微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土配合比試驗(yàn)*

郝贠洪，孫 浩，秦立達(dá)，鄔卓軒，慈天義，郭曉梅

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010051；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)建筑檢測鑒定與安全評估工程技術(shù)研究中心，呼和浩特010051；4. 中國新興建筑工程有限責(zé)任公司，北京 100009)

0 引 言

針對大宗固廢產(chǎn)生強(qiáng)度高、利用不充分、綜合利用產(chǎn)品附加值低等突出問題，2021年3月多部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》，明確指出，到2025年，新增大宗固廢綜合利用率達(dá)到60%，存量大宗固廢有序減少[1]。截至2018年，內(nèi)蒙古自治區(qū)一般工業(yè)固體廢棄物產(chǎn)生量2.87億噸，綜合利用量1.06億噸，綜合利用率36.75%[2]。促進(jìn)大宗固廢的綠色、高效、規(guī)?；?，積極響應(yīng)國家“雙碳目標(biāo)”的重大戰(zhàn)略部署是實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古自治區(qū)綠色低碳循環(huán)發(fā)展的關(guān)鍵。

作為新型綠色節(jié)能材料，泡沫混凝土兼具輕質(zhì)、保溫、耐火等特點(diǎn)[3]。由于它在應(yīng)用中存在強(qiáng)度偏低、開裂、吸水等缺陷[4]，為進(jìn)一步提升泡沫混凝土的物理力學(xué)性能，研究學(xué)者們做了大量的研究工作。通過調(diào)配外加劑、摻入輕質(zhì)材料等方式提升材料的熱工性能[5-8]；通過摻入纖維解決泡沫混凝土存在的干燥收縮開裂問題[9-13]；通過在泡沫混凝土中引入填料，提高材料的密實(shí)性，提升材料的力學(xué)性能[14-16]；通過配制不同種類鎂基鹽，改變鎂水泥水化反應(yīng)后的水化產(chǎn)物來制備鎂基鹽泡沫混凝土[17-18]。盡管有大量提升泡沫混凝土材料性能的研究報(bào)道，然而有關(guān)微集料增強(qiáng)泡沫混凝土的研究報(bào)道卻很少，尤其采用石英粉和石英砂增強(qiáng)泡沫混凝土的研究。

基于以上論述，本文以水泥和粉煤灰為膠凝材料，摻入石英粉和石英砂，采用化學(xué)發(fā)泡的方法制備密度等級為A12的泡沫混凝土，研究各因素對材料抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，通過正交試驗(yàn)確定材料的優(yōu)化配比并建立主要影響因素與材料28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的關(guān)系模型，以期為后續(xù)的研究應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥：冀東水泥有限公司的P.O42.5水泥；粉煤灰：內(nèi)蒙古東華熱電廠的Ⅱ級粉煤灰，其物理性能指標(biāo)見表1。石英砂：40～70目石英砂，粒徑450 μm。石英粉：200目石英粉，粒徑75 μm。發(fā)泡劑：天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的30%濃度過氧化氫(H2O2)溶液。催化劑：天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的二氧化錳(MnO2)試劑。穩(wěn)泡劑：上海臣啟化工科技有限公司生產(chǎn)的羥丙基甲基纖維素(HPMC)，20萬粘度。減水劑：陜西秦奮建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸系高性能減水劑，減水率37%。纖維：采用聚丙烯纖維，由廊坊雙森建材有限公司生產(chǎn)，物理性能指標(biāo)見表2。水：普通自來水。

表1 粉煤灰物理性能指標(biāo)Table 1 Physical performance of fly ash

表2 聚丙烯纖維性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of polypropylene fiber

1.2 配合比設(shè)計(jì)

1.2.1 單因素試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)過前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水膠比、粉煤灰摻量、微集料摻量對泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較大，為提升材料的基本力學(xué)性能設(shè)計(jì)密度等級為A12的泡沫混凝土，初設(shè)水膠比為0.4、0.5、0.6進(jìn)行單因素試驗(yàn)探究粉煤灰摻量和微集料摻量改變對材料抗壓強(qiáng)度的影響。本試驗(yàn)中涉及的比例均是相對于膠凝材料的質(zhì)量百分比，膠凝材料包括主要膠凝材料水泥和輔助膠凝材料粉煤灰，試驗(yàn)中石英粉和石英砂統(tǒng)稱微集料，兩者摻量的質(zhì)量比為7∶3，具體試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)方案如表3所示。

