機制砂泡沫混凝土輕質砌塊配合比研究

孔祥武　趙紅星　信明喜　高巍

摘要：為降低公路用預制砌塊的重量，文章對機制砂泡沫混凝土配合比進行了研究，分析機制砂用量、粉煤灰用量、機制砂石粉含量、不同密度等級粉煤灰與機制砂復摻對泡沫混凝土性能的影響。結果表明，當粉煤灰/水泥質量比為0.5，砂膠比為2.0，石粉含量＜12%，密度為1 500 kg/m3時，可制備出流動性高、輕質高強高耐水且具有經濟性的泡沫混凝土砌塊。優化后的泡沫混凝土輕質砌塊密度為1 500 kg/m3，28 d抗壓強度＞10 MPa，劈裂抗拉強度＞1.5 MPa，在滿足使用要求的同時還降低了成本和工人勞動強度。

關鍵詞：輕質砌塊；泡沫混凝土；機制砂；石粉；密度

0引言

早期的公路路基邊溝、邊坡截排水溝和防護骨架多采用漿砌片石或現澆混凝土施工。漿砌片石砌筑對工人水平要求高，砌筑質量難以保證；現澆混凝土在邊坡上模板的安裝難度大，綜合效率低。隨著公路小型構件工廠化、標準化生產，逐漸采用標準的混凝土預制塊作為砌筑材料。普通混凝土預制砌塊的重量大，不便于搬運和砌筑，相應降低了生產效率。

林志平等［1］開展了公路用小型預制構件輕質化配合比優化試驗，研究了陶粒摻量、膠粉用量、纖維用量、引氣劑用量對輕質混凝土的影響，其試塊的28 d軸心抗壓強度試塊強度均＞22 MPa。解衛江等［2］以循環流化床（CFB）灰渣作為細集料，CFB飛灰作為礦物摻合料設計配制混凝土，并制備了輕質早強混凝土小型預制構件；研究了爐渣砂率與飛灰摻量對混凝土密度、力學性能的影響；研究了碎石CFB灰渣混凝土的體積穩定性、抗凍性等耐久性能，其試塊的28 d軸心抗壓強度＞40 MPa。鄒志寧等［3］配制出了密度為2 000 kg/m3、抗壓強度為41 MPa的輕質高強泡沫混凝土，用于輕質裝配式邊坡支護結構。以上輕質構件研究結構均取得了較高的抗壓強度，但密度均＞2 000 kg/m3，重量仍偏大不易人工搬運，綜合成本相對也高于普通混凝土預制構件。

泡沫混凝土密度范圍可調，強度也滿足小型砌塊要求。目前，在環保和降低造價的要求下機制砂已廣泛用于普通混凝土的生產，但將機制砂用于制備泡沫混凝土還未見相關研究。因此，本文對用于輕質砌塊的機制砂泡沫混凝土配合比進行了研究，探索機制砂用量、粉煤灰用量、機制砂石粉含量以及不同密度等級粉煤灰與機制砂復摻對泡沫混凝土性能的影響，以期獲得強度滿足設計要求且性價比高的機制砂泡沫混凝土輕質砌塊。

1 設計要求

根據設計要求，泡沫混凝土輕質砌塊成品表觀密度≤1 500 kg/m3，劈拉強度≥1.5 MPa，28 d抗壓強度≥10.0 MPa，吸水率≤8%，軟化系數≥0.5。以密度和強度指標為基礎進行泡沫混凝土的配合比及優化設計［4］，控制初始流動度為160～200 mm，入模漿料的濕密度范圍控制在1 450～1 550 kg/m3。

2 原材料

水泥：P·O42.5水泥，比表面積為350 m2/kg，標準稠度用水量為26.8%。

粉煤灰：F類Ⅱ級粉煤灰，細度為8.6%，需水量為93%，燒失量為1.61%。

礦渣粉：S95礦粉，其比表面積為426 m2/kg，流動度比為101%，28 d活性指數為97%。

細骨料：機制砂，細度模數為2.6～2.8，表觀密度為2 650 kg/m3，石粉含量為6%～12%，亞甲藍為0.8。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率≥25%，固含量為20%。

