外加劑與摻合料對(duì)泡沫混凝土性能的影響研究

董 雪

（鐵正檢測(cè)科技有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

隨著我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展，施工技術(shù)水平不斷提高，為滿足群體的住房需求，為住戶提供更寬敞、明亮的住房，大量的高樓大廈應(yīng)運(yùn)而生，人們?cè)陉P(guān)注住房舒適度的同時(shí)，對(duì)建筑材料的質(zhì)量和性能要求也越來(lái)越高[1]。為提高建筑的穩(wěn)定性，必須使用具有輕質(zhì)特點(diǎn)的材料，以減輕建筑建成后的質(zhì)量。同時(shí)，加大對(duì)綠色建材的推廣，提倡建筑在設(shè)計(jì)與施工中節(jié)能減排，將碳達(dá)峰計(jì)劃與生態(tài)文明相結(jié)合。在建筑領(lǐng)域，加強(qiáng)輕質(zhì)建筑保溫材料的研發(fā)和推廣應(yīng)用，對(duì)固廢進(jìn)行綜合利用，對(duì)提高國(guó)內(nèi)資源利用率、走可持續(xù)發(fā)展之路，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

目前，國(guó)內(nèi)使用的建筑工程保溫材料泡沫混凝土的原料很容易獲得，使用該材料進(jìn)行施工，不僅可以實(shí)現(xiàn)工程的現(xiàn)澆作業(yè)，還可以生產(chǎn)出多種異構(gòu)性的混凝土制品，滿足當(dāng)前建筑市場(chǎng)對(duì)新型、節(jié)能和環(huán)保材料的需求[3]。為推廣使用此類材料，下述將對(duì)材料的性能展開分析。

1 試驗(yàn)原材料

根據(jù)泡沫混凝土的制備需求，進(jìn)行試驗(yàn)中原材料的準(zhǔn)備，該次試驗(yàn)所需的原材料包括水泥、硅灰、凹凸棒土和玻璃粉等，對(duì)水泥原材料的主要性能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，水泥選用的是早強(qiáng)型普通硅酸巖水泥P.I.42.5R，試件28d 的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為43.5MPa，大于42.5MPa，3d 抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為6.0MPa，28d 抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為8.5MPa，3d 抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為28.9MPa，28d 抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為50.5MPa，確定其強(qiáng)度等級(jí)為42.5R，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.6%，初凝時(shí)間為180min，終凝時(shí)間為360min，主要指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 水泥原材料的質(zhì)檢指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

在此基礎(chǔ)上，采集廢棄玻璃，進(jìn)行洗滌、暴曬、研磨和烘干等工序，過程如圖1 所示。

圖1 玻璃粉收集與處理

收集研磨玻璃粉后，對(duì)玻璃粉、硅灰和凹凸棒土原材料的主要化學(xué)成分進(jìn)行分析，見表2。

表2 硅灰、凹凸棒土原材料的主要化學(xué)成分 單位：%

在此基礎(chǔ)上分析發(fā)泡劑原材料的基本性能，結(jié)果表明發(fā)泡劑的稀釋倍率為60%，發(fā)泡倍數(shù)為25 倍，1h 沉降距離為3mm，1h 泌水量為75mL，pH 值為6.5～7.5，活性物含量和固含量為30%（≥25%），性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 發(fā)泡劑原材料基本性能分析

同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)需求，選擇減水劑（要求減水劑的減水率須達(dá)到30%以上）、穩(wěn)泡劑和速凝劑等外加試劑。按照上述步驟，完成準(zhǔn)備試驗(yàn)中的原材料。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試件成型

稱取發(fā)泡試劑，按照標(biāo)準(zhǔn)比例1 ∶60，對(duì)其進(jìn)行稀釋，打出泡沫后，確保氣泡穩(wěn)定、均勻。按照配合比對(duì)外加劑、水、水泥及摻合料進(jìn)行稱量，首先將水泥和摻合料放入攪拌鍋中，進(jìn)行攪拌并均勻，再倒入2/3 的清水，進(jìn)行1min 的攪拌后，將剩余的水與化學(xué)外加劑混合液一起，進(jìn)行攪拌，再將剩余的水與化學(xué)外加劑混合液一起攪拌，將泡沫稱取出來(lái)，倒入料漿中進(jìn)行充分地?cái)嚢瑁钡經(jīng)]有粉體狀硬塊為止，將樣件裝進(jìn)模具，用保鮮膜蓋上并置于陰涼的地方，防止試件水分流失，在室內(nèi)常溫條件下養(yǎng)護(hù)約28d[4-6]。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 導(dǎo)熱試驗(yàn)

將構(gòu)件在55℃～65℃的烘箱中烘干處理，使用導(dǎo)熱檢測(cè)儀器，對(duì)樣件進(jìn)行3h 的預(yù)熱+6h 的熱平衡處理，根據(jù)儀器顯示值，得到樣件的導(dǎo)熱系數(shù)[7]。導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)樣件如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)樣件

