仝小芳 閆玉蓉 吳航航 潘巖

基金項(xiàng)目：揚(yáng)州市建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目（202201）；江蘇省建筑垃圾循環(huán)利用技術(shù)工程研究中心子課題（無(wú)編號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：仝小芳（1980-），女，碩士，副教授。研究方向?yàn)樵偕炷列阅堋?/p>

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.009

摘? 要：為解決再生微粉應(yīng)用受限問(wèn)題，提高資源化利用率，分析研究水灰比、發(fā)泡劑、摻合料、外加劑及纖維等因素對(duì)現(xiàn)有普通泡沫混凝土的影響規(guī)律，提出基于再生微粉的微活性和填充性，采用再生微粉部分取代水泥，通過(guò)物理發(fā)泡法制備纖維再生微粉泡沫混凝土，闡述新型纖維再生微粉泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)及制備工藝流程。

關(guān)鍵詞：再生微粉；泡沫混凝土；配合比；工藝流程；物理發(fā)泡法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）16-0039-05

Abstract： In order to solve the limitation of the application of recycled micro-powder and improve the utilization rate of resources， the effects of water-cement ratio， foaming agent， admixture， and fiber on the existing ordinary foam concrete were analyzed and studied. Based on the micro-activity and filling property of recycled micro-powder， it is used to partially replace cement， and fiber recycled micro-powder foam concrete is prepared by physical foaming method. The mix design and preparation process of a new type of fiber recycled micro-powder foam concrete are described.

Keywords： recycled fine powder; foamed concrete; mix ratio; technological process physical foaming method

中國(guó)作為基建大國(guó)，建筑垃圾的回收利用，可以切實(shí)減少天然砂石資源的用量，有利于解決現(xiàn)階段的能源危機(jī)，符合國(guó)家環(huán)保政策。目前，建筑垃圾再生骨料的應(yīng)用比較成熟，但是再生微粉由于自身的吸水率偏大、來(lái)源不同時(shí)成分不易控制、活性較低而沒(méi)有得到有效的利用[1-2]。泡沫混凝土作為優(yōu)良的有機(jī)保溫材料，具有良好的耐火性能，本文研究的纖維再生微粉泡沫混凝土，基于再生微粉的微活性和填充性，采用再生微粉部分取代水泥，通過(guò)物理發(fā)泡法制備泡沫混凝土，在具有良好的耐火保溫性能的同時(shí)，可以有效解決再生微粉應(yīng)用受限問(wèn)題，提高資源化利用率。

1? 泡沫混凝土的應(yīng)用

泡沫混凝土，也叫發(fā)泡混凝土，是一種由水泥、泡沫、石灰和粉煤灰等混合而成的多孔混凝土，泡沫混凝土由于其具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)，既可降低其質(zhì)量又可起到隔熱作用，因此廣泛用于房屋建筑、基坑填埋等領(lǐng)域。泡沫混凝土已經(jīng)有了較長(zhǎng)的發(fā)展時(shí)間，作為無(wú)機(jī)保溫材料，有輕質(zhì)保溫、抗震性好、防火等優(yōu)點(diǎn)。在使用場(chǎng)景上，有公路工程、隧道工程、建筑保溫等，應(yīng)用十分廣泛，因此泡沫混凝土的需求也日益增長(zhǎng)。

泡沫混凝土也常用于房建當(dāng)中的墻體現(xiàn)澆，現(xiàn)澆混凝土墻板可節(jié)能抑塵、提高施工效率、節(jié)約成本。其代表性的應(yīng)用是輕鋼龍骨復(fù)合墻體，田穩(wěn)苓等[3]將泡沫混凝土應(yīng)用于輕鋼龍骨復(fù)合墻體中，該墻體圖如圖1所示。該墻體主體采用輕鋼龍骨為骨架，墻體內(nèi)部由無(wú)毒、阻燃的材料泡沫混凝土澆注成型，制出的輕鋼龍骨復(fù)合墻體既有良好的隔音性和抗震性能，同時(shí)又保證了墻體的平整度，提高了墻體的整體性。研究表明，泡沫混凝土輕鋼龍骨復(fù)合墻的保溫和耐久性能在干密度為400 kg/m3時(shí)為最佳，同時(shí)對(duì)墻體的抗震性能有效提高，以及對(duì)墻體的剛度、承載力、延性都有較大的提高。

