泡沫混凝土性能試驗研究

賈艷濤，楊永敢

(1.河海大學力學與材料學院，南京 211100;2.東南大學材料科學與工程學院，南京 211189)

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泡沫混凝土性能試驗研究

賈艷濤1，楊永敢2

(1.河海大學力學與材料學院，南京 211100;2.東南大學材料科學與工程學院，南京 211189)

本文通過使用機械方法制備了不同種類的泡沫混凝土，并研究了不同容重(300～1200 kg/m3)、水膠比(0.3～0.6)、聚丙纖維、EPS顆粒對其力學性能的影響。采用了SEM分析了各配比的微觀結構，進而解釋其強度的變化。結果表明，容重是影響泡沫混凝土宏觀及微觀性能最重要的因素，通過容重的控制可以得到滿足不同需要的產品，容重越大強度越高。此外，聚丙纖維的摻入在一定范圍內可以增加強度；EPS顆粒的摻入可以降低容重，但也會帶來強度的下降。

泡沫混凝土； 容重； 抗壓強度； 微觀機理

1 引 言

隨著經濟的發展，全球對能源的需求量日益增大，其中建筑能耗約占我國總能耗的25%～30%[1]，超過工業、交通、農業等其他產業，居各能耗之首。我國擁有全球最大的建筑市場，每年新增建筑面積約20億m2，其中高能耗建筑占95%以上[2]。因此，若不采取節能措施，預計2020年建筑能耗將達到全國總能耗的50%以上[3]，這無疑將給國家經濟帶來巨大損失。除了能源問題，環境污染問題也日益嚴重。隨著全球工業化進程的推進，各種有機含碳材料得到廣泛應用，因此溫室氣體的濃度在不斷的增長。比如目前二氧化碳的濃度已經超過0.0368% ，其是地球數十萬年以來歷史的最大值。據專家預測，目前全球每年排放二氧化碳約為470億噸，假如不采取任何行動的話那么到2020年這個數字將達550億噸以上[4]。因此無機保溫材料取代有機保溫材料符合發展的趨勢。

然而，在無機保溫材料中，泡沫陶瓷、泡沫玻璃的制備工藝要求很高，產量低而且價格很高，無法廣泛應用；巖礦棉、玻璃棉等纖維保溫材料的價格略低，但仍遠高于泡沫混凝土，而且巖礦棉的能耗很高，不符合低碳經濟節能減排的要求，并且會造成纖維粉塵污染，人體接觸后容易引起皮膚過敏。因此，纖維保溫材料不可能成為保溫材料主體材料。玻璃微珠、膨脹珍珠巖等散粒保溫材料的吸水率高，抗凍性差， 松散不易使用，也無法得到廣泛使用[5]。相比以上無機保溫材料，泡沫混凝土具有很多優勢，其是使用機械方法將發泡劑水溶液制成泡沫，然后加入水泥漿或砂漿中，首先攪拌均勻，然后澆注硬化而成的一種內部含有大量密閉氣孔的多孔性混凝土。密度等級一般在300～1200 kg/m3范圍內，導熱系數在0.08～0.3 W/(m·K)之間[6]。其價格低廉、節能環保、保溫性好、隔熱防火、隔音、抗水減震、抗凍、施工可泵性好，然而，泡沫混凝土也無可避免的具有一些缺點：強度低于普通混凝土、保溫性不及有機保溫材料。因此，如何控制發泡劑的用量既可以實現輕質、保溫和隔音的工作性能,又能使混凝土強度達到預期目標是亟待解決的問題[7]。針對上述問題，通過使用機械方法制備了不同種類的泡沫混凝土，并研究了不同容重(300～1200 kg/m3)、水膠比(0.3～0.6)、聚丙纖維、EPS顆粒對其力學性能的影響。以期為高性能泡沫混凝土保溫材料的配合比優化、原材料優選及性能改進提供理論依據。

2 實 驗

2.1 原材料基本性能

本次實驗的原材料有水泥、水、發泡劑、聚丙纖維、EPS顆粒。水泥采用江南小野田生產P·Ⅱ52.5普通硅酸鹽水泥、粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰。其中表1和表2表示水泥、粉煤灰的化學成分。

表1 水泥熟料的化學成分Tab.1 Chemical compositions of clinker /%

表2 華能Ⅰ級粉煤灰的化學成分Tab.2 Chemical compositions of fly ash /%

圖1 發泡劑與預制泡沫Fig.1 Foaming agent and preformed foam

本試驗所用的發泡劑屬于蛋白型發泡劑(第三帶發泡劑)，采用金箔公司動物蛋白A型，采用1∶30與水混合發泡，泡沫密度為50 kg/m3。

聚丙烯纖維，又稱為丙綸PP。其纖維的強度在350～700 MPa范圍內、纖維的極限伸長為15%～25%、彈性模量在3～10 GPa之間。為保證高性能混凝土具有優良的工作性能，本實驗中外加劑選用聚羧酸系列高效減水劑,固含量≥40%。