2.2.2 干縮試驗(yàn)

將試驗(yàn)樣件養(yǎng)護(hù)28 天后，放置在水槽中，將樣件在其中放置3h，取出水槽中的樣件，將其表面的水分擦拭干凈，使用千分尺測(cè)量此時(shí)樣件的尺寸與質(zhì)量，將樣件放置在溫度為18℃～22℃，濕度為38%～42%的環(huán)境中，測(cè)量其長(zhǎng)度，計(jì)算3 個(gè)樣件的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，取平均值，計(jì)算樣件干縮長(zhǎng)度，計(jì)算方法如公式（1）所示。

式中：?i為i天樣件干縮長(zhǎng)度，L0為樣件初始長(zhǎng)度，Li為i天樣件長(zhǎng)度。

2.2.3 吸水率、軟化系數(shù)測(cè)定

將樣件進(jìn)行烘干處理，確保樣件處于干燥狀態(tài)后，測(cè)量試件的質(zhì)量，記錄此時(shí)樣件的質(zhì)量與這種狀態(tài)下的烘干強(qiáng)度。將烘干后的樣件放置在塑料箱中，設(shè)置塑料箱的溫度為15℃～25℃，在其中加入水，達(dá)到樣件高度的1/3 位置，靜置樣件1h，再在塑料箱中加入水，達(dá)到樣件高度的2/3 位置，靜置樣件1h，再在塑料箱中加入水，超過樣件高度20mm～30mm，1h 后取出樣件，擦拭水分，計(jì)算樣件的吸水率與軟化系數(shù)[8]，計(jì)算方法如公式（2）和公式（3）所示。

式中：W為樣件的吸水率；m1為樣件吸水前質(zhì)量；m0為樣件吸水后質(zhì)量；K為軟化系數(shù)；f1為樣件飽水前抗壓強(qiáng)度值；f0為樣件飽水后抗壓強(qiáng)度值。

3 外加劑與摻合料復(fù)合對(duì)泡沫混凝土性能的影響分析

3.1 保溫性能的影響分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)外加劑與摻合料復(fù)合材料對(duì)泡沫混凝土保溫性能的影響分析，將上述試驗(yàn)方法制備的基準(zhǔn)組與最優(yōu)配合比下的外加劑與摻合料復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比。通過上述試驗(yàn)得出結(jié)果，泡沫混凝土基準(zhǔn)組的導(dǎo)熱系數(shù)為0.10856W/（m·K），控制指標(biāo)為0.09W/（m·K），泡沫混凝土外加劑與摻合料最優(yōu)組的導(dǎo)熱系數(shù)為0.09552W/（m·K），控制指標(biāo)為0.12W/（m·K），見表4。

表4 外加劑與摻合料復(fù)合材料對(duì)泡沫混泥土材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響試驗(yàn)結(jié)果記錄表

表4中記錄的外加劑與摻合料最優(yōu)組為0.12%減水劑、0.15%穩(wěn)泡劑、5.5%硅灰（GB）、2.1%凹凸棒土和11%玻璃粉。結(jié)合表中的數(shù)據(jù)可以看出，將外加劑與摻合料復(fù)合后，泡沫混凝土的導(dǎo)入系數(shù)從0.10856 W/（m·K）降至0.09552W/（m·K），與基準(zhǔn)組相比，降低了（0.10856～0.09552）/0.10856·100%≈12%。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，減水劑與CMCNa 的摻入，相對(duì)減少了連通孔的數(shù)量。由于3 種摻合料在泡沫混凝土中產(chǎn)生了微集粒協(xié)同效應(yīng)，因此須填充孔隙，細(xì)化孔徑。同時(shí)，硅灰與凹凸棒土具有較強(qiáng)的吸水性。將自由水吸收后，進(jìn)一步減少了水分蒸發(fā)所形成的連通孔數(shù)量。除此之外，上述3種摻合料中，SiO2的含量最高，與Ca（OH）2發(fā)生了二次反應(yīng)，使凝膠的數(shù)量進(jìn)一步增加，極大程度上改善了孔徑的分布。最后，在上述多種反應(yīng)的作用下，泡沫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)降低。因此，通過上述得出的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在一定范圍內(nèi)，通過外加劑與摻合料的復(fù)合，能夠起到提升泡沫混凝土保溫隔熱性能的作用，并且這一作用十分顯著。

3.2 干縮性能的影響分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料對(duì)泡沫混凝土干縮性能的影響分析，仍然以上述0.12%減水劑、0.15%穩(wěn)泡劑、5.5%硅灰（GB）、2.1%凹凸棒土和11%玻璃粉配比的外加劑與摻合料最優(yōu)組為例，將其與基準(zhǔn)組進(jìn)行對(duì)比，得出其對(duì)泡沫混凝土干縮的具體影響結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 復(fù)合材料對(duì)泡沫混凝土干縮影響試驗(yàn)結(jié)果圖

