李馳，方從啟（上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院土木工程系，上海　200240）

低密度發(fā)泡水泥吸水性能的改性研究

李馳，方從啟
（上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院土木工程系，上海200240）

對(duì)于發(fā)泡水泥而言，多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其吸水率較高，而吸水后其力學(xué)性能急劇下降，耐久性降低。研究了3種憎水劑對(duì)絕干密度為500～550 kg/m3的低密度發(fā)泡水泥吸水率的控制效果以及抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：憎水劑的摻加對(duì)發(fā)泡水泥吸水性能的改善效果明顯，其中，自制憎水劑SL改善效果最佳；不同憎水劑對(duì)發(fā)泡水泥抗壓強(qiáng)度有所影響，當(dāng)憎水劑摻量同為1.0%時(shí)，摻加SL憎水劑的試樣強(qiáng)度提高最大，提高63.8%，摻加甲基硅酸鉀憎水劑的試樣強(qiáng)度提高最小，提高23.1%。

低密度發(fā)泡水泥；吸水率；憎水劑

發(fā)泡水泥獨(dú)特的性能使泡沫混凝土在隔熱、防火乃至管溝回填、廢棄隧涵、溝槽及其它結(jié)構(gòu)的填充方面得到了廣泛應(yīng)用［1-2］，與普通混凝土相比，發(fā)泡水泥具有體積密度小、質(zhì)量輕，保溫、隔熱、隔聲、耐火性能好等特點(diǎn)［3］。所以，發(fā)泡水泥廣泛應(yīng)用于建筑外墻保溫。然而，由于發(fā)泡水泥內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其吸水率較高，而發(fā)泡水泥吸水后其力學(xué)性能和保溫效果下降明顯；特別是在低溫環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，甚至有時(shí)會(huì)引起相關(guān)結(jié)構(gòu)的破壞，嚴(yán)重影響發(fā)泡水泥制品的使用壽命［4-6］，而優(yōu)良的防水性能作為耐久性的一個(gè)重要方面，能直接降低其它因素對(duì)混凝土的破壞，對(duì)于低密度發(fā)泡水泥情況尤為突出。因此，對(duì)低密度發(fā)泡水泥的吸水性能進(jìn)行改善顯得尤為重要。

本文重點(diǎn)探討了密度為500～550 kg/m3的低密度發(fā)泡水泥的吸水性能，在相同密度的前提下，研究了3種憎水劑對(duì)低密度發(fā)泡水泥吸水性能及力學(xué)性能的影響。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

水泥（PC）：上海海螺42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；微硅粉（SF）：Elken公司提供，顆粒粒徑0.01～0.1 μm，主要在體系中起提高早期強(qiáng)度的作用；發(fā)泡劑（FA）：蛋白質(zhì)類發(fā)泡劑，試驗(yàn)中發(fā)泡劑與水以1∶40體積比混合；減水劑（SP）：聚羧酸高效減水劑，固含量為40%；聚丙烯纖維（PP）：長(zhǎng)度為9 mm；早強(qiáng)劑（NS）：主要成分為Na2SO4；促凝劑（AS）：主要成分為Al2（SO4）3；穩(wěn)泡劑（FS）：主要成分為三乙醇胺；憎水劑：硬脂酸鈣（CS），甲基硅酸鉀（OS），市售；自制憎水劑（SL）：主要成分為硅氧烷；水：自來(lái)水。水泥和微硅粉的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)用水泥和微硅粉的主要化學(xué)成分　%

1.2樣品制備

發(fā)泡水泥的試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2，試樣的設(shè)計(jì)絕干密度為550 kg/m3，每組實(shí)驗(yàn)的水灰比均為0.35，發(fā)泡劑體積摻量均為80%。試驗(yàn)中先將膠凝材料、憎水劑按表2中的配合比混合；加入水與添加劑并均勻混合；然后摻入由發(fā)泡劑制得的泡沫充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笞⒛！B(yǎng)護(hù)成型。

表2　低密度泡沫水泥的配合比kg/m3

1.3測(cè)試方法

（1）絕干密度

按照J(rèn)C/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》，立方體試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，在105℃下烘干至恒定質(zhì)量，精確到0.1 g，然后移至干燥器中冷卻至室溫。稱量試件室溫狀態(tài)下的質(zhì)量，并計(jì)算樣品的絕干密度。