與普通混凝土相比，泡沫混凝土不但密度小，擁有優(yōu)異的保溫隔熱性能，同時(shí)還可以應(yīng)用于建筑現(xiàn)澆、墻體保溫、擋土墻等領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)研究和調(diào)查，用泡沫混凝土制成的無(wú)機(jī)保溫板能夠達(dá)到與建筑同樣的使用壽命，并且具有較好的防火性能，可以代替有機(jī)保溫板。但是，泡沫混凝土也有部分缺點(diǎn)，與普通混凝土相比，泡沫混凝土具有強(qiáng)度偏低、吸水性高、易開(kāi)裂等缺點(diǎn)，具體指標(biāo)詳見(jiàn)表1。要想推廣應(yīng)用，就必須對(duì)泡沫混凝土的材料、配比等進(jìn)行改進(jìn)，使其力學(xué)性能等得到優(yōu)化。

圖1? 輕鋼龍骨泡沫混凝土復(fù)合墻體

表1? 泡沫混凝土與普通混凝土的物理特性對(duì)比

2? 泡沫混凝土性能影響因素分析

2.1? 水灰比對(duì)泡沫混凝土的影響

影響泡沫混凝土強(qiáng)度的決定性因素是水灰比，在泡沫混凝土的制作過(guò)程中，制定水灰比時(shí)需要考慮泡沫混凝土的細(xì)集料的含水量，一般泡沫混凝土的設(shè)計(jì)水灰比為0.4～0.6，由于物理發(fā)泡，發(fā)泡泡沫中也含有一定的水分，漿體發(fā)生泌水的概率會(huì)增大，同時(shí)若水量過(guò)少難以滿(mǎn)足水化反應(yīng)需求時(shí)，則會(huì)造成水化不充分強(qiáng)度降低。

隨著水灰比的增大，泡沫混凝土的熱導(dǎo)率有明顯的下降趨勢(shì)。結(jié)果表明，隨著水灰比的增大，泡沫混凝土的干密度也會(huì)隨之減小。隨著水灰比的增大，其吸水性能也隨之增大。

2.2? 發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土的影響

發(fā)泡劑的類(lèi)型對(duì)其密度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)的影響很小，發(fā)泡劑的種類(lèi)、摻量對(duì)泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、工作性能、泡沫穩(wěn)定性和孔結(jié)構(gòu)等有顯著的影響，影響機(jī)制復(fù)雜[4]。預(yù)制泡沫與漿體混合時(shí)，泡沫質(zhì)量不良將產(chǎn)生消泡，漿體中總泡沫量降低，孔隙率降低，漿體密度增大。適配的發(fā)泡劑應(yīng)當(dāng)在配料攪拌時(shí)，不影響泡沫混凝土的凝結(jié)和硬化過(guò)程[4]。

2.3? 摻合料對(duì)泡沫混凝土的影響

常見(jiàn)的泡沫混凝土摻合料有粉煤灰，礦渣粉，硅灰及再生微粉等。

粉煤灰是煤炭燃燒后的主要產(chǎn)物，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用也十分廣泛。向泡沫混凝土中添加適量的粉煤灰，能夠有效地提高其抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，粉煤灰的加入也對(duì)泡沫混凝土中的堿性環(huán)境有一定的影響。郝贠洪[5]等以水泥、粉煤灰、石英粉和石英砂為原材料，H2O2溶液為發(fā)泡劑，采用化學(xué)發(fā)泡的方法制備密度等級(jí)為A12的泡沫混凝土。研究結(jié)果表明：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%，28 d抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)分別為19.05 MPa、2.6 MPa和0.361 5 W/（m·K）。

礦渣粉為煉鐵的工業(yè)副產(chǎn)品，屬于優(yōu)質(zhì)水泥混凝土礦物摻合料。王洪飛等[6]研究表明，礦渣泡沫混凝土水料比存在一個(gè)最佳范圍0.4～0.45，礦渣取代水泥量應(yīng)控制在45%以?xún)?nèi)，堿激發(fā)劑能夠提高礦渣泡沫混凝土力學(xué)強(qiáng)度，但應(yīng)綜合考慮工作性能。杭美艷等[7]研究了礦渣粉和復(fù)摻粉煤灰與礦渣粉對(duì)干密度為400 kg/m3泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)以及吸水率的性能影響。當(dāng)?shù)V渣粉摻量為20%時(shí)，可增加抗壓強(qiáng)度和降低吸水率，但導(dǎo)熱系數(shù)卻隨摻量增大而變大；當(dāng)復(fù)摻粉煤灰與礦渣粉取代50%水泥，復(fù)摻比例為2∶3時(shí)，能增加抗壓強(qiáng)度和降低吸水率，導(dǎo)熱系數(shù)隨復(fù)摻比例增大而變大。

