一種固廢粉煤灰泡沫混凝土綠色建材性能研究

姚志榮,張全勝,薛鵬飛,劉俊國

(1.烏蘭察布市城市管理綜合行政執(zhí)法局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000;2.烏蘭察布市城市規(guī)劃建筑設(shè)計院有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000;3.內(nèi)蒙古乾峰新型建材有限公司,內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

0 引言

綠色發(fā)展是新時代高質(zhì)量發(fā)展的重要組成部分，習(xí)近平總書記在黨的十九大報告中多次強調(diào)“綠水青山就是金山銀山”的理念，推廣使用綠色建材并提高建筑節(jié)能水平作為發(fā)展綠色建筑的途徑之一，是實現(xiàn)綠色建筑的必要保證，同時也是推進新型城鎮(zhèn)化建設(shè)、生態(tài)文明建設(shè)的主要抓手[1]。內(nèi)蒙古自治區(qū)作為全國火力發(fā)電的主要省份之一，全區(qū)粉煤灰年總產(chǎn)生量近7 000萬t，但綜合利用率僅為30%左右[2]，遠低于《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見》中全國55%的平均利用率，大量固廢就地堆存，給脆弱的草原生態(tài)帶來巨大壓力[3]。

泡沫混凝土作為一種綠色節(jié)能建材，兼具輕質(zhì)、保溫、耐火等特點，由于它在應(yīng)用中存在強度偏低、開裂、吸水等缺陷[4]，為進一步提升泡沫混凝土的物理力學(xué)性能，研究學(xué)者們做了大量的研究工作。通過調(diào)配外加劑、摻入輕質(zhì)材料等方式提升材料的熱工性能[5-6]；通過摻入纖維解決泡沫混凝土存在的干燥收縮開裂問題[7-9]；通過在泡沫混凝土中引入填料，提高材料的密實性，達到提升其力學(xué)性能的目標(biāo)[10-12]。盡管有大量提升泡沫混凝土材料性能的研究報道，然而摻入石英粉和石英砂提升泡沫混凝土抗壓強度并基于灰熵分析法做討論研究的報道較少。

基于以上論述，本試驗研究以水泥和粉煤灰為膠凝材料，摻入石英粉和石英砂，采用化學(xué)發(fā)泡的方法制備泡沫混凝土，研究各因素對材料抗壓強度的影響。

1 試驗

1.1 試驗原材料

普通硅酸鹽水泥(42.5)，由筑安水泥廠生產(chǎn)，其化學(xué)成分及物理性質(zhì)如表1，表2所示。Ⅱ級粉煤灰由烏蘭察布市卓資發(fā)電有限公司生產(chǎn)，性能指標(biāo)如表3所示；采用包頭明商環(huán)保有限公司生產(chǎn)的石英砂和石英粉，細度分別為40目～70目、200目；聚羧酸高效減水劑，由內(nèi)蒙古北騰工程材料有限公司生產(chǎn)，淡黃色液體，減水率37%；聚丙烯纖維，單纖長度12 mm，其物理性能指標(biāo)如表4所示，穩(wěn)泡劑選用羥丙基甲基纖維素HPMC，20萬黏度，纖維、穩(wěn)泡劑均由廊坊雙森建材有限公司生產(chǎn)；采用由天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的工業(yè)級雙氧水，H2O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，二氧化錳，黑色無定形粉末；自來水。

表1 水泥各化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 水泥物理力學(xué)指標(biāo)

表3 粉煤灰性能指標(biāo) %

表4 聚丙烯纖維性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計

新型固廢粉煤灰泡沫混凝土的原材料包括膠凝材料(水泥+粉煤灰)、集料(石英砂+石英粉)、水以及外加劑。原料的配比會直接影響材料的性能，研究水膠比、粉煤灰摻量、集料摻量對材料抗壓強度的影響。本試驗水膠比(質(zhì)量比)選取0.4,0.45,0.5,0.55和0.6，粉煤灰摻量為10%,20%,30%,40%和50%，集料摻量為40%,50%,60%,70%和80%，其中石英粉與石英砂的質(zhì)量比為7∶3，試驗中所涉及的比例均為相對于膠凝材料的質(zhì)量百分比，具體配合比設(shè)計如表5所示。

