劉香，運喜剛，張君瑞，李瑩，李元君（內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內(nèi)蒙古包頭　014010）

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再生微粉制備泡沫混凝土的試驗研究

劉香，運喜剛，張君瑞，李瑩，李元君
（內(nèi)蒙古科技大學建筑與土木工程學院，內(nèi)蒙古包頭014010）

摘要：主要針對影響再生微粉泡沫混凝土性能的膠凝材料體系進行試驗研究。通過不同膠凝材料比例下的干表觀密度和吸水率與抗壓強度的關系確定泡沫混凝土的基準配合比。實驗結果表明：當m（水泥）∶m（再生微粉）∶m（粉煤灰）=70∶15∶15時，可在保證抗壓強度和吸水率的同時最大程度利用再生微粉；基于正交試驗優(yōu)化出配合比，并制備了符合GB 50574—2010《墻體材料應用統(tǒng)一技術規(guī)范》中A3.5級要求的再生微粉泡沫混凝土，可用作墻體保溫材料，且具有良好的使用效果和經(jīng)濟性。

關鍵詞：再生微粉；泡沫混凝土；膠凝材料體系；正交試驗

我國每年產(chǎn)生廢棄黏土磚與廢棄混凝土為主的建筑垃圾可達15.5億t［1］，其中大部分處理方式為焚燒、掩埋，這不僅占用大量土地，且對環(huán)境造成了相當嚴重的污染。因此建筑垃圾再生微粉制備泡沫混凝土已成為建筑節(jié)能型建材的發(fā)展趨勢［2］。

1 再生微粉泡沫混凝土中膠凝材料體系的確定

泡沫混凝土對干表觀密度有嚴格的要求，因此在選擇膠凝材料時粉煤灰成為必不可少的細集料［3］。再生微粉的主要成分包括大量的水泥漿粉末，部分水泥石顆粒和少量的石灰石細顆粒，具有一定的潛在活性，其活性程度主要取決于廢棄混凝土所含未水化的膠凝材料量。

1.1 主要原材料

再生微粉：將內(nèi)蒙古科技大學土木工程試驗室的廢棄混凝土用顎式破碎機粉碎到5～15mm的顆粒，然后用球磨機球磨50min后制得。粉煤灰：選用包鋼電廠Ⅱ級粉煤灰。水泥：包頭產(chǎn)蒙西牌P·O42.5水泥。發(fā)泡劑：市售植物源復合蛋白發(fā)泡劑，無色至微黃色黏稠液體，推薦稀釋比例為1∶60。減水劑：聚羧酸高效減水劑，摻量控制在膠凝材料用量的0.6%～1.5%。穩(wěn)泡劑：羥丙基甲基纖維素HPMC（摻量以占膠凝材料0.08%為最佳）。生石灰：市售，內(nèi)蒙古包頭產(chǎn)。建筑石膏粉：硬度1.5～2，相對密度2.3，內(nèi)蒙古包頭產(chǎn)。無機鹽：碳酸鋰［4］、亞硝酸鈉，工業(yè)級，粉末狀。憎水劑：硬脂酸鈣，白色粉末；有機硅，無色透明液體。

1.2 膠凝材料性能對比分析

（1）物理性能

水泥、再生微粉、粉煤灰的物理性能見表1。

表1 膠凝材料的主要物理性能

由表1可以看出，再生微粉和粉煤灰二者在宏觀上具有相似的物理特性。

（2）化學成分

對膠凝材料進行化學成分分析可以了解其活性物質的種類和含量，更有利于對比分析不同膠凝材料在進行水化反應時的作用機理，是評定其活性大小的重要技術指標［5］。水泥、粉煤灰、再生微粉中的二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵含量高低直觀地反映了其質量的優(yōu)劣，3種膠凝材料主要化學成分見表2。

表2 膠凝材料的主要化學成分　%

由表2可以看出，再生微粉和粉煤灰的氧化硅、氧化鋁、氧化鎂以及氧化鐵的含量均相近，只有氧化鈣的含量高于粉煤灰，雖然化學成分會根據(jù)原材料產(chǎn)地的不同而略有差異，但可以初步推斷再生微粉與粉煤灰化學性質相似。