適量的硅灰可以提高水泥漿的稠度，并降低混凝土的泌水離析率。在配制泡沫混凝土過(guò)程中，采用硅粉代替水泥，可顯著改善其早凝性能。吳子豪等[8]以水泥為膠凝材料，膨脹聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）顆粒、摻合料、泡沫劑、改性劑和水等為主要原料制備超輕水泥基復(fù)合保溫材料（UCIM）。研究結(jié)果表明，當(dāng)采用硅灰時(shí)，UCIM未產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象且制品強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果較好；適宜摻量的硅灰能提高UCIM的力學(xué)性能，使UCIM的泡沫混凝土基體的平均孔徑減小，進(jìn)而有利于降低UCIM導(dǎo)熱系數(shù)。劉召超[9]通過(guò)分別單摻硅灰和礦粉及復(fù)摻硅灰、礦粉研究了礦物摻合料對(duì)泡沫混凝土性能的改善作用。結(jié)果表明：當(dāng)分別單摻硅灰和礦粉時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗凍性均得到一定提升，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大；當(dāng)復(fù)摻硅灰和礦粉，且復(fù)摻比例為2∶1時(shí)，泡沫混凝土的強(qiáng)度和抗凍性最佳，導(dǎo)熱系數(shù)最大。

2.4? 外加劑對(duì)泡沫混凝土的影響

泡沫混凝土在制作過(guò)程中，不摻加任何外加劑，泡沫混凝土的強(qiáng)度往往都不會(huì)達(dá)到要求，在常見(jiàn)的外加劑中，減水劑、纖維素、硬脂酸鈣都是可以使泡沫混凝土強(qiáng)度增大的外加劑。

制備泡沫混凝土?xí)r，如果摻加高效減水劑，其吸水率和干燥收縮率會(huì)有所下降，同時(shí)，其抗壓強(qiáng)度會(huì)有所提高。纖維素會(huì)對(duì)泡沫混凝土的保水率有較大影響，纖維素的摻加使用可改變濕表觀密度和流動(dòng)性。泡沫混凝土的穩(wěn)定性主要受泡沫的穩(wěn)定性的影響，在泡沫混凝土中加入纖維素的時(shí)候，纖維素有較大的保坍性能，有助于提高混凝土的整體穩(wěn)定性。硬脂酸鈣是良好的穩(wěn)泡劑，泡沫混凝土是由水泥漿或者水泥砂漿中加入發(fā)泡劑所制出的微小氣泡，攪拌后逐漸硬化的產(chǎn)品，泡沫混凝土在摻加泡沫時(shí)候，泡沫容易有消泡的情況出現(xiàn)，以及出現(xiàn)大泡，這種情況都會(huì)影響到后期泡沫混凝土的成型以及泡沫混凝土的強(qiáng)度，但是硬脂酸鈣作為穩(wěn)泡劑，可以有效地減少此類(lèi)事情的發(fā)生。采用的硬脂酸鈣是白色粉末狀產(chǎn)品，硬脂酸鈣穩(wěn)泡能力受溫度和pH的影響小，硬脂酸鈣在化學(xué)發(fā)泡體系中提供了前期泡沫混凝土所需要的支撐強(qiáng)度，并且，硬脂酸鈣屬于疏水材料，附著在泡沫混凝土的表面，使得表面產(chǎn)生憎水性，有利于提高保溫隔熱性能。

2.5? 纖維對(duì)泡沫混凝土的影響

各種纖維類(lèi)材料已廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，纖維摻入泡沫混凝土可增加強(qiáng)度，改善抗裂性能，減少泡沫混凝土早期開(kāi)裂，減少塌模。常見(jiàn)的纖維有玻璃纖維、植物纖維及碳纖維等，具體性能指標(biāo)詳見(jiàn)表2。

玻璃纖維具有良好的絕緣性能、耐腐蝕性好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。在泡沫混凝土中，摻加適量的玻璃纖維可以有效地提升強(qiáng)度和提高保溫性能等。泡沫混凝土制作過(guò)程中，在發(fā)泡劑發(fā)泡較小的情況下，隨著發(fā)泡程度的增大，玻璃纖維在泡沫棉混凝土的制作中的摻加對(duì)干密度的影響較小。玻璃纖維的使用可以有效地增加泡沫混凝土的抗拉強(qiáng)度。泡沫混凝土的質(zhì)量輕，不使用外加劑則抗壓和抗拉強(qiáng)度往往達(dá)不到需求，但是，在適當(dāng)摻加部分外加劑后，其整體強(qiáng)度就會(huì)有顯著提升。在纖維再生微粉泡沫混凝土的制備中，玻璃纖維的摻量對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能以及工作性能將產(chǎn)生影響。其次在制作泡沫混凝土?xí)r，摻加玻璃纖維，需要把玻璃纖維均勻地分散在泡沫混凝土的內(nèi)部，在攪拌的過(guò)程中，需要充分地混合水泥漿和玻璃纖維，使其充分均勻混合，避免玻璃纖維纏繞在一起，纏繞在一起會(huì)使泡沫混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻。

