機(jī)制砂泡沫混凝土輕質(zhì)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(yù)制砌塊的重量，文章對(duì)機(jī)制砂泡沫混凝土配合比進(jìn)行了研究，分析機(jī)制砂用量、粉煤灰用量、機(jī)制砂石粉含量、不同密度等級(jí)粉煤灰與機(jī)制砂復(fù)摻對(duì)泡沫混凝土性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰/水泥質(zhì)量比為0.5，砂膠比為2.0，石粉含量＜12%，密度為1 500 kg/m3時(shí)，可制備出流動(dòng)性高、輕質(zhì)高強(qiáng)高耐水且具有經(jīng)濟(jì)性的泡沫混凝土砌塊。優(yōu)化后的泡沫混凝土輕質(zhì)砌塊密度為1 500 kg/m3，28 d抗壓強(qiáng)度＞10 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度＞1.5 MPa，在滿(mǎn)足使用要求的同時(shí)還降低了成本和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)砌塊；泡沫混凝土；機(jī)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(hù)骨架多采用漿砌片石或現(xiàn)澆混凝土施工。漿砌片石砌筑對(duì)工人水平要求高，砌筑質(zhì)量難以保證；現(xiàn)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(gòu)件工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，逐漸采用標(biāo)準(zhǔn)的混凝土預(yù)制塊作為砌筑材料。普通混凝土預(yù)制砌塊的重量大，不便于搬運(yùn)和砌筑，相應(yīng)降低了生產(chǎn)效率。

林志平等［1］開(kāi)展了公路用小型預(yù)制構(gòu)件輕質(zhì)化配合比優(yōu)化試驗(yàn)，研究了陶粒摻量、膠粉用量、纖維用量、引氣劑用量對(duì)輕質(zhì)混凝土的影響，其試塊的28 d軸心抗壓強(qiáng)度試塊強(qiáng)度均＞22 MPa。解衛(wèi)江等［2］以循環(huán)流化床（CFB）灰渣作為細(xì)集料，CFB飛灰作為礦物摻合料設(shè)計(jì)配制混凝土，并制備了輕質(zhì)早強(qiáng)混凝土小型預(yù)制構(gòu)件；研究了爐渣砂率與飛灰摻量對(duì)混凝土密度、力學(xué)性能的影響；研究了碎石CFB灰渣混凝土的體積穩(wěn)定性、抗凍性等耐久性能，其試塊的28 d軸心抗壓強(qiáng)度＞40 MPa。鄒志寧等［3］配制出了密度為2 000 kg/m3、抗壓強(qiáng)度為41 MPa的輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土，用于輕質(zhì)裝配式邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。以上輕質(zhì)構(gòu)件研究結(jié)構(gòu)均取得了較高的抗壓強(qiáng)度，但密度均＞2 000 kg/m3，重量仍偏大不易人工搬運(yùn)，綜合成本相對(duì)也高于普通混凝土預(yù)制構(gòu)件。

泡沫混凝土密度范圍可調(diào)，強(qiáng)度也滿(mǎn)足小型砌塊要求。目前，在環(huán)保和降低造價(jià)的要求下機(jī)制砂已廣泛用于普通混凝土的生產(chǎn)，但將機(jī)制砂用于制備泡沫混凝土還未見(jiàn)相關(guān)研究。因此，本文對(duì)用于輕質(zhì)砌塊的機(jī)制砂泡沫混凝土配合比進(jìn)行了研究，探索機(jī)制砂用量、粉煤灰用量、機(jī)制砂石粉含量以及不同密度等級(jí)粉煤灰與機(jī)制砂復(fù)摻對(duì)泡沫混凝土性能的影響，以期獲得強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求且性?xún)r(jià)比高的機(jī)制砂泡沫混凝土輕質(zhì)砌塊。

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，泡沫混凝土輕質(zhì)砌塊成品表觀密度≤1 500 kg/m3，劈拉強(qiáng)度≥1.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度≥10.0 MPa，吸水率≤8%，軟化系數(shù)≥0.5。以密度和強(qiáng)度指標(biāo)為基礎(chǔ)進(jìn)行泡沫混凝土的配合比及優(yōu)化設(shè)計(jì)［4］，控制初始流動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.8%。

