水泥泡沫混凝土的改性研究*

王滌非,王路明

(1. 安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232000; 2. 鹽城工學院 材料與工程學院，江蘇 鹽城224051)

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水泥泡沫混凝土的改性研究*

王滌非1,2,王路明2

(1. 安徽理工大學 材料科學與工程學院，安徽 淮南 232000; 2. 鹽城工學院 材料與工程學院，江蘇 鹽城224051)

摘要：采用丁苯乳液、苯丙乳液、硅灰、粉煤灰和橡膠粉等外加劑分別對物理發泡水泥混凝土的性能進行單一和復合改進試驗。結果表明，復摻硅灰和丁苯乳液可顯著提高泡沫混凝土早期強度，并降低吸水率，改善混凝土性能，當硅灰摻量4%，丁苯乳液摻量12%時，混凝土吸水率降低17%，7 d抗壓強度增加0.5 MPa；丁苯乳液對降低泡沫混凝土吸水率有一定促進作用；苯丙乳液對混凝土強度影響較大；硅灰與粉煤灰降低吸水率效果不佳；橡膠粉不能作為混凝土外加改性材料。

關鍵詞：水泥泡沫混凝土；改性；乳液；硅灰；粉煤灰；橡膠粉

0引言

普通硅酸鹽水泥泡沫混凝土其內部分布著大量微小氣孔，引入的氣孔帶來大量缺陷，物理發泡所用的有機發泡劑延緩水泥凝結硬化[1]，強度發展緩慢，導致泡沫混凝土強度的大幅降低，硬化表面開裂甚至出現粉化現象[2]。泡沫混凝土基體材料主要以水泥等細顆粒粉粒為主，由于自身強度較低易開裂，性能上表現出較高的吸水率[3]，嚴重影響泡沫混凝土的使用效果，使用壽命大大降低。在提高水泥泡沫混凝土抗壓強度的同時，須采取有效措施減小混凝土吸水率，改善整體性能。

本文采用丁苯乳液(SBR)、苯丙乳液(SAE)、硅灰、粉煤灰和橡膠粉等外加劑對密度等級500的泡沫混凝土的吸水性能，早期抗壓強度進行改性試驗，研究并探尋提高泡沫混凝土整體性能的途徑和方法。

1原材料和試驗方法

1.1原材料及儀器

原材料及試劑：普通425硅酸鹽水泥、蛋白發泡劑、減水劑、氯化鈣、丁苯乳液、苯丙乳液、硅灰、粉煤灰、橡膠粉。

儀器設備：bl-8型發泡機、SJD-30型混凝土攪拌機、SHBY-40A型水泥標準養護箱、101A-3B型電熱鼓風干燥箱、電子天平、YAW-300B型壓力試驗機、QANTA-200型掃描電子顯微鏡。

1.2試驗方法

將普通硅酸鹽水泥、減水劑和各外加劑按照一定的配合比計量后倒入混凝土攪拌機中攪拌均勻，加入定量水攪拌形成漿體，采用空氣壓縮機將定量蛋白發泡劑制成的泡沫注入攪拌機中，慢速攪拌規定時間后，倒入100 mm×100 mm×100 mm模具中成型，在水泥標準養護箱中養護，脫模，繼續養護7 d后，測試其吸水率和抗壓強度，抗壓后的試樣用于SEM分析。泡沫混凝土吸水率和抗壓強度試驗參照JG/T 266-2011《泡沫混凝土標準》進行。

2實驗結果與討論

2.1丁苯乳液對水泥泡沫混凝土性能影響

分別摻入4%，8%，12%，16%和20%(丁苯乳液與水泥的百分比)的丁苯乳液于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強度，結果如表1所示。

表1　丁苯乳液對水泥泡沫混凝土性能影響

由表1可以看出，隨著丁苯乳液摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率大幅減小，抗壓強度波動變化，當丁苯乳液摻量12%時，7 d抗壓強度達到1.5 MPa，超過未摻丁苯乳液樣品0.1 MPa，28 d抗壓強度達到1.8 MPa，此時吸水率降低15%，有一定性能提高。

