水泥泡沫混凝土的改性研究*

王滌非,王路明

(1. 安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232000; 2. 鹽城工學(xué)院 材料與工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051)

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水泥泡沫混凝土的改性研究*

王滌非1,2,王路明2

(1. 安徽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232000; 2. 鹽城工學(xué)院 材料與工程學(xué)院，江蘇 鹽城224051)

摘要：采用丁苯乳液、苯丙乳液、硅灰、粉煤灰和橡膠粉等外加劑分別對(duì)物理發(fā)泡水泥混凝土的性能進(jìn)行單一和復(fù)合改進(jìn)試驗(yàn)。結(jié)果表明，復(fù)摻硅灰和丁苯乳液可顯著提高泡沫混凝土早期強(qiáng)度，并降低吸水率，改善混凝土性能，當(dāng)硅灰摻量4%，丁苯乳液摻量12%時(shí)，混凝土吸水率降低17%，7 d抗壓強(qiáng)度增加0.5 MPa；丁苯乳液對(duì)降低泡沫混凝土吸水率有一定促進(jìn)作用；苯丙乳液對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較大；硅灰與粉煤灰降低吸水率效果不佳；橡膠粉不能作為混凝土外加改性材料。

關(guān)鍵詞：水泥泡沫混凝土；改性；乳液；硅灰；粉煤灰；橡膠粉

0引言

普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土其內(nèi)部分布著大量微小氣孔，引入的氣孔帶來大量缺陷，物理發(fā)泡所用的有機(jī)發(fā)泡劑延緩水泥凝結(jié)硬化[1]，強(qiáng)度發(fā)展緩慢，導(dǎo)致泡沫混凝土強(qiáng)度的大幅降低，硬化表面開裂甚至出現(xiàn)粉化現(xiàn)象[2]。泡沫混凝土基體材料主要以水泥等細(xì)顆粒粉粒為主，由于自身強(qiáng)度較低易開裂，性能上表現(xiàn)出較高的吸水率[3]，嚴(yán)重影響泡沫混凝土的使用效果，使用壽命大大降低。在提高水泥泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，須采取有效措施減小混凝土吸水率，改善整體性能。

本文采用丁苯乳液(SBR)、苯丙乳液(SAE)、硅灰、粉煤灰和橡膠粉等外加劑對(duì)密度等級(jí)500的泡沫混凝土的吸水性能，早期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行改性試驗(yàn)，研究并探尋提高泡沫混凝土整體性能的途徑和方法。

1原材料和試驗(yàn)方法

1.1原材料及儀器

原材料及試劑：普通425硅酸鹽水泥、蛋白發(fā)泡劑、減水劑、氯化鈣、丁苯乳液、苯丙乳液、硅灰、粉煤灰、橡膠粉。

儀器設(shè)備：bl-8型發(fā)泡機(jī)、SJD-30型混凝土攪拌機(jī)、SHBY-40A型水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱、101A-3B型電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、YAW-300B型壓力試驗(yàn)機(jī)、QANTA-200型掃描電子顯微鏡。

1.2試驗(yàn)方法

將普通硅酸鹽水泥、減水劑和各外加劑按照一定的配合比計(jì)量后倒入混凝土攪拌機(jī)中攪拌均勻，加入定量水?dāng)嚢栊纬蓾{體，采用空氣壓縮機(jī)將定量蛋白發(fā)泡劑制成的泡沫注入攪拌機(jī)中，慢速攪拌規(guī)定時(shí)間后，倒入100 mm×100 mm×100 mm模具中成型，在水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)7 d后，測試其吸水率和抗壓強(qiáng)度，抗壓后的試樣用于SEM分析。泡沫混凝土吸水率和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照J(rèn)G/T 266-2011《泡沫混凝土標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1丁苯乳液對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

分別摻入4%，8%，12%，16%和20%(丁苯乳液與水泥的百分比)的丁苯乳液于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表1所示。

表1　丁苯乳液對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

由表1可以看出，隨著丁苯乳液摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率大幅減小，抗壓強(qiáng)度波動(dòng)變化，當(dāng)丁苯乳液摻量12%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa，超過未摻丁苯乳液樣品0.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.8 MPa，此時(shí)吸水率降低15%，有一定性能提高。

圖1和2為摻量12%丁苯乳液的水泥泡沫混凝土的SEM圖。

圖1　摻丁苯乳液水泥泡沫混凝土的SEM圖

圖1可以看到混凝土孔壁圓滑，沒有出現(xiàn)明顯裂紋，圖2中水泥顆粒間相互粘結(jié)，孔壁內(nèi)部孔隙較少，表明丁苯乳液在水泥顆粒表面成膜。團(tuán)狀結(jié)構(gòu)的丁苯乳液粘附在水泥水化產(chǎn)物與水泥石結(jié)合的界面上，填充了孔隙，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜，提高混凝土水泥硬化體的致密性[4]，有效阻止水分進(jìn)入泡沫混凝土內(nèi)部，大大降低水泥泡沫混凝土吸水率。

