高性能泡沫混凝土性能試驗及應用研究

高 濤，周 鵬，萬云飛

(山東省交通規劃設計院集團有限公司，濟南 250101)

泡沫混凝土是通過向水泥漿料中引入預先用發泡液采取物理方式制備的泡沫后制成的氣泡均勻分布的水泥基多孔材料[1]。與普通混凝土相比，其不摻加粗集料，內部結構中含有大量的氣孔，具有優良的流動性、滲入性、疏水性、粘稠性、可泵送性、環保、輕質、隔熱和現澆等多種特性，已成為建筑節能減排領域的研究熱點。目前泡沫混凝土大部分應用在建筑工程屋面保溫層，常用泡沫混凝土密度為300～1 200 kg/m3，強度通常在1～10 MPa[2-4]。隨著發泡劑由鋁粉類向有機表面活性劑類、再向蛋白質類的發展, 泡沫混凝土的制備技術和質量也相應得到了改進和提高。龔獨明[5]采用摻加鋁粉的方法進行了輕質高強泡沫混凝土研究，制備出強度高達20 MPa的泡沫混凝土。潘志華等[6]采用預制氣泡后混合的方法制備出高性能泡沫混凝土，控制干燥密度1 500 kg/m3, 選擇適當的配合比并添加適量超塑化劑, 結果表明泡沫混凝土的抗壓強度可達28.1 MPa。良好的水工混凝土修復材料要求具有優異流動性、滲入性等工作性能，并與老混凝土粘結良好，目前對于密度大于1 500 kg/m3、28 d抗壓強度大于30 MPa且同時具有優良抗滲等耐久性的高性能泡沫混凝土的研究和應用極少。此外，對泡沫混凝土性能的研究主要集中于力學性能和熱工性能，對干縮、抗滲、抗凍以及抗沖磨等耐久性研究較少，因而需要進一步了解泡沫混凝土的各種性能，拓展其工程應用領域[7-9]。

由于勘測和設計不周、施工缺陷以及自然環境和使用荷載長期作用后的材料腐蝕、老化，大多水工混凝土結構存在不同程度的損傷和缺陷，混凝土結構損毀、混凝土面層開裂、鋼筋混凝土保護層脫落等現象較為普遍[10-11]。基于高性能泡沫混凝土優良的流動性和滲透性，可以滲透至極細小裂縫，達到施工簡便且填充密實的效果。美國將泡沫混凝土作為一種輕質回填材料應用于港口岸墻，可以降低岸墻的垂直方向載荷，減少對岸墻的側向載荷，還可以降低沉降，減少港口岸墻維修費用[12]；德國將泡沫混凝土用于水工混凝土，結果表明該修復材料可以憑借其優質的滲透功能流至每一處縫隙并加以填補，恢復原來的強度，并且方便快捷，可降低50%～75%的修復成本[13]。因此，采用高性能泡沫混凝土修復水工混凝土，不僅方便快捷、成本低廉，還可以有效提高結構的耐久性并延長其使用壽命。

本文采用硅酸鹽水泥、磨細礦粉和粉煤灰，通過預制氣泡后混合的方法制備高性能泡沫混凝土，進行其抗壓、劈裂抗拉強度，“8”字型試件抗拉粘結強度以及干縮、抗滲等耐久性能試驗研究。并與常用的水工修復材料進行經濟技術比較，為其在水工混凝土缺陷修復方面的應用提供依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料及配合比

試驗所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，執行標準GB-175—2007。采用細度模數為2.83的河砂；粉煤灰為Ⅱ級，密度為231 kg/m3，需水量比104%；礦粉為S95級；硅粉比重為2 100 kg/m3，比表面積為18 m2/g。采用聚羧酸高效減水劑；試驗所用發泡劑為以動物蛋白質為主、復配天然植物起泡劑的復合發泡劑，其密度為1.09 g/mL，兌水比例為1：20。