圖1和2為摻量12%丁苯乳液的水泥泡沫混凝土的SEM圖。

圖1　摻丁苯乳液水泥泡沫混凝土的SEM圖

圖1可以看到混凝土孔壁圓滑，沒有出現明顯裂紋，圖2中水泥顆粒間相互粘結，孔壁內部孔隙較少，表明丁苯乳液在水泥顆粒表面成膜。團狀結構的丁苯乳液粘附在水泥水化產物與水泥石結合的界面上，填充了孔隙，形成空間網狀結構的聚合物薄膜，提高混凝土水泥硬化體的致密性[4]，有效阻止水分進入泡沫混凝土內部，大大降低水泥泡沫混凝土吸水率。

圖2　摻丁苯乳液水泥泡沫混凝土的SEM圖

2.2苯丙乳液對水泥泡沫混凝土性能影響

分別摻入4%，8%，12%，16%和20%(苯丙乳液與水泥的百分比)的苯丙乳液于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強度，結果如表2所示。

表2　苯丙乳液對水泥泡沫混凝土性能影響

由表2可以看出，隨著苯丙乳液摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率和抗壓強度逐漸減小，當苯丙乳液摻量12%時，7 d抗壓強度達到1.1 MPa，比未摻苯丙乳液樣品降低0.3 MPa，28 d抗壓強度1.4 MPa，吸水率降低10%，未表現出明顯改性效果。

圖3和4為摻量12%苯丙乳液的水泥泡沫混凝土的SEM圖。

圖3　摻苯丙乳液水泥泡沫混凝土的SEM圖

圖3可以看到孔壁光滑密實，沒有出現明顯泡孔開裂和穿孔現象，圖4中水化顆粒之間孔隙較少。苯丙乳液附在水泥凝膠體或顆粒表面形成完整、連續、密實的膜結構，提高了泡壁的封閉性[5]；但過多的苯丙乳液形成聚合物富集區[6]，水泥硬化時間延長，具有的引氣作用帶入更多氣孔，導致強度持續下降[7]。

圖4　摻苯丙乳液水泥泡沫混凝土的SEM圖

2.3硅灰對水泥泡沫混凝土性能影響

分別摻入2%，4%，6%，8%和10%(硅灰占硅灰占水泥和硅灰總量的百分比)的硅灰于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強度，結果如表3所示。

表3　硅灰對水泥泡沫混凝土性能影響

由表3可以看出，隨著硅灰摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率不斷增大，7 d抗壓強度波動變化，當硅灰摻量6%時，抗壓強度達到2.3 MPa，超過未摻硅灰樣品0.9 MPa，28 d抗壓強度為2.7 MPa，吸水率減小2%，總體改性效果不明顯。

圖5和6是為摻量6%硅灰的水泥泡沫混凝土的SEM圖。

圖5　摻硅灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

圖5可以看到泡沫混凝土出現裂紋和穿孔現象，圖6中水泥水化產物疏松，凝膠空隙較大。硅灰中較多的活性SiO2與水泥水化產生的氫氧化鈣反應，增加水泥石中CSH凝膠體積，降低孔隙率，改善孔結構，提高水泥石的強度[8]。但硅灰的比表面積較大，使得其表現出較高的需水量[9]，過多的毛細結構也阻礙了混凝土吸水率降低[10]。

圖6　摻硅灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

2.4粉煤灰對水泥泡沫混凝土性能影響

分別摻入5%，10%，15%，20%和25%(粉煤灰占水泥和粉煤灰總量的百分比)的粉煤灰于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強度，結果如表4所示。

表4　粉煤灰對水泥泡沫混凝土性能影響

由表4可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率有增大趨勢，抗壓強度波動減小，當粉煤灰摻量15%時，7 d抗壓強度達到1.3 MPa，比未摻粉煤灰樣品降低0.1 MPa，28 d抗壓強度達到1.8 MPa，吸水率降低5%，改性效果一般。

