几种矿物掺合料对泡沫混凝土基本性能的影响
水泥 扈士凯 李应权 段策 谢尧生 罗宁 2009-11-12
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【关键词】本文研究了磨细矿渣、粉煤灰、钢渣、膨润土等矿物掺合料对低容重泡沫混凝土基本性能的影响规律。试验实验表明：四种掺合料中磨细矿渣的活性最高，后期可以提高材料的强度；粉煤灰的活性次之，但其质轻可以降低材料的干表观密度；钢渣和膨润土的需水量较大，会吸收泡沫的水分，产生破泡，增大材料的干密度，在相同容重情况下降低材料的强度。
【摘要】矿物掺合料 泡沫混凝土
1引言
随着建筑行业的发展，建筑材料资源和能源的日益紧缺，工业废弃物作为一种闲置的资源，已经越来越多的被用于建筑材料领域，成为水泥基材料不可缺少的胶凝组分，不仅起到了节能降耗、降低成本和减轻环境负荷的作用，还在很大程度上改善了水泥基材料的综合性能。泡沫混凝土是一种多孔材料，具有保温隔热、隔音等特点，在屋面、地暖等工程中得到了广泛的应用。本试验选取了四种常见的矿物掺合料，研究了其掺入水泥泡沫材料后，对泡沫混凝土的基本性能的影响。
2原材料及试验方法
2.1原材料
水泥：北京中岩工程材料公司；
矿渣、钢渣：北京首钢资源综合利用开发公司；
粉煤灰：北京石景山电厂低钙Ⅱ级粉煤灰；
膨润土：钠基膨润土；
HJ-1高性能泡沫剂：北京中建国信科技开发中心出品；
专用减水剂：北京中建国信科技开发中心出品。
2.2试验方法
用SP-Ⅱ新型发泡机将发泡液制成泡沫，按一定比例将泡沫与搅拌好的水泥净浆混合均匀后，注入钢制试模，24小时拆模后在标准条件下养护至规定龄期，测试方法参照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌块标准》。
3 实验结果及分析
3.1磨细矿渣对材料性能的影响
矿渣也称为粒化高炉矿渣、水淬矿渣或水渣，是冶金企业在炼铁炉中炼铁时浮于铁水表面的熔渣，排出时用水急冷得到的产物。粒化高炉矿渣同时含有CaO、SiO2、Al2O3，是钙-铝-硅三元体系。粒化高炉矿渣磨细后称为磨细矿渣，具有较高的潜在活性，在碱性环境下能够发生水化硬化而产生强度。磨细矿渣在一定细度条件下自身也能发生水化硬化反应，具有自硬性。我们对矿渣在不同掺量的情况下对低容重的泡沫混凝凝土进行了研究。
表1 矿渣掺量对材料基本性能的影响
|
掺量
(%) |
湿密度（kg/m3） |
干表观密度（kg/m3） |
抗压强度(kPa) |
强度与密度比值（28d） | |||
|
7d |
28d |
7d |
28d |
90d | |||
|
0.0 |
257 |
207 |
208 |
223 |
236 |
270 |
1.1346 |
|
15 |
281 |
208 |
215 |
196 |
231 |
325 |
1.0744 |
|
30 |
274 |
195 |
199 |
125 |
153 |
218 |
0.7688 |
|
50 |
282 |
191 |
193 |
76 |
95 |
152 |
0.4922 |
由上面的图表可以看到，随着矿渣掺量的增加，料浆的湿密度以及材料的干表观密度受到的影响不大，也就是说矿渣对泡沫没有负面的影响，但是早期材料的强度随掺量的增大下降很明显，后期90天的强度在掺量15%时比空白纯水泥的强度还略高，证明矿渣能很好的提高材料的后期强度。由图2可以看到，当矿渣掺量为15%～30%时，对材料的强度影响不大，掺量过高时强度逐渐下降，需要采取化学激发的方法进一步挖掘其潜在的活性。
3.2 粉煤灰对材料性能的影响