以總的膠凝材料量為1 300 kg/m3、礦粉和粉煤灰復合替代量分別為40%、50%和60%配置泡沫混凝土，其中礦粉與粉煤灰摻加比例為1:3，水膠比為0.20，泡沫摻量為0.35 m3/m3；F4、F5組泡沫體積摻量分別為0.45 m3/m3和0.55 m3/m3(表1)。

表1 高性能泡沫混凝土配合比

1.2 試驗方法

采用預發泡法干法進行試樣配置，首先按照1：20的比例用水將發泡液原液稀釋為試驗用發泡液備用。然后按一定比例稱取水泥、粉煤灰等物料并在攪拌機中依次放入粉煤灰、礦粉和水泥，干混60 s使各物料混合均勻；稱取適宜的聚羧酸減水劑溶解到拌合水中后摻加到物料中，拌和2～3 min使其均勻。加入適量泡沫，攪拌1 min。將拌和物倒入試模，振動密實至漿體均勻，澆注成型后在模具上方覆蓋一層保鮮膜以防初凝前表面水分蒸發過快，然后置于恒溫室中密封養護24 h左右脫模。脫模后試件在標準條件下養護至規定齡期后進行檢測。本文所有試驗依據DL/T 5150—2017《水工混凝土試驗規程》進行，其中抗拉粘結強度采用“8”字型試件。

2 試驗結果及分析

2.1 流動度

各組試件的流動度檢測結果見圖1。從圖中可知，各組試件的流動度在280～296 mm，達到自流平的要求。粉煤灰和礦粉質量取代水泥一定程度上提高了泡沫混凝土的流動度，取代量由40%增加至50%時，試件流動度由284 mm增加到288 mm。主要歸因于礦物摻合料的微填充作用、分散效應和粉煤灰的形貌效應，由于礦物摻合料小于水泥顆粒，在砂漿中可以填充到水泥間的孔隙中，使泡沫混凝土體系的級配更加合理，其中粉煤灰玻璃微珠的滾珠作用對提高泡沫混凝土流動性貢獻最大。隨著泡沫量的增加，漿體流動度呈上升趨勢。當泡沫量從0.45 m3/m3增加到0.55 m3/m3時，漿體流動度從292 mm提高至296 mm。由于新拌漿體具有極好的流動性，泡沫混凝土澆筑時無需機械振動搗實，達到施工簡便且填充密實的效果，特別適合孔洞及狹小裂縫空間修復填充。

圖1 高性能泡沫混凝土流動性

2.2 吸水率

泡沫混凝土試樣吸水率檢測結果見圖2。從圖中可知，對于F1～F3組，隨著礦粉和粉煤灰復合替代量的增加，28 d吸水率有所增加，當替代量從40%(F1)增加到50%(F2)時，28 d吸水率由7.2%增加到8.0%，增加了11.1%。此外，隨著泡沫量的增加，試件的吸水率增大。對F4和F5組，當泡沫量從0.45 m3/m3增加到0.55 m3/m3時，試件的吸水率增加了15.3%。泡沫混凝土內部氣孔多，氣泡態若是連通性的則容易吸水。若氣孔是封閉型的，則吸水率較低。隨著泡沫量的增加，混凝土容易坍塌，導致氣泡容易劈裂，試件里連通口增多，則吸水量大。

圖2 高性能泡沫混凝土吸水率

2.3 抗壓強度

各組試件的7 d、28 d和90 d抗壓強度檢測結果見圖3。由圖可知，各試件的強度增加在28 d前更明顯。隨著礦粉和粉煤灰替代量的增加，各齡期強度稍有降低，如當替代量從40%(F1)增加到50%(F2)時，28 d抗壓強度由38.1 MPa降低至36.2 MPa，降低了4.98%，降低不明顯。但隨著替代量的增加，強度降低明顯，當替代量從40%(F1)增加到60%(F3)時，28 d抗壓強度由38.1 MPa降低到32.4 MPa，降低了14.9%。因此，當礦粉和粉煤灰的替代量為50%時，能獲得更好的綜合效果。