表3 泡沫混凝土單因素配合比設(shè)計(jì)Table 3 Single factor mix design of foamed concrete

1.2.2 正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)正交表L16(45)研究水膠比、粉煤灰摻量、微集料摻量、聚丙烯纖維摻量、減水劑摻量對材料抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律及顯著性，具體試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)方案如表4所示。

表4 泡沫混凝土L16(45)正交試驗(yàn)因素、水平Table 4 Orthogonal test factors and levels of foam concrete L16(45)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 制備過程

將水泥、粉煤灰、石英砂、石英粉與聚丙烯纖維加入攪拌桶內(nèi)使用手持混凝土攪拌機(jī)干拌3 min；水和聚羧酸減水劑按設(shè)計(jì)配合比加入到干料中攪拌3 min，制成均勻的漿料；雙氧水、二氧化錳、HPMC加入漿料，調(diào)整攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其達(dá)到120 r/min以上后快速攪拌2 min，待發(fā)泡料漿攪拌均勻后倒入100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm的模具中，靜停90 min左右刮平表面靜置24 h后拆模；拆模后放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

1.3.2 性能測試

(1)干密度測試：依據(jù)《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

(2)抗壓強(qiáng)度測試：依據(jù)《泡沫混凝土》(JG/T 266-2011)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

(3)抗折強(qiáng)度測試：參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081-2019)中的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

(4)導(dǎo)熱系數(shù)測試：使用JTRG-III型建筑熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀測試。

(5)微觀形貌測試：取微微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土試樣內(nèi)部斷面，表面經(jīng)過噴金處理后使用美國FEI生產(chǎn) QUANTA 650 FEG進(jìn)行場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM微觀形貌分析以及對其微觀形貌進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

不同水膠比的泡沫混凝土單因素試驗(yàn)結(jié)果分別如圖1、2和3所示。

圖1 水膠比0.4Fig.1 Water binder ratio 0.4

由圖1可見，固定水膠比為0.4，改變粉煤灰摻量和微集料摻量，28 d抗壓強(qiáng)度為11.32～15.15 MPa。粉煤灰摻量為20%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長8.89%后減小4.86%；粉煤灰摻量為30%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長11.64%后減小5.41%；粉煤灰摻量為50%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長13.78%后減小8.77%。微集料摻量為40%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長3.98%后減小16.58%；微集料摻量為60%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長6.62%后減小14.98%；微集料摻量為80%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長5.99%后減小18.00%。

由圖2可見，固定水膠比為0.5，改變粉煤灰摻量和微集料摻量，28 d抗壓強(qiáng)度為14.58～18.52 MPa。粉煤灰摻量為20%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長13.85%后減小4.75%；粉煤灰摻量為30%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長11.23%后減小3.73%；粉煤灰摻量為50%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長14.88%后減小4.84%。微集料摻量為40%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長5.85%后減小12.43%；微集料摻量為60%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長3.41%后減小9.56%；微集料摻量為80%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長4.51%后減小18.00%。

圖2 水膠比0.5Fig.2 Water binder ratio 0.5

由圖3可見，固定水膠比為0.6，改變粉煤灰摻量和微集料摻量，28 d抗壓強(qiáng)度為10.45～13.08 MPa。粉煤灰摻量為20%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長10.50%后減小5.81%；粉煤灰摻量為30%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長13.15%后減小2.60%；粉煤灰摻量為50%時(shí)，隨著微集料摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長8.90%后減小4.83%。微集料摻量為40%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長4.62%后減小9.60%；微集料摻量為60%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長7.13%后減小13.00%；微集料摻量為80%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強(qiáng)度增長10.78%后減小14.99%。

圖3 水膠比0.6Fig.3 Water binder ratio 0.6

綜上所述，材料的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比、粉煤灰摻量、微集料摻量的增大所呈現(xiàn)的變化趨勢為先增長后減小。水膠比為0.6時(shí)材料的抗壓強(qiáng)度降幅最高達(dá)41.59%，下降的幅度較大，故材料的水膠比適宜范圍為0.4～0.5。微集料摻量在60%～80%時(shí)材料的抗壓強(qiáng)度下降幅度較小，故材料的微集料摻量適宜范圍為60%～80%。粉煤灰摻量在30%～50%時(shí)材料的抗壓強(qiáng)度下降幅度適中且滿足經(jīng)濟(jì)綠色的要求綜合考慮其適宜范圍為30%～50%。

