摻合料與外加劑對泡沫混凝土的性能影響研究

郭元強

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004）

摻合料與外加劑對泡沫混凝土的性能影響研究

郭元強

（廈門市建筑科學研究院集團股份有限公司，福建 廈門 361004）

本文通過正交設計對粉煤灰－石灰－石膏－水泥硬化膠凝材料漿體的抗壓強度進行研究，探索出泡沫混凝土基體最佳配合比。在此基礎上，添加泡沫制備泡沫混凝土，并研究了促凝劑和穩泡劑對泡沫混凝土性能的影響。研究表明摻入適量的促凝劑和穩泡劑，可以提高泡沫混凝土多方面性能，但超過一定范圍將對其性能不利。

泡沫混凝土；抗壓強度；外加劑

0 引言

近年來，隨著我國建筑節能工作的不斷深入，外墻保溫的節能方式已經逐漸普及，但隨之而來的是上海、北京等地大規模的易燃保溫材料所引發的火災，一例例建筑大火的慘痛事例無不暴露出建筑保溫與建筑防火的巨大矛盾，以及有機保溫材料耐火性能差的缺陷[1]。泡沫混凝土作為一種環保、節能材料，具有體積和密度小，且保溫、隔熱、耐火性、隔音性和抗震性優良的特點，既可工廠化生產成各種形狀的預制品，又可現場澆筑，在各類建筑，尤其是建筑節能防火中具有廣泛的應用前景，受到了人們的廣泛關注[2-4]。但泡沫混凝土也存在抗壓強度低、脫模時間長、脫模強度低、干密度較低時成型困難等不足之處[2,5-7]。為此希望在降低泡沫混凝土干密度的前提下盡可能提高其 28d 抗壓強度和脫模強度，減少脫模時間。本文通過摻入聚羧酸減水劑、促凝劑、穩泡劑和保水劑，改善泡沫混凝土漿體工作性能，提高硬化后的泡沫混凝土抗壓強度、降低導熱系數和吸水率，確定最佳配合比。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

所用水泥為南京中國水泥廠有限公司生產的金寧羊牌P·Ⅱ42.5R 早強型水泥，其物理性能見表 1；粉煤灰為南京華能電廠的 Ⅱ 級粉煤灰，其化學組成和性能見表 2；發泡劑為南京金博節能技術發展中心（江蘇和田集團）提供的 JT 復配泡沫劑，發泡倍數大于 20，泡沫均勻且穩定性很好；為加快水泥硬化速度，縮短泡沫混凝土脫模時間，并提高早期強度，本試驗選用市售粉末狀促凝劑 J；為提高泡沫混凝土保水性和泡沫穩定性，防止離析和塌模、減少泌水，本試驗選用市售粉末狀穩泡劑 Y。

表 1 水泥物理性能

表 2 粉煤灰的化學組成與性能 %

2.2 試驗方法

發泡劑的制備：將發泡劑與水以質量比為 1:100 混合，采用 D8401－ZH 立軸葉輪式電動攪拌機高速攪拌 10min 制備泡沫。攪拌結束后需將泡沫靜置約 15min，待量杯底部泌出的溶液體積穩定后，使得泡沫性能達到最佳。按設定的配合比，將水泥、粉煤灰、促凝劑、穩泡劑倒入攪拌鍋內干拌 1～2min，待干粉物料混合均勻后，按標準膠砂自動攪拌240s，在此攪拌過程中緩慢加入預稱量的水和減水劑。再加入一定質量的預制泡沫進行低速攪拌 1～2min，制成均勻流態料漿，澆注成 70.7mm×70.7mm×70.7mm 試塊。試件在(20±3)℃、相對濕度大于 90% 的條件下養護 3d 后脫模，在(20±2)℃、相對濕度大于 90% 的養護室內養護至 28d 齡期。泡沫混凝土抗壓強度、干密度和吸水率試驗均參照泡沫混凝土行業標準 JG/T266—2011 進行測定。

3 實驗結果與討論

3.1 泡沫混凝土用膠凝材料漿體的研究

對基體材料[8]即硬化膠凝材料漿體的性能進行改性是研制性能優異的泡沫混凝土的第一步[9]。通過正交設計，在不摻入泡沫的情況下，先對粉煤灰、石灰和石膏的摻量對硬化膠凝材料漿體 7d 和 28d抗壓強度的影響做以下研究。

粉煤灰取代水泥質量的 20%、25% 和 30%；石灰摻量占膠凝材料總量的 1%、1.5% 和 2%；外摻石膏量占膠凝材料總量的 0.5%、0.75% 和 1%；水膠比為 0.3。采用三因素三水平的正交試驗，正交試驗方案和試驗結果見表 3 所示。

