輕質泡沫混凝土配制工藝影響因素的試驗研究

張 可，郭自利，劉家寶，潘 登

（北京清華大學土木工程系，北京 100084）

泡沫混凝土的傳統定義是指用機械方法將摻有泡沫劑的水溶液制備成泡沫，加入到含硅質材料（砂、粉煤灰）、鈣質材料（石灰、水泥）、水及助劑組成的料漿中，經混合攪拌、澆注成型、蒸汽養護而成的一種輕質多孔混凝土。攪拌使材料的硬質微粒黏附到泡沫的外殼上面，泡沫的氣泡就變為互相隔開的單個氣泡。拌合物中的孔洞分布越均勻、尺寸越小，則泡沫混凝土強度越高。這里要特別指出的是泡沫混凝土和加氣混凝土之間還是存在一定差別的，從本質上來講，泡沫混凝土也是一種加氣混凝土，它實際上是加氣混凝土的一個特殊品種，其孔結構和材料性能都接近于加氣混凝土，在主要用途上也很類似。但兩者之間還是存在一些不同。第一，加氣混凝土氣孔是橢圓形球體，而泡沫混凝土氣孔既可以是橢圓形也可以是多面體；第二，發泡方法不同，加氣混凝土是通過化學反應產生氣體，形成氣孔，而泡沫混凝土是通過機械制泡將泡沫加入混凝土漿體形成氣孔，總的來說，二者的氣孔結構和性能沒有根本性區別。

泡沫混凝土的突出特點就在于其質輕。泡沫混凝土的干體積密度一般相當于粘土磚的1/3～1/10左右，普通水泥混凝土的1/5～1/10左右，也低于一般輕骨料混凝土，因而可以極大的減少建筑物自重。另外一個特點就是保溫性能好。由于泡沫混凝土的內部含有大量氣泡和微孔，因而有良好的絕熱性能。實踐證明，我國北方地區用20cm厚的泡沫混凝土外墻，其保溫效果與49cm的粘土磚墻相當，從而增加了建筑物使用面積。除了上述兩個特點之外，抗震性能優異、隔音效果好、具有一定的調節室內濕度的作用等也是泡沫混凝土的突出特點，這也是為什么目前國內外對泡沫混凝土的研究非常關注的原因。

除了運用在一般建筑物上，泡沫混凝土最新的運用是作為機場跑道安全阻滯材料。當飛機在起飛降落過程中因事故沖出跑道之時，就會沖入泡沫混凝土形成的阻滯床。由于泡沫混凝土的微孔結構具有吸能作用，可以有效吸收失事飛機的沖擊能量，迫使飛機在泡沫混凝土阻滯床中停止滑沖，獲得攔阻，從而避免發生事故，而由于其質輕，即使在飛機沖撞中碎裂飛起，也不會對飛機及人員造成傷害。相比于其它泡沫材料，例如泡沫塑料、泡沫玻璃及泡沫陶瓷等，泡沫混凝土不易老化，環保而且造價低廉，最終被選為合適的機場跑道攔阻材料。

目前在利用泡沫混凝土做機場攔阻材料這一研究領域中，美國是較早開始并且水平較為領先的國家。在1986年，美國正式啟動研發，最初稱之Engineered Material Arresting System，簡稱EMAS。經過了幾十年的研發過程，形成了一個完整的技術體系和產品標準體系，正式命名為GBS系統（Ground Braking System）。其中包括泡沫混凝土制動材料的制造、動態力學數值分析方法、仿真軟件開發及應用等，并申請了國際專利，初步形成了對這一技術領域的壟斷。近年來，隨著我國航空業的不斷發展，機場建設越來越多，而從國外引入泡沫混凝土阻滯系統費用卻相當高昂，所以發展自己的泡沫混凝土阻滯系統就顯得迫在眉睫。2010年8月，民航總局組織了專家鑒定會，得出結論：我國泡沫混凝土阻滯材料已達到了國外的技術水平，可以在中國機場應用。

《輕質泡沫混凝土配制工藝影響因素的試驗研究》是國家大學生創新項目《輕質泡沫混凝土的配制及基本性能的試驗研究》中的部分研究內容。本課題在改進傳統工藝的基礎上，采用發泡劑與膠結料同摻同攪拌新工藝配制出不同表觀密度的泡沫混凝土。傳統工藝制備泡沫混凝土工藝較為復雜，泡沫破損多，料漿均勻性差影響泡沫混凝土的質量。

1 研究內容

1.1 試驗用原材料

試驗用原材料主要為PO 42.5水泥、SAR42.5水泥、氟石膏、皂角復合發泡劑等。

1）普通硅酸鹽水泥

生產廠家：北京水泥廠。強度等級：PO 42.5，強度試驗結果見表1。

表1 水泥膠砂強度試驗結果

2）快硬硫鋁酸鹽水泥

生產廠家：唐山六九水泥。強度等級：SAR42.5水，水泥膠砂結果見表2。

表2 水泥膠砂強度試驗結果

3）氟石膏

山東萊蕪汶河化工有限公司提供，氟石膏是該廠生產氟化鋁的工業廢料，成分見表3。

表3 氟石膏主要成分 w/%

1.2 試驗設計

為了考察水膠比、發泡劑摻量、攪拌時間等三因素對泡沫混凝土表觀密度的影響，采用了3因素4水平的正交試驗方法，進行泡沫混凝土配制試驗研究。試驗中膠凝材料配比：PO42.5水泥280g，SAR42.5水泥400g，氟石膏120g。表4為正交試驗設計方案。

