基于正交試驗設計的泡沫混凝土性能研究

孫 婧 李 玥 王 宏 王 茜

（河北建筑工程學院， 河北 張家口 075000）

0 前言:

泡沫混凝土是由水泥漿體、骨料（細砂）和氣孔組成的三相材料，具有質量輕，隔熱隔音性能好，節能環保等優良特性[1]。由于泡沫混凝土保溫隔熱性能最為突出[2]，因此泡沫混凝土多在屋面的保溫隔熱、外墻保溫層和墻體填充層等使用[3]。但是泡沫混凝土的體積穩定性差，強度比普通混凝土低，吸水率高等缺陷，阻礙了其大規模使用及發展。所以為使泡沫混凝土在建筑中能夠廣泛應用，必須找到合適的解決辦法。本研究的意義：通過正交設計實驗方案，從宏觀方面包括泡沫劑發泡倍數、纖維摻量、水灰比等與泡沫摻量的研究，進而探討這些基本因素對泡沫混凝土干密度、導熱系數的影響規律。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：本實驗選用金隅水泥有限公司的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥。

發泡劑：選用高效發泡劑。

纖維：采用聚丙烯纖維，減少微裂紋擴張并有效提高強度。

水：張家口自來水。

1.2 試驗儀器

混凝土加速養護箱；電熱恒溫鼓熱干燥箱；壓力試驗機；導熱系數測定儀

1.3 試驗配合比

選取4 因素4 水平的正交試驗表，分別考慮了水與發泡劑比例、纖維摻量、水灰比、泡沫摻量四個因素的四種變化水平。試驗配合比見表1。

表1 試驗配合比

1.4 性能測試

1.干密度的測定

(a)選取每組3 塊試塊，尺寸為(10×10×10)mm，計算試塊的體積；(b)將試塊放入蒸養箱中，在90℃環境中養護。(c)將養護好的試塊放入電熱恒溫鼓風干燥箱內，將溫度設定為在50 ℃，然后保溫24h，并測得試塊質量M，需精確至0.1g；

2.導熱系數的測定

(a)切割已經養護好并烘干好的泡沫混凝土試樣，尺寸為(10×5×5)mm；(b)將試樣放入導熱儀中，調節試塊至平衡位置；(c)按開始鍵，冷卻好后再次重復操作，記錄每組導熱系數。

2 結果與分析

確定水與發泡劑的比例、纖維素、水灰比、泡沫摻量對泡沫混凝土性能影響的強弱，以表觀密度、導熱系數作為觀察指標來對實驗結果進行極差分析。實驗數據測試結果見表2。

表2 實驗數據表

2.1 干密度的影響因素的分析

根據表4 所示的干密度極差分析數據結果，對影響其干密度的因素進行研究分析。

表3 干密度極差分析表

隨著水與發泡劑的比例增加，干密度先減小后增加的趨勢，泡沫隨發泡劑濃度的降低而體積增加，孔徑變大，所以干密度降低。當泡沫穩定性降低，出現消泡甚至塌陷的現象，導致孔徑減小，孔隙率降低干密度增加；隨著纖維摻量增加，干密度先增加后減小再增加。當摻入纖維素時，由于引入纖維的密度大于水泥漿體的密度，所以會增加干密度，但纖維的加入會引入氣孔，隨纖維的增加，水泥石中的氣孔含量也增加，減小了干密度；隨著水灰比增加，表觀密度減小，水泥漿體稠度和發泡過程平穩，干密度較低；隨著泡沫摻量增加干密度先增加再降低，由于發泡混凝土中的氣泡占大部分體積，通過增大泡沫的摻量變的更加輕質，但泡沫摻量多，氣泡所占的體積增大，干密度減小。

綜上，各因素對泡沫混凝土干密度的影響大小順序為：D＞C＞A＞B，最主要的影響因素是泡沫摻量，而纖維摻量對其影響效果不夠顯著。

2.2 導熱系數的影響因素的分析

導熱系數的大小是作為評價墻體保溫材料保溫性能好壞的重要標準。泡沫混凝土擁有有較低的導熱系數的主要原因是氣相降低了導熱的作用。不同因素對泡沫混凝土的導熱系數的敏性分析見下表4。

隨著水與發泡劑比例的上升，導熱系數稍增加后減小再增加的趨勢，分別在取得最小值和最大值K3 和K4，由于最初歲隨稀釋比例增加氣泡穩定性降低，氣孔間隙分布不均勻，導熱系數增加，當稀釋比例再次增加時，與水混合均勻，形成的泡沫達到穩定，氣孔均勻，所以導熱系數降低，當稀釋比例再次增加時，泡沫更加不穩定，導致導熱系數增加；隨聚丙烯纖維摻量增加，泡沫混凝土的導熱系數先增大后減小。纖維對泡沫混凝土的孔結構有一定的改善作用；隨著水灰比增加，導熱系數先降低后增加。當水灰比低時，氣孔含量高，漿體體積小，形成的孔徑比高水灰比的大，導熱系數會受大氣孔中的對流換熱的影響而增加，水灰比大時會蒸發出富余水，形成許多空隙在水泥泡沫混凝土孔壁內，使熱量傳遞的路徑增加，所以阻礙傳熱；隨著泡沫摻量增加，導熱系數先增加后減小，因為泡沫摻量的大量增加導致孔隙率增加，降低導熱速率，從而降低導熱系數。

表4 導熱系數極差分析表

綜上分析，各因素對泡沫混凝土導熱系數的影響大小順序為：D＞C＞A＞B，其中，泡沫摻量為最主要的因素，而纖維用量則不明顯。

3 結論

本文通過正交試驗設計制作了泡沫混凝土，針對水與發泡劑的比例、纖維摻量、水灰比、泡沫摻量等四個因素設置四個水平對其性能進行了研究分析。

得出如下結論：

（1）干密度、導熱系數二者極差敏感性分析的結果基本一致，泡沫摻量和水灰比是主要影響因素，纖維摻量的影響效果并不顯著。

（2）隨著干密度的增加，導熱系數也增加。