從圖3 中所示的2 條曲線可見，泡沫混凝土基準(zhǔn)值的干縮值和最優(yōu)組的干縮值均隨著時(shí)間增加而不斷增加，在應(yīng)用復(fù)合材料后，泡沫混凝土的干縮值明顯低于另外一組。出現(xiàn)這一試驗(yàn)結(jié)果的原因是，在摻入減水劑和CMC-Na 后，泡沫的穩(wěn)定性增強(qiáng)。同時(shí)，由于凹凸棒土和玻璃粉都具有一定的活性，摻合料在水中發(fā)生了二次水化反應(yīng)，使孔隙中的自由水含量進(jìn)一步降低，連通泌水孔的數(shù)量減少。在反應(yīng)后，不僅生成了比純水泥組更多的C-S-H 凝膠填充孔隙，同時(shí)還沒有發(fā)生反應(yīng)的摻合料顆粒也能夠協(xié)助其共同實(shí)現(xiàn)對(duì)孔隙的填充，達(dá)到改善泡沫混泥土孔結(jié)構(gòu)的目的，進(jìn)而出現(xiàn)了最優(yōu)組干縮低于基準(zhǔn)組的情況。因此，通過上述試驗(yàn)可以證明，外加劑與摻合料復(fù)合后，對(duì)促進(jìn)泡沫混凝土干縮的降低具有積極作用。

3.3 吸水性和耐水性的影響分析

仍然以上述0.12%減水劑、0.15%穩(wěn)泡劑、5.5%硅灰（GB）、2.1%凹凸棒土和11%玻璃粉配比的外加劑與摻合料最優(yōu)組為例，將其與基準(zhǔn)組對(duì)泡沫混凝土吸水率和軟化系數(shù)的改善效果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果對(duì)外加劑與摻合料對(duì)泡沫混凝土吸水性和耐水性的影響進(jìn)行分析。圖4 為復(fù)合材料對(duì)泡沫混凝土吸水性和耐水性影響試驗(yàn)結(jié)果圖。

圖4 復(fù)合材料對(duì)泡沫混凝土吸水性和耐水性影響試驗(yàn)結(jié)果圖

通過圖4 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，泡沫混凝土基準(zhǔn)組和最優(yōu)組的吸水性、耐水性存在明顯的區(qū)別，當(dāng)外加劑與摻合料復(fù)合時(shí)，泡沫混凝土的吸水率與基準(zhǔn)組相比明顯降低，從原來(lái)的19.6%降至15.2%，軟化系數(shù)明顯提升，從原來(lái)的0.76 升至0.86。根據(jù)規(guī)定要求可知，軟化系數(shù)超過0.85 的材料可以作為耐水性材料。而加入外加劑和摻合料后，泡沫混凝土的軟化系數(shù)達(dá)到了這一標(biāo)準(zhǔn)，可作為耐水性材料，泡沫混凝土的性質(zhì)發(fā)生了改變。針對(duì)這一試驗(yàn)結(jié)果的原因進(jìn)行具體分析，由于外加劑的加入使開口的孔隙數(shù)量大大減少，同時(shí)，通過上述研究可知，在3種摻合料中，SiO2 的含量最高。當(dāng)SiO2 與Ca（OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)水化反應(yīng)的產(chǎn)生，并使最優(yōu)組生成比基準(zhǔn)組更多的凝膠，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了填充，達(dá)到了改善泡沫混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的效果。此外，復(fù)合材料中添加的3 種摻合料在泡沫混凝土中形成了協(xié)同填充效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的混合填充，對(duì)水分滲透起到一定抑制作用，連通孔的數(shù)量減少。同時(shí)，在最優(yōu)組中，玻璃粉的摻入量較多，水花反應(yīng)的速度較慢，吸水率極低，可以有效彌補(bǔ)硅灰和凹凸棒土自身吸水性較強(qiáng)的問題，提升泡沫混凝土的密實(shí)度，促進(jìn)吸水率的降低和軟化系數(shù)的提升。因此，通過上述得出的試驗(yàn)結(jié)果可以證明，外加劑和摻合料復(fù)合后，泡沫混凝土的吸水性和耐水性都得到提升。

4 結(jié)語(yǔ)

通過該文上述試驗(yàn)研究，針對(duì)外加劑與摻合料對(duì)泡沫混凝土的性能影響進(jìn)行了研究，通過研究得出，將外加劑與摻合料按照最佳配合比混合后，將其應(yīng)用到泡沫混凝土中可以有效提升材料的保溫隔熱性能，減少干縮，提升了混凝土的吸水性和耐水性。