粉煤灰泡沫混凝土抗凍性能研究

金明山，宋 楊，彭 飛，孫劍飛，丁 琳

(1.黑龍江農墾現代農業工程設計有限公司，哈爾濱 150090；2.黑龍江大學 建筑工程學院，哈爾濱 150080)

0 引 言

泡沫混凝土自重為普通素混凝土的一半左右，由于在性能上的突破和發展，國內外的許多研究學者都很重視其在土木領域的應用。泡沫混凝土具有廢物利用、節能環保、價格低的特點，在泡沫混凝土的內部，因存在大量氣泡形成多孔的結構而與眾不同，泡沫混凝土在具有保溫性好，隔音效果好，防腐防潮等的同時，也有一些弊端和不足，如強度較低、容易開裂、易吸水等。因此，改善泡沫混凝土的性能，還需在摻入料、發泡劑、配合比、工藝流程等方面做更進一步的研討[1-3]。寒區泡沫混凝土抗凍性能等方面研究成為熱點。

一般混凝土在工程上的使用，都會摻入一些礦物料來改善性能上的缺陷。如加入粉煤灰可以改善混凝土自身存在的一些弊端，保證混凝土的質量，提高抗凍性，還可以節約材料，減少水泥的使用[4-6]。加入各種摻合料后，混凝土的許多特殊性能得到很大改進。但建筑物在施工使用中的溫度等外界因素不可控制，外界環境溫度不穩定(過高或過低)，會使混凝土的強度受到大幅度的折減，降低使用率。在冬季，溫度多在0℃以下，遭受凍融循環的次數較多，這些都對混凝土強度損失產生較大的影響。因此，對于材料在溫度變化下的性能研究非常有必要，通過研究發現抵抗溫度變化的最佳配合比及凍融循環對泡沫混凝土產生的影響。

1 試 驗

1.1 試驗原料

試驗采用天鵝牌42.5級普通硅酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰(研磨一級)、母料、纖維(摻入1%左右)、過氧化氫(發泡劑)、減水劑、自來水等。

1.2 試驗設備

試驗所用的主要設備見表1。

表1 試驗所用主要設備

1.3 試驗配合比

1-6號研究試塊的配合比見表2。

表2 研究試塊的配合比

1.4 試塊的制作及其養護

依據試驗規范，首先選擇試塊的形狀和尺寸。試塊尺寸有兩種，分別是150 mm×150 mm×150 mm的正方體和100 mm×100 mm×400 mm的長方體。模具在使用前，周圍要放置一層保鮮膜，有助于后期的脫模。攪拌時先加入粉煤灰、水泥、硅粉、纖維開始攪拌，由于小型的攪拌機由人為控制，所以攪拌要控制其力度與時間。隨后加入水和減水劑，攪拌一段時間后再加入母料和過氧化氫。攪拌至均勻發泡后，把桶內攪拌好的泡沫混凝土倒入事先準備好的模具中，保證試驗的準確性。為了避免空氣等外界因素對試塊的影響，在倒入泡沫混凝土后的模具上覆蓋一層保鮮膜來隔絕氧氣，避免受潮氧化等反應的發生；待試塊稍微成型有些強度后脫模，脫模后的試塊放入保溫室內進行標準養護，養護溫度為20℃，濕度為98%，見圖1。

圖1 泡沫混凝土試塊

1.5 試驗設計

本文主要研究泡沫混凝土在凍融循環作用下其抗凍性能變化規律，即隨著溫度變化的次數發生改變，測定當泡沫混凝土的強度破壞消失時的凍融循環次數，次數越多說明經受凍融循環能力越強，即耐溫度變化能力越強。通過對上述準備的不同粉煤灰摻量的試塊進行試驗，可以得到不同粉煤灰摻量下強度破壞時的凍融循環次數，從而找到抗凍性能最好的粉煤灰摻量[7]。

圖2 養護期的試塊

2 試驗分析

2.1 抗壓強度試驗

粉煤灰泡沫混凝土標準養護3、7、14和28 d，分別對不同養護時間粉煤灰泡沫混凝土進行抗壓強度試驗，得到不同粉煤灰含量和不同養護時間的抗壓強度，見表3。

表3 抗壓強度試驗數據 /MPa

從表3可以看出,摻入粉煤灰后，泡沫混凝土的強度都會隨粉煤灰的摻量增加有所降低；粉煤灰泡沫混凝土的早期強度較低，隨著養護時間的增加，粉煤灰泡沫混凝土的強度增加幅度大，養護28 d單軸抗壓強度達到最大。

