預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的制備及其性能

趙 進，徐俊偉，石芳婷，陳德鵬

(1.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.馬鞍山中鑫工程質(zhì)量檢測咨詢有限公司，安徽馬鞍山243000)

泡沫混凝土是一種具有綠色節(jié)能、輕質(zhì)保溫等優(yōu)良性能的無機材料[1]，目前的主要應(yīng)用形式為制品和現(xiàn)澆兩種[2]。其中現(xiàn)澆泡沫混凝土主要通過現(xiàn)場稱量、現(xiàn)場制漿攪拌的方法制備，這種制備方法不僅無法保證混凝土的質(zhì)量，還會產(chǎn)生粉塵污染等問題，危害人體健康。泡沫混凝土的實際應(yīng)用過程中，因工業(yè)排放物帶來的環(huán)境污染問題日益凸顯，將工業(yè)廢渣作為摻合料加入泡沫混凝土的方法逐漸被推廣。已有學(xué)者通過添加粉煤灰[3-5]、鋼渣[6-8]、鐵尾礦[9-11]等工業(yè)廢渣提升泡沫混凝土性能，實現(xiàn)固廢利用。考慮到當?shù)劁撛?，粉煤灰兩種工業(yè)廢品排放量較高，若能添加鋼渣粉和粉煤灰制備出各性能滿足要求的泡沫混凝土，對固廢利用最大化具有重要意義和作用。為此，本文將預(yù)拌漿體運輸至現(xiàn)場，采用現(xiàn)場發(fā)泡混合的方法制備預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土，開展不同水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間條件下預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的性能測試實驗，研究鋼渣粉、粉煤灰摻量對預(yù)制泡沫混凝土性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗所用水泥為安徽海螺牌P.O42.5級硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分和性能指標如表1，2。鋼渣粉取自馬鞍山鋼鐵股份有限公司煉鋼所，且經(jīng)球磨機磨成微粉末狀，其化學(xué)成分如表3。粉煤灰為馬鞍山鋼鐵資源管理公司的Ⅱ級粉煤灰，發(fā)泡劑選用河南華泰建材開發(fā)有限公司生產(chǎn)的HT 牌復(fù)合型發(fā)泡劑，產(chǎn)品性能指標見表4。減水劑選用山東萬山化工有限公司生產(chǎn)的粉末狀萘系高效減水劑。

表1 水泥化學(xué)成分，w/%Tab.1 Chemical composition of cement,w/%

表2 水泥性能指標Tab.2 Performance indexes of cement

表3 鋼渣粉化學(xué)成分，w/%Tab.3 Chemical composition of steel slag powder,w/%

1.2 組分配合比

1.2.1 對照組

預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的對照組為常規(guī)方法制備的泡沫混凝土，常規(guī)方法制備的泡沫混凝土成分配合比擴發(fā)泡時間見表5，其性能見表6。

表4 發(fā)泡劑性能指標Tab. 4 Performance indexes of foaming agent

表5 常規(guī)方法制備泡沫混凝土配合比及發(fā)泡時間Tab.5 Mix proportion and foaming time of foam concrete prepared by conventional method

表6 常規(guī)方法制備的泡沫混凝土性能Tab. 6 Properties of foam concrete prepared by conventional method

1.2.2 預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土

影響預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土品質(zhì)的主要因素有預(yù)拌漿體的水灰質(zhì)量比和混合前泡沫量。為得到各項性能與對照組性能(表6)相當?shù)念A(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土，實驗過程中，選取預(yù)拌漿體水灰質(zhì)量比為0.30，0.35，0.40，發(fā)泡時間為3，4，5 min。另選取鋼渣粉質(zhì)量分數(shù)為10%，15%，20%，25%；粉煤灰質(zhì)量分數(shù)為10%，15%，20%，25%。實驗組分配合比及發(fā)泡時間見表7。

表7 預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土實驗成分配合比及發(fā)泡時間Tab.7 Experimental mix proportion and foaming time of ready mixed cast-in-place foam concrete

