A級輕質蜂窩水泥混凝土影響因素探索

陳建波，馬紅宵，穆 琰，任曉林，張志國，趙風清

（1.河北省建筑材料工業設計研究院，石家莊 050051；2.河北科技大學化學與制藥工程學院，石家莊 050018）

水泥、發泡劑等作原材料經發泡制成多孔性輕質混凝土，稱為蜂窩混凝土（又稱泡沫混凝土）。該類產品由于質量輕、有良好的保溫隔熱性能，同時又具有自流平的特點，可制成各種砌塊，也可泵送現場澆注施工，因而受到市場的青睞。

19世紀80年代，歐洲首先研制成功了泡沫混凝土。進入20世紀，泡沫混凝土不僅可在工廠中生產泡沫混凝土制品，而且可實現現場澆注，保溫效果良好，施工操作簡單、安全、成本低［1］。日本采用蛋白質物添加適量的陰離子表面活性劑制備成混凝土發泡劑，現澆即可成型，導熱系數小，節能效果顯著。美國、意大利等國家的學者也對泡沫混凝土的性能進行了大量的研究，并將它在建筑工程中的應用領域不斷擴大，泡沫混凝土的使用加快了工程進度，提高了工程質量［2－5］。

近年來，我國發生多起高層建筑物的嚴重火災事故，暴露出以聚苯板等有機材料為主的建筑外墻保溫材料存在嚴重的火災安全隱患問題，業內專家建議替換有機易燃保溫材料的呼聲日益高漲。在建筑節能中，使用無機保溫材料代替有機保溫材料已是大勢所趨［6，7］。無機保溫材料主要有巖棉、玻璃棉、加氣混凝土、泡沫混凝土、保溫砂漿及新型的玻化微珠材料等［8，9］。與有機保溫材料相比，輕質蜂窩水泥混凝土（或泡沫混凝土）以其良好的防火、耐久、隔聲、綠色環保等優勢，越來越引起人們的重視［10］。但由于受發泡工藝、發泡劑和材料本身性質的影響，蜂窩混凝土的表觀密度比較大（化學發泡工藝的在200kg/m3以上，物理發泡工藝的在400kg/m3以上）、強度低、保溫性差，在建筑外墻保溫中的應用受到限制。

課題組以物理發泡工藝的蜂窩混凝土為研究對象，通過對發泡劑和物料配比等的研究，優化蜂窩混凝土制備工藝，制備出表觀密度小、保溫性能良好的蜂窩水泥混凝土保溫材料，并建立一套完整的生產工藝，為新型墻體材料的制備提供技術支持。

1 主要原材料

皂粉：白色粉末，干皂含量≥91%、乙醇不溶物≤0.9%；發泡劑：CF－W，自配，白色粉狀；界面劑N：非離子型表面活性劑，淡黃色液體；普通硅酸鹽水泥：P.O 42.5，3d抗壓強度23.4MPa，28d抗壓強度47.4 MPa；快硬硫鋁酸鹽水泥：42.5R，1d抗壓強度33.4MPa，28d抗壓強度46.8MPa；粉煤灰：二級粉煤灰；減水劑：萘系減水劑，棕黃色粉末；激發劑：CF激發劑，白色粉狀，為硅酸鹽、硫酸鹽混合物；纖維：耐堿玻璃纖維，長度6mm。

2 結果與討論

2.1 發泡劑的篩選

發泡劑對于泡沫混凝土的制備具有關鍵性的作用，泡沫與膠凝材料混合時應穩定性好、消泡量少，其穩定期應超過膠凝材料凝結硬化的時間，這樣才能保證發泡砌塊氣孔分布均勻且具有足夠的孔隙率，使保溫材料具有良好的保溫性能。

通過查閱相關文獻和進行探索性試驗，試驗選取皂粉、CF－W、界面劑N三種發泡劑，有機助劑作穩泡劑，為確定各因素的影響主次關系和最佳配比，設計了L9（34）四因素三水平的正交試驗。正交試驗因素與水平見表1。

