專用礦物摻合料對泡沫混凝土性能的影響研究

夏 彬

(西南水泥有限公司，四川 成都 610000)

0 前 言

泡沫混凝土是指將高壓空氣發泡或高速攪拌制得的預制泡沫加入到水泥凈漿或砂漿中，攪拌均勻制備的輕質材料，因其良好的保溫隔熱性能、抗震、防火、低成本、建筑同壽命等優點，在建筑節能領域作為優良的保溫隔熱材料而被人們所熟知[1-2]。相對于其保溫隔熱特性而言，其輕質、自流平等特性[3-4]，在國內雖然被認識相對較晚，但是近年來在大規模基礎設施建設的推動下，其在道路工程施工中逐步受到重視，據統計，2020年全國泡沫混凝土產量中，回填是泡沫混凝土應用量最大的領域之一[5]。然而，傳統的回填工程所用泡沫混凝土為了實現一次性澆筑高度高、不塌模、早強，其膠凝材料為通用硅酸鹽水泥。雖然泡沫混凝土相對普通混凝土具有輕質特性，原材料所用較少，但是，主要膠凝材料相對于普通混凝土而言，仍較高，一般認為，回填400～600 kg/m3泡沫混凝土，其水泥用量約在300～500 kg/m3[5-6]。然而，水泥用量高，意味著熟料用量高，對于減碳不利，影響“我國2030年前CO2排放達到峰值、2060年前實現碳中和”承諾的實現[7]。尋求低水泥用量、同時性能不損失的泡沫混凝土技術成為當前回填用泡沫混凝土迫切需要解決的問題。超輕化結合氣孔結構優化，可實現低水泥用量，也可減輕氣孔帶來的性能危害，但是仍會導致性能下降[1-2]；新型膠凝材料取代傳統水泥生產的泡沫混凝土耐久性還有待考證；采用常見的礦物摻合料取代水泥可實現水泥用量的降低，但是也易引起性能的顯著下降，尋求能夠大量取代水泥，生產回填用泡沫混凝土的專用礦物摻合料對于泡沫混凝土水泥用量降低、助力“雙碳”目標實現具有現實意義。因此，本文基于回填用泡沫混凝土生產工藝，以專用礦物摻合料取代水泥，制備泡沫混凝土，結合光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射等測試表征手段對泡沫混凝土孔結構及組成進行了表征，同時，測試了泡沫混凝土工作性和硬化性能，旨在探究專用礦物摻合料大量取代水泥，生產低水泥用量的回填用泡沫混凝土的可能性，為泡沫混凝土成本降低和我國“雙碳”目標的實現提供支持。

1 原材料及方法

1.1 原材料

水泥：四川利森建材集團有限公司生產的P·O42.5R水泥；泡沫混凝土專用礦物摻合料：由四川利森建材集團有限公司生產，其主要由高活性固廢與特種外加劑粉磨復合而成。發泡劑：自制。

1.2 制備及實驗方法

預制泡沫制備作為泡沫混凝土制備過程中重要的環節，現階段主要依靠高速攪拌表面活性劑溶液或者高壓氣流攜帶表面活性劑溶液沖刷發泡介質這兩種方式獲取。工程中，大多數采用后者制備預制泡沫，因此，本研究也采用高壓發泡機將自制泡沫劑溶液(泡沫劑∶水=1∶30)制成濕密度為30 kg/m3的預制泡沫，按照配合比(見表1)加入到由水泥和礦物摻合料制備的漿體中，混合均勻，澆筑入模，模具尺寸為100 mm×100 mm×100 mm(抗壓強度)與40 mm×40 mm×160 mm(收縮)內，然后標準養護24 h后，拆模，養護至規定齡期，備測。

回填用泡沫混凝土服役過程中，自身內部水難以遷移到外界環境中，為了模擬實際的工程環境，將拆模后的泡沫混凝土收縮測試試件，用保鮮膜包裹，接縫處用石蠟密封，并置于溫度為(20±2)℃的環境中，參照《水泥膠砂干縮試驗方法》(JC/T 603—2004)測定不同齡期的收縮值。

表1 泡沫混凝土配合比 單位：kg/m3

將養護至規定齡期的泡沫混凝土抗壓強度、干密度試塊取出，依據《泡沫混凝土》(JG/T 266—2011)測定抗壓強度及干密度。泡沫混凝土所用的水泥凈漿流動度按照《混凝土外加劑均質性試驗方法》(GB/T 8077—2000)測定，泡沫混凝土漿體流動度參考《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T 2419—2005)測試，因泡沫混凝土流動性較好，測試時不使用調桌。