1.3 膠凝材料體系試驗方案

根據(jù)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》中對復合硅酸鹽水泥的規(guī)定，復合硅酸鹽水泥中混合材料總摻加量應＞20%且≤50%，因此，分別固定水泥摻量為50%、60%、70%、80% 4個等級，相應地分別以水泥質量50%、40%、30%、20%的粉煤灰和再生微粉替代部分水泥。在滿足再生微粉泡沫混凝土基本性能的基礎上最大程度摻入再生微粉，通過調整再生微粉和粉煤灰的摻入比例研究分析不同膠凝材料體系組成對再生微粉泡沫混凝土綜合性能的影響［6-8］。試驗設計干表觀密度600 kg/m3，水膠比為0.24，減水劑摻量為膠凝材料用量的1.2%，試驗時根據(jù)流動度可以微調減水劑摻量。穩(wěn)泡劑HPMC以占膠凝材料0.08%的比例摻入，泡沫性能指標參照GB/T 11969—2008《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》中泡沫混凝土泡沫劑性能試驗方法進行測試。

1.4 膠凝材料體系試驗結果與分析

其它組分保持不變，不同膠凝材料配比下泡沫混凝土的抗壓強度和干表觀密度見圖1。

圖1 不同膠凝材料配比下再生微粉摻量對泡沫混凝土抗壓強度和干表觀密度的影響

由圖1可知，綜合考慮抗壓強度與干表觀密度的關系，以最大程度利用廢棄混凝土為原則，當m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=80∶10∶10、70∶15∶15、60∶20∶20、50∶15∶35時，泡沫混凝土在同水泥量級下具有適宜的干表觀密度和較高的抗壓強度。

破碎、磨細后獲得的再生微粉孔隙率高，導致利用其制備的泡沫混凝土吸水率隨之增大，吸水率大是再生微粉泡沫混凝土主要缺點之一，制約了再生微粉泡沫混凝土的推廣和應用［9］。通過吸水率試驗可以得到膠凝材料組成對吸水率的影響規(guī)律，有助于在保證再生微粉泡沫混凝土綜合性能的基礎上最大程度利用廢棄混凝土。

不同膠凝材料配比下泡沫混凝土抗壓強度與吸水率的關系見圖2。

由圖2可知：在相同水泥摻量下，再生微粉泡沫混凝土的吸水率隨著再生微粉摻量增多基本呈逐漸降低趨勢，在水泥摻量逐漸減少、再生微粉摻量逐漸增加的情況下，吸水率反而又處于上升的狀態(tài)。在保證抗壓強度的基礎上，重點考慮吸水率的因素，以最大程度利用再生微粉為原則，當m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=80∶10∶10、70∶15∶15、60∶10∶30、50∶15∶35時，泡沫混凝土在相同水泥用量下具有較高的抗壓強度和較小的吸水率。

圖2 不同膠凝材料配比下再生微粉摻量對泡沫混凝土抗壓強度與吸水率的影響

2 再生微粉泡沫混凝土最佳配合比的確定

為了確定適用于再生微粉泡沫混凝土的最佳配合比，選擇膠凝材料體系、憎水劑、無機鹽作為影響因素，分別設定3因素3水平正交試驗并進行結果分析。

2.1 正交試驗設計

本試驗設計表干密度為600 kg/m3的再生微粉泡沫混凝土，試驗時保持水膠比0.24不變，試驗過程中可根據(jù)漿體的流動度微量調整減水劑的用量［10］；激發(fā)劑選用石膏，摻入比例為膠凝材料用量的25%。正交試驗因素水平見表3，正交試驗結果見表4。

表3 正交試驗因素水平

表4 正交試驗結果

2.2 正交試驗結果分析

正交試驗極差分析見表5。

表5 正交試驗極差分析

從表5可以看出：

（1）各因素對再生微粉泡沫混凝土干表觀密度影響的主次順序為：憎水劑＞膠凝材料體系配比＞無機鹽，憎水劑是最主要影響因素，膠凝材料體系也起到一定的作用，效果僅次于憎水劑，無機鹽是非重要影響因素。當憎水劑摻量為1.5%時，干密度最接近設計值。所以泡沫混凝土干表觀密度的最優(yōu)配比為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=70∶15∶15，憎水劑摻量1.5%，無機鹽摻量0.1%。

（2）由于泡沫混凝土塊體表面有開口孔存在，直接導致其吸水率較大。再生微粉泡沫混凝土吸水率影響的大小順序為：無機鹽＞憎水劑＞膠凝材料體系配比，吸水率皆控制在20%左右，說明吸水率受外加劑耦合作用較大，控制吸水率要從多種外加劑共同考慮；但無機鹽是3種因素中較重要的一種，可能是因為碳酸鋰摻入縮短了再生微粉泡沫混凝土的凝結時間，有效地保持了泡沫的穩(wěn)定性以致其成型試塊表面存在較少的開口孔而降低了吸水率。