表1 正交試驗因素與水平表

正交試驗以發泡倍率、1h沉陷距和1h泌水量作為主要的評價指標，對正交試驗結果進行方差分析，考察各因素對試驗指標影響的顯著性，分析結果見表2。

表2 正交試驗方差分析表

從分析結果可以看出：CF－W發泡劑對發泡倍率有顯著性影響，皂粉對泌水量有顯著性影響，四個因素對沉陷距的影響均不具有顯著性。綜合極差和方差分析，以發泡倍率為目標時最優方案為A3B1C3D2，以沉陷距作為考察目標時最優方案為ABCD，以泌水量作為考察目標時的最優方案為ABCD。

對于不同的性能指標進行分析，得到不同的最優方案，每種方案在一定范圍內具有相對的優勢。綜合考慮復合發泡劑的發泡倍率、穩定性及成本問題，確定最終的優化方案為A2B1C3D1。

2.2 泡沫用量

水泥作為膠凝材料，主要為泡沫混凝土提供結構強度支撐；從某種意義上說，泡沫可看作填充物，填充于水泥漿體之間，使硬化材料具備了保溫性能。試驗時控制水泥量300kg/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.55，改變泡沫的摻量，試驗結果見圖1。

泡沫混凝土中，泡沫主要是作填充材料，其用量多少直接影響泡沫混凝土的孔隙率和材料結構，進而影響其綜合性能。試驗表明，隨著泡沫摻量的增加，泡沫混凝土的氣孔量增加、表觀密度降低、抗壓強度下降。這是因為加入的大量泡沫占據了水泥漿體的空間，使泡沫間壁變薄，硬化支撐作用降低。

2.3 水料比

泡沫混凝土的制備，一般認為水灰比越大，漿體的流動性越好，泡沫與漿體混合時越容易分散到漿體中，降低泡沫損失，從而得到性能較好的泡沫混凝土。但是當水灰比超過一定數值時，泡沫混凝土的性能也會下降，尤其是強度降低更為顯著。因此，有必要將水料比控制在適宜的范圍。實驗時的配比為水泥300kg/m3、減水劑1kg/m3、泡沫0.9m3/m3，水料比在0.40～0.70之間變化，試驗結果見圖2。

試驗結果表明，水料比在0.40～0.70范圍變化時，試塊表觀密度基本保持不變，強度呈現先增長后下降的變化趨勢，當水料比為0.50時強度達到最大值。水料比小時，水泥料漿稠度大、泡沫損失大，水泥組分易團聚形成球形顆粒，導致泡沫間壁水泥量減少，從而造成試塊強度低。增大水料比，水泥分散均勻，顆粒團聚現象消失，料漿的整體均勻性得到改善，強度提高。水料比過大時，起支撐作用的孔壁微孔增加，造成強度下降，還會引起泡沫離析，甚至導致塌陷、試模滲水等情況，無法制得合格的泡沫混凝土［11］。因此，水料比是一個重要的影響因素，存在一個合理的數值。

2.4 水泥用量

表觀密度在300kg/m3以下的泡沫混凝土雖然保溫性好，但其強度較低，很難達到標準要求。水泥摻量對保溫材料的性能有很大影響，實驗控制配比為：減水劑1kg/m3、泡沫0.9m3/m3、水料比0.50，調整水泥的用量，實驗結果見圖3。

水泥是泡沫混凝土強度的主要來源，對其力學性能起決定性作用。一般來說，在其它條件不變的情況下，水泥摻量與泡沫混凝土的表觀密度和強度呈正相關關系，即水泥摻量越大，泡沫混凝土的表觀密度越大、抗壓強度越高。在泡沫間壁中，水泥的水化產物支撐起泡沫混凝土的蜂窩狀多孔結構，水泥摻量越大材料的強度越高。