粉煤灰是燃煤发电的工厂（火电厂）排放出的烟道灰，经收尘得到。粉煤灰经过高温过程以及收尘的快速冷却过程，因而其产物中以玻璃态物质为主并含有少量结晶态物质。粉煤灰的化学成分以SiO2、Al2O3为主，二者的含量之和一般在60%～85%之间，其物相形态以玻璃体为主，因而具有潜在活性。
表2 粉煤灰掺量对材料基本性能的影响
|
掺量（%） |
湿密度（kg/m3） |
干表观密度（kg/m3） |
抗压强度(kPa) |
强度与密度比值（28d） | ||
|
7d |
28d |
7d |
28d | |||
|
0 |
250 |
208 |
232 |
225 |
305 |
1.31 |
|
15 |
237 |
212 |
225 |
165 |
220 |
0.98 |
|
30 |
235 |
187 |
202 |
95 |
123 |
0.60 |
|
50 |
228 |
170 |
176 |
48 |
57 |
0.32 |
由上面图表可以看出，与矿渣相比，掺入粉煤灰可以起到降低材料料浆湿密度和干表观密度的作用，而且随着掺量的增加，材料的料浆湿密度和干表观密度持续降低。这一方面说明粉煤灰也不会产生消泡的负面作用；另一方面是因为粉煤灰与水泥相比属于轻质材料，因此部分取代水泥后会降低材料的单位质量[1]。但是粉煤灰的活性不如矿渣好，随着掺量的增加，材料的强度下降很快，由表2中强度与密度比值可以排除掉密度的变化更清楚的看到强度较大的降低趋势。由于本实验均为超低密度的泡沫混凝土以及水泥品种的影响，单位水泥含量相对较少，粉煤灰的二次水化反应受到了影响，所以在高容重的泡沫混凝土中，掺一定的粉煤灰对材料的后期影响是有益处的。
[Page]
3．3 钢渣对材料性能的影响
钢渣是炼钢工业的废渣，其排放量是钢产量的15%左右。我国钢年产量接近3亿吨，钢渣的年排放量达5000万吨以上。钢渣主要来自金属炉料中各元素被氧化后生成的氧化物、被侵蚀的炉衬料和炉材料、金属炉料带入的杂质和为调整钢材性质而加入的造渣材料。其矿物组成包括橄榄石、硅酸二钙、硅酸三钙以及少量游离氧化钙、氧化镁、玻璃体等成分，具有一定的水化自硬能力，经过闷渣和超细粉活化处理后，可以较好解决f-CaO、MgO的膨胀问题，具有一定的活性。
表3 钢渣对材料性能的影响
|
钢渣掺量
（%） |
泡沫掺量
(每kg水泥) |
干表观密度(kg/m3) |
抗压强度(KPa) | ||
|
7d |
28d |
7d |
28d | ||
|
0 |
6L |
360 |
370 |
1107 |
1130 |
|
30 |
13L |
352 |
354 |
217 |
221 |
由上表可以看出：纯水泥搅拌的净浆制备干表观密度为360kg/m3级别的泡沫材料，只需要6L的泡沫，而用相同稠度的掺入钢渣的净浆制备同样密度级别的泡沫材料则需要13L泡沫，这说明泡沫在和含有钢渣的净浆搅拌时大量破灭，充分表明钢渣具有消泡的负面作用，其中的原因：一方面是由于钢渣粉颗粒为多孔结构，吸水较大，容易将组成泡沫的液膜的水份吸收，造成泡沫破裂；另外一方面就是钢渣粉颗粒形貌并非为大致的圆状，而是呈多棱角状，搅拌过程中与泡沫表面接触时就容易将泡膜划破。
由上表还可以清楚的看到，钢渣的活性不高，掺量为30%时，强度只有空白样的五分之一，而且28天的强度也几乎没有增长。分析认为，钢渣中的Al2O3、CaO、SiO2含量比水泥中的含量少得多，且其特殊的热历史造成钢渣中的矿物晶体生长发育较大，晶格稳定，使得其水化活性低。其部分活性在钢渣闷渣过程中被消耗也是取代水泥使用时强度降低的部分原因[2]。因此将钢渣应用于泡沫混凝土需要对其进行进一步的改性处理。
