)量具有一定波動性，配制強(qiáng)度應(yīng)滿足式（7）要求：

式中：qu—泡沫混凝土試配抗壓強(qiáng)度，MPa；

qc—泡沫混凝土設(shè)計抗壓強(qiáng)度，MPa。

各級別泡沫混凝土配制強(qiáng)度qu計算如下：

B03 級別：qu≥1.05×0.5=0.53 MPa；

B04 級別：qu≥1.05×0.7=0.74 MPa；

B05 級別：qu≥1.05×1.0=1.05 MPa。

根據(jù)泡沫混凝土石粉摻量與性能關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果、干密度與抗壓強(qiáng)度和吸水率關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果，選擇石粉摻量按15%和20%設(shè)計配合比。根據(jù)干密度與抗壓強(qiáng)度回歸方程：

石粉摻量 15%：y28d=0.1752e0.0037x，或 x=270.3ln（y28d/0.1752）

石粉摻量 20%：y28d=0.1662e0.0038x，或 x=263.2ln（y28d/0.1662）

計算各級泡沫混凝土干密度，進(jìn)行配合比計算，提出的石粉泡沫混凝土施工配合比見表3，對不同等級配合比進(jìn)行了復(fù)核試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表3 摻石粉泡沫混凝土施工配合比

表4 摻石粉泡沫混凝土配合比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表4可以看出，各配合比拌合物的性能滿足施工要求，硬化后各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求。

2 石粉泡沫混凝土施工應(yīng)用

隨著石粉泡沫混凝土研究進(jìn)展，于2012年6月中旬開始在中水集團(tuán)各工區(qū)承建的農(nóng)牧民住房和公建項(xiàng)目屋面和樓面等保溫層中開始應(yīng)用，采用的等級為B03和B04。到2012年10月底，共澆筑石粉泡沫混凝土7.72萬m2。施工過程中對使用的石粉泡沫混凝土進(jìn)行現(xiàn)場抽樣，檢測項(xiàng)目為濕密度、抗壓強(qiáng)度和干密度等，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計要求，見表5。

表5 泡沫混凝土性能檢測結(jié)果

3 結(jié)語

（1）石粉對泡沫混凝土凝結(jié)時間影響較大，隨石粉摻量增加，拌合物凝結(jié)時間延長，當(dāng)石粉摻量超過25%時，泡沫混凝土的初、終凝時間均急劇延長；石粉對泡沫混凝土強(qiáng)度有一定影響，隨石粉摻量增大，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度降低，當(dāng)石粉摻量超過25%時，對抗壓強(qiáng)度影響程度顯著增大。

（2）泡沫混凝土質(zhì)量吸水率隨干密度的降低而增大，而體積吸水率受干密度影響不大，二者均隨石粉摻量的增加而略有增大。

（3）在制備工藝相同的前提下，不同石粉摻量泡沫混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度與干密度具有良好的相關(guān)性，這些關(guān)系對泡沫混凝土配合比設(shè)計和泡沫混凝土施工生產(chǎn)過程質(zhì)量控制具有一定的指導(dǎo)意義。

（4）提出的施工配合比滿足設(shè)計及施工要求。工程應(yīng)用證明，石粉泡沫混凝土拌合物的性能滿足現(xiàn)場施工要求且質(zhì)量穩(wěn)定，抽檢的泡沫混凝土濕密度、抗壓強(qiáng)度和干密度等性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

（5）本研究解決了人工砂石粉在泡沫混凝土應(yīng)用中若干技術(shù)問題，使排放的石粉得到合理利用，減少了環(huán)境污染，達(dá)到了節(jié)能減排和降低泡沫混凝土生產(chǎn)成本的目的，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。