（3）再生微粉泡沫混凝土28 d抗壓強度影響的主次順序為：膠凝材料體系配比＞無機鹽＞憎水劑。無機鹽和憎水劑摻量選用較為合理，試驗強度受其影響變化不大，膠凝材料體系的組成是影響強度的關鍵因素，這是由于膠凝材料在再生微粉泡沫混凝土中作為主體骨架，是主要受力部分，當m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=70∶15∶15時，泡沫混凝土抗壓強度最優(yōu)。

JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》要求15次凍融循環(huán)質量損失不大于5%，強度損失不大于20%。從表4可以看出，當m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=50∶15∶35時，凍融指標均不符合規(guī)范要求；當m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=60∶20∶20和70∶15∶15時凍融質量損失符合標準要求，但當m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=60∶20∶20組成時，凍融后強度損失過大。所以當m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）= 70∶15∶15時，泡沫混凝土的抗凍性最好。

從表4還可以看出，泡沫混凝土的導熱系數(shù)符合JC/T 1062—2007標準要求。

綜合以上指標分析可以得到的最佳配合比見表6。

按此最佳配合比制備的再生微粉泡沫混凝土，密度為625.07 kg/m3，28 d立方體抗壓強度為4.7 MPa，吸水率為22.93%，15次凍融循環(huán)后質量損失3%、強度損失11%，導熱系數(shù)為0.131 W/（m·K）。各項性能指標符合GB 50574—2010《墻體材料應用統(tǒng)一技術規(guī)范》中A3.5級的要求。與傳統(tǒng)的相同級別泡沫混凝土相比，可節(jié)約水泥75 kg/m3。

表6 再生微粉泡沫混凝土的最佳配合比　kg/m3

3 結語

（1）當m（水泥）∶m（再生微粉）∶m（粉煤灰）=70∶15∶15時，可做到在保證抗壓強度和吸水率的同時最大程度利用再生微粉。

（2）再生微粉泡沫混凝土各原材料的最佳配比（kg/m3）為：m（P·O42.5水泥）∶m（再生微粉）∶m（粉煤灰）∶m（水）∶m（石膏）∶m（碳酸鋰）∶m（聚羧酸高效減水劑）∶m（發(fā)泡劑）=350∶75∶75∶120∶18.75∶1.5∶6∶0.515。按此最佳配合比制備的再生微粉泡沫混凝土，密度為625.07 kg/m3，28 d立方體抗壓強度為4.7 MPa，吸水率為22.93%，15次凍融循環(huán)后質量損失3%、強度損失11%，導熱系數(shù)為0.131 W/（m·K）。各項性能指標符合GB 50574—2010中A3.5級的要求。與傳統(tǒng)的相同級別泡沫混凝土相比，可節(jié)約水泥75 kg/m3。

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［10］李秋義.建筑垃圾資源化再生利用技術［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2011.

Experimental study on preparation of foam concrete making use of regenerated powder

LIU Xiang，YUN Xigang，ZHANG Junrui，LI Ying，LI Yuanjun
（College of Architecture and Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science & Technology，Baotou 014010，China）

Abstract：The article conducted experimental studies on the cementitious material system affecting the properties of recycled powder foam concrete. The benchmark mix ratio of foam concrete can be determined through the relationship between dry apparent density and water absorption on the compressive strength of the different cementitious materials. The experiment results showed that recycled powder can be made use of to the maximum content while ensuring compressive strength and water absorption rate when the cement∶fly Ash∶recycled powder is 70∶15∶15. Optimal mix ratio was obtained by orthogonal experiments and recycled powder foam concrete meeting the A3.5 requirements as specified in standard GB 50574—2010 "Uniform technical code for wall materials" was prepared，which can be used as wall insulation materials，and has good application and economic effect.

Key words：recycled fine powder，foamed concrete，cementitious material system，orthogonal test

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）03-0077-04

基金項目：廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室開放基金項目（GDDCE12-08）

收稿日期：2015-10-15；

修訂日期：2015-11-19

作者簡介：劉香，女，1964年生，內(nèi)蒙古包頭人，教授，研究方向為結構抗震。