水泥基輕質(zhì)保溫材料的研制

王一達(dá)，張志國(guó)，2，劉玉瑩，董文濤，趙風(fēng)清，2

(1.河北科技大學(xué)化工學(xué)院，石家莊050018;2.河北省固體廢棄物資源化工程技術(shù)研究中心，石家莊050000)

近年來，國(guó)內(nèi)高層、超高層建筑陸續(xù)涌現(xiàn)。由于各種原因，這類高大建筑多次發(fā)生重大的火災(zāi)事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。究其原因，一是違規(guī)用火和違規(guī)施工操作，二是使用的外墻保溫材料易燃存在火災(zāi)隱患[1]，三是建筑物高大消防設(shè)備難以企及。第二種原因是造成此類事故多發(fā)的重要原因。因此，以防火等級(jí)高的無機(jī)材料取代有機(jī)材料進(jìn)行建筑保溫勢(shì)在必行。無機(jī)保溫材料主要有巖棉、玻璃棉、加氣混凝土、泡沫混凝土、保溫砂漿及新型的?；⒅椴牧系萚2，3]。與有機(jī)保溫材料相比，水泥基泡沫混凝土具有防火、耐久、隔聲、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，越來越引起人們的重視[4，5]。目前用物理發(fā)泡方式生產(chǎn)的保溫泡沫混凝土材料強(qiáng)度較低，表觀密度為300kg/m3的材料強(qiáng)度在0.2～0.3MPa，有的甚至更低。本文通過對(duì)泡沫混凝土影響因素的研究，優(yōu)化水泥基輕質(zhì)保溫材料的配比，提高制品質(zhì)量。

1 原材料

原材料包括:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;Ⅱ級(jí)粉煤灰(0.045mm方孔篩篩余38%，主要組成為 LOI 8.6%、SiO259.2%、Al2O322.4%、SO31.2%);發(fā)泡劑:市售，粉狀;激發(fā)劑:硅酸鹽、硫鋁酸鹽混合物;減水劑:萘系減水劑。纖維:耐堿玻璃纖維，長(zhǎng)度6mm。

2 試驗(yàn)方法

分別稱取水泥、粉煤灰、激發(fā)劑、減水劑、纖維和水等材料，在攪拌機(jī)中制成均勻的料漿;發(fā)泡劑加水溶解，用發(fā)泡機(jī)制成泡沫;將泡沫加入到料漿中混合均勻，然后澆筑成型;試塊在(20±1)℃條件下養(yǎng)護(hù)28d，干燥后測(cè)表觀密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)。強(qiáng)度試塊尺寸為100mm×100mm×100mm，導(dǎo)熱系數(shù)試塊尺寸為300mm×300mm×20mm。

3 結(jié)果與討論

影響泡沫混凝土性能的主要因素有水料比、泡沫、膠凝材料、礦物摻合料、纖維等[6，7]，本文就以上各影響因素對(duì)泡沫混凝土表觀密度和強(qiáng)度的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。減水劑可增加水泥的分散性，使泡沫混凝土料漿更加均勻，增加其內(nèi)聚性和黏性，有利于泡沫的穩(wěn)定[8]，試驗(yàn)中加入固定量的減水劑。

3.1 水料比

試驗(yàn)配比為水泥250kg/m3、泡沫0.9m3/m3、減水劑1kg/m3，水料比在0.4 ～0.6 之間變化，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 水料比對(duì)泡沫混凝土的影響

試驗(yàn)表明，水料比在0.4～0.6范圍變化時(shí)，試塊表觀密度基本保持不變，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的變化趨勢(shì)，當(dāng)水料比為0.45時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。水料比小時(shí)，水泥料漿稠度大、泡沫損失大，水泥組分易團(tuán)聚形成球形顆粒，這導(dǎo)致泡沫間壁水泥量減少，從而造成試塊強(qiáng)度低。增大水料比，水泥分散均勻，顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象消失，料漿的整體均勻性得到改善，強(qiáng)度提高。水料比過大時(shí)，起支撐作用的孔壁微孔增加，造成強(qiáng)度下降，還會(huì)引起泡沫離析，甚至導(dǎo)致塌陷。因此，水料比是一個(gè)重要的影響因素，存在一個(gè)合理的數(shù)值，本試驗(yàn)最佳水料比為0.45。

3.2 泡沫

試驗(yàn)配比為水泥250kg/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.45，調(diào)整泡沫摻量，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 泡沫對(duì)泡沫混凝土的影響