（2）抗壓強(qiáng)度

按照J(rèn)C/T 1062—2007進(jìn)行測(cè)試，立方體試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。首先測(cè)量試樣受壓面尺寸，計(jì)算受壓面積，再采用抗壓-抗折一體試驗(yàn)機(jī)，以0.5 mm/min的速度均勻加載，直至試樣破壞，記錄破壞荷載，精確到10 N。計(jì)算試樣的抗壓強(qiáng)度，精確到0.01 MPa。

（3）吸水率

按表征方法的不同，將混凝土的吸水率分為質(zhì)量吸水率和體積吸水率。在我國(guó)現(xiàn)行的大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中采用質(zhì)量吸水率。鑒于發(fā)泡水泥多孔、輕質(zhì)的特征，發(fā)泡水泥吸水率采用體積吸水率來(lái)表征更為合理［7］以下未特別說(shuō)明，吸水率均指體積吸水率）。體積吸水率是指混凝土在飽水狀態(tài)下吸收的水分體積占混凝土自然狀態(tài)體積的百分?jǐn)?shù)。

按照GB/T 5486—2008《無(wú)機(jī)硬質(zhì)絕熱制品試驗(yàn)方法》的規(guī)定，測(cè)定發(fā)泡水泥的吸水率。步驟如下：發(fā)泡水泥烘干至恒重后放于干燥器中冷卻至室溫，稱取試樣質(zhì)量m1，精確到0.1 g；測(cè)量試樣尺寸并計(jì)算其體積V；然后放入（20±5）℃的恒溫水槽中，浸潤(rùn)1 h后取出試樣，將試樣置于干燥處?kù)o置3 min，然后用干毛巾擦去表面水分。直到試樣表面不再明顯溢水后，立即稱量試樣的濕質(zhì)量m2，精確到0.1 g。各試樣的體積吸水率按式（1）計(jì)算，精確到0.1%。

式中：WT——試件的體積吸水率，%；

V——試件的體積，m3；

ρw——水的密度，取1000 kg/m3。

2　結(jié)果與討論

2.1硬脂酸鈣憎水劑對(duì)低密度發(fā)泡水泥吸水率和

抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了0、0.2%、0.4%、0.8%、1.0%、1.2%等6個(gè)硬脂酸鈣憎水劑摻量對(duì)發(fā)泡水泥吸水率和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1　硬脂酸鈣憎水劑摻量對(duì)發(fā)泡水泥性能的影響

從圖1可以看出，發(fā)泡水泥試樣的抗壓強(qiáng)度隨著硬脂酸鈣摻量的增加而逐漸增大，且增幅大于50%，而當(dāng)硬脂酸鈣摻量超過(guò)1.0%時(shí)，抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有增長(zhǎng)；體積吸水率隨著硬脂酸鈣摻量的增加而降低，且當(dāng)摻量從0到0.4%時(shí)，吸水率降低明顯，降幅超過(guò)40%，硬脂酸鈣摻量為1.0%～1.2%時(shí)，試樣吸水率基本不變。這說(shuō)明硬脂酸鈣能有效降低發(fā)泡水泥的吸水率。究其原因，是因?yàn)楫?dāng)硬脂酸鈣摻入膠凝材料中后，其中的活性成分在水泥顆粒表面形成密實(shí)的防水薄膜，有效阻礙水分的滲入。隨著硬脂酸鈣摻量的提高，其與水泥基體反應(yīng)更加充分，并生成針狀體產(chǎn)物，有效填充發(fā)泡水泥內(nèi)部孔隙及裂縫，使得發(fā)泡水泥內(nèi)部更加致密，形成的高效防水線進(jìn)一步提高發(fā)泡水泥的防水性能。此外，鑒于硬脂酸鈣的摻量大于0.8%時(shí)發(fā)泡水泥吸水率降低明顯，則硬脂酸鈣最佳摻量應(yīng)為1.0%。

2.2甲基硅酸鉀憎水劑對(duì)低密度發(fā)泡水泥吸水率和抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖2）