2.2 正交試驗(yàn)極差結(jié)果分析

2.2.1 各因素對抗壓強(qiáng)度的影響

不同齡期泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度曲線如圖4所示，極差分析結(jié)果如表5～7所示。

圖4 抗壓強(qiáng)度曲線Fig.4 Compressive strength curve

由表5可知：各因素對材料3 d抗壓強(qiáng)度影響的主次關(guān)系為：水膠比>粉煤灰摻量>微集料摻量>聚丙稀纖維摻量>減水劑摻量，選取各因素使試驗(yàn)指標(biāo)取得最大值的水平，確定材料3 d抗壓強(qiáng)度的優(yōu)化配比為A4B1C3D2E4。

表5 3 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果極差分析表Table 5 Range analysis of 3 d compressive strength results

表6 7 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果極差分析表Table 6 Range analysis of 7 d compressive strength results

表7 28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果極差分析表Table 7 Range analysis of 28 d compressive strength results

由表6可知：各因素對材料7 d抗壓強(qiáng)度影響的主次關(guān)系為：水膠比>微集料摻量>粉煤灰摻量>聚丙稀纖維摻量>減水劑摻量，確定材料7 d的抗壓強(qiáng)度優(yōu)化配比為A4B3C3D2E4，粉煤灰最佳摻量由30%增加到40%，主要由于粉煤灰等質(zhì)量取代水泥，使得水化反應(yīng)的速率降低，需要更長的時(shí)間完成凝結(jié)和硬化，而且合適摻量的粉煤灰能夠提高材料的后期強(qiáng)度[19-20]。由表7可知：各因素對材料28 d抗壓強(qiáng)度影響的主次關(guān)系以及確定的優(yōu)化配比均與7 d相同。

2.2.2 各因素對抗折強(qiáng)度的影響

微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土28 d抗折強(qiáng)度曲線如圖5所示，極差分析結(jié)果如表8所示，由表8可知：各因素對材料28 d抗折強(qiáng)度影響的主次關(guān)系為：水膠比>粉煤灰摻量>聚丙稀纖維摻量>微集料摻量>減水劑摻量，此與28 d抗壓強(qiáng)度影響的主次關(guān)系略有不同，聚丙烯纖維摻量的影響顯著性增強(qiáng)，說明纖維高彈性模量的特性對于提高材料的抗折強(qiáng)度有明顯的效果。選取各因素使試驗(yàn)指標(biāo)取得最大值的水平，確定28 d抗折強(qiáng)度的優(yōu)化配比為A4B3C3D4E4。

圖5 28 d抗折強(qiáng)度曲線Fig.5 28 d flexural strength curve

表8 28 d抗折強(qiáng)度結(jié)果極差分析表Table 8 Range analysis of 28 d flexural strength results

2.2.3 各因素對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)曲線如圖6所示，極差分析結(jié)果如表9所示，由表9可知：各因素對材料導(dǎo)熱系數(shù)影響的主次關(guān)系為：水膠比>粉煤灰摻量>微集料摻量>減水劑摻量>聚丙烯纖維摻量，減水劑摻量和聚丙烯纖維摻量對于導(dǎo)熱系數(shù)的影響較小。選取各因素使試驗(yàn)指標(biāo)取得最大值的水平，確定導(dǎo)熱系數(shù)的優(yōu)化配比為A4B3C1D4E1。

表9 導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果極差分析表Table 9 Range analysis of thermal conductivity results

圖6 導(dǎo)熱系數(shù)曲線Fig.6 Thermal conductivity curve

綜合評價(jià)不同因素對抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，最終得到微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土的優(yōu)化配比為：A4B3C3D2E4。

2.3 關(guān)系模型

由正交試驗(yàn)極差分析可知水膠比、微集料摻量、粉煤灰摻量為微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土力學(xué)性能的重要影響因素，建立材料28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與主要影響因素的定量關(guān)系，為材料的研究應(yīng)用提供參考。引入Poly 2D函數(shù)對微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到對應(yīng)的關(guān)系模型，式中x為水膠比，y為微集料摻量，z為粉煤灰摻量，ai和bi(i=1、2、3、4、5、6)為系數(shù)，由回歸分析得到。

