泡沫混凝土的制备及性能研究

摘要 以硅酸盐水泥和粉煤灰为主要原料，采用化学发泡剂发泡和矿物发泡剂发泡相结合的复合发泡方式，用预发泡的方法制备免蒸养泡沫混凝土。研究了矿物发泡剂的发泡原理及掺量的确定，并研究了发泡剂掺量、减水剂、水灰比以及粉煤灰等对泡沫混凝土性能的影响规律。研究结果表明：采用高浓萘系减水剂和磨细粉煤灰可以大幅度增加泡沫混凝土的强度；水灰比对泡沫混凝土的影响规律不同于一般水泥混凝土；要达到一定容重的泡沫混凝土，其泡沫掺量具有一定的范围。

关键字 泡沫混凝土 普通硅酸盐水泥 矿物发泡剂

0 前言

随着我国墙体材料改革与建筑节能政策的推行，节能型建筑材料的开发和应用受到广泛的重视，国内大力发展节能、利废、保温、轻质、隔热等新型材料[1,2],其中，泡沫混凝土砌块在非承重墙体材料中，占有重要的地位。泡沫混凝土通常是用机械或压缩空气的方法将泡沫剂的水溶液制备成泡沫，再将泡沫加入到含硅质材料、钙质材料、水及各种外加剂等组成的料浆中，经混合搅拌、浇注成型、养护而成的一种内部含有大量封闭气孔的混凝土[3,4]。这种混凝土由于多孔轻质，使其具有较低的热膨胀系数、较好的隔热、隔音以及耐火性能[5-7]。

目前，国内制备泡沫混凝土的基体材料主要选用早强、快硬特种水泥(如硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥等) [8,9]，但这类特种水泥价格昂贵且产量小、分布不广，限制了这些成果的转化；并且国内外制备泡沫混凝土一般采用传统的表面活性剂物理发泡。针对免蒸养工艺，本研究选用价格低廉、分布普遍的普通硅酸盐水泥作基材，选择传统的表面活性剂物理发泡与矿物材料物理发泡相结合的新型发泡模式，采用预发泡的方法制备泡沫混凝土。

1 实验部分

1.1 实验原料

普通硅酸盐水泥，42.5R，四川双马集团；粉煤灰，原灰，江油巴蜀火电厂；矿物发泡剂，工业基，市售；发泡剂，混合型，市售；FDN高效减水剂，市售。

1.2工艺流程

将普通硅酸盐水泥、粉煤灰以及外加剂等计量后加水预混均匀，然后按比例加入制备好的泡沫搅拌，制成均匀流态浆，浇注成型。试件尺寸100×100×1003，标准养护相应龄期参照GB/T11969测试泡沫混凝土的体积密度、吸水率和抗压强度。具体工艺流程见图1。

2 结果与讨论

2.1矿物发泡剂发泡原理及掺量的确定 本研究采用传统的表面活性剂物理发泡与矿物材料物理发泡相结合的新型发泡模式，这种发泡方式充分利用了表面活性剂发泡迅速、发泡效率高的特点和矿物发泡剂发泡稳定性好、容易形成孤立、封闭的气孔的优点。至今，这种发泡方式的相关技术国内外没有相关的报道。矿物材料发泡的原理是利用矿物材料遇水膨胀的特性，根据所采用矿物材料的膨胀性能及所需形成的气孔的尺寸大小，将一定粒度的矿物发泡材料掺入泡沫混凝土内，使泡沫混凝土浆体的体积产生膨胀。由于此时的浆体尚处于可塑阶段，产生的膨胀不产生破坏作用。当泡沫混凝土硬化后，矿物发泡材料在泡沫混凝土体系内的存在还赋于了泡沫混凝土具有一定的湿度调节功能。由于矿物发泡剂具有优越的物理化学性能,如吸水率和膨胀倍数高，阳离子交换容量高,其胶体悬浮液触变性、粘度、润滑性好,热稳定性能好,并具有较强的可塑性和粘接性等。表1为不同掺量矿物发泡剂对泡沫混凝土基体材料强度的影响。

由表1可以看出，随着矿物发泡剂掺量的增加，泡沫混凝土基体材料的3d、7d、28d抗压强度均逐渐增加；当掺量为3％，强度达到最大；之后随着掺量的增加，强度显著降低。因此矿物发泡剂的掺量确定为3%。相同水灰比下，由于矿物发泡剂具有吸水性，加入一定掺量的矿物发泡剂，可以降低浆体的水灰比，使得强度增加；而随着掺量的增加，由于吸收更多的水分，使得水泥水化不完全，从而导致强度的降低。 2.2发泡剂对泡沫混凝土的影响 发泡剂质量的好坏直接影响到泡沫混凝土的质量，能产生泡沫的物质有很多，但并非所有能产生泡沫的物质都能用于泡沫混凝土的生产。只有发泡倍数够大、在泡沫和料浆混合时薄膜不致破坏具有足够的稳定性、对胶凝材料的凝结和硬化不起有害影响的发泡剂，才适合用来生产泡沫混凝土。本实验采用某市售混合型发泡剂,由其制得的泡沫流动性较好，气孔相对细小。发泡液掺量对泡沫混凝土的影响如表2所示。

由表2可以看出：随着发泡剂掺量的增加，泡沫混凝土的干容重和抗压强度随之降低，吸水率随之增加，因此其掺量应有一定限制。分析其原因，当发泡液掺量的增加，高速制泡产生的微气泡量越多，在水泥料浆中产生的微细闭合气泡量亦越多，故体积增大，容重降低。同时由于孔隙率的增加，吸水率也会明显增大。随着发泡液掺量的增加，28d抗压强度逐渐降低，这是由于发泡液掺量增加，水泥料浆中形成闭合气泡量大，导致受压面内单位面积上净压面较小，因此抗压强度降低幅度相对较大。 2.3减水剂对泡沫混凝土的影响 本试验选用700级粉煤灰泡沫混凝土砌块，针对不同减水剂对泡沫混凝土的早期强度影响进行了研究。实验结果见表3。

