摻合料及發(fā)泡劑種類對(duì)承重泡沫混凝土性能的影響研究

沈陽(yáng)，杜貴正，陳翔飛，馮興國(guó)，曾誠(chéng)，張海波，邱磊

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州311122；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京210098）

0 引言

近年來(lái)，隨著綠色建筑和節(jié)能建筑的推廣應(yīng)用，對(duì)承重泡沫混凝土的需求日益增加。承重泡沫混凝土具有隔熱保溫、抗水減震的功能，作為承重墻體的砌筑材料可取代傳統(tǒng)黏土磚，節(jié)約了大量黏土及礦山資源，保護(hù)了自然環(huán)境[1]。與傳統(tǒng)混凝土相比，承重泡沫混凝土密度較低，能大大降低結(jié)構(gòu)物自重，進(jìn)而減少地基沉降。同時(shí)與普通泡沫混凝土相比，承重泡沫混凝土有足夠的強(qiáng)度，滿足結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性和各種建筑功能需求[2]。

學(xué)者們對(duì)泡沫混凝土的配合比[3-6]、原料配比[7-8]、孔隙結(jié)構(gòu)[9-10]、隔熱性能[11]等進(jìn)行了廣泛研究。總體而言，泡沫混凝土強(qiáng)度不足和吸水率偏高是阻礙其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，尤其是部分泡沫混凝土砌塊構(gòu)筑的墻體因強(qiáng)度不足導(dǎo)致后續(xù)裝修時(shí)空調(diào)等家電懸掛困難。因此，研發(fā)強(qiáng)度更高且具有一定承重性能的泡沫混凝土具有廣泛應(yīng)用前景。目前，承重泡沫混凝土的發(fā)泡劑仍有待進(jìn)一步研究，料漿中氣泡失穩(wěn)導(dǎo)致其凝結(jié)硬化后基體氣孔分布不均，制約著泡沫混凝土強(qiáng)度的提高[12]。針對(duì)該問(wèn)題，本文研究了摻合料和發(fā)泡劑對(duì)承重泡沫混凝土性能的影響，結(jié)果為研發(fā)承重泡沫混凝土提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：海螺牌，P·O42.5；摻合料：（1）磚粉，使用顎式破碎機(jī)破碎廢棄磚塊得到，直徑為0.1～1.0 mm；（2）粉煤灰，來(lái)自電廠，Ⅰ級(jí)；試驗(yàn)所用的磚粉和粉煤灰如圖1所示；發(fā)泡劑：十二烷基硫酸鈉發(fā)泡劑（SDS）和動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑；穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣粉末。

圖1 摻合料照片

1.2 試驗(yàn)方法

按照表1所示的配合比配制泡沫混凝土，其中發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑按照膠凝材料的質(zhì)量百分比進(jìn)行添加。按照設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行泡沫混凝土拌制，將拌和后的漿體材料澆注到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，用保鮮膜覆蓋養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，然后放進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在養(yǎng)護(hù)14 d和28 d后用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度，并用掃描電鏡觀察泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物。

表1 泡沫混凝土的配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 摻合料對(duì)承重泡沫混凝土強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)研究了不同摻量磚粉和粉煤灰對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度和密度的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 不同摻合料制備承重泡沫混凝土的密度

由表2可以發(fā)現(xiàn)：（1）隨著磚粉摻量增加，泡沫混凝土的密度有所提高，但抗壓強(qiáng)度卻明顯降低；（2）隨著粉煤灰摻量的增大泡沫混凝土的密度也有所提高，其抗壓強(qiáng)度也有較大程度提高，尤其是B2組28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了5.52 MPa；（3）在相同低摻量時(shí)（20%），磚粉泡沫混凝土的強(qiáng)度高于粉煤灰泡沫混凝土，而高摻量時(shí)（40%），粉煤灰泡沫混凝土的強(qiáng)度更高。結(jié)合表1的配合比可知，在提高粉煤灰摻量時(shí)適當(dāng)降低水泥用量還可提高承重泡沫混凝土強(qiáng)度。因此，綜合經(jīng)濟(jì)性分析可知，粉煤灰比磚粉更適于制備承重泡沫混凝土。

2.2 發(fā)泡劑對(duì)承重泡沫混凝土性能的影響

試驗(yàn)研究了十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑和動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和密度的影響，如表3所示。