圖2　甲基硅酸鉀憎水劑對(duì)發(fā)泡水泥性能的影響

從圖2可以看出，發(fā)泡水泥試樣的抗壓強(qiáng)度隨著甲基硅酸鉀憎水劑摻量的增加而緩慢增大。當(dāng)甲基硅酸鉀的摻量從0增加到0.4%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度增加明顯，增幅超過(guò)10%；當(dāng)摻量超過(guò)0.4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度雖繼續(xù)增大，但增幅下降明顯，低于5%。當(dāng)甲基硅酸鉀摻量超過(guò)1.0%時(shí)，試樣抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的現(xiàn)象；試樣的吸水率隨著甲基硅酸鉀摻量的增加而降低。與摻入硬脂酸鈣的發(fā)泡水泥試樣相比，摻入甲基硅酸鉀之后，試樣吸水率有所降低，但效果略差。這是因?yàn)?，甲基硅酸鉀憎水劑常溫下是液態(tài)，當(dāng)摻入膠凝材料后，其直接參與水化反應(yīng)，但不能在水泥顆粒表面形成密實(shí)防水薄膜，反應(yīng)也不會(huì)生成針狀體而填補(bǔ)裂縫。因此，在較大水壓力作用下，水分輕易通過(guò)發(fā)泡水泥內(nèi)部裂縫快速滲透，導(dǎo)致其吸水率改善效果欠佳。另一方面，生成的水化產(chǎn)物增加了試樣內(nèi)部固體材料含量，在一定程度上對(duì)提高其抗壓強(qiáng)度有輔助作用。

2.3SL憎水劑對(duì)低密度發(fā)泡水泥吸水率和抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)圖3）

圖3結(jié)果顯示，發(fā)泡水泥的抗壓強(qiáng)度隨著SL憎水劑摻量的增加先逐漸增加后保持穩(wěn)定，增幅超過(guò)60%，而試樣的吸水率急劇下降。當(dāng)SL摻量從0增加到0.2%時(shí)，試樣的吸水率降低明顯，24 h吸水率達(dá)到13.7%，已符合正常使用要求；當(dāng)SL摻量大于0.2%時(shí)，試樣的吸水率已經(jīng)降低到10%以下；當(dāng)SL摻量為1.0%時(shí)，試樣吸水率最低，為3%。這說(shuō)明，與硬脂酸鈣和甲基硅酸鉀憎水劑相比，SL憎水效果最佳。這是因?yàn)槠涔柩跬榛钚苑肿优c膠凝材料發(fā)生反應(yīng)，并很快與水泥均勻混合，直接參與水化，水化產(chǎn)物包裹水泥顆粒，有限阻礙了水分的自由移動(dòng)，這樣不僅能形成防水膜防止水分滲透，反應(yīng)生成物還能填補(bǔ)試樣內(nèi)部裂縫，這大大提高了發(fā)泡水泥的防水性能。通過(guò)比較，其使用效果超過(guò)了同等摻量情況下硬脂酸鈣憎水劑的使用效果。此外，當(dāng)SL摻量大于1.0%后，試樣吸水率變化緩慢，因此建議最優(yōu)摻量控制在1.0%。

圖3　SL憎水劑對(duì)發(fā)泡水泥性能的影響

2.4不同憎水劑及摻量對(duì)低密度發(fā)泡水泥吸水率的影響

雖然發(fā)泡水泥試樣的吸水率隨著3種憎水劑摻量的增加都有所降低，但降低幅度和憎水效果有所差異。圖4為摻加3種不同憎水劑的發(fā)泡水泥試樣表面吸水情況（摻量均為1.0%）。

圖4　摻入3種不同憎水劑試樣表面吸水情況

從圖4（a）可以看出，左側(cè)摻入甲基硅酸鉀憎水劑的試樣在浸水之后，水分立即通過(guò)試樣表面孔隙滲透入試樣內(nèi)部；而右側(cè)摻入硬脂酸鈣憎水劑的試樣在浸水10 min之后，水分才完全滲透進(jìn)入試樣內(nèi)部；從圖4（b）和（c）中看出，摻入SL憎水劑的試樣表面防水效果明顯優(yōu)于另外2種憎水劑。