3．4膨润土填料对材料性能的影响
有文献报道膨润土是一种矿物稳泡剂[3]，掺入一定量可以提高泡沫混凝土泡沫的稳定性和材料的强度，本试验也对膨润土的掺入对材料性能的影响进行了研究。
表4 膨润土掺量对材料基本性能的影响
|
掺量
（%） |
湿密度
（kg/m3） |
干表观密度（kg/m3） |
抗压强度(kPa) |
强度与密度比（28d） | ||
|
7d |
28d |
7d |
28d | |||
|
0 |
222.3 |
178 |
187 |
109 |
119 |
0.64 |
|
1 |
317.8 |
263 |
272 |
301 |
452 |
1.66 |
|
3 |
353.9 |
315 |
319 |
497 |
565 |
1.77 |
|
5 |
423.2 |
351 |
354 |
700 |
811 |
2.29 |
试验过程中发现由于膨润土的吸水量很大，所以随着膨润土的掺入，胶凝材料净浆的稠度逐渐变大，为得到相同的净浆流动度，在保持水胶比相同的前提下，相应的增加了减水剂的用量，而且需要的减水剂的量随着膨润土掺量的增加而增大。最后得到的胶凝材料净浆稠度虽然相同，但是在与泡沫混合时，发现含有膨润土的净浆有明显的消泡作用，搅拌过程中，料浆的体积逐渐减少，料浆的流动性不断增大，这些现象表明：膨润土导致泡沫破灭，由上图5～6可以看出，膨润土掺入越多，料浆的湿密度就越大，导致干表观密度与强度相应的增大。
通过试验，得到的结果与现有的一些文献所述有很大的差异，膨润土由于其具有很强的吸水性(一般可以吸取自身体积数倍的水量),因此含有膨润土的胶凝材料净浆在与泡沫混合搅拌时，必定会吸取组成泡沫的泡膜的水份，导致泡沫的破裂，增大泡沫混凝土的容重，所以通过试验认为，天然的膨润土不具稳泡的能力，恰恰相反，膨润土是一种消泡的材料，并不适合用于水泥泡沫材料中，尤其是超低密度的泡沫混凝土。
表5 几种掺和料掺入泡沫材料的综合评价
|
掺合料 |
矿渣 |
粉煤灰 |
钢渣 |
膨润土 |
|
活性 |
最大 |
较好 |
差 |
差 |
|
是否消泡 |
不消泡 |
不消泡 |
消泡 |
消泡 |
4 结语
通过对几种掺和料进行试验研究，得出以下结论：①四种掺和料中矿渣的活性最高，适量掺入可以提高材料的后期强度，粉煤灰的活性次之，钢渣和膨润土的活性最差；②粉煤灰与水泥相比，属轻质粉料，能在一定程度上降低材料的干表观密度，矿渣对材料的干表观密度影响不大，钢渣和膨润土具有消泡的副作用，会增大材料的密度；③凡是吸水率较大的材料，由于其会吸取组成泡沫的液膜中的水份，导致破泡，均不适合掺入水泥泡沫材料中。
参考文献
[1] Kunhanandan Nambiar EK, K.Ramamurthy. Inuence of filler type on the properties of foam concrete.Cem.Concr.Compos[J].2006,28(4):75～80.
[2] 吕林女,刘秀梅等.利用钢渣粉制备干粉砂浆的研究.新型建筑材料[J].2008,35(9):12～15.
[3] 乔欢欢.利用普通水泥制备免征养泡沫混凝土的研究[D].绵阳：西南科技大学，2008：36～39.
【作者简介】扈士凯，男，（1982-），硕士，就职于建筑材料工业技术监督研究中心,主要研究方向：泡沫混凝土材料及发泡剂、墙体保温材料、混凝土外加剂、特种工程材料等。
（中国混凝土与水泥制品网 转载请注明出处）
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