圖3 高性能泡沫混凝土抗壓強度 圖4 高性能泡沫混凝土劈裂抗拉強度

對于F4和F5組，隨著泡沫量的增加，試件各齡期強度下降，當泡沫摻量從0.44 m3/m3增加到0.55 m3/m3時，試件28 d抗壓強度由35.6 MPa降低到32.4 MPa。說明在普通的水泥砂漿中單純地引入大量泡沫，在不采取任何措施的情況下將導致混凝土強度顯著降低。這是由于泡沫量的增加導致泡沫混凝土中的氣泡增加，從而降低密度。同時漿體中形成的閉合氣泡量的增大會導致受壓面內單位面積上凈承壓面積減小，因此抗壓強度也相應降低。

2.4 劈裂抗拉強度

試件的7 d、28 d和90 d劈裂抗拉強度檢測結果見圖4。同樣地，隨著礦粉和粉煤灰替代量的增加，各齡期強度稍有降低，當礦粉和粉煤灰替代量從40%(F1)增加到50%(F2)時，28 d劈裂抗拉強度也由3.78 MPa降低到3.52 MPa。粉煤灰為活性摻合料，其二次水化反應提供了更好的前提條件最終使其有更多的膠凝材料參與水化反應，使其結構更致密，強度也更高[14-15]。在后期，粉煤灰中含有的活性成分能與前期水泥水化的產物Ca(OH)2發生二次水化反應，生成C-S-H凝膠，降低了總的孔隙率，水化產物使其結構越來越致密，強度也逐步提高。此外，隨著泡沫量的增加，混凝土的劈裂抗拉強度也呈下降趨勢。

2.5 粘結強度

圖5為各配合比泡沫混凝土試件“8”字模抗拉粘結強度試驗結果。從圖中可知，相對于不涂粘結劑的試樣，涂丙乳凈漿粘結劑明顯提高了泡沫混凝土的抗拉粘結強度，如F2試樣在以丙乳凈漿為粘結劑時相對于無粘結劑試樣其粘結強度提高了23.8%。但有無粘結劑試件的粘結強度都小于本體抗拉強度。礦物摻合料的加入使拌和物粘度增加，同時降低了修復材料與老混凝土基體的浸潤程度，會導致粘結強度降低，但混凝土配合比中高效減水劑的加入有效降低了需水量，包裹塑料薄膜防止塑性收縮，有益于粘結強度的提高。

圖5 高性能泡沫混凝土粘結強度 圖6 高性能泡沫混凝土抗滲性能

此外，隨著泡沫量的增加，泡沫的總比表面積增大，使得混凝土料漿不能完全包裹每個氣泡形成一層料漿薄膜，而導致兩個或兩個以上氣泡之間相互接觸。相互接觸的氣泡由于大小不等而產生壓力差，促使它們合并形成較大的氣泡，從而在水化過程中形成較大的孔。因此，過大的泡沫量導致試件中孔洞增加，粘結接觸面減少，不利于粘結強度的發展。

2.6 抗滲性能

各試件的抗滲性能結果如圖6所示。從圖中可知，隨著礦粉和粉煤灰復合摻量的增加，試件的抗滲性能有一定程度的降低，如當礦粉和粉煤灰復合摻量為40%時，試件在1.5 MPa下的滲水高度為6.2 mm，摻量增加到50%時，試件的滲水高度增加到7.4 mm，增加了19.3%。

各組泡沫混凝土中，F5組的抗滲性能最差，恒壓1.5 MPa下的滲水高度為10.8 mm。這與其泡沫摻量大有關。泡沫量的增加導致泡沫混凝土中的氣泡增加，增大孔隙率，從而降低試件的密度和密實度。尤其是在孔隙率較高，且容重較低時，過多泡沫的引入將使泡沫逐漸消解合并，孔隙逐漸變大，由于漿體的強度不足，在自身重力作用下對水泥漿體造成扭曲形成一定程度塌模，降低試件強度。