圖5為不同憎水劑及其摻量對(duì)發(fā)泡水泥吸水率的影響。

圖5　不同憎水劑及其摻量對(duì)發(fā)泡水泥吸水率的影響

從圖5可以看出，發(fā)泡水泥的吸水率隨著3種憎水劑摻量的增加而降低，而沒(méi)有摻入憎水劑的試樣吸水率為65.6%，基本無(wú)法在實(shí)際工程中使用。摻入憎水劑之后，發(fā)泡水泥的吸水率均大幅度降低，其中，SL憎水劑的效果最明顯，甲基硅酸鉀憎水劑的效果最差。

此外，由于硬脂酸鈣遇水難溶，且在攪拌過(guò)程中易結(jié)塊，無(wú)法均勻混合于膠凝材料中，影響其憎水效果，因此，建議使用SL憎水劑，最佳摻量宜控制在0.2%～1.0%。

3　結(jié)論

（1）不同憎水劑及摻量對(duì)發(fā)泡水泥的抗壓強(qiáng)度有一定的影響，當(dāng)憎水劑摻量均為1.0%時(shí)，摻加SL憎水劑試樣的抗壓強(qiáng)度提高最大，提高63.8%，摻加甲基硅酸鉀憎水劑試樣的強(qiáng)度提高最小，提高23.1%。

（2）不同憎水劑及摻量對(duì)發(fā)泡水泥吸水率有顯著影響。當(dāng)加入憎水劑后，發(fā)泡水泥的吸水率明顯降低，至少降低15%以上，明顯優(yōu)于未摻憎水劑的發(fā)泡水泥試樣65.6%的吸水率；隨著憎水劑摻量的增大，發(fā)泡水泥吸水率逐漸降低，且憎水劑的最佳摻量范圍宜控制在0.2%～1.0%。

（3）從憎水效果考慮，SL優(yōu)于硬脂酸鈣和甲基硅酸鉀。鑒于SL憎水效果極其顯著，應(yīng)優(yōu)先選用SL憎水劑，最佳摻量宜控制在0.2%～1.0%。

［1］ JONES M R，MCCARTHY A.Utilising unprocessed low-lime coal fly ash in foamed concrete［J］.Fuel，2005，84：1398-1409.

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［5］管文.影響泡沫混凝土吸水率的因素及改善措施1［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2011（2）：46-48，50.

［6］李恒志，潘志華.超低密度泡沫混凝土耐水性能改善的研究［J］.混凝土，2014（6）：88-91.

［7］李啟金，李國(guó)忠，蔣曉妹.輕質(zhì)泡沫混凝土新型制備方法的研究［J］.磚瓦，2012（7）：25-28.

Research on the improvement of water absorption of low density foam concrete

LI Chi，F(xiàn)ANG Congqi
（Shanghai Jiao Tong University，School of Naval Architecture，Ocean&Civil Engineering，Shanghai 200240，China）

For the foam concrete，porous structure causes a high water absorption rate，the mechanical properties of foam concrete have declined sharply after water absorption，which seriously affects the durability of the product.Through experiment，this paper examines the effect of three waterproofing agents on absorb performance improvement effect and its compressive strength of low density foam concrete with absolute dry density of 500 to 550 kg/m3.The results show that addition of waterproofing agents significantly improved the water absorption performance of foam concrete，among which the SL presented the best waterproofing effectiveness while the potassium methyl silicate being the worst.In addition，different kind of waterproofing agent also influences the compressive strength of the foam concrete，when waterproofing agent content is 1.0%，adding SL abhorred the compressive strength of the sample increases maximum，increased by 63.8%，adding potassium methyl silicate abhorred the strength of the sample increases minimum，increased by 23.1%.

low density foam concrete，water absorption rate，waterproofing agent

TU525

A

1001-702X（2016）04-0006-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51178264，51048001，51378309）

2015-08-25

李馳，男，1990年生，上海人，碩士研究生，研究方向：新型節(jié)能環(huán)保材料、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性。E-mail：lc90417@163.com。通訊作者：方從啟，地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào) 上海交通大學(xué)木蘭船建大樓A517室，E-mail：cqfang@sjtu.edu.cn。