摻合料及發(fā)泡劑種類對承重泡沫混凝土性能的影響研究

沈陽，杜貴正，陳翔飛，馮興國，曾誠，張海波，邱磊

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州311122；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京210098）

0 引言

近年來，隨著綠色建筑和節(jié)能建筑的推廣應用，對承重泡沫混凝土的需求日益增加。承重泡沫混凝土具有隔熱保溫、抗水減震的功能，作為承重墻體的砌筑材料可取代傳統(tǒng)黏土磚，節(jié)約了大量黏土及礦山資源，保護了自然環(huán)境[1]。與傳統(tǒng)混凝土相比，承重泡沫混凝土密度較低，能大大降低結構物自重，進而減少地基沉降。同時與普通泡沫混凝土相比，承重泡沫混凝土有足夠的強度，滿足結構物穩(wěn)定性和各種建筑功能需求[2]。

學者們對泡沫混凝土的配合比[3-6]、原料配比[7-8]、孔隙結構[9-10]、隔熱性能[11]等進行了廣泛研究?？傮w而言，泡沫混凝土強度不足和吸水率偏高是阻礙其推廣應用的關鍵問題，尤其是部分泡沫混凝土砌塊構筑的墻體因強度不足導致后續(xù)裝修時空調等家電懸掛困難。因此，研發(fā)強度更高且具有一定承重性能的泡沫混凝土具有廣泛應用前景。目前，承重泡沫混凝土的發(fā)泡劑仍有待進一步研究，料漿中氣泡失穩(wěn)導致其凝結硬化后基體氣孔分布不均，制約著泡沫混凝土強度的提高[12]。針對該問題，本文研究了摻合料和發(fā)泡劑對承重泡沫混凝土性能的影響，結果為研發(fā)承重泡沫混凝土提供參考。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

水泥：海螺牌，P·O42.5；摻合料：（1）磚粉，使用顎式破碎機破碎廢棄磚塊得到，直徑為0.1～1.0 mm；（2）粉煤灰，來自電廠，Ⅰ級；試驗所用的磚粉和粉煤灰如圖1所示；發(fā)泡劑：十二烷基硫酸鈉發(fā)泡劑（SDS）和動物蛋白發(fā)泡劑；穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣粉末。

圖1 摻合料照片

1.2 試驗方法

按照表1所示的配合比配制泡沫混凝土，其中發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑按照膠凝材料的質量百分比進行添加。按照設計配合比進行泡沫混凝土拌制，將拌和后的漿體材料澆注到70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，用保鮮膜覆蓋養(yǎng)護24 h后脫模，然后放進標準養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護，在養(yǎng)護14 d和28 d后用萬能試驗機測試泡沫混凝土的抗壓強度，并用掃描電鏡觀察泡沫混凝土的氣孔結構和水化產物。

表1 泡沫混凝土的配合比

2 結果與討論

2.1 摻合料對承重泡沫混凝土強度的影響

試驗研究了不同摻量磚粉和粉煤灰對泡沫混凝土強度和密度的影響，結果如表2所示。

表2 不同摻合料制備承重泡沫混凝土的密度

由表2可以發(fā)現(xiàn)：（1）隨著磚粉摻量增加，泡沫混凝土的密度有所提高，但抗壓強度卻明顯降低；（2）隨著粉煤灰摻量的增大泡沫混凝土的密度也有所提高，其抗壓強度也有較大程度提高，尤其是B2組28 d的抗壓強度達到了5.52 MPa；（3）在相同低摻量時（20%），磚粉泡沫混凝土的強度高于粉煤灰泡沫混凝土，而高摻量時（40%），粉煤灰泡沫混凝土的強度更高。結合表1的配合比可知，在提高粉煤灰摻量時適當降低水泥用量還可提高承重泡沫混凝土強度。因此，綜合經濟性分析可知，粉煤灰比磚粉更適于制備承重泡沫混凝土。

2.2 發(fā)泡劑對承重泡沫混凝土性能的影響

試驗研究了十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑和動物蛋白發(fā)泡劑對泡沫混凝土抗壓強度和密度的影響，如表3所示。