微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強(qiáng)度回歸分析結(jié)果如圖7所示，關(guān)系模型如式(1)所示，數(shù)據(jù)回歸分析的相關(guān)系數(shù)為0.9513；28 d抗折強(qiáng)度回歸分析結(jié)果如圖8所示，關(guān)系模型如式(2)所示，數(shù)據(jù)回歸分析的相關(guān)系數(shù)為0.93014，擬合情況良好。

圖7 28 d抗壓強(qiáng)度與水膠比、微集料摻量關(guān)系Fig.7 Relationship between water binder ratio, micro-aggregate content and 28 d compressive strength

F(x,y)=-70.01567-203.9165x+3.56973y+201.75338x2-0.02782y2+0.76114xy

(1)

G(x,z)=21.71915-145.12863x+0.62001z+171.9751x2-0.0078z2-0.08909xz

(2)

圖8 28 d抗折強(qiáng)度與水膠比、粉煤灰摻量關(guān)系Fig.8 Relationship between water binder ratio, fly ash content and 28 d flexural strength

2.4 微觀形貌分析

采用掃描電鏡對水膠比0.5，粉煤灰摻量30%，微集料摻量40%、60%、80%的試件進(jìn)行觀察，其形貌特征如圖9所示。由圖9(a)可以看出，微集料摻量40%時(shí)，材料水化生成的產(chǎn)物主要是C-S-H凝膠和Ca(OH)2以及石英粉、石英砂、粉煤灰中的活性SiO2與Ca(OH)2所生成的針狀晶體，水化產(chǎn)物之間邊界分明，空隙較大，顆粒之間連接不緊密,材料的宏觀力學(xué)性能欠佳。由圖9(b)可見，隨著微集料摻量增加到60%時(shí)，水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和Ca(OH)2數(shù)量有所減少，活性SiO2與Ca(OH)2所生成的針狀晶體數(shù)量有所增加，水化產(chǎn)物之間連接緊密，顆粒之間的空隙明顯減少，有小的顆粒物質(zhì)作為填充，提升材料密實(shí)性使得材料的宏觀力學(xué)性能得到增強(qiáng)。由圖9(c)可見，當(dāng)微集料摻量80%時(shí)，其微觀形貌較前面有較大變化，水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和Ca(OH)2數(shù)量明顯減少，水化產(chǎn)物連接更為緊密，但活性SiO2與Ca(OH)2所生成的針狀晶體的占比加大使得材料的強(qiáng)度有所降低。

圖9 微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土微觀形貌Fig.9 Microstructure of micro-aggregate reinforced fly ash foam concrete

3 結(jié) 論

(1)微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著水膠比、粉煤灰摻量、微集料摻量的增加均呈現(xiàn)出先增長后降低的變化趨勢；其配比適宜的范圍是：水膠比0.4～0.5、粉煤灰摻量30%～50%、微集料60%～80%。

(2)微集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土3 d抗壓強(qiáng)度影響因素的主次關(guān)系為：水膠比>粉煤灰摻量>微集料摻量>聚丙稀纖維摻量>減水劑摻量；7與28 d抗壓強(qiáng)度的影響主次關(guān)系均為：水膠比>微集料摻量>粉煤灰摻量>聚丙稀纖維摻量>減水劑摻量；28 d抗折強(qiáng)度的影響主次關(guān)系為：水膠比>粉煤灰摻量>聚丙稀纖維摻量>微集料摻量>減水劑摻量；導(dǎo)熱系數(shù)影響主次關(guān)系為：水膠比>粉煤灰摻量>微集料摻量>減水劑摻量>聚丙烯纖維摻量。

(3)集料增強(qiáng)粉煤灰泡沫混凝土優(yōu)化配比為水膠比0.5，粉煤灰摻量40%，微集料摻量70%，聚丙稀纖維摻量0.1%，減水劑摻量0.8%。

(4)適量的微集料摻量可以提高其抗壓強(qiáng)度，分析原因是石英砂和石英粉中的活性SiO2與水化產(chǎn)物Ca(OH)2所生成的針狀晶體填充顆粒之間的空隙，水化產(chǎn)物連接緊密，提升其密實(shí)性。