粉煤灰、硅灰對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

李 甜

（南通市建筑科學(xué)研究院有限公司,江蘇 南通 226000）

0 引言

水泥泡沫混凝土是一種多孔性墻體保溫材料，內(nèi)部含有大量氣孔，具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、隔音等優(yōu)越性能[1]。當(dāng)前廣泛使用的水泥泡沫混凝土，存在脆性大、強(qiáng)度低、吸水率高、抗凍及抗裂性能差等諸多缺陷[2]。新型墻體保溫材料的發(fā)展方向是研制和發(fā)展一體化建筑保溫材料，不但要求材料具有較小的干密度和良好的保溫性能，同時(shí)還要求具有較高的抗壓、抗拉性能，使得材料具有必要的承重和抗裂防震能力，還要求保溫材料具有良好的與環(huán)境相適應(yīng)的耐水、耐凍等性能。實(shí)踐表明，摻入無機(jī)摻合料是改善水泥泡沫混凝土成型、力學(xué)以及相關(guān)物理性能的重要途徑，開展無機(jī)摻合料改性水泥泡沫混凝土的研究具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用意義。因此，本文將從抗壓強(qiáng)度、混凝土結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面就粉煤灰、硅灰這兩種無機(jī)摻合料對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行分析，以期對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的改性實(shí)踐起到參考作用。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）水泥：泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于水泥性能，不同性能的水泥制備的泡沫混凝土具備不同的穩(wěn)定性。在綜合考慮強(qiáng)度性能、材料成本的基礎(chǔ)上，選擇海螺P·O42.5水泥。

（2）發(fā)泡劑：選用的發(fā)泡劑包括合成類、動(dòng)物蛋白、自制復(fù)合蛋白3種發(fā)泡劑，其中合成類發(fā)泡劑包括AOS、SDS、LAS。

（3）粉煤灰：選用的粉煤灰來源于某電廠，具體成分見表1。

表1 粉煤灰的化學(xué)成分

（4）硅灰：性能指標(biāo)見表2。

表2 硅灰的性能指標(biāo)

1.2 力學(xué)試驗(yàn)方法

制備邊長為10cm的正方體試塊，并測(cè)量試塊的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度取值為3個(gè)試塊抗壓強(qiáng)度的均值。值得注意的是，如果某試塊的抗壓強(qiáng)度值與均值的差值的絕對(duì)值＞均值，則應(yīng)該剔除該試塊，取剩余試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)量值的均值作為試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度。

制備長為16cm、寬與高均為4cm的長方體試塊，并測(cè)量試塊的抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)的抗折強(qiáng)度取值方法同抗壓強(qiáng)度取值方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 粉煤灰對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

粉煤灰這一無機(jī)摻合料憑借“粉煤灰效應(yīng)”，經(jīng)常作為混凝土的改性材料[3-5]，其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響主要有以下幾方面：

（1）粉煤灰的形態(tài)是玻璃微珠，將其加入混凝土后可以起到潤滑混凝土的作用，一方面避免水泥在水化初期形成凝絮影響漿體的流變性，另一方面減少水的加入量，增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度，即粉煤灰的“形態(tài)效應(yīng)”；

（2）SiO2與Al2O3是粉煤灰中的活性成分，可以和水泥中的Ca（OH）2產(chǎn)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，特別是水化硅酸鈣，可以起到增強(qiáng)泡沫混凝土黏結(jié)力與強(qiáng)度的作用，進(jìn)而提高泡沫混凝土的穩(wěn)定性、耐久性，即粉煤灰的“活化效應(yīng)”；

（3）泡沫混凝土是一種多孔水泥混凝土材料，粉煤灰顆粒可以起到泡沫混凝土泡沫細(xì)孔、孔隙的微填料作用，提高水泥機(jī)體的密實(shí)性與強(qiáng)度，即粉煤灰的“微集料效應(yīng)”。