將養護至一定齡期的泡沫混凝土試樣從中間剖開，用砂紙打磨，置于工業體式顯微鏡下獲取氣孔結構圖片。XRD、SEM：將規定齡期的泡沫混凝土在60℃干燥至恒重，分別用于獲取XRD圖譜(日本理學電機公司D/Max ⅢA型X射線衍射儀，Cu靶)及SEM(日立TM-1000)。

2 結果與討論

2.1 專用礦物摻合料對流動性的影響

回填用泡沫混凝土必須具備良好的流動性，而泡沫混凝土料漿流動性受到所用水泥漿體流動性影響，因此，本研究首先采用專用礦物摻合料取代了水泥，在水膠比為0.5的情況下，制備了水泥凈漿，測定了流動度，如圖1所示。當水泥的取代量從0增加到50%時，水泥凈漿流動度從135 mm增加至285 mm，同時，當專用礦物摻合料取代水泥的量增加，水泥凈漿流動度增幅逐步減小，但最終增幅達到111.1%。水泥凈漿流動度的增加主要歸結于：水泥用量減少，早期水泥水化產生大量的納米級水化產物減少，固相的比表面積較低，存在更多的水潤滑固相顆粒所致；另外，專用礦物摻合料中存在部分球形顆粒，存在一定的“滾珠”效應；此外，專用礦物摻合料中還復合極少量的減水劑，能打開水泥顆粒形成的絮狀體，釋放自由水，故水泥漿體流動度增大。

圖1 礦物摻合料對泡沫混凝土用水泥凈漿流動度的影響

通常情況下，水泥漿體流動性差，黏度較大，泡沫在與水泥漿體混合過程中，水泥漿體中固相直接與泡沫相互摩擦，易導致泡沫破損，致使泡沫混凝土密度難以達到設計要求，并且，泡沫混凝土體系中水分還會顯著增加，對力學性能的提升不利。然而，本研究中水泥漿體的流動性的增大，可減少混泡過程中泡沫破損的同時，還因足夠的自由水還能保證泡沫混凝土料漿一定的流動度，如圖2所示。當泡沫混凝土中礦物摻合料摻量從0增加至50%，泡沫混凝土料漿流動度從200 mm增加至250 mm，流動性改善明顯，流動度增加幅度達到25%；受到水泥凈漿流動度隨專用礦物摻合料摻量增加而增大幅度的影響，泡沫混凝土料漿的流動度增加幅度在礦物摻合料摻量超過30%后，流動度增加幅度有所減緩，但是流動度仍然較大，泡沫混凝土料漿流動性較好。得益于水泥漿體流動度的積極影響，采用高流動度水泥漿體制備的泡沫混凝土，其料漿流動性也較好。與此同時，水泥漿體良好的流動性意味著水泥漿體黏度有所下降，對泡沫的破損預防有積極意義，此時意味著泡沫在水泥漿體中較小，正因如此，細小的泡沫在水泥漿體內部存在，確因自身較大的比表面積，需要更多的自由水潤滑，來保證泡沫混凝土料漿流動，然而，體系自由水是一定的，因此，因水泥漿體過好的流動性導致的細小泡沫對于泡沫混凝土料漿流動性不利，這也導致泡沫混凝土料漿流動度增加幅度隨專用礦物摻合料摻量增加而不及水泥漿體流動度增加幅度大。

圖2 礦物摻合料對泡沫混凝土流動度的影響

2.2 專用礦物摻合料對氣孔結構及抗壓強度的影響

不同專用礦物摻合料摻量情況下，制備的泡沫混凝土氣孔結構如圖3所示。專用礦物摻合料從0增加至50%，泡沫混凝土氣孔結構變化明顯，經歷了顯著改善和劣化階段。當摻量不高于20%時，泡沫混凝土氣孔隨摻合料摻量增加，變小明顯，并且趨于均勻；當摻量超過20%時，氣孔有所增大，并且可以看出連通孔數量和連通的孔喉顯著增大，這對強度增加不利。造成該現象的原因主要是：當礦物摻合料取代水泥量增加，水泥料漿流動性變好，制備泡沫混凝土過程中，泡沫不易變大，硬化后得到的氣孔較小；但是，專用礦物摻合料取代水泥的量持續增大，這導致水泥料漿凝結時間變長，水化產物相互搭接，形成絮凝結構變慢，泡沫裂化時間變長，氣孔變大，并且因泡沫在水泥漿體中劣化時間變長，由泌水等原因導致的氣孔連通程度增加，連通孔數量升高和孔喉變大。