在上階段的原材料試驗基礎上進行不同聚丙纖維摻量、不同EPS顆粒摻量試驗，具體配合比如表3。

(1)B-1至B-5是控制濕容重在300 kg/m3，分析不同水膠比對泡沫混凝土各項性能的影響。

(2)試件C-1-C-2控制濕容重在800 kg/m3,分析水膠比對泡沫混凝土各項性能的影響。

(3)試件D-1-D-2控制濕容重在1200 kg/m3,分析水膠比對泡沫混凝土各項性能的影響。

(4)試件C-5，C-6主要是通過摻加不同量的聚丙纖維，分析聚丙纖維的摻量對泡沫混凝土各項性能的影響。

(5)試件C-7，C-8主要是摻加不同量的EPS顆粒，分析EPS顆粒對泡沫混凝土各項性能的影響。

表3 泡沫混凝土配合比Tab.3 Foam concrete mixture ratio

2.2 泡沫混凝土制備方法

本試驗采用預發泡攪拌法，分為發泡和混泡攪拌兩道工藝。具體制備流程如下：

(1)根據設定的配合比和泡沫混凝土的需求量計算原材料用量，然后按照用量稱量水泥、外加劑、發泡劑、水等原材料。

(2)將發泡劑與水按一定比例混合均勻，并加入到發泡腔內。

(3)將預先稱量好的漿體拌合用水(加入外加劑并混合均勻)和預先稱量好的膠凝材料(水泥、粉煤灰等)加入到拌合倉內，然后啟動攪拌機先低速攪拌，待材料全部加入后再加速攪拌(三分鐘)，使得漿體均勻且有良好的工作性加入到拌合倉內。

(4)待漿體攪拌完成后，開動發泡機，將所制泡沫緩慢加入漿體中，并保持攪拌機的轉動使得泡沫和漿體能混合均勻。

(5)繼續加入泡沫并不斷攪拌，直至漿體體積達到設定值。(并且在過程中測量容重使得濕密度在設計濕密度的±50 kg/m3范圍內)，制得所需的泡沫混凝土漿體。

(6)注入試模成型，待混凝土終凝并具備一定強度后拆模，按相應標準進行養護、加工。

3 結果與討論

3.1 容重對抗壓強度影響

圖2 干容重與抗壓強度的關系Fig.2 Relationship between dry density and compressive strength

圖2描述了不同干容重對泡沫混凝土28 d抗壓強度的影響。從圖中可以看出隨著干容重的增加，泡沫混凝土的抗壓強度呈快速上升趨勢，變化范圍為0.5～11.0 MPa。

泡沫混凝土的氣孔-胞壁結構是決定其強度的關鍵，抗壓強度主要受到孔隙的分布和大小影響，包括氣孔/漿體比、空隙間隔、空隙數量的影響。由圖3和圖4兩個容重分別為300 kg/m3和1000 kg/m3的試樣微觀結構圖可以看出，隨著泡沫混凝土容重的提高，基體中胞壁變得更厚，氣孔孔徑也更小。而包裹著氣孔的胞壁是泡沫混凝土強度的主要提供者，隨著孔隙率的降低，泡沫混凝土的密實度增大，強度亦隨之提高。此外，容重越大膠凝材料比例越高，這也會在一定程度上限制了氣泡在漿體中的的長大，形成的氣孔更為細小致密，因此強度也隨之增大。

圖3 容重300 kg/m3試樣Fig.3 Sample density for 300 kg/m3

圖4 容重1000 kg/m3試樣Fig.4 Sample density for 1000 kg/m3

3.2 水膠比對抗壓強度影響

圖5 水膠比與抗壓強度的關系Fig.5 Relationship between dry density and compressive strength

圖5表示的是設計容重為300 kg/m3的泡沫混凝土28 d抗壓強度與水膠比的關系，從圖中可以看出，隨著水膠比的上升，抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，其中在水膠比為0.4時抗壓強度達到最大，為0.68 MPa。

水是水化作用的直接參與者，水灰比偏低會降低水化產物的生成，降低強度。而且用水量較低時還會增大料漿的稠度，導致泡沫在料漿中不易混合均勻且容易破裂，從而降低強度。同樣的，水灰比偏高也對泡沫混凝土強度發展不利。在硬化過程中多余的水分會因為蒸發作用從混凝土內跑出，那么連通孔增加，這些隙孔的存在大大降低了混凝土的密實度，使得強度降低。

3.3 聚丙纖維摻量對抗壓強度影響

圖6描繪的是聚丙烯纖維摻量對泡沫混凝土28 d抗壓強度的影響，試驗采用的粉煤灰摻量為40%，水膠比0.5。其中聚丙烯纖維摻量依次為0、12 g(0.1%)、24 g(0.2%)。從圖中可以看出，聚丙烯纖維摻量的增加會導致泡沫混凝土的抗壓強度逐漸提高，其中摻量為12 g(0.1%)時強度達到了1.97 MPa，而不摻纖維的試樣抗壓強度為1.66 MPa，提高了18.7%，當摻量為24 g(0.2%)時28 d抗壓強度為2.06 MPa，提高了24.1%。

