輕質(zhì)泡沫混凝土配制工藝影響因素的試驗(yàn)研究

張 可，郭自利，劉家寶，潘 登

（北京清華大學(xué)土木工程系，北京 100084）

泡沫混凝土的傳統(tǒng)定義是指用機(jī)械方法將摻有泡沫劑的水溶液制備成泡沫，加入到含硅質(zhì)材料（砂、粉煤灰）、鈣質(zhì)材料（石灰、水泥）、水及助劑組成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的一種輕質(zhì)多孔混凝土。攪拌使材料的硬質(zhì)微粒黏附到泡沫的外殼上面，泡沫的氣泡就變?yōu)榛ハ喔糸_的單個(gè)氣泡。拌合物中的孔洞分布越均勻、尺寸越小，則泡沫混凝土強(qiáng)度越高。這里要特別指出的是泡沫混凝土和加氣混凝土之間還是存在一定差別的，從本質(zhì)上來講，泡沫混凝土也是一種加氣混凝土，它實(shí)際上是加氣混凝土的一個(gè)特殊品種，其孔結(jié)構(gòu)和材料性能都接近于加氣混凝土，在主要用途上也很類似。但兩者之間還是存在一些不同。第一，加氣混凝土氣孔是橢圓形球體，而泡沫混凝土氣孔既可以是橢圓形也可以是多面體；第二，發(fā)泡方法不同，加氣混凝土是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，形成氣孔，而泡沫混凝土是通過機(jī)械制泡將泡沫加入混凝土漿體形成氣孔，總的來說，二者的氣孔結(jié)構(gòu)和性能沒有根本性區(qū)別。

泡沫混凝土的突出特點(diǎn)就在于其質(zhì)輕。泡沫混凝土的干體積密度一般相當(dāng)于粘土磚的1/3～1/10左右，普通水泥混凝土的1/5～1/10左右，也低于一般輕骨料混凝土，因而可以極大的減少建筑物自重。另外一個(gè)特點(diǎn)就是保溫性能好。由于泡沫混凝土的內(nèi)部含有大量氣泡和微孔，因而有良好的絕熱性能。實(shí)踐證明，我國(guó)北方地區(qū)用20cm厚的泡沫混凝土外墻，其保溫效果與49cm的粘土磚墻相當(dāng)，從而增加了建筑物使用面積。除了上述兩個(gè)特點(diǎn)之外，抗震性能優(yōu)異、隔音效果好、具有一定的調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的作用等也是泡沫混凝土的突出特點(diǎn)，這也是為什么目前國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫混凝土的研究非常關(guān)注的原因。

除了運(yùn)用在一般建筑物上，泡沫混凝土最新的運(yùn)用是作為機(jī)場(chǎng)跑道安全阻滯材料。當(dāng)飛機(jī)在起飛降落過程中因事故沖出跑道之時(shí)，就會(huì)沖入泡沫混凝土形成的阻滯床。由于泡沫混凝土的微孔結(jié)構(gòu)具有吸能作用，可以有效吸收失事飛機(jī)的沖擊能量，迫使飛機(jī)在泡沫混凝土阻滯床中停止滑沖，獲得攔阻，從而避免發(fā)生事故，而由于其質(zhì)輕，即使在飛機(jī)沖撞中碎裂飛起，也不會(huì)對(duì)飛機(jī)及人員造成傷害。相比于其它泡沫材料，例如泡沫塑料、泡沫玻璃及泡沫陶瓷等，泡沫混凝土不易老化，環(huán)保而且造價(jià)低廉，最終被選為合適的機(jī)場(chǎng)跑道攔阻材料。

目前在利用泡沫混凝土做機(jī)場(chǎng)攔阻材料這一研究領(lǐng)域中，美國(guó)是較早開始并且水平較為領(lǐng)先的國(guó)家。在1986年，美國(guó)正式啟動(dòng)研發(fā)，最初稱之Engineered Material Arresting System，簡(jiǎn)稱EMAS。經(jīng)過了幾十年的研發(fā)過程，形成了一個(gè)完整的技術(shù)體系和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，正式命名為GBS系統(tǒng)（Ground Braking System）。其中包括泡沫混凝土制動(dòng)材料的制造、動(dòng)態(tài)力學(xué)數(shù)值分析方法、仿真軟件開發(fā)及應(yīng)用等，并申請(qǐng)了國(guó)際專利，初步形成了對(duì)這一技術(shù)領(lǐng)域的壟斷。近年來，隨著我國(guó)航空業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)場(chǎng)建設(shè)越來越多，而從國(guó)外引入泡沫混凝土阻滯系統(tǒng)費(fèi)用卻相當(dāng)高昂，所以發(fā)展自己的泡沫混凝土阻滯系統(tǒng)就顯得迫在眉睫。2010年8月，民航總局組織了專家鑒定會(huì)，得出結(jié)論：我國(guó)泡沫混凝土阻滯材料已達(dá)到了國(guó)外的技術(shù)水平，可以在中國(guó)機(jī)場(chǎng)應(yīng)用。