圖3 不同礦物摻合料摻量下，泡沫混凝土氣孔結構

不同專用礦物摻合料摻量下，泡沫混凝土抗壓強度會發生顯著變化，如圖4所示，當鈦礦渣摻量從0增加至50%，泡沫混凝土干密度集中在400 kg/m3，泡沫混凝土7 d及28 d抗壓強度先增加后減小，當礦物摻合料取代水泥量為20%時，泡沫混凝土7 d及28 d抗壓強度增加12.5%與3.5%，達到最大，分別為0.9 MPa與1.5 MPa，此時干密度為390 kg/m3；繼續增加礦物摻合料取代水泥用量至50%時，泡沫混凝土力學強度顯著下降，7 d及28 d泡沫混凝土的抗壓強度降低為0.4、0.7 MPa，但是仍然滿足《水泥基回填材料》(JC/T 2468-2018)要求。泡沫混凝土在20%以內的礦物摻合料取代水泥時，7 d及28 d力學強度有所增加主要歸結于泡沫混凝土氣孔結構隨礦物摻合料用量的增大而有所改善，但是繼續地取代水泥，對氣孔結構不利，氣孔連通程度顯著增強，氣孔劣化現象加劇，對力學強度及其不利，因此，礦物摻合料取代水泥用量超過20%，泡沫混凝土力學性能劣化明顯。

圖4 礦物摻合料摻量對泡沫混凝土抗壓強度及干密度的影響

2.3 專用礦物摻合料對收縮的影響

模擬泡沫混凝土在回填時的收縮，如圖5所示，泡沫混凝土收縮集中在14 d以內，超過14 d后，收縮增加不明顯；當礦物摻合料取代水泥量超過20%時，泡沫混凝土出現一定的微膨現象，膨脹主要集中在3 d內；當礦物摻合料取代水泥用量增加時，相同齡期的情況下，泡沫混凝土收縮明顯得到控制。當礦物摻合料取代水泥從0增加至20%，泡沫混凝土28 d收縮值從0.267 mm/m降低至0.110 mm/m，降低58.8%，繼續增加摻量，出現微膨脹現象，當取代量達到50%，泡沫混凝土膨脹率為0.100 mm/m。泡沫混凝土收縮減少最后出現微膨脹的現象主要歸結于專用礦物摻合料中復合了氧化鈣、硫鋁酸鹽雙膨脹源膨脹劑，其參與水化，特別是生成鈣礬石能夠持續保證泡沫混凝土不收縮。泡沫混凝土收縮集中在14 d內，主要是因為泡沫混凝土的收縮源頭為水泥漿體，一般認為水泥漿體14 d后，強度發揮逐漸趨于平穩，水化集中在早期，而水化會導致化學收縮，故泡沫混凝土收縮主要集中在14 d內；對于泡沫混凝土膨脹現象而言，因為膨脹組分參與水化生成的鈣礬石和氫氧化鈣在水化幾分鐘內就能大量的生成，故膨脹在早期就能發生，并且因為鈣礬石的存在，膨脹效應能夠得到保持。

圖5 礦物摻合料對泡沫混凝土自收縮的影響

2.4 泡沫混凝土微觀結構

如圖6，泡沫混凝土養護28 d后，主要的水化產物有鈣礬石(AFt)，未反應完全的水泥熟料顆粒以及氫氧化鈣，相對于摻加專用摻合料的泡沫混凝土而言，不參加摻合料的泡沫混凝土氫氧化鈣峰更強，結晶程度更高，鈣礬石則結晶程度更低。氫氧化鈣的峰值在摻加礦物摻合料后，峰強有所下降，主要是因為礦物摻合料的火山灰效應導致部分氫氧化鈣逐步被消耗，被參與反應，結晶程度受到影響，導致峰強有所下降；因為，專用礦物摻合料中膨脹組分的存在，水化28 d的泡沫混凝土AFt的峰強更高，這也證實了膨脹效應能夠保持的原因。圖7展示了水化28 d后的泡沫混凝土孔間固相掃描電鏡圖片，不難發現，兩者均可見氫氧化鈣晶體，這與XRD結果一致，同時相對于未參加摻合料的泡沫混凝土，摻加摻合料后，固相密實程度提升明顯，大的毛細孔和裂縫消失，這也說明摻加摻合料后對泡沫混凝土力學性能提升有利。

圖6 水化28 d，泡沫混凝土水化產物XRD圖譜

圖7 水化28 d，泡沫混凝土孔間固相微觀結構

3 結 論

1)礦物摻合料摻量增加，水泥料漿流動性變好，泡沫混凝土流動性得到改善，當摻量不超過20%時，氣孔得到改善，持續增加取代水泥的量，泡沫混凝土氣孔變大。

2)礦物摻合料摻量從0增加至50%，7 d及28 d抗壓強度先增加后減小，當摻合料取代20%的水泥，7 d及28 d抗壓強度達到最大，分別為0.9 MPa與1.5 MPa，干密度為390 kg/m3。

3)摻合料摻入有利于改善泡沫混凝土收縮，當摻量增加，泡沫混凝土收縮先降低后泡沫混凝土出現膨脹。

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