圖2　摻丁苯乳液水泥泡沫混凝土的SEM圖

2.2苯丙乳液對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

分別摻入4%，8%，12%，16%和20%(苯丙乳液與水泥的百分比)的苯丙乳液于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2　苯丙乳液對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

由表2可以看出，隨著苯丙乳液摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率和抗壓強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)苯丙乳液摻量12%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.1 MPa，比未摻苯丙乳液樣品降低0.3 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度1.4 MPa，吸水率降低10%，未表現(xiàn)出明顯改性效果。

圖3和4為摻量12%苯丙乳液的水泥泡沫混凝土的SEM圖。

圖3　摻苯丙乳液水泥泡沫混凝土的SEM圖

圖3可以看到孔壁光滑密實(shí)，沒有出現(xiàn)明顯泡孔開裂和穿孔現(xiàn)象，圖4中水化顆粒之間孔隙較少。苯丙乳液附在水泥凝膠體或顆粒表面形成完整、連續(xù)、密實(shí)的膜結(jié)構(gòu)，提高了泡壁的封閉性[5]；但過多的苯丙乳液形成聚合物富集區(qū)[6]，水泥硬化時(shí)間延長，具有的引氣作用帶入更多氣孔，導(dǎo)致強(qiáng)度持續(xù)下降[7]。

圖4　摻苯丙乳液水泥泡沫混凝土的SEM圖

2.3硅灰對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

分別摻入2%，4%，6%，8%和10%(硅灰占硅灰占水泥和硅灰總量的百分比)的硅灰于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。

表3　硅灰對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

由表3可以看出，隨著硅灰摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率不斷增大，7 d抗壓強(qiáng)度波動(dòng)變化，當(dāng)硅灰摻量6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.3 MPa，超過未摻硅灰樣品0.9 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度為2.7 MPa，吸水率減小2%，總體改性效果不明顯。

圖5和6是為摻量6%硅灰的水泥泡沫混凝土的SEM圖。

圖5　摻硅灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

圖5可以看到泡沫混凝土出現(xiàn)裂紋和穿孔現(xiàn)象，圖6中水泥水化產(chǎn)物疏松，凝膠空隙較大。硅灰中較多的活性SiO2與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣反應(yīng)，增加水泥石中CSH凝膠體積，降低孔隙率，改善孔結(jié)構(gòu)，提高水泥石的強(qiáng)度[8]。但硅灰的比表面積較大，使得其表現(xiàn)出較高的需水量[9]，過多的毛細(xì)結(jié)構(gòu)也阻礙了混凝土吸水率降低[10]。

圖6　摻硅灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

2.4粉煤灰對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

分別摻入5%，10%，15%，20%和25%(粉煤灰占水泥和粉煤灰總量的百分比)的粉煤灰于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表4所示。

表4　粉煤灰對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

由表4可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率有增大趨勢，抗壓強(qiáng)度波動(dòng)減小，當(dāng)粉煤灰摻量15%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.3 MPa，比未摻粉煤灰樣品降低0.1 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.8 MPa，吸水率降低5%，改性效果一般。

圖7和8是摻量15%粉煤灰的水泥泡沫混凝土的SEM圖，圖7可以看到泡孔結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，有一定的連通孔現(xiàn)象，圖8泡壁中存在孔隙和大量未水化的粉煤灰玻璃體結(jié)構(gòu)。粉煤灰摻量增加，水泥用量減少，粉煤灰在短期內(nèi)不能發(fā)揮活性，形成硬化石結(jié)構(gòu)疏松，造成吸水率上升[11]，水泥水化生成的氫氧化鈣數(shù)量有限，與粉煤灰二次水化數(shù)量減少，導(dǎo)致生成的水化硅酸鈣數(shù)量減少，混凝土強(qiáng)度降低。

2.5丁苯乳液和硅灰復(fù)摻對(duì)水泥泡沫混凝土性能影響

在摻入4%硅灰的基礎(chǔ)上，分別復(fù)摻4%，8%，12%，16%和20%(丁苯乳液與水泥和硅灰總量的百分比)的丁苯乳液于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。

圖7　摻粉煤灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

圖8　摻粉煤灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

編號(hào)水泥/%丁苯乳液/%硅灰/%W/C減水劑/%發(fā)泡劑/%氯化鈣/%吸水率/%7d抗壓強(qiáng)度/MPa28d抗壓強(qiáng)度/MPa196040.50.213651.41.7296440.460.213731.82.2396840.420.213602.12.54961240.380.213481.92.25961640.340.213421.72.06962040.300.213351.51.9