在粉煤灰摻入試驗(yàn)中，用粉煤灰對(duì)水泥進(jìn)行等量替換，對(duì)配合比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果具體見表3。

表3 粉煤灰對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表3可以看出，不管是3d還是28d，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻入比例呈負(fù)相關(guān)。

泡沫混凝土3d抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻入比例的加大而下降，是因?yàn)?d還處于水化前期，粉煤灰只能起到一定的“微集料效應(yīng)”，不能充分發(fā)揮硬化反應(yīng)作用，形成強(qiáng)度高的硬化石結(jié)構(gòu)。而泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度主要取決于水化產(chǎn)物，粉煤灰摻入量的增加就意味著水泥用量的減少，那么通過粉煤灰“活化效應(yīng)”生成的水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣就相應(yīng)減少了，從而導(dǎo)致泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。

泡沫混凝土28d抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻入比例的加大而下降，是因?yàn)樵诜勖夯摇俺砘?yīng)”的影響下，會(huì)導(dǎo)致泡沫混凝土的泡沫分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的不均，即使水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣可以起到增加強(qiáng)度的作用，“微集料效應(yīng)”可以起到增強(qiáng)基體密實(shí)性的作用，但不均的結(jié)構(gòu)也會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的下降，這一點(diǎn)從圖1可以看出。另外，粉煤灰與水泥的水化反應(yīng)相對(duì)水泥的水化反應(yīng)較為滯后，28d時(shí)，經(jīng)過自然養(yǎng)護(hù)，水泥已經(jīng)水化充分，而粉煤灰的活化反應(yīng)才開始明顯顯現(xiàn)。

圖1 粉煤灰對(duì)泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的影響

總之，在自然養(yǎng)護(hù)條件下，摻入粉煤灰并不能實(shí)現(xiàn)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的提升。

2.2 硅灰對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能的影響

硅灰加入到水泥中，可以發(fā)生“火山灰反應(yīng)”與“微填料效應(yīng)”，提高泡沫混凝土基體的密實(shí)性，進(jìn)而提高其抗壓強(qiáng)度，并在水化初期快速和混凝土發(fā)生水化反應(yīng)，提高其早期的抗壓強(qiáng)度。

在硅灰摻入試驗(yàn)中，用硅灰對(duì)水泥進(jìn)行等量替換，對(duì)配合比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果具體見表4。

表4 硅灰對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表4可以看出，不管是3d還是28d，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度與硅灰摻入比例呈負(fù)相關(guān)。

首先，泡沫混凝土的強(qiáng)度主要取決于水泥，同理于粉煤灰的摻入試驗(yàn)，隨著硅灰摻入比例的增加，水泥的用量就會(huì)減少，這會(huì)導(dǎo)致泡沫表面的水泥漿厚度下降，不利于強(qiáng)度的提升；其次，同粉煤灰一樣，硅灰摻入比例過大，也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的“粘稠效應(yīng)”，導(dǎo)致泡沫分布不均，甚至形成水泥團(tuán)塊，導(dǎo)致基體結(jié)構(gòu)的不均，影響基體的抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。

另外，在摻入比例＜5%時(shí)，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度下降并不多，這是因?yàn)樗嘤昧繙p少導(dǎo)致的抗壓強(qiáng)度下降，被硅灰水化初期的快速水化反應(yīng)帶來的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)“調(diào)和”了，所以表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度下降緩慢的現(xiàn)象。

總之，在自然養(yǎng)護(hù)條件下，摻入硅灰也不能實(shí)現(xiàn)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的提升。

3 結(jié)束語

粉煤灰和硅灰等摻合料常被用于水泥泡沫混凝土改性，本文做了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)粉煤灰、硅灰摻加到泡沫混凝土中，會(huì)導(dǎo)致泡沫混凝土結(jié)構(gòu)不均、水化產(chǎn)物減少，不利于泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的提升。由此可見，粉煤灰、硅灰不宜作為泡沫混凝土力學(xué)性能改性的無機(jī)摻合料。