表 3 正交試驗與結果

從表 3 三因素極差大小發現，對 7d 抗壓強度的影響主次順序為：石灰摻量＞石膏摻量＞粉煤灰取代量，石灰摻量為主要因素，而石膏摻量和粉煤灰取代量影響較??；對 28d 抗壓強度的影響主次順序為：粉煤灰取代量＞石灰摻量＞石膏摻量，粉煤灰取代量為主要因素。對比發現，粉煤灰取代量為20% 時，基體 28d 抗壓強度達到最佳值，這與粉煤灰的二次水化有關，但摻量不宜過大，否則反而會導致強度下降[10]?？傮w來看，當石灰摻量為 1.5%～2% 之間時，泡沫混凝土 28d抗壓強度較大，但石膏摻量對基體抗壓強度的影響規律并不明顯。在兼顧 7d 抗壓強度的情況下，確定泡沫混凝土用硬化膠凝材料漿體優化配合比為：水膠比 0.3，粉煤灰取代水泥質量20%，石灰摻量 1.5%，石膏摻量 0.5%。

3.2 外加劑種類和摻量對泡沫混凝土性能的影響

在優化泡沫混凝土用膠凝材料的基礎上，添加適宜的外加劑和選擇適宜的混泡工藝最終決定了泡沫混凝土質量的優劣。在優化的配比基礎上擬添加促凝劑和穩泡劑，研究外加劑對泡沫混凝土性能的影響。試驗中固定水膠比為 0.3，泡沫量比為 3.0m3/m3。試驗配比和結果如表 4 所示。

表 4 試驗配合比及試驗結果

根據表 4 的結果來看，當促凝劑摻量為 1.5%，穩泡劑摻量為 2.5% 時，泡沫混凝土 7d 抗壓強度達到最大值1.71MPa，干密度為 530kg/m3；當促凝劑摻量為 1.5%，穩泡劑摻量為 2% 時，泡沫混凝土 28d 抗壓強度達到最大值2.9MPa，吸水率達到最小值 29%，干密度為 532kg/m3。

利用 Origin 將表 4 的結果進行矩陣轉換，圖 1～圖 4是用泡沫混凝土干密度、抗壓強度和吸水率分別與促凝劑、穩泡劑摻量之間的關系繪制出的三維曲面圖。根據表 4 的結果來看，不摻促凝劑和穩泡劑時，泡沫混凝土的干密度為最大值 545kg/m3，原因是泡沫混凝土在混泡攪拌和固化期間存在泡沫破損的情況，泡沫穩定性差，漿體凝結時間長。從圖 1中也可以看出，泡沫混凝土干密度隨兩種外加劑摻量的增加呈整體下降趨勢。同時，在試驗過程中發現摻入一定量的促凝劑和穩泡劑可以有效縮短脫模時間，且有利于消除塌模和泌水現象，這對提高泡沫混凝土性能和大批量生產有重要作用。但促凝劑和穩泡劑摻量并非越大越好，在選擇摻量時應考慮兩者對泡沫混凝土抗壓強度和吸水率的影響。

圖 1 促凝劑、穩泡劑摻量對干密度的影響

圖 2 促凝劑、穩泡劑摻量對 7d 抗壓強度影響

從圖 2 可以明顯的看出，當促凝劑摻量小于 1.5% 時，隨著穩泡劑摻量的增加，泡沫混凝土的 7d 強度先減小后增大；當促凝劑摻量為 1.5%，穩泡劑摻量為 2.5% 時，7d 抗壓強度達到最大值 1.71MPa，干密度為 530kg/m3；當促凝劑摻量超過 1.5% 時，7d 抗壓強度隨促凝劑摻量的增加而減小，穩泡劑對 7d 抗壓強度影響較小。

圖 3 促凝劑、穩泡劑摻量對 28d 抗壓強度影響

圖 4 促凝劑、穩泡劑摻量對吸水率的影響

從圖 3 看出，當促凝劑摻量小于 1.5% 時，隨著穩泡劑摻量的增加，泡沫混凝土的 28d 強度先減小后增大；當促凝劑摻量為 1.5%，穩泡劑摻量為 2% 時，泡沫混凝土 28d 抗壓強度達到最大值 2.9MPa，干密度為 532kg/m3；當促凝劑摻量超過 1.5% 時，28d 抗壓強度隨促凝劑摻量的增加而減??；從圖2 和圖 3 看出，當促凝劑摻量為 2%，穩泡劑摻量為 3% 時，泡沫混凝土 7d、28d 強度均降到最小值，說明在摻入促凝劑和穩泡劑時要嚴格控制摻量，超過一定的范圍則會對泡沫混凝土的抗壓強度造成不利影響。