圖7和8是摻量15%粉煤灰的水泥泡沫混凝土的SEM圖，圖7可以看到泡孔結構相對完整，有一定的連通孔現象，圖8泡壁中存在孔隙和大量未水化的粉煤灰玻璃體結構。粉煤灰摻量增加，水泥用量減少，粉煤灰在短期內不能發揮活性，形成硬化石結構疏松，造成吸水率上升[11]，水泥水化生成的氫氧化鈣數量有限，與粉煤灰二次水化數量減少，導致生成的水化硅酸鈣數量減少，混凝土強度降低。

2.5丁苯乳液和硅灰復摻對水泥泡沫混凝土性能影響

在摻入4%硅灰的基礎上，分別復摻4%，8%，12%，16%和20%(丁苯乳液與水泥和硅灰總量的百分比)的丁苯乳液于水泥泡沫混凝土中，測定混凝土吸水率和抗壓強度，結果如表5所示。

圖7　摻粉煤灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

圖8　摻粉煤灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

編號水泥/%丁苯乳液/%硅灰/%W/C減水劑/%發泡劑/%氯化鈣/%吸水率/%7d抗壓強度/MPa28d抗壓強度/MPa196040.50.213651.41.7296440.460.213731.82.2396840.420.213602.12.54961240.380.213481.92.25961640.340.213421.72.06962040.300.213351.51.9

由表5可以看出，在摻入4%硅灰的基礎上再摻入丁苯乳液，隨著丁苯乳液摻量的增加，泡沫混凝土的吸水率逐漸降低，7 d抗壓強度波動變化，當丁苯乳液摻量12%時，抗壓強度達到1.9 MPa，超過未復摻樣品0.5 MPa，28 d抗壓強度達到2.2 MPa，吸水率降低17%，改性效果顯著。

圖9和10是摻量4%硅灰和12%丁苯乳液的水泥泡沫混凝土的SEM圖。

圖9　摻丁苯乳液和硅灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

Fig 9 SEM of SBR and silica fum modified foam concrete

圖9可以看到孔壁上有少量裂紋和穿孔現象，圖10中水泥和硅灰水化產物之間孔隙較少，表明丁苯乳液填充到水化產物之間，改善了孔結構，在硅灰提高混凝土強度的同時，形成的丁苯乳液薄膜有效包裹在水化顆粒表面，降低了混凝土吸水率，有較好的復合效果。

圖10　摻丁苯乳液和硅灰水泥泡沫混凝土的SEM圖

Fig 10 SEM of SBR and silica fum modified foam concrete

2.6橡膠對水泥混凝土性能影響

分別摻入50%，60%，70%，80%和90%(橡膠粉占水泥和橡膠總體積百分比)的橡膠于混凝土中測定混凝土吸水率和抗壓強度，結果如表6所示。

表6　橡膠粉對水泥混凝土性能影響

由表6可以看出，隨著橡膠粉摻量不斷增加，混凝土干密度和7 d強度逐漸降低，吸水率逐漸增加，當橡膠粉摻量80%時，混凝土干密度928 kg/m3，吸水率6.9%，7 d抗壓強度4.3 MPa，再增加橡膠粉摻量，混凝土不具有凝結性能。

圖11為摻80%橡膠粉水泥混凝土的SEM圖，可以看出摻入橡膠粉的泡沫混凝土基體出現大量縫隙，說明橡膠粉與水泥石之間粘結性能較差。橡膠粉作為一種彈性體，自身強度比水泥小，與混凝土結合，橡膠粉界面成為薄落點，整體承載能力下降[12]；橡膠粉也不與水泥反應，界面粘結力下降，強度降低；橡膠粉受外力產生形變，水泥形變能力較小，混凝土受力作用產生較大形變時出現裂縫，吸水率提升[13]。