表3 不同發(fā)泡劑對承重泡沫混凝土性能的影響

由表3可見，使用動物蛋白發(fā)泡劑的A3組試樣抗壓強度明顯低于使用十二烷基硫酸鈉（SDS）化學發(fā)泡劑的A1組試樣；用動物蛋白發(fā)泡劑的泡沫混凝土在密度更大的條件下，其抗壓強度僅為使用十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡的泡沫混凝土的1/2左右。對于粉煤灰泡沫混凝土而言，使用動物蛋白發(fā)泡劑的B3組試樣密度有所增加，但其抗壓強度幾乎是使用十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑的B1組試樣抗壓強度的4倍，最大強度可達10.91 MPa。因此，使用磚粉作摻合料的泡沫混凝土宜采用十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑；而使用粉煤灰作摻合料的泡沫混凝土宜采用動物蛋白發(fā)泡劑。按照m（水泥）∶m（粉煤灰）=4∶1，摻加2%動物蛋白發(fā)泡劑的B3組泡沫混凝土密度為1230 kg/m3，28 d抗壓強度超過10 MPa，具有良好的綜合性能，可用于生產承重泡沫混凝土。

2.3 承重泡沫混凝土的微觀結構分析

在養(yǎng)護28 d后對不同摻合料摻量、不同種類發(fā)泡劑制備的泡沫混凝土進行掃描電鏡分析，結果如圖2、圖3所示。

圖2 采用磚粉作為摻合料的泡沫混凝土掃描電鏡照片

圖3 采用粉煤灰作為摻合料的泡沫混凝土掃描電鏡照片

由圖2可見，隨著磚粉摻量的增加（A1和A2），板狀、棒狀的鈣礬石等水化產物量明顯減少，加上磚粉與水泥之間難以發(fā)生水化反應，因此，磚粉顆粒與水化產物之間的連接并不緊密。在采用動物蛋白發(fā)泡劑的磚粉泡沫混凝土中（A3），相對于化學發(fā)泡劑的A1試樣其水化產物分布不均勻，因而其抗壓強度低于A1試樣。

由圖3可見，在采用粉煤灰作為摻合料的泡沫混凝土中，隨著粉煤灰摻量的增加（B1和B2）水化產物的含量明顯增加，如表2所示，B2試樣的抗壓強度明顯高于B1，這與粉煤灰顆粒與水泥水化產物進一步發(fā)生膠凝反應有關[1]。在采用動物蛋白發(fā)泡劑的泡沫混凝土中（B3），水化產物緊密包裹在粉煤灰顆粒周圍，因此相對于采用十二烷基硫酸鈉發(fā)泡的B1組泡沫混凝土試樣，其抗壓強度顯著提高。

除水化產物外，氣孔結構也對泡沫混凝土性能具有重要影響，為對比十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑和動物蛋白發(fā)泡劑對泡沫混凝土中氣孔結構的影響，觀察了2種發(fā)泡劑所制備粉煤灰泡沫混凝土的氣孔結構，如圖4所示。

圖4 粉煤灰泡沫混凝土中B1、B3組試樣氣孔形態(tài)

由圖4可以看出，采用十二烷基硫酸鈉（SDS）發(fā)泡劑的B1組試樣其氣孔孔徑分布不均，泡沫混凝土中有大量孔徑在10 μm左右的氣孔和少量約150 μm的超大孔隙；而采用動物蛋白發(fā)泡劑的B3組試樣其氣孔孔徑則更加均勻，孔隙集中分布在50～100 μm，因而其宏觀上體現(xiàn)出抗壓強度提高的特性。因此，在制備粉煤灰承重泡沫混凝土時，采用動物蛋白發(fā)泡劑更為適宜。

3 結 論

（1）隨著磚粉和粉煤灰摻量的增加，承重泡沫混凝土的密度都有所提高，但磚粉泡沫混凝土的抗壓強度有所降低，而粉煤灰泡沫混凝土的抗壓強度明顯升高。在相同的低摻量（20%）時磚粉泡沫混凝土的強度高于粉煤灰泡沫混凝土，但高摻量（40%）時粉煤灰泡沫混凝土的強度更高。總體而言，粉煤灰更適宜作為摻合料用于承重泡沫混凝土的生產，可減少水泥用量，從而降低成本。

（2）十二烷基硫酸鈉適宜用于磚粉泡沫混凝土的發(fā)泡，動物蛋白發(fā)泡劑適宜用于粉煤灰泡沫混凝土的發(fā)泡；在粉煤灰承重泡沫混凝土中，動物蛋白發(fā)泡劑的氣孔比十二烷基硫酸鈉發(fā)泡劑的氣孔更加均勻。

（3）按照m（水泥）∶m（粉煤灰）=4∶1，采用2%動物蛋白發(fā)泡劑的泡沫混凝土密度為1230 kg/m3，28 d抗壓強度為10.91 MPa，具有較為適宜的強度和密度。