承載保溫型泡沫混凝土性能研究

仲曉晨

(蘇州高新有軌電車集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州 215014)

1 概述

如今，建筑能耗以占整個(gè)社會(huì)能耗的46.7%而成為最大的耗能產(chǎn)業(yè)，建筑產(chǎn)業(yè)的節(jié)能已成為一項(xiàng)刻不容緩的工作［1］。隨著城市軌道交通的興建，地鐵管片襯砌需要大量既有一定強(qiáng)度又具有保溫功能的填充材料，研究和開發(fā)承載保溫型混凝土已成為一項(xiàng)迫切的工作。

承載保溫型泡沫混凝土是指可滿足承載及保溫雙重功能要求的泡沫混凝土，其密度在500 kg/m3～700 kg/m3，與普通混凝土相比，承載保溫泡沫混凝土具備了諸多優(yōu)異性能，如適中的強(qiáng)度，低密度，優(yōu)異的保溫性能和低廉的成本，吸引了國內(nèi)外眾多學(xué)者和建筑從業(yè)人員的目光［2］。E.K.Kunhananda［3］研究了多因素對(duì)泡沫混凝土工作性能的影響機(jī)制，研究表明，發(fā)泡劑是影響不同密度泡沫混凝土工作性能的主要因素。M.R.Jones等［4］在泡沫混凝土中添加粉煤灰代替部分水泥，泡沫混凝土的后期強(qiáng)度有所提高，漿體流動(dòng)性隨著粉煤灰摻量的提高而增強(qiáng)。Kearsley等［5］在泡沫混凝土中加入粉煤灰，取代部分水泥以降低成本，研究表明，粉煤灰最大取代量為水泥摻量的67%。本文探討不同粉煤灰摻量及水灰比對(duì)承載保溫型泡沫混凝土性能的影響，探討總體性能最優(yōu)時(shí)的配合比，為在地鐵工程等領(lǐng)域應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料

水泥采用蘇州市某水泥廠生產(chǎn)的P.Ⅱ52.5級(jí)硅酸鹽水泥;砂為河砂;粉煤灰由蘇州市某公司提供，質(zhì)量符合GB/T 1596—2005用于水泥和混凝土中的粉煤灰要求。試驗(yàn)所采用的發(fā)泡劑為復(fù)合型化學(xué)試劑，性能指標(biāo):發(fā)泡倍數(shù)46.7倍，1 h泌水量為15.7 mL，1 h沉降距為1.2 mm、泡沫半衰期大于 96 h。減水劑由蘇州某高分子材料科技有限公司提供，減水率約25%;水采用城市自來水，質(zhì)量符合JGJ 63混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水灰比對(duì)泡沫混凝土性能的影響

在承載保溫型泡沫混凝土漿體工作性能的諸多影響因素中，水灰比(W/C)占主導(dǎo)地位，漿體包裹泡沫能力在一定程度上取決于水灰比的大小。結(jié)合本課題組研究成果，設(shè)計(jì)了水灰比，并測(cè)定其工作性能(流動(dòng)性和粘度值)如表1所示。

表1 不同水灰比下承載保溫型泡沫混凝土的工作性能

圖1為不同水灰比對(duì)承載保溫型泡沫混凝土7 d，28 d抗壓強(qiáng)度的影響。

圖1 不同水灰比對(duì)承載保溫型泡沫混凝土7 d，28 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖1可知，隨著水灰比的增大，承載保溫型泡沫混凝土的7 d，28 d抗壓強(qiáng)度先上升后下降，在水灰比為0.44處，抗壓強(qiáng)度最大，分別為2.75 MPa和4.02 MPa。泡沫在漿體中分布穩(wěn)定，均勻，漿體的流動(dòng)性良好，此時(shí)漿體的粘度更適合包裹泡沫，損泡率也很小，成型后形成的氣孔結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，此處抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。

圖2為水灰比對(duì)承載保溫型泡沫混凝土吸收率、導(dǎo)熱性能與干縮值的影響。

由圖2a)可知，承載保溫型泡沫混凝土的吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)變化為先下降后上升，在水灰比為0.44處，承載保溫型泡沫混凝土的吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)為14.5%和0.092 W/(m·K)。由前面分析可知，此處的泡沫在漿體中的分布均勻，形成的孔隙結(jié)構(gòu)完整，氣孔連通可能性小。由圖2b)可知，干縮值有先下降后上升的變化，在水灰比為0.44處干縮值達(dá)到最小值，此時(shí)漿體粘度較高，導(dǎo)致部分泡沫發(fā)生破裂現(xiàn)象，泡沫中水分被釋放出來，一定程度上增加了漿體中的自由水含量。