從圖 4 可以看出，泡沫混凝土吸水率與促凝劑、穩泡劑的摻量之間存在著良好的相關性，當促凝劑摻量為 1.5%、穩泡劑摻量為 2% 時，吸水率降低到最小值 29%，說明摻入兩種外加劑可以降低泡沫混凝土的吸水率。其原因是摻入促凝劑和穩泡劑后，不但減少了泡沫混凝土漿體的凝結時間，而且提高了泡沫的穩定性，因此減少了由于泡沫破裂造成的孔缺陷，降低連通孔形成的幾率；同時，在促凝劑和穩泡劑的協同作用下，泌水現象消失，減少了因為泌水形成的細微通道，從而降低了泡沫混凝土的吸水率[11-12]。

綜上所述，在泡沫混凝土中摻入促凝劑和穩泡劑，對其干密度、抗壓強度和吸水率均有較大影響，促凝劑的最佳摻量為 1.5%，穩泡劑的最佳摻量為 2%。

4 結論

（1）對硬化膠凝材料漿體的 28d 抗壓強度的影響主次順序為 ：粉煤灰取代量＞石灰摻量＞石膏摻量，摻入適量的粉煤灰對后期強度的提升有利；

（2）一定量的促凝劑和穩泡劑有利于提高泡沫混凝土的性能，能縮短脫模時間，提高泡沫混凝土的強度，降低吸水率。二者的最佳摻量分別為：促凝劑 1.5%，穩泡劑 2%。

[1] 楊小芳，閆松，龔健，等．泡沫混凝土的抗火災性能研究[J]．河南理工大學學報(自然科學版)， 2011, 30(2): 211-214．

[2] 方永浩，王銳，龐二波，等．水泥—粉煤灰泡沫混凝土抗壓強度與氣孔結構的關系[J]．硅酸鹽學報，2010,38(4): 621-626．

[3] 劉佳奇，霍冀川，雷永林，等．發泡劑及泡沫混凝土的研究進展[J]．化學工業與工程，2010,27(1): 73-78．

[4] 蔣曉曙，李莽． 泡沫混凝土的制備工藝及研究進展[J]．混凝土，2012(1): 142-144．

[5] Ramamurthy K, Nambiar E, Ranjani G. A classification of studies on properties of foam concrete [J]. CEMENT & CONCRETE COMPOSITES，2009, 31(6): 388-396.

[6] Barnes R A. Foamed Concrete: Application and specification [M]．EXCELLENCE IN CONCRETE CONSTRUCTION THROUGH INNOVATION，2009:3-9．

[7] 牛云輝，盧忠遠，嚴云，等．外加劑對泡沫混凝土性能的影響[J]．混凝土與水泥制品．2011(3): 9-13．

[8] 周順鄂，盧忠遠，焦雷，等．泡沫混凝土壓縮特性及抗壓強度模型[J]．武漢理工大學學報．2010,32(11): 9-13．

[9] 李應權，朱立德，李菊麗，等．泡沫混凝土配合比的設計[J]．徐州工程學院學報(自然科學版)．2011,26(2): 1-5．

[10] 鄭念念，何真，孫海燕，等．大摻量粉煤灰泡沫混凝土的性能研究[J]．武漢理工大學學報．2009,31(7): 96-99,119.

[11] 張欣，葉劍鋒，周海兵，等．硅酸鹽水泥化學發泡制備超輕憎水泡沫混凝土研究[J]．墻材革新與建筑節能，2012(12): 30-32.

[12] 徐文，錢冠龍，化子龍. 用化學方法制備泡沫混凝土的試驗研究[J]．混凝土與水泥制品，2011(12): 1-4.

［通訊地址］廈門市同安區新民鎮鳳嶺路 760 號（361100）

Influences of additives on performances of foamed concrete

GuoYuanqiang
(Xiamen Academy of Building Research Group CO,. Ltd, FuJian Xiamen 361004)

This paper studied the compressive strength performance of fly ash-lime-gypsum-hardened cement slurry cement materials with the aid of orthogonal experiment, and the best proportion of the compressive strength for the matrix of foam concrete was found out. Through the systematic study of the effect of coagulant agent and steady bubble agent on the properties of the foamed concrete, which was made by adding foam into the foamed concrete matrix, the results show that adding proper amount of coagulant agent and steady bubble agent, the prepared foamed concrete can show a good performance,but exceeding some range will against the performance of concrete.

foamed concrete; compressive strength; additives

郭元強（1973—），男，工程師，廈門市建筑科學研究院，經理。