聚丙烯纖維是以聚丙烯為原料紡制的合成纖維。聚丙烯纖維具有高強(qiáng)、高彈、耐腐和耐磨的特點(diǎn)。聚丙烯纖維摻量增加有利于增韌，不利于形成封閉孔隙。

碳纖維具有耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕等優(yōu)良特性，其耐高溫性能居化纖之首。陸正華等[10]研究了泡沫混凝土的配合比及碳纖維切絲改性試件的強(qiáng)度，研究結(jié)果表明：碳纖維切絲對(duì)發(fā)泡混凝土增強(qiáng)效果顯著；切絲長(zhǎng)度大；增強(qiáng)效果更好。碳纖維性能優(yōu)越，但高昂的價(jià)格限制了其在泡沫混凝土中的應(yīng)用。

3? 纖維再生微粉泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)

纖維再生微粉泡沫混凝土由膠凝材料、水、纖維、外加劑、泡沫制備而成，產(chǎn)品基本性能由原材料及各組成材料配合比決定。以各原材料的性能為基礎(chǔ)，纖維再生微粉泡沫混凝土的某一性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，試拌調(diào)整得到目標(biāo)成品。

3.1? 配合比設(shè)計(jì)方法

纖維再生微粉泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)方法有2種：①根據(jù)設(shè)計(jì)密度等級(jí)和原材料組分的占比進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)；②根據(jù)成品密度等級(jí)、強(qiáng)度等級(jí)、保溫隔熱性能等要求進(jìn)行配比的設(shè)計(jì)。本研究采用方法一進(jìn)行配合比的設(shè)計(jì)，計(jì)算方法如下：

1）已知纖維再生微粉泡沫混凝土的設(shè)計(jì)目標(biāo)干密度，確定單位體積膠凝材料的總用量。

2）由已知計(jì)算得到的膠凝材料的總用量，根據(jù)設(shè)計(jì)的水膠比，確定單位用水量。

3）根據(jù)膠凝材料各組成物料比和膠凝材料總用量，確定再生微粉、粉煤灰、玻璃纖維、外加劑的用量。

4）根據(jù)1）、2）、3）這3個(gè)步驟，由相關(guān)公式計(jì)算出泡沫的單位體積用量。

5）計(jì)算拌合所需樣品的體積，換算得到單次試驗(yàn)所需各組成材料的用量。

3.2? 配合比設(shè)計(jì)依據(jù)

配合比設(shè)計(jì)參考JGJ/T 341—2014《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的密度等級(jí)性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，干密度、導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)度指標(biāo)不得低于表3中規(guī)定范圍的下限。

表3? 泡沫混凝土基本性能等級(jí)要求

3.3? 原材料選擇與應(yīng)用

3.3.1? 膠凝材料選擇

泡沫混凝土通常采用常溫養(yǎng)護(hù)，摻入大量泡沫達(dá)到設(shè)計(jì)密度等級(jí)，若膠凝材料強(qiáng)度低，則無(wú)法滿(mǎn)足強(qiáng)度指標(biāo)，且影響其耐久性，故常以水泥為主要膠凝材料。為滿(mǎn)足泡沫混凝土產(chǎn)品生產(chǎn)所需流動(dòng)度，應(yīng)用所需密度等級(jí)和導(dǎo)熱性能，通常在水泥基膠凝材料中摻入粉煤灰、礦渣粉、硅灰等輔助膠凝材料。復(fù)合膠凝材料的配比會(huì)影響泡沫混凝土凝結(jié)時(shí)間、拌合物流動(dòng)性、骨架強(qiáng)度、孔隙特征等，進(jìn)而影響泡沫混凝土成型性能、力學(xué)性能、保溫性能[11]?？赏ㄟ^(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定以水泥、再生微粉、粉煤灰為復(fù)合膠凝組分的最優(yōu)配比。