圖11　摻橡膠粉水泥混凝土的SEM圖

Fig 11 SEM of rubber powder modified foam concrete

3結論

(1)復摻丁苯乳液和硅灰改善水泥泡沫混凝土性能顯著，當丁苯乳液摻量12%，硅灰摻量4%時，混凝土吸水率48%，較未摻樣降低17%，7 d抗壓強度達1.9 MPa，28 d抗壓強度達2.2 MPa，超過未摻樣0.5 MPa。

(2)單摻丁苯乳液和硅灰對水泥泡沫混凝土改性有一定促進作用，但遠不及復摻效果明顯；苯丙乳液和粉煤灰總體改性效果不佳。

(3)橡膠粉摻入基體材料可將密度降低至928 kg/m3，不能作為泡沫混凝土的外加改性材料。

參考文獻：

[1]Li Zhulong, Liang Naixing. Influence of SBR polymer on cement hydration and hardening[J]. Journal of Building Materials,1999,1(2):6-10．

[2]Zhou Zhimin. Research of high strength foam concrete[D]. Hunan China:Hunan University,2011.

[3]Ding Man. Research of waterproof foam concrete [D]. Hunan China:Hunan University,2011.

[4]Mei Yingjun,Wang Peiming. Mechanism of the effect of styrene-butadiene latex on the water absorption and carbonization of cement mortar[J]. Journal of Building Materials,2007,6(10):276-281.

[5]Li Yingquan, Xu Luoyi. Research on polymer cement foam insulation materials [J]. New Building Materials,2010,2:29-33.

[6]Liu Jiwei, Zhou Mingkai. Prorerty study of styrene-butadiene latex modified cement mortar and the analysis of modification mechanism[J]. Journal of Wuhan University of Technology,2013,1:40-43.

[7]朱明勝. 苯丙乳液改性水泥修補砂漿的制備與性能研[J]. 水泥技術，2011，3:31-33.

[8]Xiao Jia, Zhou Shiqiong. Experimental study on the influence of fly ash and silica fume on the performance of cement mortar[J]. Concrete,2003,8:28-36.

[9]Qiao Huanhuan,Lu Zhongyuan. Influence of filler type on properties of foamed concrete[J]. China Powder Science and Technology,2008,6(14):38-41.

[10]Li Jianquan, Xu Hongsheng. Microstructural investigation of silica fume modified cement/lime mortar[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2006,8:66-70.

[11]Zhang Yanfeng. The research on the technics of foam cement with fly ash reinforced by polypropylene fiber[D]. Xi’an: Chang’an University,2007.

[12]Peng Guangda. Study on the performance influence of cement conerete containing rubber powder[D].Hebei: Hebei University of Technology,2012.

[13]Yang Ruochong,Tan Zhiming. Physical and mechanical performance of modified rubberized mortar[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2012,7:15-19.

Research on the modification of foam concrete

WANG Difei1,2, WANG Luming2

(1. College of Materials Science and Engineering, Anhui University of Science & Technology,Huainan 232000,China;2. College of Materials Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051,China)

Abstract:Made experiment to promote the performance of foam concrete by adding SBR, SAE, silica fume, fly ash, and rubber powder to the foam concrete respectively and simultaneously. The results show that, add silica fume and SBR to foam concrete simultaneously can improve early strength significantly and reduce water absorption, while adding 4wt% silica fume and 12wt% SBR to foam concrete, the water absorption of concrete reduced by 17%, 7 day strength increased 0.5 MPa. SBR had a limited role in promoting the early strength of foam concrete, SAE had difference on the strength of concrete,silica fume and fly ash increased water absorption,crumb rubber could not be used as the modified material of concrete.

Key words:foam concrete; modification; latex; silica fume; fly ash; rubber powder

文章編號：1001-9731(2016)06-06200-05

作者簡介：王滌非(1990-)，男，江蘇鹽城人，在讀碩士，師承王路明教授，從事環境功能材料研究。

中圖分類號：TU528.2

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.06.037

收到初稿日期：2015-10-10 收到修改稿日期：2016-05-20 通訊作者：王路明，E-mail: wlm@ycit.cn