章錦洋，范黎，范晨，顧成軍

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210000)

?

一種新型保溫材料的制備及其力學(xué)性能的研究

章錦洋，范黎，范晨，顧成軍

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210000)

摘要：設(shè)計(jì)干密度為400 kg/m3的輕質(zhì)泡沫混凝土用作保溫隔熱材料時(shí)，普遍存在強(qiáng)度偏低的問題。通過實(shí)驗(yàn)的方法，根據(jù)控制變量的不同配比研究常用摻合料和減水劑的摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。通過大量的泡沫混凝土試塊抗壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)適量加入粉煤灰和聚羧酸減水劑有助于混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，硅灰的摻入對(duì)其強(qiáng)度增長(zhǎng)不利，而聚丙烯纖維摻量較少時(shí)影響并不明顯。通過四因素四水平的正交試驗(yàn)，在綜合考慮泡沫混凝土的力學(xué)和保溫性能后，認(rèn)為水泥摻量91%、硅灰摻量9%、聚羧酸減水劑用量0.5%時(shí)的配比為合理配比。

關(guān)鍵詞：泡沫混凝土；抗壓強(qiáng)度；正交試驗(yàn)；配合比；摻合料；減水劑

0前言

泡沫混凝土相對(duì)于普通混凝土在各項(xiàng)物理性能方面均有很大優(yōu)勢(shì)。它的密度僅為普通混凝土的1/15～1/2，可有效減輕建筑物自重[1]；內(nèi)部的大量封閉空隙使泡沫混凝土的隔音性能比普通混凝土提升5～8倍，導(dǎo)熱系數(shù)增大了20～30倍[2]，消散地震波沖擊能量的能力顯著提升[3]。同時(shí)，泡沫混凝土在施工工程中可泵性好，特別適用于大體積現(xiàn)場(chǎng)澆筑及地下采空區(qū)的填充澆筑工程。除此以外，泡沫混凝土用料環(huán)保，可摻入粉煤灰、礦渣微粉等工業(yè)廢渣，在實(shí)現(xiàn)材料循環(huán)利用的同時(shí)節(jié)約施工成本[4]。在綠色、節(jié)能、環(huán)保的理念逐漸深入人心的今天，泡沫混凝土有了更好的發(fā)展機(jī)遇和更廣闊的市場(chǎng)空間。

泡沫混凝土的原材料有水泥、水、發(fā)泡劑等，外加必要的摻合料和外加劑。常用的摻合料有粉煤灰、礦渣粉、碎石、陶粒等，常用的外加劑有減水劑、促凝劑等。制備時(shí)常用預(yù)制泡混合法，即先將發(fā)泡劑按一定比例加水稀釋后倒入泡沫制備機(jī)打出泡沫，再與用水泥、水、摻合料、外加劑攪拌好的料漿混合均勻后在模具中澆筑成型?，F(xiàn)在也有同時(shí)進(jìn)行發(fā)泡和拌和料漿的混合制泡法[5-7]。

當(dāng)泡沫混凝土用作保溫隔熱材料時(shí)，其密度一般為300～600 kg/m3，屬于輕質(zhì)泡沫混凝土[8]。目前，工程領(lǐng)域?qū)ζ鋸?qiáng)度和保溫性能的要求越來越高，泡沫混凝土中泡沫摻量越多，其質(zhì)量越輕，保溫效果越好，但不可避免地會(huì)帶來強(qiáng)度下降的問題[9-10]。如何在保證泡沫混凝土保溫性能的同時(shí)，最大程度地減小強(qiáng)度損失，維持各項(xiàng)性能之間的平衡，是一個(gè)值得研究的問題。

1實(shí)驗(yàn)方法與內(nèi)容

本項(xiàng)研究的主要目的是通過實(shí)驗(yàn)的方法找到既能保證保溫性能又能最大程度地減小強(qiáng)度損失的泡沫混凝土最佳配比。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用控制變量的方法，不斷改變?cè)系呐浔葋碇苽洳煌脑嚰?，通過測(cè)試其力學(xué)性能和隔熱性能找到材料配比的規(guī)律，重點(diǎn)研究幾種常用摻合料(粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維)及減水劑等對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，探尋在滿足規(guī)范要求的前提下能改善其強(qiáng)度和保溫性能的合理配比。

1.1試塊制備

本實(shí)驗(yàn)所采用的材料有：普通硅酸鹽水泥(P.O42.5R)，粉煤灰(二級(jí))，硅灰(硅含量>90%，粒度為0.1～0.2 μm)，聚羧酸減水劑(海森化工，固含量>99%)，動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑(pH值為6～7，固含量>40%)，聚丙烯纖維(密度為0.91 g/m3)。在測(cè)試材料的力學(xué)性能與隔熱性能之前，先對(duì)材料試塊進(jìn)行制備，具體步驟為：