1.3 預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的制備

按表7所示，確定水灰質(zhì)量比，稱量對應(yīng)組分水泥、粉煤灰和鋼渣粉的質(zhì)量及預(yù)制漿體用水的體積，倒入桶中攪拌制成凈漿體，模擬40 min運輸過程。泡沫存放時間不宜過長，在混泡前10 min開始制泡，稱量發(fā)泡劑40 g和稀釋泡沫用水1 600 mL，用手持攪拌器攪拌分別發(fā)泡3，4，5 min確定最優(yōu)混泡的泡沫量，每分鐘取1次泡沫。制泡完成后將泡沫與預(yù)制漿體用物理攪拌的方式攪拌均勻倒入模具，3 d后拆模，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至規(guī)范要求時間，即得預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土試件。

1.4 預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土性能的測試

1.4.1 干密度

按1.3方法制備試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，3塊為1組，標準養(yǎng)護28 d。測量試件實際體積后將試件放入電熱鼓風干燥箱(105±5)℃中烘干，干燥至恒定質(zhì)量(干燥時須冷卻至室溫稱重，每4 h稱重1次，2次質(zhì)量差不超過0.2%)，最終取平均質(zhì)量。試件干密度計算公式為

式中：ρ為干密度，kg/m3；m為試件干燥情況下質(zhì)量，g；V為試件體積，mm3。

1.4.2 抗壓強度

按1.3方法制備試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，3個試件為1組。試件在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7，28，56 d，采用YE-200型液壓式壓力試驗機和DYE-300型水泥壓力試驗機檢測試件的抗壓強度。讀取試驗機上同組3個試件的抗壓強度數(shù)值，取其平均值為該組試件的抗壓強度。

1.4.3 導(dǎo)熱系數(shù)

按1.3 方法制備試件，尺寸為Φ100 mm×50 mm，3 塊為1 組。試件在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d 后，使用YBF-3型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量試件的導(dǎo)熱系數(shù)。讀取儀器上同組3個試件的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值，取其平均值為該組試件的導(dǎo)熱系數(shù)。

1.4.4 吸水率

按1.3方法制備試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，3塊為1組，試件在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。如1.4.1方法烘干試件，記錄試件最終平均質(zhì)量。待試件冷卻至常溫，放入溫度為(20±5)℃的恒溫水中，然后分別加水淹沒試件的1/3，2/3，直至高于試件30 mm。淹沒浸泡24 h后，擦去表面水分，稱量同組3個試件質(zhì)量，取其平均值。試件吸水率計算公式為

式中：W為吸水率；m為試件干燥情況下質(zhì)量，g；m1為試件水飽和情況下質(zhì)量，g；V為試件體積，mm3；ρw為水的密度，1 000 kg/m3。

1.4.5 軟化系數(shù)

式中：K為軟化系數(shù)；p1為試件水飽和狀態(tài)下抗壓強度，MPa；p2為正常養(yǎng)護狀態(tài)下抗壓強度，MPa。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 水灰質(zhì)量比與發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土性能的影響

2.1.1 干密度

水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土干密度的影響如圖4。從圖4可看出，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土干密度隨發(fā)泡時間和水灰質(zhì)量比的增加而下降。這是由于發(fā)泡時間增加使泡沫體積和數(shù)量顯著增加，氣泡數(shù)量變多，導(dǎo)致混合漿體的體積增加，故單位體積內(nèi)混合漿體質(zhì)量減少。水灰質(zhì)量比較低時，漿體水分較少，水泥顆粒缺水潤滑，易成團，混泡過程中泡沫難以進入水泥顆粒中間導(dǎo)致生產(chǎn)失?。凰屹|(zhì)量較高時，漿體流動性較大，易產(chǎn)生分層和塌?，F(xiàn)象。當水灰質(zhì)量比為0.35、發(fā)泡時間為3 min,4 min時，干密度等級為A05，適合生產(chǎn)。

