泡沫混凝土的制備及性能研究

摘要 以硅酸鹽水泥和粉煤灰為主要原料，采用化學發(fā)泡劑發(fā)泡和礦物發(fā)泡劑發(fā)泡相結合的復合發(fā)泡方式，用預發(fā)泡的方法制備免蒸養(yǎng)泡沫混凝土。研究了礦物發(fā)泡劑的發(fā)泡原理及摻量的確定，并研究了發(fā)泡劑摻量、減水劑、水灰比以及粉煤灰等對泡沫混凝土性能的影響規(guī)律。研究結果表明：采用高濃萘系減水劑和磨細粉煤灰可以大幅度增加泡沫混凝土的強度；水灰比對泡沫混凝土的影響規(guī)律不同于一般水泥混凝土；要達到一定容重的泡沫混凝土，其泡沫摻量具有一定的范圍。

關鍵字 泡沫混凝土 普通硅酸鹽水泥 礦物發(fā)泡劑

0 前言

隨著我國墻體材料改革與建筑節(jié)能政策的推行，節(jié)能型建筑材料的開發(fā)和應用受到廣泛的重視，國內大力發(fā)展節(jié)能、利廢、保溫、輕質、隔熱等新型材料[1,2],其中，泡沫混凝土砌塊在非承重墻體材料中，占有重要的地位。泡沫混凝土通常是用機械或壓縮空氣的方法將泡沫劑的水溶液制備成泡沫，再將泡沫加入到含硅質材料、鈣質材料、水及各種外加劑等組成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、養(yǎng)護而成的一種內部含有大量封閉氣孔的混凝土[3,4]。這種混凝土由于多孔輕質，使其具有較低的熱膨脹系數(shù)、較好的隔熱、隔音以及耐火性能[5-7]。

目前，國內制備泡沫混凝土的基體材料主要選用早強、快硬特種水泥(如硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥等) [8,9]，但這類特種水泥價格昂貴且產(chǎn)量小、分布不廣，限制了這些成果的轉化；并且國內外制備泡沫混凝土一般采用傳統(tǒng)的表面活性劑物理發(fā)泡。針對免蒸養(yǎng)工藝，本研究選用價格低廉、分布普遍的普通硅酸鹽水泥作基材，選擇傳統(tǒng)的表面活性劑物理發(fā)泡與礦物材料物理發(fā)泡相結合的新型發(fā)泡模式，采用預發(fā)泡的方法制備泡沫混凝土。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

普通硅酸鹽水泥，42.5R，四川雙馬集團；粉煤灰，原灰，江油巴蜀火電廠；礦物發(fā)泡劑，工業(yè)基，市售；發(fā)泡劑，混合型，市售；FDN高效減水劑，市售。

1.2工藝流程

將普通硅酸鹽水泥、粉煤灰以及外加劑等計量后加水預混均勻，然后按比例加入制備好的泡沫攪拌，制成均勻流態(tài)漿，澆注成型。試件尺寸100×100×1003，標準養(yǎng)護相應齡期參照GB/T11969測試泡沫混凝土的體積密度、吸水率和抗壓強度。具體工藝流程見圖1。

2 結果與討論

2.1礦物發(fā)泡劑發(fā)泡原理及摻量的確定 本研究采用傳統(tǒng)的表面活性劑物理發(fā)泡與礦物材料物理發(fā)泡相結合的新型發(fā)泡模式，這種發(fā)泡方式充分利用了表面活性劑發(fā)泡迅速、發(fā)泡效率高的特點和礦物發(fā)泡劑發(fā)泡穩(wěn)定性好、容易形成孤立、封閉的氣孔的優(yōu)點。至今，這種發(fā)泡方式的相關技術國內外沒有相關的報道。礦物材料發(fā)泡的原理是利用礦物材料遇水膨脹的特性，根據(jù)所采用礦物材料的膨脹性能及所需形成的氣孔的尺寸大小，將一定粒度的礦物發(fā)泡材料摻入泡沫混凝土內，使泡沫混凝土漿體的體積產(chǎn)生膨脹。由于此時的漿體尚處于可塑階段，產(chǎn)生的膨脹不產(chǎn)生破壞作用。當泡沫混凝土硬化后，礦物發(fā)泡材料在泡沫混凝土體系內的存在還賦于了泡沫混凝土具有一定的濕度調節(jié)功能。由于礦物發(fā)泡劑具有優(yōu)越的物理化學性能,如吸水率和膨脹倍數(shù)高，陽離子交換容量高,其膠體懸浮液觸變性、粘度、潤滑性好,熱穩(wěn)定性能好,并具有較強的可塑性和粘接性等。表1為不同摻量礦物發(fā)泡劑對泡沫混凝土基體材料強度的影響。