3 工程應用及技術經濟分析

3.1 工程應用

采用泡沫含量為0.35 m3/m3的F2組泡沫混凝土對蟠龍水庫溢洪道開展修復應用。經檢測評估，溢洪道表面破損較多，混凝土脫落、剝蝕現象普遍，混凝土現有強度較低，裂縫分布較廣且寬度均較大。為消除隱患，對其混凝土破損進行修復。具體修復方法為：(1)清理基面。鑿除破損部位松散混凝土至露出堅硬部分，用壓力不小于20 MPa的高壓淡水清除混凝土表面浮灰、松散物和其他不牢附著物。(2)涂刷丙乳凈漿界面劑。準確稱量和配制混凝土丙乳凈漿界面粘結劑，丙乳凈漿配比為丙乳：水泥=1：2.5，用毛刷將其涂刷在干凈的基面，重復操作 2～4 次，確保涂層連續均勻。(3)準確稱量和配制泡沫混凝土，在界面粘接劑未固化前一次或分次澆筑泡沫混凝土，至恢復缺損處斷面或達到規定的保護層厚度。(4)養護。澆注后用噴霧器噴霧養護，保持表面濕潤但不淌水。濕養護7 d后，在自然狀況下干養護28 d。

現場拌合泡沫混凝土后開展抗壓強度、劈裂抗拉強度及粘結強度檢測，1 a后采用高強回彈儀和拉拔儀進行抗壓強度和粘結強度(2個斷面6個數據)檢測，并檢查現場修復區域磨損情況，相關檢測結果見表2。從表中可知，現場拌和的泡沫混凝土力學強度與實驗室制備的相當，說明泡沫混凝土具有良好的工作性能?，F場取樣組數為2個斷面6個數據，檢測結果表明，抗壓設計要求不小于35 MPa，實測40.2～43.2 MPa，與老混凝土粘結強度設計要求不小于2.5 MPa，實測2.8～3.1 MPa，各項強度值均優于設計指標，現場修補部位表面平整、完好、密實，經1 a的沖磨考驗，表面平整且未出現裂縫、沖坑、剝離等現象。

表2 現場試驗檢測結果

3.2 技術經濟分析

依據《內河航運水工建筑給出定額》(JTS/T275-1—2019)，將泡沫混凝土與水工混凝土通常采用的普通混凝土、丙乳砂漿、硅粉砂漿以及纖維修復砂漿進行技術經濟對比。表3為各修復砂漿綜合費用及性能對比。從表中可知，各修復材料之間由于硅粉、高效減水劑、纖維等不同添加劑的摻入，價格相差不大，綜合材料、人工、機械費的綜合單價硅粉砂漿最高為184元/m2，其他依次為纖維高強砂漿、丙乳砂漿、泡沫混凝土和普通混凝土。丙乳砂漿雖然流動性好，但對砂漿力學性能有不良影響。聚丙烯纖維高強砂漿具有良好的抗沖磨性能，但其粘結性能一般，并且由于需要摻入纖維而價格較高。泡沫混凝土具有良好的工作性能和粘結性能，并且由于制備過程中可大量利用工業廢渣等作為摻合料，極大降低泡沫混凝土的生產制備成本。因此，綜合各修復材料的綜合單價和技術性能，泡沫混凝土為較佳的修復材料。

表3 各種修復材料綜合費用及性能對比表

4 結論

(1)利用硅酸鹽水泥、磨細礦粉和粉煤灰，采用預制氣泡后混合的方法制備泡沫混凝土。當水泥的用量為520～778 kg/m3、粉煤灰用量為390～585 kg/m3、礦粉用量為130～195 kg/m3時，制成的泡沫混凝土28 d抗壓強度可達32.4～38.1 MPa，粘結強度達2.32～2.71 MPa，并具有優良的流動性和滲透性能。

(2)對蟠龍水庫溢洪道的修復應用表明，泡沫混凝土施工簡便且填充密實，與老混凝土粘結良好，經1 a的沖磨考驗，表面未出現任何損傷，效果良好，適合于修復水工建筑物裂縫和表面破損等缺陷問題。

(3)高性能泡沫混凝土具有優良的工作性能、力學性能和粘結性能，解決了普通泡沫混凝土高流動性、輕質與高強度、高耐久性之間的矛盾，且制備過程中可大量利用工業廢渣等作為摻合料，為優良的溢洪道等水工建筑物修復材料。