表5 試驗配比參數(shù)及具體配比

1.3 制備方法

把水泥、粉煤灰、石英砂、石英粉、聚丙烯纖維使用電子天平按照配比用量精確稱量后加入攪拌桶內(nèi)使用手持式攪拌機充分均勻攪拌3 min～5 min，使干物料混合均勻；將聚羧酸高效減水劑和水均勻混合倒入攪拌桶內(nèi)，以150 r/min～200 r/min的攪拌速率攪拌10 min，得到均勻料漿；依次把發(fā)泡劑雙氧水(H2O2)、催化劑二氧化錳(MnO2)和穩(wěn)泡劑羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)加入攪拌桶內(nèi)，以200 r/min以上的攪拌速率快速攪拌1 min，得到泡沫混凝土料漿；將攪拌完成的泡沫混凝土料漿倒入不同尺寸的試模靜置24 h后，用手持式電鋸切去高出試模高度的面包頭，完成拆模，拆模后放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

1.4 試驗方法

1.4.1 干密度

依據(jù)中國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 266—2011 泡沫混凝土進行試驗。試件的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組試件逐塊量取長、寬、高三個方向的長度值，取每個方向測量的平均值作為該方向的長度值并計算每塊試件的體積V。使用HS841-6型電熱鼓風(fēng)干燥箱并調(diào)節(jié)其溫度為60 ℃，烘干至前后兩次相隔4 h的質(zhì)量差不大于1 g，取出試件后放在干燥器皿內(nèi)冷卻至室溫并用電子天平稱取其烘干質(zhì)量m0。試塊干密度的計算公式如式(1)所示，每組試件的干密度值為3塊試件干密度的平均值，精確至1 kg/m3。

(1)

其中，ρ0為試件干密度，kg/m3，精確至0.1；m0為試件烘干后質(zhì)量，g；V為試件體積，mm3。

1.4.2 抗壓強度

依據(jù)中國建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 266—2011泡沫混凝土進行試驗。試件的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，首先，在測試前將試件放在60 ℃的HS841-6型電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干至前后兩次時間間隔4 h質(zhì)量差不大于1 g時的恒質(zhì)量并測量其長度值計算試件受壓面積A；其次，開啟試驗機，當(dāng)上壓板與試件接近時，緩慢調(diào)整使之均勻接觸，根據(jù)試件不同強度等級合理調(diào)整其加壓速度，連續(xù)均勻加荷，直至試件破壞并記錄最大破壞荷載F；最后，利用式(2)計算得到試塊的抗壓強度，每組試件的抗壓強度取3塊的平均值，計算結(jié)果精確至0.01 MPa。

(2)

其中，f為試件抗壓強度，MPa；F為試件破壞荷載，N；A為試件受壓面積，mm2。

2 結(jié)果與分析

新型粉煤灰泡沫混凝土干密度和7 d,14 d，28 d抗壓強度試驗結(jié)果見表6，針對得到的試驗結(jié)果研究分析討論水膠比、粉煤灰摻量、集料摻量對新型粉煤灰泡沫混凝土抗壓強度的影響。

2.1 水膠比對抗壓強度的影響

水膠比是影響新型粉煤灰泡沫混凝土材料的重要因素之一，為探究水膠比對新型粉煤灰泡沫混凝土抗壓強度的影響，固定纖維、外加劑等因素不變，根據(jù)表6抗壓強度試驗結(jié)果繪制水膠比與抗壓強度關(guān)系圖(如圖1所示)。由圖1可知，隨著水膠比的增加，新型粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗壓強度呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢，水膠比(質(zhì)量比)在0.5時，對應(yīng)的抗壓強度試驗值最大，主要原因是水膠比太低，料漿稠度太大，造成發(fā)泡形成的孔徑不均，強度較低，隨著水膠比的增加這一情況得到改善，材料的抗壓強度有所提升，但隨著水膠比的繼續(xù)增大，料漿就會出現(xiàn)逸出、冒泡的現(xiàn)象，強度降幅較大。

