王武祥:泡沫混凝土的组成、密度和强度的相关性研究
水泥 CCPA泡沫混凝土分会 2009-11-12
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【摘要】绝干密度和抗压强度是泡沫混凝土应用时最重要的两个技术指标。研究表明，在组成、配比和制备工艺相同时，泡沫混凝土抗压强度与绝干密度之间具有良好的相关性。通过控制泡沫混凝土湿密度，进而控制绝干密度，可达到控制抗压强度的目的。本文在大量试验基础上，通过回归得到了绝干密度在400kg/m³-1100kg/m³之间泡沫混凝土抗压强度与绝干密度的乘幂方程式，相关系数R2均大于0.95，相关性很好。在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料体系中，掺加适量粉煤灰将有助于提高泡沫混凝土抗压强度，提高抗裂性，同时可降低生产成本。
【关键词】泡沫混凝土；粉煤灰；绝干密度；抗压强度；乘幂方程式；相关系数
0 前 言
泡沫混凝土是用物理方法将泡沫剂水溶液制成泡沫，再将泡沫加入到由水泥、骨料、掺合料、外加剂和水等制成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、自然或蒸汽养护制成的多孔混凝土。其中含有大量封闭孔隙，因而表现出良好的物理力学性能和使用功能，如轻质、保温、隔热、防潮、隔声等。泡沫混凝土在墙体屋面保温隔热工程、轻质混凝土构件与制品、建筑物地暖系统、大型隧道、高等级公路和地铁回填工程、建筑物轻质垫层、吸隔声屏障等具有巨大的市场需求和广阔的推广应用前景[1-4]。
现阶段我国泡沫混凝土的设计与施工尚缺乏标准和技术规范，只能靠经验或通过大量试验来实施泡沫混凝土应用，不利于泡沫混凝土质量控制和技术发展。研究原料组成对泡沫混凝土性能的影响，探讨泡沫混凝土绝干密度与抗压强度相关性，建立绝干密度与抗压强度经验公式，不但能正确指导泡沫混凝土组成优化和配比设计，而且可节省财力，简化试验试配和质量控制工作，加快泡沫混凝土的推广应用。本文探讨了主要组分对泡沫混凝土强度的影响，建立了最基本的泡沫混凝土配合比设计方法，并以最常用的水泥-粉煤灰-泡沫-水原料体系泡沫混凝土为研究对象，研究绝干密度在400kg/m³-1100kg/m³之间的泡沫混凝土绝干密度与抗压强度的相关性。
1 组成对泡沫混凝土强度的影响
泡沫混凝土主要组组分包括水泥、泡沫剂、骨料、粉煤灰、外加剂和水。必要时，可根据使用要求增加其它组成，如短切纤维、有机高分子聚合物。
1.1 水泥
水泥是泡沫混凝土强度的主要来源，也是首要影响因素。为达到强度最大化，每个设计绝干密度的泡沫混凝土均有一个最佳水泥用量。原材料体系不同，水泥用量对泡沫混凝土强度的影响规律并不一致。在非净浆体系中，泡沫混凝土强度先随水泥用量增加而提高，当超过最佳水泥用量后，强度则随水泥用量继续增加而降低。在净浆体系中，水泥用量则相对固定，只有水泥强度等级仍对泡沫混凝土强度产生影响。
硅酸盐系列水泥来源广泛、质量稳定、经济、耐久性好，因而被泡沫混凝土行业广泛使用。硫(铁)铝酸盐第三系列水泥在泡沫混凝土浆体形成、结构稳定性、早期强度发展等方面具有特色，应用逐年增加，在一些特殊重点工程中的应用相继取得成功。
1.2 泡沫剂
能产生泡沫的物质很多，但并非所有能产生泡沫的物质都能作为泡沫剂使用。只有产生的泡沫在与砂(净)浆混合时不破裂，具有足够稳定性，且不影响胶凝材料凝结和硬化的物质才能用于制备泡沫剂。通过改变泡沫添加量，可制成不同浆体密度和绝干密度的泡沫混凝土，泡沫混凝土强度也将因泡沫引入量不同而不同。优选泡沫剂品种和确定最佳掺量是制备高性能泡沫混凝土的必要条件。
1.3 骨料
制备泡沫混凝土骨料通常分为普通集料、轻骨料和超轻骨料三类。根据泡沫混凝土密度和强度要求，决定是否采用骨料和采用哪类骨料。骨料品种和表观密度对泡沫混凝土强度影响明显。为保证泡沫混凝土密度，用轻骨料比用普通骨料可使水泥浆体形成的结构更致密。泡沫混凝土抗压强度通常较低，抗压破坏通常发生在含有大量气孔的水泥基基体中。与普通混凝土相比，使用密度较低的骨料将明显提高泡沫混凝土抗压强度。
1.4 粉煤灰
鉴于粉煤灰来源广泛、价格低廉，并具有一定活性，成为泡沫混凝土的首选掺合料。粉煤灰能显著提高泡沫混凝土的后期强度，改善成型效果。
1.5 外加剂
泡沫混凝土常用外加剂包括分散剂、早强剂、速凝剂、防水剂、憎水剂。早强剂和速凝剂可加速泡沫混凝土结构的形成过程和强度发展，提高浆体结构稳定性。
