粉煤灰摻量對水工泡沫混凝土性能影響試驗(yàn)研究

陳紅娟

（建昌縣水利局，遼寧 葫蘆島 125300）

0 引言

泡沫混凝土是利用機(jī)械模式，把摻有泡沫劑的水溶液制作成泡沫，并將其摻入混凝土漿料里充分?jǐn)嚢韬蜐仓尚?，從而形成的一種多孔輕質(zhì)的混凝土[1]。早在20 世紀(jì)初期，歐洲一些國家就開始致力于泡沫混凝土的技術(shù)開發(fā)，并于20 世紀(jì)50 年代逐漸形成了工業(yè)化的技術(shù)體系。泡沫混凝土具有密度小、生產(chǎn)工藝簡單、保溫隔熱性能好和綠色節(jié)能等主要優(yōu)勢，因此，被廣泛應(yīng)用于建筑、市政和公路建設(shè)領(lǐng)域[2]。近年來，隨著水利工程技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，泡沫混凝土被逐漸應(yīng)用于水工建設(shè)領(lǐng)域，特別是得益于其良好的保溫隔熱性能，在寒區(qū)水利工程中具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

我國是產(chǎn)煤和燃煤大國，僅全國規(guī)模以上火電廠，每年排放的工業(yè)廢料粉煤灰就高達(dá)2.5 億t，但粉煤灰的資源化和綜合化利用程度不高。近年來，火電廠產(chǎn)生的粉煤灰大量占用良田與河道，給經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。因此，將粉煤灰應(yīng)用于混凝土制作具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值[4]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥是混凝土制作過程中主要使用的膠凝材料，普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸水泥、火山灰水泥等均可以用于泡沫混凝土的制作[5]。考慮水泥性能和成本，此次研選擇的是P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其初凝時(shí)間為25～35 min，終凝時(shí)間為70～80 min。

在混凝土摻加一定量的粉煤灰，可以有效改善混凝土的物理力學(xué)性能，同時(shí)降低混凝土制作成本。此次研究中使用的是電廠1 級粉煤灰，其需水量為98%，含水量為0.4%。

試驗(yàn)中使用的骨料為普通河沙，其細(xì)度模數(shù)為2.0，為細(xì)沙。樣品的平均粒徑小于2 mm，含泥量小于3%，堆積密度為1 875 kg/m3。

試驗(yàn)中使用的泡沫劑為西安理工大學(xué)粉體中心研制的F-3蛋白質(zhì)類高效復(fù)合泡沫劑，其泡沫倍數(shù)為 20，1 h 沁水量為 70 ml，1 h 沉陷距為 8 mm。試驗(yàn)使用的復(fù)合摻加劑為具有減水和早強(qiáng)功能的C-3 復(fù)合摻加劑，試驗(yàn)用水為普通自來水。

1.2 試件制備

為了研究粉煤灰對水工泡沫混凝土性能的影響，分別摻入泡沫混凝土干物料量的10%，20%，30%，40%和50%等5 種不同的比例替代水泥，并對不同齡期試件的指標(biāo)進(jìn)行測定。

試驗(yàn)中按照水工泡沫混凝土的配合比設(shè)計(jì)計(jì)算各材料的用量并準(zhǔn)確稱量。先將砂漿在專用混凝土攪拌機(jī)中拌合均勻，同時(shí)利用配制的泡沫劑進(jìn)行泡沫的制備。在水泥砂漿漿體中加入適量的泡沫劑攪拌2 min，攪拌均勻后倒入模具，靜置24 h后拆模并編號，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期。

1.3 試驗(yàn)方法

針對泡沫混凝土在水工領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)際，選擇導(dǎo)熱系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度作為物理力學(xué)性能測試的主要指標(biāo)[6]，探究粉煤灰摻量對上述3 個(gè)系數(shù)影響規(guī)律。

導(dǎo)熱系數(shù)的測定使用的是尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件。導(dǎo)熱系數(shù)測定前，先將試件放入105 ℃的烘干箱內(nèi)連續(xù)烘干至恒重，取出冷卻至室溫，然后利用ISOMET 型熱特性分析儀對其導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測定。