由表1可以看出，隨著礦物發(fā)泡劑摻量的增加，泡沫混凝土基體材料的3d、7d、28d抗壓強度均逐漸增加；當摻量為3％，強度達到最大；之后隨著摻量的增加，強度顯著降低。因此礦物發(fā)泡劑的摻量確定為3%。相同水灰比下，由于礦物發(fā)泡劑具有吸水性，加入一定摻量的礦物發(fā)泡劑，可以降低漿體的水灰比，使得強度增加；而隨著摻量的增加，由于吸收更多的水分，使得水泥水化不完全，從而導致強度的降低。 2.2發(fā)泡劑對泡沫混凝土的影響 發(fā)泡劑質量的好壞直接影響到泡沫混凝土的質量，能產(chǎn)生泡沫的物質有很多，但并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質都能用于泡沫混凝土的生產(chǎn)。只有發(fā)泡倍數(shù)夠大、在泡沫和料漿混合時薄膜不致破壞具有足夠的穩(wěn)定性、對膠凝材料的凝結和硬化不起有害影響的發(fā)泡劑，才適合用來生產(chǎn)泡沫混凝土。本實驗采用某市售混合型發(fā)泡劑,由其制得的泡沫流動性較好，氣孔相對細小。發(fā)泡液摻量對泡沫混凝土的影響如表2所示。

由表2可以看出：隨著發(fā)泡劑摻量的增加，泡沫混凝土的干容重和抗壓強度隨之降低，吸水率隨之增加，因此其摻量應有一定限制。分析其原因，當發(fā)泡液摻量的增加，高速制泡產(chǎn)生的微氣泡量越多，在水泥料漿中產(chǎn)生的微細閉合氣泡量亦越多，故體積增大，容重降低。同時由于孔隙率的增加，吸水率也會明顯增大。隨著發(fā)泡液摻量的增加，28d抗壓強度逐漸降低，這是由于發(fā)泡液摻量增加，水泥料漿中形成閉合氣泡量大，導致受壓面內單位面積上凈壓面較小，因此抗壓強度降低幅度相對較大。 2.3減水劑對泡沫混凝土的影響 本試驗選用700級粉煤灰泡沫混凝土砌塊，針對不同減水劑對泡沫混凝土的早期強度影響進行了研究。實驗結果見表3。

從表3實驗結果可知，在泡沫混凝土中摻加減水劑，7d、28d抗壓強度均顯著增加；并且同是萘系減水劑，但由于Na2SO4濃度的不同，其中高濃萘系減水劑中Na2SO4濃度為1.5％－3％，而低濃萘系減水劑中Na2SO4濃度為18％－20％，因此對強度的影響不盡相同，摻入高濃萘系減水劑對強度的貢獻更大。通過摻高濃萘系減水劑，使得水泥水化產(chǎn)物不僅結構較為致密，C-S-H膠凝較多，而且與Ca(OH)2晶體穿插搭接成網(wǎng)狀結構。這說明摻加高濃萘系減水劑后，粉煤灰二次水化反應程度較高，被反應吸收多。這就是摻加高濃萘系減水劑強度顯著提高的主要原因。

2.4水灰比對泡沫混凝土的影響 一般情況下，普通水泥混凝土強度隨成型水灰比的減小而增大，但在泡沫混凝土試驗中，水灰比對強度的影響規(guī)律卻不盡相同，實驗結果如表4所示。