《輕質(zhì)泡沫混凝土配制工藝影響因素的試驗(yàn)研究》是國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目《輕質(zhì)泡沫混凝土的配制及基本性能的試驗(yàn)研究》中的部分研究?jī)?nèi)容。本課題在改進(jìn)傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，采用發(fā)泡劑與膠結(jié)料同摻同攪拌新工藝配制出不同表觀密度的泡沫混凝土。傳統(tǒng)工藝制備泡沫混凝土工藝較為復(fù)雜，泡沫破損多，料漿均勻性差影響泡沫混凝土的質(zhì)量。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)用原材料主要為PO 42.5水泥、SAR42.5水泥、氟石膏、皂角復(fù)合發(fā)泡劑等。

1）普通硅酸鹽水泥

生產(chǎn)廠家：北京水泥廠。強(qiáng)度等級(jí)：PO 42.5，強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2）快硬硫鋁酸鹽水泥

生產(chǎn)廠家：唐山六九水泥。強(qiáng)度等級(jí)：SAR42.5水，水泥膠砂結(jié)果見表2。

表2 水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3）氟石膏

山東萊蕪汶河化工有限公司提供，氟石膏是該廠生產(chǎn)氟化鋁的工業(yè)廢料，成分見表3。

表3 氟石膏主要成分 w/%

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了考察水膠比、發(fā)泡劑摻量、攪拌時(shí)間等三因素對(duì)泡沫混凝土表觀密度的影響，采用了3因素4水平的正交試驗(yàn)方法，進(jìn)行泡沫混凝土配制試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中膠凝材料配比：PO42.5水泥280g，SAR42.5水泥400g，氟石膏120g。表4為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3 泡沫混凝土料漿與測(cè)試試件制備

泡沫混凝土料漿用水泥膠砂攪拌機(jī)攪拌。首先將稱好的水泥等膠凝材料與發(fā)泡劑一起加入攪拌鍋內(nèi)，慢速干拌10s后加入水慢攪30s，再快速攪拌180s以上。攪拌好的泡沫混凝土料漿就可以測(cè)試料漿密度和成型試件。試件尺寸為40mm×40mm×160mm。成型的試件（20±5）℃室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，24h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，達(dá)到7d齡期后取出，放入烘箱中烘干，干燥后測(cè)試干表觀密度、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 泡沫混凝土抗折和抗壓強(qiáng)度分析

泡沫混凝土抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：泡沫混凝土的抗折、抗壓強(qiáng)度與其料漿表觀密度的關(guān)系為正相關(guān)，隨著料漿表觀密度的增加，抗折、抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)的速率明顯加快，原因是隨著料漿表觀密度的增加，混凝土內(nèi)的泡沫數(shù)量在減少、體積在減小，從而混凝土內(nèi)部孔隙率減少，強(qiáng)度相應(yīng)增加。料漿表觀密度低于600kg/m3后，抗折強(qiáng)度小于0.5MPa，抗壓強(qiáng)度小于2.5MPa；料漿表觀密度低于400kg/m3，抗折強(qiáng)度小于0.2MPa，抗壓強(qiáng)度小于0.5MPa。

表5 泡沫混凝土力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.2 泡沫混凝土表觀密度極差與方差分析

試驗(yàn)中測(cè)試了泡沫混凝土料漿表觀密度、干表觀密度并分別進(jìn)行了極差分析和方差分析見表6，表7。

從表6的結(jié)果可以看出，在我們所考慮的三個(gè)可能影響泡沫混凝土料將表觀密度的因素中，時(shí)間所產(chǎn)生的影響是最大的，其次為水膠比，發(fā)泡劑摻量的影響程度相對(duì)較小。而在我們所劃分的四個(gè)等級(jí)得到的最優(yōu)組合（料將表觀密度最?。樗z比0.59，皂角粉17.6g，攪拌時(shí)間9min。按照試驗(yàn)得出的最優(yōu)組合，我們重新進(jìn)行了試驗(yàn)，得到的料漿表觀密度為264kg/m3。