圖2 不同水灰比對(duì)承載保溫型泡沫混凝土吸水率，導(dǎo)熱吸收與干縮值的影響

3.2 不同粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

在承載保溫型泡沫混凝土中摻入適量粉煤灰代替水泥可降低成本，但粉煤灰摻入會(huì)在一定程度上影響漿體的工作性能。根據(jù)以上結(jié)論，本試驗(yàn)中采用水灰比0.44，粉煤灰代替水泥量分別為10%，20%，30%和40%，試驗(yàn)配合比如表2所示。

表2 不同粉煤灰替代物與承載保溫型泡沫混凝土的配合比

圖3為粉煤灰摻量對(duì)承載保溫型泡沫混凝土7 d，28 d抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖3可知，隨著粉煤灰代替量以10%的數(shù)量遞增，承載保溫型泡沫混凝土7 d強(qiáng)度降低非常明顯，但28 d強(qiáng)度有所提高。當(dāng)粉煤灰代替30%的水泥量時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度為4.14 MPa。粉煤灰屬火山灰質(zhì)活性材料，能與水泥水化產(chǎn)物中的C-H發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使水泥水化產(chǎn)物更加致密，填充了承載保溫型泡沫混凝土內(nèi)部孔隙，從而提高了后期強(qiáng)度。但隨著其摻量的增加，減少了承載保溫型泡沫混凝土水泥含量，導(dǎo)致了水泥水化中C-H量減少，影響粉煤灰的后期水化，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度明顯下降，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到40%時(shí)，承載保溫型泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度僅為2.31 MPa。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)承載保溫型泡沫混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響

圖4為不同粉煤灰代替量對(duì)承載保溫型泡沫混凝土吸收率、導(dǎo)熱吸收與干縮值的影響。

如圖4a)所示，在粉煤灰摻量為0% ～30%時(shí)，隨著摻量的增加，吸水率緩慢增大，在摻量為40%處，吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值。主要原因是粉煤灰的摻入能夠改善泡沫混凝土氣孔的結(jié)構(gòu)和分布，但也會(huì)損壞泡沫，泡沫中水分被釋放出來，導(dǎo)致漿體中自由水分的增加，造成硬化后材料中毛細(xì)管增多。由圖4b)可知，隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的干縮值呈現(xiàn)出先減小后增大趨勢(shì)，從總體上看有改善作用，原因是由于粉煤灰自身填充效應(yīng)減弱。當(dāng)粉煤灰代替水泥量達(dá)到30%時(shí)，測(cè)試干縮值降為0.66 mm/m，但當(dāng)代替量大于30%時(shí)，游離狀態(tài)水增多，抵消了這種效應(yīng)，使干縮值反而變大。

圖4 不同粉煤灰代替量對(duì)承載保溫型泡沫混凝土吸收率，導(dǎo)熱吸收與干縮值的影響

由圖4可知，當(dāng)粉煤灰代替量為0% ～30%時(shí)，承載保溫型泡沫混凝土28 d強(qiáng)度和干縮變形有了明顯改善，但吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)呈緩慢增大趨勢(shì)。當(dāng)粉煤灰代替量大于30%時(shí)，7 d，28 d抗壓強(qiáng)度明顯下降，干縮值也明顯增大，整體性能呈現(xiàn)反方向變化，不利于其推廣應(yīng)用。因此，在用粉煤灰代替水泥以降低承載保溫型泡沫混凝土成本時(shí)，其最佳代替量為30%左右，此時(shí)承載保溫型泡沫混凝土整體性能最優(yōu)。

4 結(jié)語

粉煤灰摻量和水灰比對(duì)承載保溫型泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)及干縮值影響明顯。最優(yōu)配合比為水灰比0.44，粉煤灰摻量為30%。按此配合比下的導(dǎo)熱系數(shù)為0.116 W/(m·K)分析計(jì)算，上人屋面現(xiàn)澆15 cm厚承載保溫型泡沫混凝土完全達(dá)到節(jié)能65%的目標(biāo)，同時(shí)，滿足地鐵管片襯砌對(duì)填充材料抗壓強(qiáng)度的要求，且成本低，周期短，施工方便。