由表4可以看出:隨著水灰比的降低，泡沫混凝土的吸水率逐漸降低，干容重逐漸增加，而在相同養(yǎng)護齡期下泡沫混凝土抗壓強度隨成型水灰比減小而增加至最大值后又開始下降。分析原因，隨水灰比減小，其強度逐漸增加，但當水灰比繼續(xù)降低，由于水泥水化的需水量不足會吸收泡沫中的水量，使得泡沫破裂，從而引起容重的增加、強度的降低。進一步說明了，泡沫混凝土強度除了受到膠凝材水泥的影響外，同時也在很大程度上受到發(fā)泡劑添加量、泡沫本身的尺寸、泡沫尺寸的分布和泡沫在混凝土中的分布影響。所以，泡沫混凝土的水灰比存在一個合適的范圍，過分增加水灰比必然會導致硬化體強度的降低。

2.5粉煤灰對泡沫混凝土的影響 由于一般粉煤灰本身并不具有膠凝性質，且活性相對較低，二次水化過程緩慢，粉煤灰對泡沫混凝土強度的影響如圖2所示。

由圖2可以看出：隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的強度逐漸降低。當摻量<30％時，強度下降的幅度較小，而當摻量>30％后，強度下降幅度較大。分析其原因，隨著粉煤灰摻量的增加，28d抗壓強度降低主要是因為，粉煤灰主要通過與Ca(OH)2進行二次水化反應，但是在標準養(yǎng)護條件下水化緩慢，直至28d才能觀察到粉煤灰泡沫混凝土的試驗研究煤灰顆粒表面有膠凝狀水化產(chǎn)物，而水泥28d水化程度已較充分。

粉煤灰質量的好壞直接決定了其對泡沫混凝土貢獻的大小，粉煤灰質量差，如含炭量高，顆粒較粗將對混凝土性能產(chǎn)生極為不利的影響，特別是要影響需水性，當水灰比一定時，若粉煤灰需水比過大，將直接導致漿體過稠影響其流動性，并且粉煤灰還可能將發(fā)泡液中的水分吸走，導致泡沫破裂形成“塌模”。要提高粉煤灰泡沫混凝土的強度，首先要提高粉煤灰的質量、充分發(fā)揮粉煤灰的活性，最有效的方法就是改變粉煤灰顆粒的性質。可以有兩種方法來進行:一是物理方法(磨細)，打碎粗大的多孔玻璃體，增加粉煤灰玻璃質顆粒的表面積;二是化學方法，通過改變粉煤灰玻璃質顆粒的表面特性從而提高表面層的反應能力。不論用何種方法，均要使粉煤灰發(fā)泡混凝土成本增加，但同時可提高混凝土的物理性能。

磨細是提高粉煤灰質量最直接有效的方法，將實驗用原灰磨細至細度為3.5μm進行實驗，采用磨細灰代替原灰，達到相同容重，不僅需水量降低，而且強度顯著增加。圖3為其強度對比。由圖3可以得出，用磨細灰7d、28d強度均比用原灰強度高，并且28d強度差別較大。圖4為粉煤灰磨前與磨后的對比圖，可以看出，磨細灰是通過磨機將粉煤灰中大顆粒玻璃球體、多孔海綿狀玻璃體磨細，大部分是由碎屑狀玻璃體及破碎的玻璃微球及較小粒徑的實心微球構成。通過磨細，破壞了玻璃體表面堅固的保護膜，使內部可溶性SiO2，A1203溶出，斷鍵增多，比表面積增大，新增結合面積增加，活化分子增加，有利于新的化學鍵組合，早期活性提高，并且磨細灰在泡沫混凝土28d時已發(fā)揮了較多的火山灰效應。另外，磨細可使粉煤灰中的炭粒變成細屑，燒失量雖不降低，但其對混凝土的不利影響明顯得到改善。

3 結論

以普通硅酸鹽水泥作基材，采用傳統(tǒng)的表面活性劑物理發(fā)泡與礦物材料物理發(fā)泡相結合的新型發(fā)泡模式，用預發(fā)泡的方法制備出性能優(yōu)異的免蒸養(yǎng)泡沫混凝土。

通過對比選用高濃萘系減水劑可以提高泡沫混凝土的早期強度；與原灰比較，將粉煤灰磨細可以大幅度提高泡沫混凝土的后期強度。

不同于普通水泥混凝土，泡沫混凝土抗壓強度隨成型水灰比減小，逐漸增加至最大值后又開始下降。泡沫混凝土的水灰比存在一個合適的范圍，過分增加水灰比或減小水灰比都會導致硬化體強度的降低。

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