發泡劑：增強型發泡劑，稀釋倍率為80倍，發泡倍率為20倍，氣泡群密度為50 kg/m3。

3 試件制備與測試方法

3.1 試件制備

按配合比稱取機制砂細骨料、水泥、粉煤灰和礦渣粉，將其倒入攪拌鍋內攪拌2 min，然后加入拌和水和減水劑，直至漿料拌和均勻。將發泡劑稀釋后通過發泡機制備出泡沫群，按配合比計量體積加入漿料中攪拌3 min，攪拌均勻后倒入模具中，漿液稍高出試模表面1～2 cm，表面覆蓋塑料薄膜，靜置24 h后，將高出試模部分用鋸條切割打磨平整。脫模后存放在溫度為20±2 ℃、相對濕度＞95％的標準養護室中養護28 d。

3.2 測試方法

漿料的濕密度、吸水率和抗壓強度依據我國行業標準《泡沫混凝土》（JG-T-266）測定，軟化系數的測定方法依據《建筑保溫砂漿》（GB/T 20473-2006）測定，試件尺寸均為為100mm×100mm×100mm的立方體。

劈拉強度的測定方法依據《普通混凝土力學性能試驗方法實用標準》（GB/T 50081-2002），流動度的測定方法依據《泡沫混凝土應用技術規程》（JGJ/T 341-2014）。

4 試驗結果與分析

4.1 粉煤灰/水泥質量比的影響

粉煤灰為常用泡沫混凝土摻合料，參考早期學者的研究成果［4］，試驗摻入粉煤灰/水泥質量比分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0進行正交分析，測試粉煤灰摻量對泡沫混凝土性能的影響，配合摻量比見表1，基準組不摻粉煤灰及機制砂細骨料，設計水膠比為0.35，聚羧酸減水劑用量為0.4%，設計濕密度為1 510 kg/m3。

粉煤灰對泡沫混凝土性能的影響如圖1所示，當粉煤灰與水泥的質量比為0.5時，即粉煤灰摻量為膠凝材料摻量的33.3%時，泡沫混凝土流動度和濕密度達到最高值，分別為239 mm、1 503 kg/m3。在水膠比及減水劑用量一定的條件下，隨著粉煤灰摻量的提高，泡沫混凝土的流動度與濕密度先增大后減小。粉煤灰球形顆粒填充在水泥與水泥顆粒之間，具有一定的物理減水作用，增大了膠凝材料漿體的體積，使拌和物流動度增加。同時氣泡群密度一定時，隨著膠凝材料體系中粉煤灰用量超過水泥用量，粉煤灰之間的分散效果降低，流動性降低，密度也隨著降低。

在水膠比及減水劑用量一定的條件下［5］，隨著粉煤灰摻量的增加，抗壓強度和劈裂抗拉強度呈先增大后減小的趨勢。其原因是粉煤灰填充在水泥與水泥顆粒之間，與水泥水化產物氫氧化鈣發生了二次水化，增加了水化硅酸鈣的含量，導致強度提升。當粉煤灰摻量超過水泥后，填充在水泥顆粒之間的粉煤灰變多，密度下降，強度也隨之降低。摻加粉煤灰的泡沫混凝土配比軟化系數均高于未摻加粉煤灰的泡沫混凝土，且所有摻加粉煤灰的泡沫混凝土配比吸水率均低于不摻加粉煤灰的配比。這表明，摻入一定量的粉煤灰有利于改善泡沫混凝土微結構，對泡沫混凝土的各項性能都有有益作用，但其摻量不宜過大。

4.2 砂膠比的影響

選取機制砂/水泥質量比分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0進行正交分析，研究機制砂摻量對泡沫混凝土性能的影響，配合比如表2所示。基準組不摻粉煤灰及機制砂細骨料，設計水膠比為0.35，設計濕密度為1 510 kg/m3，機制砂細度模數為2.6，石粉含量為6.0%，聚羧酸減水劑的添加量根據添加泡沫前的稠度調整。

如圖2所示為機制砂摻量對泡沫混凝土性能的影響曲線圖。圖2表明，由于水膠比不變而水固比隨著砂膠比的增加而減小，導致用水量也隨之減少，因而減水劑隨著砂膠比的增大而增加。雖然機制砂密度比水泥密度小，但機制砂摻量越高，所需的用水量越小。另外，機制砂摻量越高，所需要的泡沫體積越大。

由圖2還可知，砂膠比較大的配比強度上升較為平緩，強度發展相對較為緩慢，其中砂膠比0.5和砂膠比1.0這兩組的強度發展接近，強度值差距很小。泡沫混凝土的劈裂抗拉強度比，反映了泡沫混凝土的抗拉能力。劈裂抗拉強度隨砂膠比增大而減小，而拉壓強度則隨砂膠比增大而增大。軟化系數隨砂膠比的增加呈先增大后減小的趨勢，且在砂膠比1.0時的軟化系數最大。不摻機制砂的配比小時吸水率最小，摻機制砂用量最大時的吸水率最大。