2.5 粉煤灰代替量

用粉煤灰部分替代水泥，研究粉煤灰摻量對泡沫混凝土的影響。試驗配比為：泡沫0.9m3/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.50，粉煤灰和水泥的總量為300kg/m3，改變二者的摻量，激發劑量為粉煤灰量的0.4%，試驗方案及結果見圖4。

粉煤灰替代30%以內的水泥時，保溫材料的強度隨粉煤灰量的增加而稍有增長；粉煤灰替代量達到40%時，強度下降42.8%，損失較大。分析原因，粉煤灰為火山灰性材料，有較高的水化活性，在激發劑的作用下，能發生火山灰反應，生成水化硅酸鈣等產物［12］。適量使用可發揮其火山灰效應、形態效應和微集料效應，改善拌和物性能，提高強度并降低生產成本。另外，粉煤灰與鈣質成分發生“二次水化反應”（或）生產水化產物需要較長的時間［13］，對生產不利。

2.6 纖維摻加量

在輕質保溫材料中加入纖維，能保持制品邊、角、面的完整性，提高制品的質量，增強耐久性。在試驗中加入不同量的耐堿玻璃纖維，研究纖維對輕質保溫材料性能的影響，試驗配比及結果見表3。

表3 纖維對泡沫混凝土性能的影響

由結果可以看出，在泡沫混凝土中摻入不同量的耐堿玻璃纖維，泡沫混凝土的抗壓強度及其干燥密度均無明顯的變化。在工程施工中，混凝土內部存在的微裂縫對其抗折強度的影響遠大于抗壓強度，微裂縫的存在會導致材料破損。加入玻璃纖維能使制品局部開裂的現象得到較好的控制，降低破損率，提高混凝土的耐久性。

3 工業化試驗

在以上研究基礎上，建成一套年產10萬m3輕質保溫混凝土砌塊生產裝置。設備包括發泡機、攪拌機、切割設備及養護窯等。發泡劑加入100倍的清潔水溶解后進入發泡機制泡，其它物料例如水泥、粉煤灰、激發劑、減水劑、纖維等計量后加入到攪拌機中預混合，再加入適量的拌合水，攪拌制成混合料漿。發泡劑經發泡機制成泡徑均勻的泡沫，將泡沫加入到混合料漿中，攪拌使泡沫均勻分散到料漿中。攪拌好的料漿澆注到模具中成型，坯體靜置養護形成一定強度后，拆模、切割、砌塊養護，得到輕質蜂窩水泥混凝土砌塊產品。

經檢測，工業化生產的蜂窩輕質水泥混凝土達到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》規定的FCB A0.5B03等級的要求，各項性能指標符合標準要求，檢測結果見表4。

表4 輕質蜂窩輕質水泥混凝土檢測結果

4 研究結論

通過對輕質蜂窩水泥混凝土的影響因素開展系統研究，開發出一種穩定性好的復合發泡劑，制備出A級輕質保溫的蜂窩水泥混凝土。主要結論如下：

a.對不同發泡劑進行比較及復合，開發出一種穩定性良好的復合發泡劑，其組成以皂粉、CF－W發泡劑、界面劑N等為主，用于制輕質蜂窩水泥混凝土，發泡效果良好。

b.通過對影響輕質蜂窩水泥混凝土因素試驗研究，包括泡沫、水料比、水泥、粉煤灰、纖維的用量等，優化了物料配比，選擇了合適的生產工藝參數。通過調整膠凝材料等物料配比得到不同密度及強度等級的輕質混凝土砌塊。

c.通過工業化試驗，優化生產工藝參數，得到A級輕質蜂窩水泥混凝土的最優配比：水泥210kg/m3、粉煤灰90kg/m3、CF激發劑0.36kg/m3、萘系減水劑1kg/m3、耐堿玻璃纖維1.5kg/m3、復合發泡劑0.6kg/m3、水料比0.5，制品經檢測達到JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌塊》FCB A0.5B03產品等級，防火等級達到A級。

d.粉煤灰摻量達到30%，降低了水泥用量和生產成本，提高建筑的保溫性能，節約資源，具有良好的社會效益和環保效益。

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