1)泡沫制備。取100 mL動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑放入1 000 mL的燒杯中，在高速攪拌器下攪拌制成泡沫。

2)混合砂漿制備。將水泥、粉煤灰、硅灰、外加劑及聚丙烯纖維等混合原料在攪拌機(jī)內(nèi)先干拌攪勻，再加水?dāng)嚢? min。

3)泡漿混合攪拌。將泡沫緩慢倒入混合料內(nèi)繼續(xù)攪拌5 min，保證泡沫均勻分布在混合料中。

4)澆筑成型。將制得的料漿注模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，24 h后脫模，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，到規(guī)定的測(cè)試時(shí)間后測(cè)試其性能。

1.2材料性能測(cè)試

選用3種常用摻合料(粉煤灰、硅灰、聚丙烯纖維)和1種常用減水劑(聚羧酸減水劑)，設(shè)計(jì)了四因素四水平的正交試驗(yàn)，泡沫混凝土試塊的設(shè)計(jì)干密度為400 kg/m3，水膠比為0.5；導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試采用規(guī)格為300 mm×300 mm×20 mm的長(zhǎng)方體試塊，同種配比做2塊試件，抗壓強(qiáng)度測(cè)試采用規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，同種配比做6塊試件，其中3塊用于測(cè)定7 d強(qiáng)度，3塊用于測(cè)定28 d強(qiáng)度。

所制備樣品的導(dǎo)熱系數(shù)通過導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀DRCD-3030B進(jìn)行測(cè)試，使用校正過的熱流傳感器測(cè)量通過樣品的熱流。測(cè)量樣品厚度、溫度梯度與通過樣品的熱流便可計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)。樣品的力學(xué)強(qiáng)度通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)HD-501-700進(jìn)行測(cè)試，試件抗壓強(qiáng)度=試件破壞荷載/ 試件承壓面積。材料測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1(續(xù))

注：泡沫混凝土試塊的設(shè)計(jì)干密度為400 kg/m3，水膠比為0.5。

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1單一變量影響

為了深入探究各種摻合料和減水劑的摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，對(duì)各種摻合料和減水劑分別單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探討單一變量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

2.1.1粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖1為僅摻入粉煤灰時(shí)，不同粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土試塊抗壓強(qiáng)度的影響情況。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在粉煤灰摻量約為30%時(shí)其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

在粉煤灰摻量較小時(shí)，由于粉煤灰的活性較水泥小，水化比純水泥慢，因此，在用料相同的情況下，早期大部分水泥的水化都能得到充足的水分供應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)對(duì)整個(gè)漿體的和易性起到良好的作用，有效地避免了粉體團(tuán)聚的現(xiàn)象，且由于粉煤灰具有活性，其后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)性較大。但是，隨著粉煤灰摻量的增加，水泥摻量的減小，水化反應(yīng)即使是充分反應(yīng)，生成的C-S-H依然較少，其強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

圖1　不同粉煤灰摻量條件下試塊7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

2.1.2硅灰摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為僅摻硅灰條件下，不同硅灰摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著硅灰摻量的增加，泡沫混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在硅灰摻量約為4%時(shí)其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值；28 d抗壓強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。

圖2　不同硅灰摻量條件下試塊7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

由于硅灰的表面積較大，在和易性相同的條件下，其需水量較大，水灰比也較大，因此摻雜了硅灰的泡沫混凝土強(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)。但由于其具有一定的活性，能與水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，故其后期強(qiáng)度較高。由于硅灰的粒度較小，能有效填補(bǔ)水泥之間的空隙，使水化漿體更致密，因此，摻雜了硅灰的泡沫混凝土強(qiáng)度能在一定程度上獲得提升。

2.1.3聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為僅摻聚羧酸減水劑條件下，不同聚羧酸減水劑摻量對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在聚羧酸減水劑摻量約為1.5%時(shí)其抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

圖3　不同減水劑摻量條件下試塊7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

隨著減水劑摻量的增加，漿體的流動(dòng)性得到明顯改善，有效分散了水泥，避免了在攪拌過程中出現(xiàn)粉體團(tuán)聚的現(xiàn)象，有利于水化反應(yīng)的充分進(jìn)行，因此，在一定范圍內(nèi)減水劑能有效改善泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。但隨著減水劑含量的增大，可能會(huì)增大泡沫的表面張力，引起泡沫大量破損或集聚上浮，降低整個(gè)試塊的整體性，從而降低泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2其他比較分析

通過正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在抗壓強(qiáng)度方面，第2、5、10、13組的7 d抗壓強(qiáng)度較高，其共同特點(diǎn)是粉煤灰摻量較少，硅灰用量適中，減水劑用量減少；第4、7、12組的7 d抗壓強(qiáng)度較低，其共同特點(diǎn)是粉煤灰摻量較多。由此可知減少泡沫混凝土中粉煤灰的摻量，適量增加硅灰摻量可提高其抗壓強(qiáng)度，聚丙烯纖維因摻量較少，對(duì)泡沫混凝土的強(qiáng)度影響不夠明顯。為盡可能提高泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，可采用的優(yōu)化配合比為水泥摻量91%、硅灰摻量9%、聚羧酸減水劑用量0.5%。