4.3 石粉含量的影響

選取6%、9%、12%、15%不同石粉含量的機制砂，研究不同機制砂石粉含量對泡沫混凝土性能的影響，其配合比如表3所示，基準組不摻粉煤灰及機制砂細骨料，設計水膠比為0.35，設計濕密度為1 510 kg/m3，機制砂細度模數2.6，石粉含量8.0%，減水劑根據添加泡沫前的稠度加以調整。

如表4所示，在水膠比及減水劑用量一定的條件下，隨著機制砂石粉含量的增加，泡沫混凝土流動度逐漸降低，這主要是因為石粉對聚羧酸高性能減水劑有一定吸附作用，導致實際分散在水泥表面的減水劑減少，減水效果降低，宏觀表現為泡沫混凝土流動度降低。隨著機制砂石粉含量的增加，泡沫混凝土密度和強度先增加后降低，這主要是因為石粉顆粒較細，填充在水泥顆粒與水泥顆粒之間，發揮微集料效益，使密度提高，隨著石粉含量的提高，其分散效應遠大于填充效應，導致密度和強度降低。

4.4 復摻粉煤灰的影響

如表5所示為復摻粉煤灰和機制砂時不同密度泡沫混凝土配合比表。

復摻粉煤灰和機制砂時不同密度泡沫混凝土性能的影響如后頁表6所示。在粉煤灰/水泥質量比分別為0.50，砂膠比為2.0的條件下，隨著密度的增加，泡沫混凝土流動度逐漸降低，這主要是因為泡沫混凝土中機制砂含量在增加，機制砂之間的摩擦力及石粉含量增加對外加劑吸附都會降低泡沫混凝土的流動性。同時，隨著泡沫混凝土密度的增加，其抗壓強度與劈裂強度都逐步增加，主要是同體積下泡沫比例降低，泡沫混凝土密實度提高，同時軟化系數提高，吸水率降低。

5 結語

（1）在泡沫混凝土中摻入一定量的粉煤灰，有利于泡沫混凝土綜合性能的提升，這主要得益于粉煤灰的滾珠效應、微集料填充效應及二次水化反應。

（2）摻機制砂泡沫混凝土隨用砂量的增加其抗壓強度基本呈現先升高后降低的趨勢，且成型難度逐步增加，易出現塌模現象。同時，摻機制砂泡沫混凝土應嚴格控制石粉含量，其石粉含量不宜＞12%，過高易導致流動度降低，不易成型，強度降低。

（3）在粉煤灰/水泥質量比為0.50，砂膠比為2.0的條件下，復摻粉煤灰與機制砂的泡沫混凝土隨著密度的增加，抗壓強度與劈拉強度都逐步增加，但機制砂之間的摩擦力及石粉的吸附力降低了泡沫混凝土的流動性。

（4）在粉煤灰/水泥質量比為0.5，砂膠比為2.0，密度在1 500 kg/m3時，可制備出流動性高、輕質高強高耐水且經濟性好的小型輕型泡沫混凝土砌塊。

（5）機制砂泡沫混凝土輕質砌塊具有質量輕、強度可滿足使用要求、材料用量少成本低、人工易搬運砌筑等優點，建議后續進一步進行研究和推廣。

參考文獻：

［1］林志平，楊 楓，張 杰.公路路基小型預制構件輕質化配合比優化設計［J］.四川水泥，2022（1）：18-20.

［2］解衛江，李衛紅，王宇強，等.CFB灰渣制備輕質早強小型預制構件研究與應用［J］.公路交通科技，2022，39（12）：36-44.

［3］鄒志寧，谷任國，房營光，等.泡沫輕質混凝土護坡組合式節點設計研究［C］.2021年工業建筑學術交流會論文集（下冊），2020.

［4］李應權，朱立德，李菊麗，等.泡沫混凝土配合比的設計［J］.徐州工程學院學報（自然科學版），2011，26（2）：1-5，90.

［5］邱軍付，羅淑湘，魯 虹，等.大摻量粉煤灰超輕泡沫混凝土的試驗研究［J］.新型建筑材料，2013（1）：74-76，79.

作者簡介：孔祥武（1974—），高級工程師，主要從事道路工程施工管理工作。