表3 不同發(fā)泡劑對(duì)承重泡沫混凝土性能的影響

由表3可見(jiàn)，使用動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的A3組試樣抗壓強(qiáng)度明顯低于使用十二烷基硫酸鈉（SDS）化學(xué)發(fā)泡劑的A1組試樣；用動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的泡沫混凝土在密度更大的條件下，其抗壓強(qiáng)度僅為使用十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡的泡沫混凝土的1/2左右。對(duì)于粉煤灰泡沫混凝土而言，使用動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的B3組試樣密度有所增加，但其抗壓強(qiáng)度幾乎是使用十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑的B1組試樣抗壓強(qiáng)度的4倍，最大強(qiáng)度可達(dá)10.91 MPa。因此，使用磚粉作摻合料的泡沫混凝土宜采用十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑；而使用粉煤灰作摻合料的泡沫混凝土宜采用動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑。按照m（水泥）∶m（粉煤灰）=4∶1，摻加2%動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的B3組泡沫混凝土密度為1230 kg/m3，28 d抗壓強(qiáng)度超過(guò)10 MPa，具有良好的綜合性能，可用于生產(chǎn)承重泡沫混凝土。

2.3 承重泡沫混凝土的微觀結(jié)構(gòu)分析

在養(yǎng)護(hù)28 d后對(duì)不同摻合料摻量、不同種類發(fā)泡劑制備的泡沫混凝土進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 采用磚粉作為摻合料的泡沫混凝土掃描電鏡照片

圖3 采用粉煤灰作為摻合料的泡沫混凝土掃描電鏡照片

由圖2可見(jiàn)，隨著磚粉摻量的增加（A1和A2），板狀、棒狀的鈣礬石等水化產(chǎn)物量明顯減少，加上磚粉與水泥之間難以發(fā)生水化反應(yīng)，因此，磚粉顆粒與水化產(chǎn)物之間的連接并不緊密。在采用動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的磚粉泡沫混凝土中（A3），相對(duì)于化學(xué)發(fā)泡劑的A1試樣其水化產(chǎn)物分布不均勻，因而其抗壓強(qiáng)度低于A1試樣。

由圖3可見(jiàn)，在采用粉煤灰作為摻合料的泡沫混凝土中，隨著粉煤灰摻量的增加（B1和B2）水化產(chǎn)物的含量明顯增加，如表2所示，B2試樣的抗壓強(qiáng)度明顯高于B1，這與粉煤灰顆粒與水泥水化產(chǎn)物進(jìn)一步發(fā)生膠凝反應(yīng)有關(guān)[1]。在采用動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的泡沫混凝土中（B3），水化產(chǎn)物緊密包裹在粉煤灰顆粒周圍，因此相對(duì)于采用十二烷基硫酸鈉發(fā)泡的B1組泡沫混凝土試樣，其抗壓強(qiáng)度顯著提高。

除水化產(chǎn)物外，氣孔結(jié)構(gòu)也對(duì)泡沫混凝土性能具有重要影響，為對(duì)比十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑和動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑對(duì)泡沫混凝土中氣孔結(jié)構(gòu)的影響，觀察了2種發(fā)泡劑所制備粉煤灰泡沫混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 粉煤灰泡沫混凝土中B1、B3組試樣氣孔形態(tài)

由圖4可以看出，采用十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑的B1組試樣其氣孔孔徑分布不均，泡沫混凝土中有大量孔徑在10 μm左右的氣孔和少量約150 μm的超大孔隙；而采用動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的B3組試樣其氣孔孔徑則更加均勻，孔隙集中分布在50～100 μm，因而其宏觀上體現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度提高的特性。因此，在制備粉煤灰承重泡沫混凝土?xí)r，采用動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑更為適宜。

3 結(jié) 論

（1）隨著磚粉和粉煤灰摻量的增加，承重泡沫混凝土的密度都有所提高，但磚粉泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低，而粉煤灰泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯升高。在相同的低摻量（20%）時(shí)磚粉泡沫混凝土的強(qiáng)度高于粉煤灰泡沫混凝土，但高摻量（40%）時(shí)粉煤灰泡沫混凝土的強(qiáng)度更高。總體而言，粉煤灰更適宜作為摻合料用于承重泡沫混凝土的生產(chǎn)，可減少水泥用量，從而降低成本。

（2）十二烷基硫酸鈉適宜用于磚粉泡沫混凝土的發(fā)泡，動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑適宜用于粉煤灰泡沫混凝土的發(fā)泡；在粉煤灰承重泡沫混凝土中，動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的氣孔比十二烷基硫酸鈉發(fā)泡劑的氣孔更加均勻。

（3）按照m（水泥）∶m（粉煤灰）=4∶1，采用2%動(dòng)物蛋白發(fā)泡劑的泡沫混凝土密度為1230 kg/m3，28 d抗壓強(qiáng)度為10.91 MPa，具有較為適宜的強(qiáng)度和密度。