表6 干密度和抗壓強度測試結(jié)果

為進一步研究新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度與水膠比之間的定量關(guān)系，利用origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，調(diào)用Origin Basic Functions類別，采用Gauss Amp函數(shù)進行擬合，試驗值與擬合曲線如圖2所示。新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度與水膠比的函數(shù)關(guān)系式如式(3)所示，其相關(guān)系數(shù)R2=0.934 06，擬合程度良好。

f=-8 251.738 75+8 255.759 56exp[-0.5×((x-0.489 72)/7.840 74)2]

(3)

其中,f為新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度，MPa；x為新型粉煤灰泡沫混凝土水膠比。

2.2 粉煤灰摻量對抗壓強度的影響

粉煤灰作為輔助膠凝材料替代水泥不僅能夠?qū)崿F(xiàn)固廢利用，還能一定程度上改善材料的性能，降低材料成本造價。根據(jù)表6抗壓強度試驗結(jié)果繪制粉煤灰摻量與抗壓強度關(guān)系圖(如圖3所示)。由圖3可知，隨著粉煤灰摻量的增加，新型粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗壓強度呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢，7 d,14 d抗壓強度在粉煤灰摻量30%時試驗值達到最大，而28 d抗壓強度在粉煤灰摻量30%時試驗值達到最大，分析原因主要是粉煤灰等質(zhì)量取代水泥，使得水化反應(yīng)的速率降低，需要更長的時間完成凝結(jié)和硬化，而且合適摻量的粉煤灰能夠提高材料的后期強度[13-15]。

為進一步研究新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度與粉煤灰摻量之間的定量關(guān)系，利用origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，調(diào)用Piecewise類別，采用PWL2函數(shù)進行擬合，試驗值與擬合曲線如圖4所示。新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度與粉煤灰摻量的函數(shù)關(guān)系式如式(4)所示，其相關(guān)系數(shù)R2=0.999 78，擬合程度良好。

(4)

其中，f為新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度，MPa；y為新型粉煤灰泡沫混凝土粉煤灰摻量。

2.3 集料摻量對抗壓強度的影響

石英砂和石英粉作為集料摻入到新型粉煤灰泡沫混凝土中的目的就是提升材料的抗壓強度，使得材料向著結(jié)構(gòu)保溫一體化方向發(fā)展。根據(jù)表6抗壓強度試驗結(jié)果繪制集料摻量與抗壓強度關(guān)系圖(如圖5所示)。由圖5可知，隨著集料摻量的增加，新型粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗壓強度呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢，究其原因是緣于石英砂和石英粉重集料的特性以及其對于料漿填充孔隙并包裹表面，使得新型粉煤灰泡沫混凝土的密實性提升，但過量的石英砂和石英粉會對膠凝材料的水化反應(yīng)具有抑制作用，減緩反應(yīng)的進行，致使水化不完全。

為進一步研究新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度與集料摻量之間的定量關(guān)系，利用origin軟件對試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，調(diào)用Origin Basic Functions類別，采用Gauss Amp函數(shù)進行擬合，試驗值與擬合曲線如圖6所示。新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度與集料摻量的函數(shù)關(guān)系式如式(5)所示，其相關(guān)系數(shù)R2=0.986 01，擬合程度良好。

f=3.814 71+0.589 07exp[-0.5×((z-73.010 78)/10.372 61)2]

(5)

其中，f為新型粉煤灰泡沫混凝土28 d抗壓強度，MPa；z為新型粉煤灰泡沫混凝土集料摻量。

3 結(jié)語

1)隨著水膠比的增加，新型固廢粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗壓強度呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢，水膠比(質(zhì)量比)在0.5時，對應(yīng)的抗壓強度試驗值最大。

2)隨著粉煤灰摻量的增加，新型固廢粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗壓強度呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢，7 d,14 d抗壓強度在粉煤灰摻量30%時試驗值達到最大，而28 d抗壓強度在粉煤灰摻量30%時試驗值達到最大。

3)隨著集料摻量的增加，新型固廢粉煤灰泡沫混凝土7 d,14 d和28 d抗壓強度呈現(xiàn)出先提升后降低的趨勢，集料摻量為70%時，對應(yīng)的抗壓強度試驗值最大。