从表3实验结果可知，在泡沫混凝土中掺加减水剂，7d、28d抗压强度均显著增加；并且同是萘系减水剂，但由于Na2SO4浓度的不同，其中高浓萘系减水剂中Na2SO4浓度为1.5％－3％，而低浓萘系减水剂中Na2SO4浓度为18％－20％，因此对强度的影响不尽相同，掺入高浓萘系减水剂对强度的贡献更大。通过掺高浓萘系减水剂，使得水泥水化产物不仅结构较为致密，C-S-H胶凝较多，而且与Ca(OH)2晶体穿插搭接成网状结构。这说明掺加高浓萘系减水剂后，粉煤灰二次水化反应程度较高，被反应吸收多。这就是掺加高浓萘系减水剂强度显著提高的主要原因。

2.4水灰比对泡沫混凝土的影响 一般情况下，普通水泥混凝土强度随成型水灰比的减小而增大，但在泡沫混凝土试验中，水灰比对强度的影响规律却不尽相同，实验结果如表4所示。

由表4可以看出:随着水灰比的降低，泡沫混凝土的吸水率逐渐降低，干容重逐渐增加，而在相同养护龄期下泡沫混凝土抗压强度随成型水灰比减小而增加至最大值后又开始下降。分析原因，随水灰比减小，其强度逐渐增加，但当水灰比继续降低，由于水泥水化的需水量不足会吸收泡沫中的水量，使得泡沫破裂，从而引起容重的增加、强度的降低。进一步说明了，泡沫混凝土强度除了受到胶凝材水泥的影响外，同时也在很大程度上受到发泡剂添加量、泡沫本身的尺寸、泡沫尺寸的分布和泡沫在混凝土中的分布影响。所以，泡沫混凝土的水灰比存在一个合适的范围，过分增加水灰比必然会导致硬化体强度的降低。

2.5粉煤灰对泡沫混凝土的影响 由于一般粉煤灰本身并不具有胶凝性质，且活性相对较低，二次水化过程缓慢，粉煤灰对泡沫混凝土强度的影响如图2所示。

由图2可以看出：随着粉煤灰掺量的增加，泡沫混凝土的强度逐渐降低。当掺量<30％时，强度下降的幅度较小，而当掺量>30％后，强度下降幅度较大。分析其原因，随着粉煤灰掺量的增加，28d抗压强度降低主要是因为，粉煤灰主要通过与Ca(OH)2进行二次水化反应，但是在标准养护条件下水化缓慢，直至28d才能观察到粉煤灰泡沫混凝土的试验研究煤灰颗粒表面有胶凝状水化产物，而水泥28d水化程度已较充分。

粉煤灰质量的好坏直接决定了其对泡沫混凝土贡献的大小，粉煤灰质量差，如含炭量高，颗粒较粗将对混凝土性能产生极为不利的影响，特别是要影响需水性，当水灰比一定时，若粉煤灰需水比过大，将直接导致浆体过稠影响其流动性，并且粉煤灰还可能将发泡液中的水分吸走，导致泡沫破裂形成“塌模”。要提高粉煤灰泡沫混凝土的强度，首先要提高粉煤灰的质量、充分发挥粉煤灰的活性，最有效的方法就是改变粉煤灰颗粒的性质。可以有两种方法来进行:一是物理方法(磨细)，打碎粗大的多孔玻璃体，增加粉煤灰玻璃质颗粒的表面积;二是化学方法，通过改变粉煤灰玻璃质颗粒的表面特性从而提高表面层的反应能力。不论用何种方法，均要使粉煤灰发泡混凝土成本增加，但同时可提高混凝土的物理性能。

磨细是提高粉煤灰质量最直接有效的方法，将实验用原灰磨细至细度为3.5μm进行实验，采用磨细灰代替原灰，达到相同容重，不仅需水量降低，而且强度显著增加。图3为其强度对比。由图3可以得出，用磨细灰7d、28d强度均比用原灰强度高，并且28d强度差别较大。图4为粉煤灰磨前与磨后的对比图，可以看出，磨细灰是通过磨机将粉煤灰中大颗粒玻璃球体、多孔海绵状玻璃体磨细，大部分是由碎屑状玻璃体及破碎的玻璃微球及较小粒径的实心微球构成。通过磨细，破坏了玻璃体表面坚固的保护膜，使内部可溶性SiO2，A1203溶出，断键增多，比表面积增大，新增结合面积增加，活化分子增加，有利于新的化学键组合，早期活性提高，并且磨细灰在泡沫混凝土28d时已发挥了较多的火山灰效应。另外，磨细可使粉煤灰中的炭粒变成细屑，烧失量虽不降低，但其对混凝土的不利影响明显得到改善。

3 结论

以普通硅酸盐水泥作基材，采用传统的表面活性剂物理发泡与矿物材料物理发泡相结合的新型发泡模式，用预发泡的方法制备出性能优异的免蒸养泡沫混凝土。

通过对比选用高浓萘系减水剂可以提高泡沫混凝土的早期强度；与原灰比较，将粉煤灰磨细可以大幅度提高泡沫混凝土的后期强度。

不同于普通水泥混凝土，泡沫混凝土抗压强度随成型水灰比减小，逐渐增加至最大值后又开始下降。泡沫混凝土的水灰比存在一个合适的范围，过分增加水灰比或减小水灰比都会导致硬化体强度的降低。

参考文献

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