表4 正交試驗設計方案

1.3 泡沫混凝土料漿與測試試件制備

泡沫混凝土料漿用水泥膠砂攪拌機攪拌。首先將稱好的水泥等膠凝材料與發泡劑一起加入攪拌鍋內，慢速干拌10s后加入水慢攪30s，再快速攪拌180s以上。攪拌好的泡沫混凝土料漿就可以測試料漿密度和成型試件。試件尺寸為40mm×40mm×160mm。成型的試件（20±5）℃室內養護，24h后拆模，放入標準養護室養護，達到7d齡期后取出，放入烘箱中烘干，干燥后測試干表觀密度、抗折強度和抗壓強度。

2 試驗結果及分析

2.1 泡沫混凝土抗折和抗壓強度分析

泡沫混凝土抗折強度與抗壓強度測試結果見表5所示。試驗結果表明：泡沫混凝土的抗折、抗壓強度與其料漿表觀密度的關系為正相關，隨著料漿表觀密度的增加，抗折、抗壓強度增長的速率明顯加快，原因是隨著料漿表觀密度的增加，混凝土內的泡沫數量在減少、體積在減小，從而混凝土內部孔隙率減少，強度相應增加。料漿表觀密度低于600kg/m3后，抗折強度小于0.5MPa，抗壓強度小于2.5MPa；料漿表觀密度低于400kg/m3，抗折強度小于0.2MPa，抗壓強度小于0.5MPa。

表5 泡沫混凝土力學性能測試結果

2.2 泡沫混凝土表觀密度極差與方差分析

試驗中測試了泡沫混凝土料漿表觀密度、干表觀密度并分別進行了極差分析和方差分析見表6，表7。

從表6的結果可以看出，在我們所考慮的三個可能影響泡沫混凝土料將表觀密度的因素中，時間所產生的影響是最大的，其次為水膠比，發泡劑摻量的影響程度相對較小。而在我們所劃分的四個等級得到的最優組合（料將表觀密度最小）為水膠比0.59，皂角粉17.6g，攪拌時間9min。按照試驗得出的最優組合，我們重新進行了試驗，得到的料漿表觀密度為264kg/m3。

將試件烘干后得到泡沫混凝土干表觀密度，對干表觀密度的極差分析結果亦如表6所示。

按照表6的結果，干表觀密度的分析結果同料漿表觀密度相同，在試驗涉及到的三個因素中，時間對泡沫混凝土干表觀密度產生的影響是最明顯的，其后依次為水膠比和發泡劑摻量。對泡沫混凝土料漿表觀密度及干料漿表觀密度得到的結果進行進一步方差分析，結果見表7、表8。

表6 料漿表觀密度及干表觀密度極差分析

從表7、表8結果可以看出，對于泡沫混凝土的料漿表觀密度，無論是水膠比、皂角粉摻量，還是攪拌時間，對其的影響都是特別顯著，只是相比較之下影響程度不同而已。為了進一步確定影響因素與表觀密度之間的關系，我們對得到的結果進行線性回歸分析，回歸分析見表9。

表7 料漿表觀密度正交試驗結果的方差分析

表8 干表觀密度正交試驗結果的方差分析

表9 回歸分析

在線性回歸中，通常我們認為當相關系數R大于0.95時復合程度較好。對于本試驗料漿表觀密度和干表觀密度的線性回歸相關系數都在0.98以上，因此我們認為復合程度較好。

對于得到的回歸方程，我們進行了4組驗證試驗，驗證試驗設置如下，除了正交試驗中所設計的因素變化之外，其余配比與之前試驗不變。

從表10中可以看出，當需要配置的泡沫混凝土表觀密度較小或較大時，回歸方程并不十分準確，而在中間段時，利用回歸方程得到的理論表觀密度和實際表觀密度十分接近，所以回歸方程的適用范圍是有一定局限性的，具體使用范圍需要進一步試驗確定。

表10 回歸方程驗證試驗結果

3 結 論

a.采用膠凝材料和發泡劑同摻同攪工藝，可以配制出300～1 000kg/m3不同表觀密度的泡沫混凝土；

b.正交試驗極差和方差分析結果表明：水膠比、發泡劑摻量、攪拌時間對泡沫混凝土的表觀密度都有顯著影響，其中以攪拌時間的影響最為明顯；水膠比越大，發泡劑摻量越多，攪拌時間越長，得到的泡沫混凝土表觀密度越小；

c.線性回歸分析結果表明：此回歸方程在一定范圍內復合程度較好。當需要配置的泡沫混凝土表觀密度較小或較大時，回歸方程并不十分準確，在中間段時，利用回歸方程得到的理論表觀密度和實際表觀密度符合較好。

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