在導(dǎo)熱系數(shù)方面，各種配比情況下的導(dǎo)熱系數(shù)大致相等，在0.085 W/(m·K)上下浮動(dòng)，可知在試塊密度相同時(shí)，摻合料和減水劑用量的變化對(duì)泡沫混凝土的保溫性能影響不大。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，推測(cè)可以采用減小泡沫混凝土密度的手段來減小其導(dǎo)熱系數(shù)，改善其保溫性能。

3結(jié)論

1)粉煤灰和聚羧酸減水劑摻量的增加均使泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。適量摻入粉煤灰能提高混凝土的和易性，利用粉煤灰自身活性促進(jìn)混凝土后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)；減水劑的加入有助于混凝土進(jìn)行水化反應(yīng)，但摻量過多造成的泡沫大量破損或集聚上浮對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)較為不利。

2)硅灰的摻入總體上會(huì)對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響，但因其粒徑較小、且能發(fā)生二次水化反應(yīng)，可使混凝土強(qiáng)度稍有增長(zhǎng)。聚丙烯纖維摻量較少時(shí)對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。

3)對(duì)于設(shè)計(jì)干密度為400 kg/m3的泡沫混凝土來說，較少的粉煤灰摻量、適中的硅灰摻量和較少的減水劑用量利于提升其抗壓強(qiáng)度。在保持泡

沫混凝土干密度恒定的條件下，摻合料和減水劑的用量變化對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)的影響不大。綜合考慮后的優(yōu)化配合比為水泥摻量91%、硅灰摻量9%、聚羧酸減水劑用量0.5%。

[參考文獻(xiàn)]

[1]LIM Siong Kang,TAN Cher Siang,LIM Ooi Yuan,et al.Fresh and hardened properties of lightweight foamed concrete with palm oil fuel ash as filler[J].Construction and Building Materials,2013,46(3): 39-47.

[2]高公翰.論述建筑工程中泡沫混凝土的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2013(15)：144，146.

[3]魏文慧.泡沫混凝土的分析與應(yīng)用[J].混凝土，2013(2)：136-138，142.

[4]路杰.泡沫混凝土的應(yīng)用及存在的問題[J].中國(guó)資源綜合利用，2013(5)：49-51.

[5]程志寅.泡沫混凝土的制備、性能與發(fā)展前景[J].粉煤灰，2015(3)：43-46.

[6]谷亞新，王延釗，王小萌.不同工藝泡沫混凝土的研究進(jìn)展[J].混凝土，2013(12)：148-152.

[7]周明杰.泡沫混凝土的研究和應(yīng)用最新進(jìn)展[J].混凝土,2009(4)：104-105.

[8]TAN Xianjun.CHEN Weizhong,HAO Yingge,et al.Experi-mental study of ultralight (<300 kg/m3) foamed concrete[J].Advances in Materials Science and Engineering,2014,45(3):201-211.

[9]單星本，文婧，周運(yùn)燦，等.泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素研究[J].低溫建筑技術(shù)，2013(6)：6-9.

[10]GUNAWAN Purnawan,SETIONO.Foamed lightweight concrete tech using galvalum Az 150 fiber[J].Procedia Engineering,2014,95(5):433-441.

責(zé)任編輯：唐海燕

Preparation and Mechanical Property of a New Type of Thermal Material

ZHANG Jinyang,FAN Li,FAN Chen,GU Chengjun

(School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210000)

Abstract：The problem of low strength exists in the design of lightweight foam concrete as a thermal material with dry density of 400 kg/m3.This experiment uses the method of controlling variables to study the effects of content of normal admixture and water reducing agent on the compressive strength of foam concrete.Through a great number of tests on compressive strength of foam concrete testing models,the experiment shows that adding proper amount of fly ash and poly carboxylic water reducing agent contributes to the growth of concrete strength while the addition of silica fume has a negative effect on strength increase,and a small amount of polypropylene fiber has relatively little influence.Through the orthogonal test with four factors and at four levels,while considering mechanical and thermal insulation properties of foam concrete,it can be concluded that when the content of cement is 91%,the content of silica fume is 9%,and the content of poly carboxylic water reducing agent is 0.5%,the ratio of foam concrete is relatively reasonable.

Key words：foam concrete；compressive strength；orthogonal test；proportion；admixture；water reducing agent

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.002

收稿日期：2016- 03- 03

作者簡(jiǎn)介：章錦洋(1995—)，男，本科生。

中圖分類號(hào)：TU55+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671- 0436(2016)02- 0006- 04