專用礦物摻合料對(duì)泡沫混凝土性能的影響研究

夏 彬

(西南水泥有限公司，四川 成都 610000)

0 前 言

泡沫混凝土是指將高壓空氣發(fā)泡或高速攪拌制得的預(yù)制泡沫加入到水泥凈漿或砂漿中，攪拌均勻制備的輕質(zhì)材料，因其良好的保溫隔熱性能、抗震、防火、低成本、建筑同壽命等優(yōu)點(diǎn)，在建筑節(jié)能領(lǐng)域作為優(yōu)良的保溫隔熱材料而被人們所熟知[1-2]。相對(duì)于其保溫隔熱特性而言，其輕質(zhì)、自流平等特性[3-4]，在國(guó)內(nèi)雖然被認(rèn)識(shí)相對(duì)較晚，但是近年來(lái)在大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推動(dòng)下，其在道路工程施工中逐步受到重視，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全國(guó)泡沫混凝土產(chǎn)量中，回填是泡沫混凝土應(yīng)用量最大的領(lǐng)域之一[5]。然而，傳統(tǒng)的回填工程所用泡沫混凝土為了實(shí)現(xiàn)一次性澆筑高度高、不塌模、早強(qiáng)，其膠凝材料為通用硅酸鹽水泥。雖然泡沫混凝土相對(duì)普通混凝土具有輕質(zhì)特性，原材料所用較少，但是，主要膠凝材料相對(duì)于普通混凝土而言，仍較高，一般認(rèn)為，回填400～600 kg/m3泡沫混凝土，其水泥用量約在300～500 kg/m3[5-6]。然而，水泥用量高，意味著熟料用量高，對(duì)于減碳不利，影響“我國(guó)2030年前CO2排放達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”承諾的實(shí)現(xiàn)[7]。尋求低水泥用量、同時(shí)性能不損失的泡沫混凝土技術(shù)成為當(dāng)前回填用泡沫混凝土迫切需要解決的問(wèn)題。超輕化結(jié)合氣孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)低水泥用量，也可減輕氣孔帶來(lái)的性能危害，但是仍會(huì)導(dǎo)致性能下降[1-2]；新型膠凝材料取代傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)的泡沫混凝土耐久性還有待考證；采用常見(jiàn)的礦物摻合料取代水泥可實(shí)現(xiàn)水泥用量的降低，但是也易引起性能的顯著下降，尋求能夠大量取代水泥，生產(chǎn)回填用泡沫混凝土的專用礦物摻合料對(duì)于泡沫混凝土水泥用量降低、助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文基于回填用泡沫混凝土生產(chǎn)工藝，以專用礦物摻合料取代水泥，制備泡沫混凝土，結(jié)合光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射等測(cè)試表征手段對(duì)泡沫混凝土孔結(jié)構(gòu)及組成進(jìn)行了表征，同時(shí)，測(cè)試了泡沫混凝土工作性和硬化性能，旨在探究專用礦物摻合料大量取代水泥，生產(chǎn)低水泥用量的回填用泡沫混凝土的可能性，為泡沫混凝土成本降低和我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供支持。

1 原材料及方法

1.1 原材料

水泥：四川利森建材集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O42.5R水泥；泡沫混凝土專用礦物摻合料：由四川利森建材集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，其主要由高活性固廢與特種外加劑粉磨復(fù)合而成。發(fā)泡劑：自制。

1.2 制備及實(shí)驗(yàn)方法

預(yù)制泡沫制備作為泡沫混凝土制備過(guò)程中重要的環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段主要依靠高速攪拌表面活性劑溶液或者高壓氣流攜帶表面活性劑溶液沖刷發(fā)泡介質(zhì)這兩種方式獲取。工程中，大多數(shù)采用后者制備預(yù)制泡沫，因此，本研究也采用高壓發(fā)泡機(jī)將自制泡沫劑溶液(泡沫劑∶水=1∶30)制成濕密度為30 kg/m3的預(yù)制泡沫，按照配合比(見(jiàn)表1)加入到由水泥和礦物摻合料制備的漿體中，混合均勻，澆筑入模，模具尺寸為100 mm×100 mm×100 mm(抗壓強(qiáng)度)與40 mm×40 mm×160 mm(收縮)內(nèi)，然后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后，拆模，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，備測(cè)。