2 配合比设计研究
泡沫混凝土配合比设计依据固定原材料重量法和固体混合料体积法进行。通过检测泡沫混凝土湿密度，进而控制泡沫混凝土绝干密度和均匀性，达到控制泡沫混凝土抗压强度目的。
2.1 固定原材料重量法
以水泥-粉煤灰-泡沫-水原料体系泡沫混凝土为研究对象。设计参数：
泡沫混凝土设计绝干密度为r干，单位为kg/m³；
基本用水量为yw，单位为kg/m³。
基本水料比为ω，取值见表1。视粉煤灰掺量和泡沫剂质量作适当调整；
水泥用量为yC，单位为kg/m³。水泥水化修正系数k1，经验值取k1=0.10；
粉煤灰用量为yf，单位为kg/m³；粉煤灰水化修正系数k2，经验值取k1=0.02；
粉煤灰掺量为η，单位为%；
表1 ω经验值
|
泡沫混凝土设计绝干密度为ρ干(kg/m³) |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
900 |
1000 |
|
ω |
0.69 |
0.64 |
0.60 |
0.56 |
0.54 |
0.52 |
0.50 |
配合比设计关系式见式(1)和式(2)：
k1yC+ k2yf=ρ干 (1)
yf/(yf +yC)=h (2)
水泥、粉煤灰和水用量按式(3)、式(4)和式(5)计算：
yf=ηρ干/((1-η)k1+ηk2) (3)
yC=(1-η)ρ干/( (1-η)k1+ηk2) (4)
yw=w(yC+yf) (5)
2.2 固定混合料体积法
1m³泡沫混凝土中，由水泥、粉煤灰和水组成的浆体总体积为V1，泡沫添加量V2按式(6)计算。即配制单位体积泡沫混凝土，由水泥、粉煤灰和水组成浆体体积不足部分由泡沫填充。
V2= k3(1-V1) (6)
式中：V2——泡沫添加量，单位为m³；
V1——加入泡沫前，水泥、粉煤灰和水组成的浆体总体积，单位为m³；
k3——富余填充系数，k3通常大于1，视泡沫剂质量和制泡时间而定。主要考虑泡沫加入到浆体中再混合时的损失。
2.3 泡沫混凝土浆体密度
泡沫混凝土浆体密度r湿按式(7)计算：
ρ湿= (1+ω)ρ干/(ηk2+(1-η)k1) +V2/Fv (7)
式中：ρ湿——泡沫混凝土浆体密度，单位为kg/m³；
Fv——泡沫剂水溶液发泡量，单位为m³/kg。
3．泡沫混凝土绝干密度与抗压强度相关性
3.1 试验研究
3.1.1 原材料
水泥：北京琉璃河水泥厂产42.5普通硅酸盐水泥。
粉煤灰：北京石景山发电厂产Ⅲ级干排粉煤灰。
混凝土泡沫剂：白色粉末，CCW-2008型，中国建筑材料科学研究总院研制。具有起泡、稳泡、增粘、防水功能。
3.1.2 试样制备
首先使用高速搅拌机(转速700转/min)将设定比例的泡沫剂水溶液制成泡沫，搅拌时间以泡沫达到均匀、细小、稳定为准。再按设定比例计量水泥、粉煤灰和水，使用砂浆搅拌机将其搅拌成均匀浆体，搅拌时间控制在180s。然后在浆体中加入一定体积的泡沫，继续搅拌至均匀为止，预计时间在180s左右。采用固定混合料体积法和原材料重量法来控制泡沫混凝土混合料密度，进而控制泡沫混凝土密度。成型好的试件在室内放置，用塑料布覆盖。2d-5d(时间长短视CFC密度而定)后脱模，在室内密封条件下养护至试验龄期。
3.1.3 性能测试
测试试件28d龄期的抗压强度、绝干密度和吸水率，试验方法参照JC/T 1062-2007《泡沫混凝土砌块》进行。试件尺寸为100mm×100mm×100mm。
3.2 试验结果
泡沫混凝土设计绝干密度ρ干取400kg/m³、500kg/m³、600kg/m³、700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，对应的基本水料比w分别取0.69、0.64、0.60、0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰掺量η取0、10%、20%、30%和40%。测试28d龄期泡沫混凝土的抗压强度和绝干密度。粉煤灰掺量为0、10%、20%、30%和40%时，泡沫混凝土绝干密度与抗压强度相关性回归曲线见图1、图2、图3、图4和图5。回归结果列于表2。
显然，不论是否掺加粉煤灰，还是粉煤灰掺量有所变化，泡沫混凝土抗压强度与绝干密度之间具有良好的相关性。即在组成、配比和制备工艺相同的前提下，泡沫混凝土抗压强度与绝干密度基本是一一对应。而粉煤灰掺量则对泡沫混凝土抗压强度值产生影响。