將試件烘干后得到泡沫混凝土干表觀密度，對(duì)干表觀密度的極差分析結(jié)果亦如表6所示。

按照表6的結(jié)果，干表觀密度的分析結(jié)果同料漿表觀密度相同，在試驗(yàn)涉及到的三個(gè)因素中，時(shí)間對(duì)泡沫混凝土干表觀密度產(chǎn)生的影響是最明顯的，其后依次為水膠比和發(fā)泡劑摻量。對(duì)泡沫混凝土料漿表觀密度及干料漿表觀密度得到的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步方差分析，結(jié)果見表7、表8。

表6 料漿表觀密度及干表觀密度極差分析

從表7、表8結(jié)果可以看出，對(duì)于泡沫混凝土的料漿表觀密度，無論是水膠比、皂角粉摻量，還是攪拌時(shí)間，對(duì)其的影響都是特別顯著，只是相比較之下影響程度不同而已。為了進(jìn)一步確定影響因素與表觀密度之間的關(guān)系，我們對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，回歸分析見表9。

表7 料漿表觀密度正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

表8 干表觀密度正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

表9 回歸分析

在線性回歸中，通常我們認(rèn)為當(dāng)相關(guān)系數(shù)R大于0.95時(shí)復(fù)合程度較好。對(duì)于本試驗(yàn)料漿表觀密度和干表觀密度的線性回歸相關(guān)系數(shù)都在0.98以上，因此我們認(rèn)為復(fù)合程度較好。

對(duì)于得到的回歸方程，我們進(jìn)行了4組驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)置如下，除了正交試驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的因素變化之外，其余配比與之前試驗(yàn)不變。

從表10中可以看出，當(dāng)需要配置的泡沫混凝土表觀密度較小或較大時(shí)，回歸方程并不十分準(zhǔn)確，而在中間段時(shí)，利用回歸方程得到的理論表觀密度和實(shí)際表觀密度十分接近，所以回歸方程的適用范圍是有一定局限性的，具體使用范圍需要進(jìn)一步試驗(yàn)確定。

表10 回歸方程驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

a.采用膠凝材料和發(fā)泡劑同摻同攪工藝，可以配制出300～1 000kg/m3不同表觀密度的泡沫混凝土；

b.正交試驗(yàn)極差和方差分析結(jié)果表明：水膠比、發(fā)泡劑摻量、攪拌時(shí)間對(duì)泡沫混凝土的表觀密度都有顯著影響，其中以攪拌時(shí)間的影響最為明顯；水膠比越大，發(fā)泡劑摻量越多，攪拌時(shí)間越長(zhǎng)，得到的泡沫混凝土表觀密度越?。?/p>

c.線性回歸分析結(jié)果表明：此回歸方程在一定范圍內(nèi)復(fù)合程度較好。當(dāng)需要配置的泡沫混凝土表觀密度較小或較大時(shí)，回歸方程并不十分準(zhǔn)確，在中間段時(shí)，利用回歸方程得到的理論表觀密度和實(shí)際表觀密度符合較好。

［1］ 扈士凱，李應(yīng)權(quán)，徐洛屹，等.高性能泡沫混凝土的組成、性能與生產(chǎn)［J］.墻材革新與建筑節(jié)能，2011（2）：23－25.

［2］ 何艷君.泡沫混凝土阻滯材料研發(fā)與應(yīng)用［S］.

［3］ 閆振甲，何艷君.泡沫混凝土實(shí)用生產(chǎn)技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］ 蔣冬青.泡沫混凝土應(yīng)用的新進(jìn)展［J］.中國(guó)水泥，2003（3）：46－48.

［5］ 管 文.影響泡沫混凝土吸水率的因素及改善措施［J］.建筑砌塊與砌塊建筑，2011（2）：46－48.

［6］ 李應(yīng)全，朱立德，李菊麗，等.泡沫混凝土配合比的設(shè)計(jì)［J］.徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（2）：1－5.

［7］ 蔡正泳.正交設(shè)計(jì)在混凝土中的應(yīng)用［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1985.

［8］ 金良超.正交設(shè)計(jì)與多指標(biāo)分析［M］.中國(guó)鐵道出版社，1988.