2.1.2 抗壓強度

水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土28 d抗壓強度的影響如圖5。由圖5可看出，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土28 d抗壓強度隨發(fā)泡時間和水灰質(zhì)量比的增加呈下降趨勢。這是因為隨著發(fā)泡時間的增加，泡沫數(shù)量增加，泡沫的增加取代了水泥，直接導(dǎo)致產(chǎn)品抗壓強度減少；水灰質(zhì)量比增加，單位體積內(nèi)水泥顆粒含量減少，泡沫和水含量增加，抗壓強度隨之減少。當水灰質(zhì)量比為0.35、發(fā)泡時間為3 min時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土抗壓強度最優(yōu)。

2.1.3 導(dǎo)熱系數(shù)

圖5 水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土抗壓強度的影響Fig.5 Influence of water cement mass ratio and foaming time on compressive strength of ready mixed castin-place foam concrete

水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響如圖6。由圖6可看出：隨漿體水灰質(zhì)量比增加預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降低，水灰質(zhì)量比為0.30 時，導(dǎo)熱系數(shù)隨著發(fā)泡時間的增加而降低；水灰質(zhì)量比為0.35時，導(dǎo)熱系數(shù)隨著發(fā)泡時間的增加先降低后升高；水灰質(zhì)量比為0.40時，導(dǎo)熱系數(shù)隨著發(fā)泡時間的增加而升高。因為當發(fā)泡時間增加，混入漿體的泡沫數(shù)量增加，大量泡沫在內(nèi)部連通成孔時使孔徑變大、熱反射面增加，內(nèi)部穩(wěn)定且封閉氣孔也阻礙了空氣流動，使熱傳導(dǎo)媒介減少。因此，混泡澆筑后，試件內(nèi)部氣孔直觀增加，氣孔導(dǎo)熱性能變差，使整體導(dǎo)熱系數(shù)減小。但是隨著發(fā)泡時間增加混入泡沫量持續(xù)增加，內(nèi)部孔隙率處在一個較高水平時，泡沫量對形成內(nèi)部封閉氣孔的影響減少，出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)變緩的趨勢。當水灰質(zhì)量比為0.35、發(fā)泡時間為4 min 時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)最低。

會議時間：2018年11月21日-25日(周三-周日) 報到及住宿地點：南京曙光國際大酒店 (南京市龍蟠路107號) 住宿預(yù)訂截止時間：2018 年 11 月 12 日 會議收費：900元(含資料費、會議餐費)，住宿及交通費用自理。

2.1.4 吸水率

水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土吸水率的影響如圖7。由圖7可看出，隨發(fā)泡時間和水灰質(zhì)量比的增加，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土吸水率均呈上升趨勢。因為隨著水灰質(zhì)量比增加，水泥顆粒間水分增加，顆粒間的潤滑度和分離直徑也增加，使泡沫更易進入水泥漿體的內(nèi)部更好地與膠凝材料結(jié)合，現(xiàn)澆成的制品內(nèi)部孔隙率也增加，導(dǎo)致吸水率的增加；發(fā)泡時間增加，泡沫體積與氣泡數(shù)目得到了顯著增加，導(dǎo)致內(nèi)部氣孔增加，吸水率也隨之增加。當水灰質(zhì)量比為0.35、發(fā)泡時間為5 min時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的吸水率最高。

2.1.5 軟化系數(shù)

水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土軟化系數(shù)的影響如圖8。由圖8可看出：當水灰質(zhì)量比增加時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的軟化系數(shù)呈增大趨勢；隨著發(fā)泡時間的增加，試件軟化系數(shù)呈先增加后減小的趨勢，軟化系數(shù)均處于一個較優(yōu)范圍，可用于潮濕較輕或非主要結(jié)構(gòu)中。

綜上，當水灰質(zhì)量比為0.35、發(fā)泡時間為4 min時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土各項性能與對照組的性能(表7)相當。因此，后續(xù)選用此配合比的預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土進行實驗。

2.2 礦物摻合料對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土性能的影響

2.2.1 鋼渣粉

鋼渣粉摻量對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土性能的影響如圖9。由圖9可看出：適量的鋼渣粉可提升泡沫混凝土的抗壓強度，但摻量不宜超過20%(質(zhì)量分數(shù)，下同)；導(dǎo)熱系數(shù)隨著鋼渣粉摻量的增加而增大，因為鋼渣相較水泥的導(dǎo)熱系數(shù)高；吸水率隨鋼渣粉摻量的增加而增大，這是因為鋼渣粉的膠凝性比水泥低，導(dǎo)致試件空隙變大。