图1 粉煤灰掺量为0时泡沫混凝土密度与抗压强度相关性
[Page]
图2 粉煤灰掺量为10%时泡沫混凝土密度与抗压强度相关性
图3 粉煤灰掺量为20%时泡沫混凝土密度与抗压强度相关性
图4 粉煤灰掺量为30%时泡沫混凝土密度与抗压强度相关性
图5 粉煤灰掺量为40%时泡沫混凝土密度与抗压强度相关性
表2 泡沫混凝土抗压强度与绝干密度的乘幂方程式
|
序号 |
粉煤灰掺量(%) |
乘幂方程式 |
R2 |
绝干密度范围(kg/m³) |
备注 |
|
1 |
0 |
R压=3´10-8r干2.8661 |
0.9862 |
420-1070 |
R压为泡沫混凝土28d抗压强度 |
|
2 |
10 |
R压=3´10-8r干2.8432 |
0.9935 |
420-1040 | |
|
3 |
20 |
R压=4´10-9r干3.1678 |
0.9948 |
420-1080 | |
|
4 |
30 |
R压=9´10-10r干3.3786 |
0.9853 |
540-1030 | |
|
5 |
40 |
R压=5´10-10r干3.4503 |
0.9605 |
690-1010 |
4 粉煤灰掺量对泡沫混凝土性能的影响
泡沫混凝土设计绝干密度ρ干取700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，对应的基本水料比ω分别取0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰掺量η取0、10%、20%、30%和40%。含有不同掺量粉煤灰的泡沫混凝土，其28d抗压强度计算结果列于图6。结果表明，在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料体系泡沫混凝土中，粉煤灰占有适当比例，将有助于提高泡沫混凝土强度，而且可降低成本，降低收缩率，提高抗裂性(见图7)。
粉煤灰中含有70%以上的玻璃体，主要成分是SiO2和Al2O3。在强碱激发作用下将显现胶凝活性。在泡沫混凝土中，水泥因水化不断放出强碱Ca(OH)2，与粉煤灰产生化学反应，生成具有胶凝性能的水化硅酸钙、低硫型和高硫型水化硫铝酸钙，促进泡沫混凝土强度增长。
在早期，粉煤灰几乎不发生火山灰反应，因此随粉煤灰掺量增加，混凝土抗压强度降低。表现为掺加粉煤灰的泡沫混凝土试块脱模时间长，低绝干密度泡沫混凝土表现极为明显。随着泡沫混凝土养护龄期增加，粉煤灰火山灰作用和水泥水化反应的促进作用，以及粉煤灰微集料效应，掺加适量粉煤灰的泡沫混凝土抗压强度可以达到和超过纯水泥泡沫混凝土(也称泡沫水泥)。在本研究中，粉煤灰适宜掺量为20%。
图6 粉煤灰掺量与泡沫混凝土抗压强度
(a) 不掺加粉煤灰泡沫混凝土试块(b) 掺加50%粉煤灰泡沫混凝土试块
图7 泡沫混凝土试块外观质量
5 结 论
(1) 组成是影响泡沫混凝土强度的首要因素，主要包括水泥品种和强度等级、骨料种类与绝干密度、粉煤灰品质、外加剂品种和发泡倍数等。
(2) 泡沫混凝土配合比设计可依据固定原材料重量法和固体混合料体积法进行。即控制单位体积泡沫混凝土浆体中固体组分量和固体组分比例优化。
(3) 在组成、配比和制备工艺相同的前提下，泡沫混凝土抗压强度与绝干密度之间具有良好的相关性。通过检测泡沫混凝土湿密度，进而控制泡沫混凝土绝干密度，从而达到控制泡沫混凝土抗压强度的目的。
(4) 在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料体系泡沫混凝土中，掺加适量粉煤灰将有助于提高泡沫混凝土抗压强度，提高抗裂性，同时可降低生产成本。
参考文献
[1] 王武祥.泡沫混凝土在房屋建筑中的应用.房材与应用.1998.6(3):3-6.
[2] 王武祥.泡沫混凝土砌块的性能与生产.广东建材.1999(6):40-42.
[3] 王武祥,刘宁,罗栓定.泡沫混凝土在引黄工程洞穿管回填中应用.混凝土与水泥制品.2002,8(4):12-15.
[4] 王武祥,谢尧生.泡沫混凝土在建筑物补偿地基中的应用.新型建筑材料.1997.7(7)：40-42.
【作者简介】 王武祥(1966-),中国建筑材料科学研究总院混凝土研究室主任，教授级高级工程师，主要从事墙体屋面保温材料、新型墙体材料、泡沫混凝土及制品、特种工程与功能材料的研究与开发。
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