2.1.1 強度受粉煤灰摻量的影響

見圖3。

圖3 粉煤灰摻量變化與泡沫混凝土單軸抗壓強度的關系

為了分析粉煤灰摻量變化與泡沫混凝土單軸抗壓強度的關系，圖3給出了粉煤灰摻量分別為0%、10%、15%、20、25%、30%、35%、40%和45%時，齡期為3、7、14和28 d粉煤灰泡沫混凝土單軸抗壓強度。由圖3可知，不同齡期粉煤灰泡沫混凝土單軸抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加都呈不同程度的下降趨勢，并且摻入量越大，強度降低越多。在3 d齡期粉煤灰摻量對其抗壓強度遞減最小；養護14、28 d時，煤灰摻量對其抗壓強度降低速率大。在養護天數較短、強度還未完全形成時，粉煤灰摻量對強度影響不大；而隨著養護時間的增加，粉煤灰泡沫混凝土已經具有較高強度，特別是粉煤灰對強度影響較大，不摻粉煤灰的泡沫混凝土強度與粉煤灰摻入量最大的泡沫混凝土強度差別最大。由此得出，粉煤灰摻入量為0時，此時測出的泡沫混凝土強度為5.9 MPa，強度為最大值；摻入粉煤灰，強度逐漸減小，而且摻入越多，減小越多；減小程度與養護天數有關，養護時間越長，強度變化越明顯。

2.1.2 粉煤灰泡沫混凝土強度與養護時間及粉煤灰摻量的關系

探究養護齡期及粉煤灰摻量對泡沫混凝土強度的影響，不同齡期、不同摻量粉煤灰與其抗壓強度變化見圖4。

圖4 粉煤灰泡沫混凝土強度與養護時間及粉煤灰摻量的關系

從圖4中可以看出，強度隨養護時間的變化規律。不管粉煤灰摻量是多少，泡沫混凝土強度都會隨養護時間的增加而呈現增強趨勢。通過對比每一組柱狀圖變化可以得出，強度在前期變化大，后期變化小，即前期更大程度決定了泡沫混凝土的強度，后期強度也有增加，但較前期小。

2.2 凍融循環試驗后的強度損失

本文主要研究的是泡沫混凝土受到不同凍融循環次數時，其強度的變化規律。采用的試驗路線是將不同摻量的粉煤灰分別進行凍融循環試驗，測定當強度破壞時凍融循環次數，從而得到冬季施工情況下的泡沫混凝土的最佳粉煤灰摻量。凍融循環試驗見表4。

表4 凍融循環試驗數據

由表4可以發現，對于不同摻量粉煤灰的泡沫混凝土強度被破壞消失時，可以承受的凍融循環次數各不相同。而且并不是呈現簡單的遞增或增減關系，而是呈折線關系，并有峰值的出現。

折線圖可以將這種帶有峰值的變化關系反映的更明顯。從圖5中可以看出，一開始直線有上升趨勢，但并不是一直上升，而是上升至一定程度時，凍融循環次數出現最大值，然后直線又呈下降趨勢，而且上升時與下降時的變化坡度大致相同，呈對稱關系。所以可得出結論：粉煤灰摻量為15%的泡沫混凝土強度破壞時的凍融循環次數最多，即粉煤灰摻入量約為15%的泡沫混凝土，其抗凍融循環能力最強，抵抗溫度變化的能力最好。

圖5 粉煤灰摻量與抗凍性能的關系

3 結 語

1)溫度變化對粉煤灰泡沫混凝土的強度有不同程度的影響。在外界環境適宜的條件下，當粉煤灰摻量為零時，測出的泡沫混凝土強度最高。

2)冬季溫度低，凍融循環次數較多。針對不同粉煤灰摻量的泡沫混凝土，養護后用凍融循環試驗機分別進行了凍融循環試驗，結果表明當粉煤灰摻量為15%時的泡沫混凝土抗凍融循環能力最強。

3)比較摻入粉煤灰的試塊，不摻粉煤灰的素泡沫混凝土測得的強度位于線段頂點(最大)。但考慮到冬季氣候特點，凍融循環次數較多，粉煤灰摻入量為15%的泡沫混凝土較其他粉煤灰摻入量(10%、20%、25%、30%等)的泡沫混凝土強度更高，且抗凍融循環次數較多。