回填用泡沫混凝土服役過(guò)程中，自身內(nèi)部水難以遷移到外界環(huán)境中，為了模擬實(shí)際的工程環(huán)境，將拆模后的泡沫混凝土收縮測(cè)試試件，用保鮮膜包裹，接縫處用石蠟密封，并置于溫度為(20±2)℃的環(huán)境中，參照《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》(JC/T 603—2004)測(cè)定不同齡期的收縮值。

表1 泡沫混凝土配合比 單位：kg/m3

將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度、干密度試塊取出，依據(jù)《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)測(cè)定抗壓強(qiáng)度及干密度。泡沫混凝土所用的水泥凈漿流動(dòng)度按照《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2000)測(cè)定，泡沫混凝土漿體流動(dòng)度參考《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)測(cè)試，因泡沫混凝土流動(dòng)性較好，測(cè)試時(shí)不使用調(diào)桌。

將養(yǎng)護(hù)至一定齡期的泡沫混凝土試樣從中間剖開(kāi)，用砂紙打磨，置于工業(yè)體式顯微鏡下獲取氣孔結(jié)構(gòu)圖片。XRD、SEM：將規(guī)定齡期的泡沫混凝土在60℃干燥至恒重，分別用于獲取XRD圖譜(日本理學(xué)電機(jī)公司D/Max ⅢA型X射線衍射儀，Cu靶)及SEM(日立TM-1000)。

2 結(jié)果與討論

2.1 專用礦物摻合料對(duì)流動(dòng)性的影響

回填用泡沫混凝土必須具備良好的流動(dòng)性，而泡沫混凝土料漿流動(dòng)性受到所用水泥漿體流動(dòng)性影響，因此，本研究首先采用專用礦物摻合料取代了水泥，在水膠比為0.5的情況下，制備了水泥凈漿，測(cè)定了流動(dòng)度，如圖1所示。當(dāng)水泥的取代量從0增加到50%時(shí)，水泥凈漿流動(dòng)度從135 mm增加至285 mm，同時(shí)，當(dāng)專用礦物摻合料取代水泥的量增加，水泥凈漿流動(dòng)度增幅逐步減小，但最終增幅達(dá)到111.1%。水泥凈漿流動(dòng)度的增加主要?dú)w結(jié)于：水泥用量減少，早期水泥水化產(chǎn)生大量的納米級(jí)水化產(chǎn)物減少，固相的比表面積較低，存在更多的水潤(rùn)滑固相顆粒所致；另外，專用礦物摻合料中存在部分球形顆粒，存在一定的“滾珠”效應(yīng)；此外，專用礦物摻合料中還復(fù)合極少量的減水劑，能打開(kāi)水泥顆粒形成的絮狀體，釋放自由水，故水泥漿體流動(dòng)度增大。

圖1 礦物摻合料對(duì)泡沫混凝土用水泥凈漿流動(dòng)度的影響

通常情況下，水泥漿體流動(dòng)性差，黏度較大，泡沫在與水泥漿體混合過(guò)程中，水泥漿體中固相直接與泡沫相互摩擦，易導(dǎo)致泡沫破損，致使泡沫混凝土密度難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且，泡沫混凝土體系中水分還會(huì)顯著增加，對(duì)力學(xué)性能的提升不利。然而，本研究中水泥漿體的流動(dòng)性的增大，可減少混泡過(guò)程中泡沫破損的同時(shí)，還因足夠的自由水還能保證泡沫混凝土料漿一定的流動(dòng)度，如圖2所示。當(dāng)泡沫混凝土中礦物摻合料摻量從0增加至50%，泡沫混凝土料漿流動(dòng)度從200 mm增加至250 mm，流動(dòng)性改善明顯，流動(dòng)度增加幅度達(dá)到25%；受到水泥凈漿流動(dòng)度隨專用礦物摻合料摻量增加而增大幅度的影響，泡沫混凝土料漿的流動(dòng)度增加幅度在礦物摻合料摻量超過(guò)30%后，流動(dòng)度增加幅度有所減緩，但是流動(dòng)度仍然較大，泡沫混凝土料漿流動(dòng)性較好。得益于水泥漿體流動(dòng)度的積極影響，采用高流動(dòng)度水泥漿體制備的泡沫混凝土，其料漿流動(dòng)性也較好。與此同時(shí)，水泥漿體良好的流動(dòng)性意味著水泥漿體黏度有所下降，對(duì)泡沫的破損預(yù)防有積極意義，此時(shí)意味著泡沫在水泥漿體中較小，正因如此，細(xì)小的泡沫在水泥漿體內(nèi)部存在，確因自身較大的比表面積，需要更多的自由水潤(rùn)滑，來(lái)保證泡沫混凝土料漿流動(dòng)，然而，體系自由水是一定的，因此，因水泥漿體過(guò)好的流動(dòng)性導(dǎo)致的細(xì)小泡沫對(duì)于泡沫混凝土料漿流動(dòng)性不利，這也導(dǎo)致泡沫混凝土料漿流動(dòng)度增加幅度隨專用礦物摻合料摻量增加而不及水泥漿體流動(dòng)度增加幅度大。