3.3.2? 纖維材料選擇

常見(jiàn)的纖維種類(lèi)有玻璃纖維、聚丙烯纖維、植物纖維、聚乙烯醇纖維、碳纖維和鋼纖維等[12-13]。聚乙烯醇纖維易于吸水，易導(dǎo)致收縮開(kāi)裂；鋼纖維易吸水，且自重較大，故不宜在泡沫混凝土中使用。玻璃纖維、聚丙烯纖維、植物纖維保水性好，且有較好的抑制收縮的作用。本研究采用膠凝材料、纖維、外加劑預(yù)拌干混后制備纖維再生微粉泡沫混凝土的工藝，簡(jiǎn)化操作流程，節(jié)約設(shè)備投入。本研究選擇玻璃纖維作為纖維材料，因前期研究表明玻璃纖維各單纖間靜電作用少，更易在干混操作中均勻分散于膠凝材料中，保障纖維泡沫混凝土質(zhì)量的均勻與穩(wěn)定。

3.3.3? 泡沫劑選擇

常用的泡沫劑按物質(zhì)成分可分為松香型、表面活性劑型、蛋白質(zhì)型和復(fù)合型[4]。泡沫是泡沫混凝土中孔隙的形成基礎(chǔ)，均勻、密閉、細(xì)微、堅(jiān)韌及泌水率低的高質(zhì)量泡沫，有利于提高產(chǎn)品綜合性能。本研究通過(guò)對(duì)比泡沫劑成本、環(huán)保性、發(fā)泡性能、泡沫質(zhì)量和泡沫混料制漿性能，選擇植物源復(fù)合水泥發(fā)泡劑。

3.4? 配合比計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)密度等級(jí)和原材料組分的占比進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，水泥、再生微粉、粉煤灰3種組分的質(zhì)量比例為60∶20∶20，水膠比為0.8，玻璃纖維摻量為0.3%。生產(chǎn)1 m3干表觀密度為500 kg/m3的纖維再生微粉泡沫混凝土的配合比計(jì)算如下。

1）纖維再生微粉泡沫混凝土的設(shè)計(jì)干表觀密度？籽d為500 kg/m3；

2）每立方米膠凝材料和纖維用量為

3）每立方米用水量為

4）每立方米料玻璃纖維摻量為

5）每立方米料水泥摻量為

6）每立方米料再生微粉摻量為

7）每立方米料粉煤灰摻量為

8）每立方米泡沫體積為

4? 纖維再生微粉泡沫混凝土制備

4.1? 配料階段

依照設(shè)計(jì)配合比分別稱(chēng)取水泥、再生微粉、粉煤灰，以及玻璃纖維、增稠劑、防水劑、減水劑，將上述干物料倒入泡沫混凝土攪拌機(jī)，均勻攪拌30 s后，得到干混物料。將水倒入攪拌機(jī)后繼續(xù)攪拌均勻，持續(xù)攪拌90 s左右，得到混合料漿。

4.2? 發(fā)泡制漿階段

將植物源復(fù)合水泥發(fā)泡劑與水以質(zhì)量比1∶60的比例混合均勻，將發(fā)泡機(jī)進(jìn)液管放置于稀釋好的發(fā)泡劑溶液中，帶過(guò)濾網(wǎng)的管口應(yīng)處于液面以下制備泡沫。將制出的泡沫泵入混合料漿中并迅速均勻攪拌120 s，得到纖維再生微粉泡沫混凝土。將新拌漿體倒入預(yù)先涂抹高效脫模劑的模具內(nèi)，待6 h后刮平表面，并覆蓋保鮮膜至于20±2 ℃的室內(nèi)。

4.3? 后期養(yǎng)護(hù)階段

覆蓋保鮮膜靜置一天后拆模。低密度等級(jí)的泡沫混凝土早期強(qiáng)度低，需配合高效脫模劑并小心脫模，以免造成試件損壞。脫模后須立即放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)3 d，取出并放至于常溫下自然養(yǎng)護(hù)至28 d后對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試。

纖維再生微粉泡沫混凝土的制備工藝流程如圖2所示。

5? 結(jié)束語(yǔ)

以水泥、再生微粉、粉煤灰作為混合膠材，以增稠劑、防水劑、減水劑作為外加劑，摻加玻璃纖維，根據(jù)設(shè)計(jì)密度等級(jí)和原材料組分的占比進(jìn)行纖維再生微粉泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)，采用物理發(fā)泡法制備泡沫混凝土，自身重量輕，保溫性能好且有良好耐火性能可廣泛應(yīng)用于保溫墻材，同時(shí)由于加入再生微粉的原因，可以有效解決廢棄混凝土再生微粉應(yīng)用問(wèn)題。

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