粉煤灰：F類(lèi)Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)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(dòng)度比為101%，28 d活性指數(shù)為97%。

細(xì)骨料：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.6～2.8，表觀密度為2 650 kg/m3，石粉含量為6%～12%，亞甲藍(lán)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(fā)泡劑：增強(qiáng)型發(fā)泡劑，稀釋倍率為80倍，發(fā)泡倍率為20倍，氣泡群密度為50 kg/m3。

3 試件制備與測(cè)試方法

3.1 試件制備

按配合比稱(chēng)取機(jī)制砂細(xì)骨料、水泥、粉煤灰和礦渣粉，將其倒入攪拌鍋內(nèi)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(fā)泡劑稀釋后通過(guò)發(fā)泡機(jī)制備出泡沫群，按配合比計(jì)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(duì)濕度＞95％的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28 d。

3.2 測(cè)試方法

漿料的濕密度、吸水率和抗壓強(qiáng)度依據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《泡沫混凝土》（JG-T-266）測(cè)定，軟化系數(shù)的測(cè)定方法依據(jù)《建筑保溫砂漿》（GB/T 20473-2006）測(cè)定，試件尺寸均為為100mm×100mm×100mm的立方體。

劈拉強(qiáng)度的測(cè)定方法依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081-2002），流動(dòng)度的測(cè)定方法依據(jù)《泡沫混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 341-2014）。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 粉煤灰/水泥質(zhì)量比的影響

粉煤灰為常用泡沫混凝土摻合料，參考早期學(xué)者的研究成果［4］，試驗(yàn)摻入粉煤灰/水泥質(zhì)量比分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0進(jìn)行正交分析，測(cè)試粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，配合摻量比見(jiàn)表1，基準(zhǔn)組不摻粉煤灰及機(jī)制砂細(xì)骨料，設(shè)計(jì)水膠比為0.35，聚羧酸減水劑用量為0.4%，設(shè)計(jì)濕密度為1 510 kg/m3。

粉煤灰對(duì)泡沫混凝土性能的影響如圖1所示，當(dāng)粉煤灰與水泥的質(zhì)量比為0.5時(shí)，即粉煤灰摻量為膠凝材料摻量的33.3%時(shí)，泡沫混凝土流動(dòng)度和濕密度達(dá)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(dòng)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(dòng)度增加。同時(shí)氣泡群密度一定時(shí)，隨著膠凝材料體系中粉煤灰用量超過(guò)水泥用量，粉煤灰之間的分散效果降低，流動(dòng)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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。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(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生了二次水化，增加了水化硅酸鈣的含量，導(dǎo)致強(qiáng)度提升。當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)水泥后，填充在水泥顆粒之間的粉煤灰變多，密度下降，強(qiáng)度也隨之降低。摻加粉煤灰的泡沫混凝土配比軟化系數(shù)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(jié)構(gòu)，對(duì)泡沫混凝土的各項(xiàng)性能都有有益作用，但其摻量不宜過(guò)大。

4.2 砂膠比的影響

選取機(jī)制砂/水泥質(zhì)量比分別為0、0.5、1.0、1.5、2.0進(jìn)行正交分析，研究機(jī)制砂摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，配合比如表2所示。基準(zhǔn)組不摻粉煤灰及機(jī)制砂細(xì)骨料，設(shè)計(jì)水膠比為0.35，設(shè)計(jì)濕密度為1 510 kg/m3，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.6，石粉含量為6.0%，聚羧酸減水劑的添加量根據(jù)添加泡沫前的稠度調(diào)整。