圖2 礦物摻合料對(duì)泡沫混凝土流動(dòng)度的影響

2.2 專用礦物摻合料對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)及抗壓強(qiáng)度的影響

不同專用礦物摻合料摻量情況下，制備的泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。專用礦物摻合料從0增加至50%，泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)變化明顯，經(jīng)歷了顯著改善和劣化階段。當(dāng)摻量不高于20%時(shí)，泡沫混凝土氣孔隨摻合料摻量增加，變小明顯，并且趨于均勻；當(dāng)摻量超過(guò)20%時(shí)，氣孔有所增大，并且可以看出連通孔數(shù)量和連通的孔喉顯著增大，這對(duì)強(qiáng)度增加不利。造成該現(xiàn)象的原因主要是：當(dāng)?shù)V物摻合料取代水泥量增加，水泥料漿流動(dòng)性變好，制備泡沫混凝土過(guò)程中，泡沫不易變大，硬化后得到的氣孔較小；但是，專用礦物摻合料取代水泥的量持續(xù)增大，這導(dǎo)致水泥料漿凝結(jié)時(shí)間變長(zhǎng)，水化產(chǎn)物相互搭接，形成絮凝結(jié)構(gòu)變慢，泡沫裂化時(shí)間變長(zhǎng)，氣孔變大，并且因泡沫在水泥漿體中劣化時(shí)間變長(zhǎng)，由泌水等原因?qū)е碌臍饪走B通程度增加，連通孔數(shù)量升高和孔喉變大。

圖3 不同礦物摻合料摻量下，泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)

不同專用礦物摻合料摻量下，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度會(huì)發(fā)生顯著變化，如圖4所示，當(dāng)鈦礦渣摻量從0增加至50%，泡沫混凝土干密度集中在400 kg/m3，泡沫混凝土7 d及28 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)?shù)V物摻合料取代水泥量為20%時(shí)，泡沫混凝土7 d及28 d抗壓強(qiáng)度增加12.5%與3.5%，達(dá)到最大，分別為0.9 MPa與1.5 MPa，此時(shí)干密度為390 kg/m3；繼續(xù)增加礦物摻合料取代水泥用量至50%時(shí)，泡沫混凝土力學(xué)強(qiáng)度顯著下降，7 d及28 d泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度降低為0.4、0.7 MPa，但是仍然滿足《水泥基回填材料》(JC/T 2468-2018)要求。泡沫混凝土在20%以內(nèi)的礦物摻合料取代水泥時(shí)，7 d及28 d力學(xué)強(qiáng)度有所增加主要?dú)w結(jié)于泡沫混凝土氣孔結(jié)構(gòu)隨礦物摻合料用量的增大而有所改善，但是繼續(xù)地取代水泥，對(duì)氣孔結(jié)構(gòu)不利，氣孔連通程度顯著增強(qiáng)，氣孔劣化現(xiàn)象加劇，對(duì)力學(xué)強(qiáng)度及其不利，因此，礦物摻合料取代水泥用量超過(guò)20%，泡沫混凝土力學(xué)性能劣化明顯。