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YAW-300 型全自動(dòng)水泥壓力試驗(yàn)機(jī)。使用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。試驗(yàn)中按照2.4 kN/s 的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄斷裂破壞時(shí)的最大荷載，計(jì)算出試件的抗壓強(qiáng)度[7]。

抗折強(qiáng)度測試采用WTC-2000 型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)。使用100 mm×100 mm×400 mm 的長方體試件，按照0.5 kN/s 的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)，直至試件斷裂，根據(jù)記錄的抗折破壞荷載，計(jì)算出試件的抗折強(qiáng)度。

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測試均選擇3 組試件，以試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果[8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)熱性能

對不同粉煤灰摻量方案下泡沫混凝土試件的導(dǎo)熱性能進(jìn)行測試，獲得3，7，28 d 齡期條件下泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制導(dǎo)熱系數(shù)隨粉煤灰摻量變化曲線，見圖1。由圖1 可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢。從相同齡期的試驗(yàn)結(jié)果來看：養(yǎng)護(hù)齡期為3，28 d 時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低再增加的變化特點(diǎn)，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)值最小，其隔熱性能達(dá)到最佳；養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)的變化幅度相對較小，僅在粉煤灰摻量為40%左右時(shí)存在相對較大的波動(dòng)。由此可見，從隔熱效果來看，粉煤灰的最佳摻量應(yīng)該為30%左右。

圖1 導(dǎo)熱系數(shù)隨粉煤灰摻量變化曲線

2.2 抗壓強(qiáng)度

對不同粉煤灰摻量方案下泡沫混凝土試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，獲得3，7，28 d 齡期條件下泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度值，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果繪制抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化曲線，見圖2。由圖2 可以看出，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長而迅速增加。從相同齡期的試驗(yàn)結(jié)果來看：3 d 齡期條件下，試件抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出不斷下降的變化特征；7 d 齡期條件下，試件抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先小幅增大后小幅減小的變化特征；總體來看，在3 d 和7 d 齡期條件下，抗壓強(qiáng)度值的變化幅度極為有限，說明粉煤灰摻量的影響不大；28 d 齡期條件下，試件抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，且變化幅度較大，當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí)抗壓強(qiáng)度值最大。因此，在泡沫混凝土中摻入30%的粉煤灰，可以有效提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖2 抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化曲線

2.3 抗折強(qiáng)度

對不同粉煤灰摻量方案下泡沫混凝土試件的抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試，獲得3，7，28 d 齡期條件下泡沫混凝土的抗折強(qiáng)度值；根據(jù)數(shù)據(jù)繪制抗折強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化曲線，見圖3。由圖3 可以看出，試件的抗折強(qiáng)度隨著齡期的增長而呈現(xiàn)出不斷增加的變化特點(diǎn)。從不同齡期的試驗(yàn)結(jié)果對比來看：3，7，28 d 齡期的變化規(guī)律基本一致，隨著粉煤灰摻量的增加，試件的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)出先下降后增長然后再下降的變化特點(diǎn)，當(dāng)粉煤灰的摻量為30%時(shí)，試件的抗折強(qiáng)度值達(dá)到最大。由此可見，在泡沫混凝土中摻加一定量的粉煤灰可以提升抗折強(qiáng)度，且最佳摻量為30%。

圖3 抗折強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化曲線

3 結(jié)語

通過室內(nèi)試驗(yàn)方式探討粉煤灰對水工泡沫混凝土性能的影響，可以得出：在水工泡沫混凝土中摻入粉煤灰能夠顯著改善其熱學(xué)和力學(xué)性能；粉煤灰摻量對3 d 和7 d 齡期泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓和抗折強(qiáng)度的影響較小，對28 d 齡期泡沫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓和抗折強(qiáng)度的影響較大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議在水工泡沫混凝土制作過程中摻入干料量30%的粉煤灰用于替代水泥材料。試驗(yàn)結(jié)果為粉煤灰在水工泡沫混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用提供了支持和借鑒。