如圖2所示為機(jī)制砂摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響曲線(xiàn)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(dǎo)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(jī)制砂密度比水泥密度小，但機(jī)制砂摻量越高，所需的用水量越小。另外，機(jī)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(qiáng)度上升較為平緩，強(qiáng)度發(fā)展相對(duì)較為緩慢，其中砂膠比0.5和砂膠比1.0這兩組的強(qiáng)度發(fā)展接近，強(qiáng)度值差距很小。泡沫混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比，反映了泡沫混凝土的抗拉能力。劈裂抗拉強(qiáng)度隨砂膠比增大而減小，而拉壓強(qiáng)度則隨砂膠比增大而增大。軟化系數(shù)隨砂膠比的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，且在砂膠比1.0時(shí)的軟化系數(shù)最大。不摻機(jī)制砂的配比小時(shí)吸水率最小，摻機(jī)制砂用量最大時(shí)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(jī)制砂，研究不同機(jī)制砂石粉含量對(duì)泡沫混凝土性能的影響，其配合比如表3所示，基準(zhǔn)組不摻粉煤灰及機(jī)制砂細(xì)骨料，設(shè)計(jì)水膠比為0.35，設(shè)計(jì)濕密度為1 510 kg/m3，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)2.6，石粉含量8.0%，減水劑根據(jù)添加泡沫前的稠度加以調(diào)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(jī)制砂石粉含量的增加，泡沫混凝土流動(dòng)度逐漸降低，這主要是因?yàn)槭蹖?duì)聚羧酸高性能減水劑有一定吸附作用，導(dǎo)致實(shí)際分散在水泥表面的減水劑減少，減水效果降低，宏觀表現(xiàn)為泡沫混凝土流動(dòng)度降低。隨著機(jī)制砂石粉含量的增加，泡沫混凝土密度和強(qiáng)度先增加后降低，這主要是因?yàn)槭垲w粒較細(xì)，填充在水泥顆粒與水泥顆粒之間，發(fā)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(yīng)遠(yuǎn)大于填充效應(yīng)，導(dǎo)致密度和強(qiáng)度降低。

4.4 復(fù)摻粉煤灰的影響

如表5所示為復(fù)摻粉煤灰和機(jī)制砂時(shí)不同密度泡沫混凝土配合比表。

復(fù)摻粉煤灰和機(jī)制砂時(shí)不同密度泡沫混凝土性能的影響如后頁(yè)表6所示。在粉煤灰/水泥質(zhì)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(dòng)度逐漸降低，這主要是因?yàn)榕菽炷林袡C(jī)制砂含量在增加，機(jī)制砂之間的摩擦力及石粉含量增加對(duì)外加劑吸附都會(huì)降低泡沫混凝土的流動(dòng)性。同時(shí)，隨著泡沫混凝土密度的增加，其抗壓強(qiáng)度與劈裂強(qiáng)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(shí)度提高，同時(shí)軟化系數(shù)提高，吸水率降低。

5 結(jié)語(yǔ)

（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(yīng)、微集料填充效應(yīng)及二次水化反應(yīng)。

（2）摻機(jī)制砂泡沫混凝土隨用砂量的增加其抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且成型難度逐步增加，易出現(xiàn)塌模現(xiàn)象。同時(shí)，摻機(jī)制砂泡沫混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制石粉含量，其石粉含量不宜＞12%，過(guò)高易導(dǎo)致流動(dòng)度降低，不易成型，強(qiáng)度降低。

（3）在粉煤灰/水泥質(zhì)量比為0.50，砂膠比為2.0的條件下，復(fù)摻粉煤灰與機(jī)制砂的泡沫混凝土隨著密度的增加，抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度都逐步增加，但機(jī)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(dòng)性。

（4）在粉煤灰/水泥質(zhì)量比為0.5，砂膠比為2.0，密度在1 500 kg/m3時(shí)，可制備出流動(dòng)性高、輕質(zhì)高強(qiáng)高耐水且經(jīng)濟(jì)性好的小型輕型泡沫混凝土砌塊。

（5）機(jī)制砂泡沫混凝土輕質(zhì)砌塊具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度可滿(mǎn)足使用要求、材料用量少成本低、人工易搬運(yùn)砌筑等優(yōu)點(diǎn)，建議后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行研究和推廣。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：孔祥武（1974—），高級(jí)工程師，主要從事道路工程施工管理工作。