圖4 礦物摻合料摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度及干密度的影響

2.3 專用礦物摻合料對(duì)收縮的影響

模擬泡沫混凝土在回填時(shí)的收縮，如圖5所示，泡沫混凝土收縮集中在14 d以內(nèi)，超過(guò)14 d后，收縮增加不明顯；當(dāng)?shù)V物摻合料取代水泥量超過(guò)20%時(shí)，泡沫混凝土出現(xiàn)一定的微膨現(xiàn)象，膨脹主要集中在3 d內(nèi)；當(dāng)?shù)V物摻合料取代水泥用量增加時(shí)，相同齡期的情況下，泡沫混凝土收縮明顯得到控制。當(dāng)?shù)V物摻合料取代水泥從0增加至20%，泡沫混凝土28 d收縮值從0.267 mm/m降低至0.110 mm/m，降低58.8%，繼續(xù)增加摻量，出現(xiàn)微膨脹現(xiàn)象，當(dāng)取代量達(dá)到50%，泡沫混凝土膨脹率為0.100 mm/m。泡沫混凝土收縮減少最后出現(xiàn)微膨脹的現(xiàn)象主要?dú)w結(jié)于專用礦物摻合料中復(fù)合了氧化鈣、硫鋁酸鹽雙膨脹源膨脹劑，其參與水化，特別是生成鈣礬石能夠持續(xù)保證泡沫混凝土不收縮。泡沫混凝土收縮集中在14 d內(nèi)，主要是因?yàn)榕菽炷恋氖湛s源頭為水泥漿體，一般認(rèn)為水泥漿體14 d后，強(qiáng)度發(fā)揮逐漸趨于平穩(wěn)，水化集中在早期，而水化會(huì)導(dǎo)致化學(xué)收縮，故泡沫混凝土收縮主要集中在14 d內(nèi)；對(duì)于泡沫混凝土膨脹現(xiàn)象而言，因?yàn)榕蛎浗M分參與水化生成的鈣礬石和氫氧化鈣在水化幾分鐘內(nèi)就能大量的生成，故膨脹在早期就能發(fā)生，并且因?yàn)殁}礬石的存在，膨脹效應(yīng)能夠得到保持。

圖5 礦物摻合料對(duì)泡沫混凝土自收縮的影響

2.4 泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)

如圖6，泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，主要的水化產(chǎn)物有鈣礬石(AFt)，未反應(yīng)完全的水泥熟料顆粒以及氫氧化鈣，相對(duì)于摻加專用摻合料的泡沫混凝土而言，不參加摻合料的泡沫混凝土氫氧化鈣峰更強(qiáng)，結(jié)晶程度更高，鈣礬石則結(jié)晶程度更低。氫氧化鈣的峰值在摻加礦物摻合料后，峰強(qiáng)有所下降，主要是因?yàn)榈V物摻合料的火山灰效應(yīng)導(dǎo)致部分氫氧化鈣逐步被消耗，被參與反應(yīng)，結(jié)晶程度受到影響，導(dǎo)致峰強(qiáng)有所下降；因?yàn)?，專用礦物摻合料中膨脹組分的存在，水化28 d的泡沫混凝土AFt的峰強(qiáng)更高，這也證實(shí)了膨脹效應(yīng)能夠保持的原因。圖7展示了水化28 d后的泡沫混凝土孔間固相掃描電鏡圖片，不難發(fā)現(xiàn)，兩者均可見(jiàn)氫氧化鈣晶體，這與XRD結(jié)果一致，同時(shí)相對(duì)于未參加摻合料的泡沫混凝土，摻加摻合料后，固相密實(shí)程度提升明顯，大的毛細(xì)孔和裂縫消失，這也說(shuō)明摻加摻合料后對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能提升有利。

圖6 水化28 d，泡沫混凝土水化產(chǎn)物XRD圖譜

圖7 水化28 d，泡沫混凝土孔間固相微觀結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

1)礦物摻合料摻量增加，水泥料漿流動(dòng)性變好，泡沫混凝土流動(dòng)性得到改善，當(dāng)摻量不超過(guò)20%時(shí)，氣孔得到改善，持續(xù)增加取代水泥的量，泡沫混凝土氣孔變大。

2)礦物摻合料摻量從0增加至50%，7 d及28 d抗壓強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)摻合料取代20%的水泥，7 d及28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，分別為0.9 MPa與1.5 MPa，干密度為390 kg/m3。

3)摻合料摻入有利于改善泡沫混凝土收縮，當(dāng)摻量增加，泡沫混凝土收縮先降低后泡沫混凝土出現(xiàn)膨脹。

[ID:013289]