基于正交試驗設(shè)計的泡沫混凝土性能研究

孫 婧 李 玥 王 宏 王 茜

（河北建筑工程學院， 河北 張家口 075000）

0 前言:

泡沫混凝土是由水泥漿體、骨料（細砂）和氣孔組成的三相材料，具有質(zhì)量輕，隔熱隔音性能好，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)良特性[1]。由于泡沫混凝土保溫隔熱性能最為突出[2]，因此泡沫混凝土多在屋面的保溫隔熱、外墻保溫層和墻體填充層等使用[3]。但是泡沫混凝土的體積穩(wěn)定性差，強度比普通混凝土低，吸水率高等缺陷，阻礙了其大規(guī)模使用及發(fā)展。所以為使泡沫混凝土在建筑中能夠廣泛應(yīng)用，必須找到合適的解決辦法。本研究的意義：通過正交設(shè)計實驗方案，從宏觀方面包括泡沫劑發(fā)泡倍數(shù)、纖維摻量、水灰比等與泡沫摻量的研究，進而探討這些基本因素對泡沫混凝土干密度、導熱系數(shù)的影響規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：本實驗選用金隅水泥有限公司的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥。

發(fā)泡劑：選用高效發(fā)泡劑。

纖維：采用聚丙烯纖維，減少微裂紋擴張并有效提高強度。

水：張家口自來水。

1.2 試驗儀器

混凝土加速養(yǎng)護箱；電熱恒溫鼓熱干燥箱；壓力試驗機；導熱系數(shù)測定儀

1.3 試驗配合比

選取4 因素4 水平的正交試驗表，分別考慮了水與發(fā)泡劑比例、纖維摻量、水灰比、泡沫摻量四個因素的四種變化水平。試驗配合比見表1。

表1 試驗配合比

1.4 性能測試

1.干密度的測定

(a)選取每組3 塊試塊，尺寸為(10×10×10)mm，計算試塊的體積；(b)將試塊放入蒸養(yǎng)箱中，在90℃環(huán)境中養(yǎng)護。(c)將養(yǎng)護好的試塊放入電熱恒溫鼓風干燥箱內(nèi)，將溫度設(shè)定為在50 ℃，然后保溫24h，并測得試塊質(zhì)量M，需精確至0.1g；

2.導熱系數(shù)的測定

(a)切割已經(jīng)養(yǎng)護好并烘干好的泡沫混凝土試樣，尺寸為(10×5×5)mm；(b)將試樣放入導熱儀中，調(diào)節(jié)試塊至平衡位置；(c)按開始鍵，冷卻好后再次重復操作，記錄每組導熱系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

確定水與發(fā)泡劑的比例、纖維素、水灰比、泡沫摻量對泡沫混凝土性能影響的強弱，以表觀密度、導熱系數(shù)作為觀察指標來對實驗結(jié)果進行極差分析。實驗數(shù)據(jù)測試結(jié)果見表2。

表2 實驗數(shù)據(jù)表

2.1 干密度的影響因素的分析

根據(jù)表4 所示的干密度極差分析數(shù)據(jù)結(jié)果，對影響其干密度的因素進行研究分析。

表3 干密度極差分析表

隨著水與發(fā)泡劑的比例增加，干密度先減小后增加的趨勢，泡沫隨發(fā)泡劑濃度的降低而體積增加，孔徑變大，所以干密度降低。當泡沫穩(wěn)定性降低，出現(xiàn)消泡甚至塌陷的現(xiàn)象，導致孔徑減小，孔隙率降低干密度增加；隨著纖維摻量增加，干密度先增加后減小再增加。當摻入纖維素時，由于引入纖維的密度大于水泥漿體的密度，所以會增加干密度，但纖維的加入會引入氣孔，隨纖維的增加，水泥石中的氣孔含量也增加，減小了干密度；隨著水灰比增加，表觀密度減小，水泥漿體稠度和發(fā)泡過程平穩(wěn)，干密度較低；隨著泡沫摻量增加干密度先增加再降低，由于發(fā)泡混凝土中的氣泡占大部分體積，通過增大泡沫的摻量變的更加輕質(zhì)，但泡沫摻量多，氣泡所占的體積增大，干密度減小。

綜上，各因素對泡沫混凝土干密度的影響大小順序為：D＞C＞A＞B，最主要的影響因素是泡沫摻量，而纖維摻量對其影響效果不夠顯著。

2.2 導熱系數(shù)的影響因素的分析

導熱系數(shù)的大小是作為評價墻體保溫材料保溫性能好壞的重要標準。泡沫混凝土擁有有較低的導熱系數(shù)的主要原因是氣相降低了導熱的作用。不同因素對泡沫混凝土的導熱系數(shù)的敏性分析見下表4。

隨著水與發(fā)泡劑比例的上升，導熱系數(shù)稍增加后減小再增加的趨勢，分別在取得最小值和最大值K3 和K4，由于最初歲隨稀釋比例增加氣泡穩(wěn)定性降低，氣孔間隙分布不均勻，導熱系數(shù)增加，當稀釋比例再次增加時，與水混合均勻，形成的泡沫達到穩(wěn)定，氣孔均勻，所以導熱系數(shù)降低，當稀釋比例再次增加時，泡沫更加不穩(wěn)定，導致導熱系數(shù)增加；隨聚丙烯纖維摻量增加，泡沫混凝土的導熱系數(shù)先增大后減小。纖維對泡沫混凝土的孔結(jié)構(gòu)有一定的改善作用；隨著水灰比增加，導熱系數(shù)先降低后增加。當水灰比低時，氣孔含量高，漿體體積小，形成的孔徑比高水灰比的大，導熱系數(shù)會受大氣孔中的對流換熱的影響而增加，水灰比大時會蒸發(fā)出富余水，形成許多空隙在水泥泡沫混凝土孔壁內(nèi)，使熱量傳遞的路徑增加，所以阻礙傳熱；隨著泡沫摻量增加，導熱系數(shù)先增加后減小，因為泡沫摻量的大量增加導致孔隙率增加，降低導熱速率，從而降低導熱系數(shù)。

表4 導熱系數(shù)極差分析表

綜上分析，各因素對泡沫混凝土導熱系數(shù)的影響大小順序為：D＞C＞A＞B，其中，泡沫摻量為最主要的因素，而纖維用量則不明顯。

3 結(jié)論

本文通過正交試驗設(shè)計制作了泡沫混凝土，針對水與發(fā)泡劑的比例、纖維摻量、水灰比、泡沫摻量等四個因素設(shè)置四個水平對其性能進行了研究分析。

得出如下結(jié)論：

（1）干密度、導熱系數(shù)二者極差敏感性分析的結(jié)果基本一致，泡沫摻量和水灰比是主要影響因素，纖維摻量的影響效果并不顯著。

（2）隨著干密度的增加，導熱系數(shù)也增加。