當向泡沫混凝土中加入聚丙烯纖維以后，其抗壓強度會有所增長，究其原因是聚丙烯纖維對泡沫混凝土的增強作用。蔡娜等人研究得出，當聚丙烯纖維的摻量在1.2%～1.6%范圍內時，泡沫混凝土的抗壓強度值會有下降趨勢，究其原因，聚丙烯纖維的摻量在1.2%～1.6%時會導致其摻量過多，在攪拌過程中會使其在料漿中分布不夠徹底均勻，故很容易發生團聚現象，進而會導致試件抗壓強度大大降低[8]。

在泡沫混凝土處于塑性狀態時就產生了許多微細裂縫，這些微細裂縫在硬化過程中因失水干縮導致了裂縫的擴大并有新的裂縫產生，纖維加入泡沫混凝土中可阻止水泥基材中原有裂縫的擴展更能夠延緩新裂縫的產生，從而使泡沫混凝土的抗凍、抗滲等性能具有明顯的提高。纖維增強泡沫混凝土在受拉(彎)時，當基材中出現了大量的分散裂縫，但其仍可以繼續承受一定的荷載并具有假延性，從而使復合材料的韌性與抗沖擊性得以明顯提高[9]。圖7為摻入聚丙纖維的試樣，可以看到，聚丙烯纖維從多個方向貫穿在泡沫混凝土中，可以增強泡沫混凝土多向的抗拉能力，能夠降低裂紋出現的可能。

圖6 聚丙烯纖維摻量與抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between polypropylene fiber content and compressive strength

圖7 聚丙纖維泡沫混凝土Fig.7 Polypropylene fiber foam concrete

3.4 EPS摻量對抗壓強度影響

圖8描繪的是EPS摻量對泡沫混凝土28 d抗壓強度的影響。試驗采用的粉煤灰摻量為40%，水膠比0.5，其中纖維的摻量分別為30 g(5%)和60 g(10%)。從圖中可以看出，隨著EPS顆粒摻量的增加，試樣的抗壓強度逐漸下降。其中不摻EPS的試樣抗壓強度為1.66 MPa，而當EPS摻量為5%時，強度僅為0.91 MPa，下降了45.2%；而當EPS摻量為10%時，強度為0.78 MPa，下降了53.0%?？梢奅PS對泡沫混凝土抗壓強度的減弱作用非常明顯。

由于EPS顆粒本身強度很低，作為填充料摻入泡沫混凝土中基本不發生物理化學反應，EPS的摻入降低了單位體積水泥含量，使得強度下降。此外，EPS的摻入還會減弱泡沫混凝土的流動性，也會降低泡沫混凝土流動性。由圖9可以看到，EPS顆粒和基體是相互分開的，EPS存在的位置強度必然偏低，這也導致整體強度降低。

圖8 EPS摻量與抗壓強度的關系Fig.8 Relationship between EPS content and compressive strength

圖9 EPS泡沫混凝土試樣Fig.9 EPS foam concrete

4 結 論

(1)泡沫混凝土受壓時破壞機制不同于普通混凝土，受壓時的破壞是延性破壞，而不是瞬時的脆斷。并且隨著容重的減小，破壞時的延性顯著增加;

(2)容重的影響：隨著泡沫混凝土干容重的增大，抗壓強度增大。其中干容重306 kg/m3的試樣28 d抗壓強度為0.56 MPa，而當干容重增大到1173 kg/m3時，強度提高到了10.65 MPa。隨著容重的增加，超聲波傳播速度也增大，其中容重1000 kg/m3的試樣傳播速度最終值超過了2000 m/s，比容重300 kg/m3提高了接近100%。不同容重到達各個階段的時間不一樣，低容重的試樣更早達到聲速轉折點;

(3)水膠比的影響：泡沫混凝土的設計容重一定時，隨著水膠比的上升，抗壓強度呈現先增大后減小的趨勢，其中在水膠比為0.4時抗壓強度達到最大，為0.68 MPa;

(4)聚丙纖維的摻入在一定范圍內有利于泡沫混凝土的抗壓強度逐漸提高;

(5)EPS顆粒的的摻入可以明顯降低泡沫混凝土容重，但也會降低其強度。

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[9] 張佚倫.聚丙烯纖維混凝土早期收縮與抗裂性能試驗研究[D].杭州:浙江大學學位論文,2006.

Experimental Research on Properties of Foamed Concrete

JIAYan-tao1,YANGYong-gan2

(1.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 211100,China;2.School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China)

The influence of the different densities (300-1200 kg/m3), water-binder ratio (0.3-0.6), the polypropylene fiber and the EPS particles were investigated. The microstructure of a variety of proportions was analyzed by SEM and then explain the change of the strength. The result shows that the density is the most important factors of foam concrete macroscopic and microscopic property. Through the density control,the different needs of products can be obtained. The higher the density is,the greater the strength will be. In addition, the polypropylene fiber mixed can increase the strength in a certain range. The addition of EPS particles can lower bulk density, but also can make strength decline.

foamed concrete;bulk density;compressive strength;microscopic mechanism

賈艷濤(1979-)，女，工程師.主要從事從事混凝土耐久性等研究.

TU528.2

A

1001-1625(2016)09-2804-06