在泡沫混凝土中，泡沫是主要填充材料。泡沫摻量的多少直接影響泡沫混凝土的孔隙率和材料結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其綜合性能。試驗(yàn)表明，隨著泡沫摻量的增加，泡沫混凝土的氣孔量增加、表觀密度降低、抗壓強(qiáng)度下降。這是因?yàn)榧尤氲拇罅颗菽紦?jù)了水泥漿空間，使泡沫間壁變薄、支撐作用降低。泡沫也是影響泡沫混凝土性能的重要因素，根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

3.3 水泥

試驗(yàn)配比為泡沫0.9m3/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.45，調(diào)整水泥摻量，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 水泥對(duì)泡沫混凝土的影響

水泥是泡沫混凝土的強(qiáng)度來源，對(duì)其力學(xué)性能起決定性作用。一般來說，在其它條件不變的情況下，水泥摻量與泡沫混凝土的表觀密度和強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，即水泥摻量越大，泡沫混凝土的表觀密度越大、抗壓強(qiáng)度越高。泡沫間壁中，水泥水化生成的水化硅酸鈣支撐起了泡沫混凝土的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，水泥摻量越大強(qiáng)度越高。

3.4 粉煤灰

用粉煤灰部分替代水泥，研究粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土的影響。試驗(yàn)泡沫0.9m3/m3、減水劑1kg/m3、水料比0.45，激發(fā)劑摻量為粉煤灰量的0.4%，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 粉煤灰對(duì)泡沫混凝土的影響

粉煤灰是具有火山灰活性的工業(yè)副產(chǎn)物，價(jià)格低廉，在氫氧化鈣和激發(fā)劑的作用下，能發(fā)生緩慢水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣等產(chǎn)物[9]。在試塊養(yǎng)護(hù)過程中，粉煤灰與水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生二次反應(yīng)生成水化硅酸鈣，起到了膠凝作用。粉煤灰發(fā)揮了火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)作用，可以部分代替水泥使用降低生產(chǎn)成本。當(dāng)粉煤灰替代水泥量在20%以內(nèi)時(shí)，泡沫混凝土強(qiáng)度略有降低，但變化幅度小;粉煤灰替代量超過30%，強(qiáng)度下降在43%以上。本試驗(yàn)粉煤灰的適宜摻量為20%。

3.5 纖維

保溫型泡沫混凝土強(qiáng)度低，搬運(yùn)、使用不當(dāng)容易破損，引起高空墜落的安全事故。因此，泡沫混凝土中往往加入一定量的增強(qiáng)纖維。常用的纖維有聚丙烯纖維和耐堿玻璃纖維，本試驗(yàn)選用耐堿玻璃纖維進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)配比為水泥240kg/m3、粉煤灰60kg/m3、激發(fā)劑0.24kg/m3、減水劑 1kg/m3、泡沫 0.9m3/m3、水料比0.45，加入不同量的耐堿玻璃纖維，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 耐堿玻璃纖維對(duì)泡沫混凝土的影響

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在泡沫混凝土中摻入不同量耐堿玻璃纖維，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有明顯的變化。但是，試塊的柔韌性和整體性得到了改善，試塊破裂后還能保持基本完整的外形，不致碎裂和掉落碎塊，大大提高了施工的安全性。綜合成本和其作用，耐堿玻璃纖維的最佳摻量為1.5kg/m3。對(duì)表5中第二組泡沫混凝土進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，導(dǎo)熱系數(shù)為0.067 W/(m·K)。

4 結(jié)語

影響泡沫混凝土性能的主要因素有水料比、水泥、泡沫、摻合料和纖維等。合理優(yōu)化泡沫混凝土的配合比，嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝能制備出高強(qiáng)度的輕質(zhì)、防火、保溫的墻體保溫材料，提高建筑的安全性能。

[1]侯現(xiàn)紅.墻體保溫存在的問題[J].城市住宅，2011(5):58～59

[2]王隆田，袁耀明.淺析建筑保溫材料[J].建筑節(jié)能，2011(5):43～44

[3]張澤平，李珠，董彥莉.建筑保溫節(jié)能墻體的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].工程力學(xué)，2007(12):121～128

[4]閆振甲.泡沫混凝土有望成為保溫材料首選[J].混凝土世界，2010(1):22～24

[5]吳兆春.泡沫混凝土－－未來建筑節(jié)能重要的保溫材料發(fā)展方向[J].磚瓦，2012(1):58 ～60

[6]趙風(fēng)清，張志國(guó)，曹素改等.新型生態(tài)發(fā)泡混凝土的研制[J].粉煤灰，2007(3):15～17

[7]Feng Qing Zhao，Jun Qin Liu，Qian Li，etal.Study of Foamed Concrete from Activated Ash/Slag Blended Cement.Advanced Materials Reserch，2010(vol160～162):821～826

[8]管文.減水劑對(duì)泡沫混凝土性能的影響[J].新型建筑材料，2011(5):46～49

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