圖6 水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.6 Influence of water cement mass ratio and foaming time on thermal conductivity of ready mixed castin-place foam concrete

圖7 水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土吸水率的影響Fig.7 nfluence of water cement mass ratio and foaming time on water absorption of ready mixed cast-inplace foam concrete

圖8 水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土軟化系數(shù)的影響Fig.8 Influence of water cement mass ratio and foaming time on softening coefficient of ready mixed castin-place foam concrete

上述分析表明，采用質(zhì)量分數(shù)為10%，15%，20%，25%的鋼渣粉取代水泥制備干密度等級為A05的預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土，當鋼渣粉質(zhì)量分數(shù)為20%，其28 d 抗壓強度最高，為1.35 MPa；導(dǎo)熱系數(shù)較大，為0.165 W/(m·K)；吸水率較大，為32.46%，導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率處于較優(yōu)的水平范圍。故用適量鋼渣粉取代水泥制備現(xiàn)澆泡沫混凝土可最大化實現(xiàn)固廢利用，節(jié)約資源。

圖9 鋼渣粉摻量對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土性能的影響Fig.9 Influence of steel slag powder on properties of ready mixed cast-in-place foam concrete

2.2.2 粉煤灰

粉煤灰摻量對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土性能的影響如圖10。由圖10可看出：當粉煤灰摻量為20%(質(zhì)量分數(shù)，下同)時，抗壓強度優(yōu)于其他摻量；導(dǎo)熱系數(shù)隨粉煤灰摻量增加而降低，因為粉煤灰表面積較大，且孔隙率在較大的范圍可形成多孔型的整體結(jié)構(gòu)，阻礙熱傳導(dǎo)速度；粉煤灰摻量為20%時，吸水率低。

圖10 粉煤灰摻量對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土性能的影響Fig.10 Influence of pulverized coal ash on properties of ready mixed cast-in-place foam concrete

上述分析表明，采用質(zhì)量分數(shù)為10%，15%，20%，25%粉煤灰取代水泥制備干密度等級為A05預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土，當粉煤灰質(zhì)量分數(shù)為20%時，其28 d抗壓強度最高，為1.32 MPa；導(dǎo)熱系數(shù)較小，為0.146 W/(m·K)；吸水率較低，為22.17%，此時澆泡沫混凝土的性能優(yōu)于同干密度等級的、不摻礦物摻合料的預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土。因此，用質(zhì)量分數(shù)為20%的粉煤灰取代水泥制備現(xiàn)澆泡沫混凝土不僅可提升混凝土的性能，且可固廢利用、節(jié)約資源。

3 結(jié) 論

采用預(yù)制水泥漿體后再和泡沫混合的方法制備預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土，研究不同水灰質(zhì)量比和發(fā)泡時間下預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的性能，探討礦物摻合料對預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土性能的影響，得出以下主要結(jié)論。

1)水灰質(zhì)量比為0.35、發(fā)泡時間為3 min時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土密度等級為A05，最適合生產(chǎn)；發(fā)泡時間為3 min時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土28 d抗壓強度最佳；發(fā)泡時間為4 min時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)最低。水灰質(zhì)量比為0.35、發(fā)泡時間為4 min時，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的性能與普通方法制備泡沫混凝土的性能相當。

2)采用質(zhì)量分數(shù)為20%的鋼渣粉取代水泥制備預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的抗壓強度性能最優(yōu)，導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率較高，但仍處于較優(yōu)的水平范圍。

3)采用質(zhì)量分數(shù)為20%的粉煤灰取代水泥制備預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土，預(yù)拌現(xiàn)澆泡沫混凝土的抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率等性能較不摻粉煤灰時均有提高。用適宜的粉煤灰取代水泥制備現(xiàn)澆泡沫混凝土不僅可提升混凝土的性能，且可固廢利用、節(jié)約資源。