由表5可以看出，在摻入4%硅灰的基礎(chǔ)上再摻入丁苯乳液，隨著丁苯乳液摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率逐漸降低，7 d抗壓強(qiáng)度波動(dòng)變化，當(dāng)丁苯乳液摻量12%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.9 MPa，超過未復(fù)摻樣品0.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.2 MPa，吸水率降低17%，改性效果顯著。

圖9和10是摻量4%硅灰和12%丁苯乳液的水泥泡沫混凝土的SEM圖。

圖9　摻丁苯乳液和硅灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

Fig 9 SEM of SBR and silica fum modified foam concrete

圖9可以看到孔壁上有少量裂紋和穿孔現(xiàn)象，圖10中水泥和硅灰水化產(chǎn)物之間孔隙較少，表明丁苯乳液填充到水化產(chǎn)物之間，改善了孔結(jié)構(gòu)，在硅灰提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)，形成的丁苯乳液薄膜有效包裹在水化顆粒表面，降低了混凝土吸水率，有較好的復(fù)合效果。

圖10　摻丁苯乳液和硅灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

Fig 10 SEM of SBR and silica fum modified foam concrete

2.6橡膠對(duì)水泥混凝土性能影響

分別摻入50%，60%，70%，80%和90%(橡膠粉占水泥和橡膠總體積百分比)的橡膠于混凝土中測定混凝土吸水率和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表6所示。

表6　橡膠粉對(duì)水泥混凝土性能影響

由表6可以看出，隨著橡膠粉摻量不斷增加，混凝土干密度和7 d強(qiáng)度逐漸降低，吸水率逐漸增加，當(dāng)橡膠粉摻量80%時(shí)，混凝土干密度928 kg/m3，吸水率6.9%，7 d抗壓強(qiáng)度4.3 MPa，再增加橡膠粉摻量，混凝土不具有凝結(jié)性能。

圖11為摻80%橡膠粉水泥混凝土的SEM圖，可以看出摻入橡膠粉的泡沫混凝土基體出現(xiàn)大量縫隙，說明橡膠粉與水泥石之間粘結(jié)性能較差。橡膠粉作為一種彈性體，自身強(qiáng)度比水泥小，與混凝土結(jié)合，橡膠粉界面成為薄落點(diǎn)，整體承載能力下降[12]；橡膠粉也不與水泥反應(yīng)，界面粘結(jié)力下降，強(qiáng)度降低；橡膠粉受外力產(chǎn)生形變，水泥形變能力較小，混凝土受力作用產(chǎn)生較大形變時(shí)出現(xiàn)裂縫，吸水率提升[13]。

圖11　摻橡膠粉水泥混凝土的SEM圖

Fig 11 SEM of rubber powder modified foam concrete

3結(jié)論

(1)復(fù)摻丁苯乳液和硅灰改善水泥泡沫混凝土性能顯著，當(dāng)丁苯乳液摻量12%，硅灰摻量4%時(shí)，混凝土吸水率48%，較未摻樣降低17%，7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)1.9 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)2.2 MPa，超過未摻樣0.5 MPa。

(2)單摻丁苯乳液和硅灰對(duì)水泥泡沫混凝土改性有一定促進(jìn)作用，但遠(yuǎn)不及復(fù)摻效果明顯；苯丙乳液和粉煤灰總體改性效果不佳。

(3)橡膠粉摻入基體材料可將密度降低至928 kg/m3，不能作為泡沫混凝土的外加改性材料。

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Research on the modification of foam concrete

WANG Difei1,2, WANG Luming2

(1. College of Materials Science and Engineering, Anhui University of Science & Technology,Huainan 232000,China;2. College of Materials Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051,China)

Abstract:Made experiment to promote the performance of foam concrete by adding SBR, SAE, silica fume, fly ash, and rubber powder to the foam concrete respectively and simultaneously. The results show that, add silica fume and SBR to foam concrete simultaneously can improve early strength significantly and reduce water absorption, while adding 4wt% silica fume and 12wt% SBR to foam concrete, the water absorption of concrete reduced by 17%, 7 day strength increased 0.5 MPa. SBR had a limited role in promoting the early strength of foam concrete, SAE had difference on the strength of concrete,silica fume and fly ash increased water absorption,crumb rubber could not be used as the modified material of concrete.

Key words:foam concrete; modification; latex; silica fume; fly ash; rubber powder

文章編號(hào)：1001-9731(2016)06-06200-05

作者簡介：王滌非(1990-)，男，江蘇鹽城人，在讀碩士，師承王路明教授，從事環(huán)境功能材料研究。

中圖分類號(hào)：TU528.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.037

收到初稿日期：2015-10-10 收到修改稿日期：2016-05-20 通訊作者：王路明，E-mail: wlm@ycit.cn