【摘要】絕干密度和抗壓強(qiáng)度是泡沫混凝土應(yīng)用時(shí)最重要的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。研究表明，在組成、配比和制備工藝相同時(shí)，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度之間具有良好的相關(guān)性。通過(guò)控制泡沫混凝土濕密度，進(jìn)而控制絕干密度，可達(dá)到控制抗壓強(qiáng)度的目的。本文在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)回歸得到了絕干密度在400kg/m³-1100kg/m³之間泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度的乘冪方程式，相關(guān)系數(shù)R²均大于0.95，相關(guān)性很好。在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系中，摻加適量粉煤灰將有助于提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，提高抗裂性，同時(shí)可降低生產(chǎn)成本。

　　【關(guān)鍵詞】泡沫混凝土；粉煤灰；絕干密度；抗壓強(qiáng)度；乘冪方程式；相關(guān)系數(shù)

　　0  前  言

　　泡沫混凝土是用物理方法將泡沫劑水溶液制成泡沫，再將泡沫加入到由水泥、骨料、摻合料、外加劑和水等制成的料漿中，經(jīng)混合攪拌、澆注成型、自然或蒸汽養(yǎng)護(hù)制成的多孔混凝土。其中含有大量封閉孔隙，因而表現(xiàn)出良好的物理力學(xué)性能和使用功能，如輕質(zhì)、保溫、隔熱、防潮、隔聲等。泡沫混凝土在墻體屋面保溫隔熱工程、輕質(zhì)混凝土構(gòu)件與制品、建筑物地暖系統(tǒng)、大型隧道、高等級(jí)公路和地鐵回填工程、建筑物輕質(zhì)墊層、吸隔聲屏障等具有巨大的市場(chǎng)需求和廣闊的推廣應(yīng)用前景[1-4]。

　　現(xiàn)階段我國(guó)泡沫混凝土的設(shè)計(jì)與施工尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，只能靠經(jīng)驗(yàn)或通過(guò)大量試驗(yàn)來(lái)實(shí)施泡沫混凝土應(yīng)用，不利于泡沫混凝土質(zhì)量控制和技術(shù)發(fā)展。研究原料組成對(duì)泡沫混凝土性能的影響，探討泡沫混凝土絕干密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性，建立絕干密度與抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，不但能正確指導(dǎo)泡沫混凝土組成優(yōu)化和配比設(shè)計(jì)，而且可節(jié)省財(cái)力，簡(jiǎn)化試驗(yàn)試配和質(zhì)量控制工作，加快泡沫混凝土的推廣應(yīng)用。本文探討了主要組分對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響，建立了最基本的泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，并以最常用的水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土為研究對(duì)象，研究絕干密度在400kg/m³-1100kg/m³之間的泡沫混凝土絕干密度與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性。

　　1  組成對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響

　　泡沫混凝土主要組組分包括水泥、泡沫劑、骨料、粉煤灰、外加劑和水。必要時(shí)，可根據(jù)使用要求增加其它組成，如短切纖維、有機(jī)高分子聚合物。

　　1.1  水泥

　　水泥是泡沫混凝土強(qiáng)度的主要來(lái)源，也是首要影響因素。為達(dá)到強(qiáng)度最大化，每個(gè)設(shè)計(jì)絕干密度的泡沫混凝土均有一個(gè)最佳水泥用量。原材料體系不同，水泥用量對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度的影響規(guī)律并不一致。在非凈漿體系中，泡沫混凝土強(qiáng)度先隨水泥用量增加而提高，當(dāng)超過(guò)最佳水泥用量后，強(qiáng)度則隨水泥用量繼續(xù)增加而降低。在凈漿體系中，水泥用量則相對(duì)固定，只有水泥強(qiáng)度等級(jí)仍對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

　　硅酸鹽系列水泥來(lái)源廣泛、質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、耐久性好，因而被泡沫混凝土行業(yè)廣泛使用。硫(鐵)鋁酸鹽第三系列水泥在泡沫混凝土漿體形成、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、早期強(qiáng)度發(fā)展等方面具有特色，應(yīng)用逐年增加，在一些特殊重點(diǎn)工程中的應(yīng)用相繼取得成功。

　　1.2  泡沫劑

　　能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)很多，但并非所有能產(chǎn)生泡沫的物質(zhì)都能作為泡沫劑使用。只有產(chǎn)生的泡沫在與砂(凈)漿混合時(shí)不破裂，具有足夠穩(wěn)定性，且不影響膠凝材料凝結(jié)和硬化的物質(zhì)才能用于制備泡沫劑。通過(guò)改變泡沫添加量，可制成不同漿體密度和絕干密度的泡沫混凝土，泡沫混凝土強(qiáng)度也將因泡沫引入量不同而不同。優(yōu)選泡沫劑品種和確定最佳摻量是制備高性能泡沫混凝土的必要條件。

　　1.3  骨料

　　制備泡沫混凝土骨料通常分為普通集料、輕骨料和超輕骨料三類。根據(jù)泡沫混凝土密度和強(qiáng)度要求，決定是否采用骨料和采用哪類骨料。骨料品種和表觀密度對(duì)泡沫混凝土強(qiáng)度影響明顯。為保證泡沫混凝土密度，用輕骨料比用普通骨料可使水泥漿體形成的結(jié)構(gòu)更致密。泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度通常較低，抗壓破壞通常發(fā)生在含有大量氣孔的水泥基基體中。與普通混凝土相比，使用密度較低的骨料將明顯提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度。

　　1.4  粉煤灰

　　鑒于粉煤灰來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，并具有一定活性，成為泡沫混凝土的首選摻合料。粉煤灰能顯著提高泡沫混凝土的后期強(qiáng)度，改善成型效果。

　　1.5  外加劑

　　泡沫混凝土常用外加劑包括分散劑、早強(qiáng)劑、速凝劑、防水劑、憎水劑。早強(qiáng)劑和速凝劑可加速泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程和強(qiáng)度發(fā)展，提高漿體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

　　2  配合比設(shè)計(jì)研究

　　泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)固定原材料重量法和固體混合料體積法進(jìn)行。通過(guò)檢測(cè)泡沫混凝土濕密度，進(jìn)而控制泡沫混凝土絕干密度和均勻性，達(dá)到控制泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度目的。

　　2.1  固定原材料重量法

　　以水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土為研究對(duì)象。設(shè)計(jì)參數(shù)：

　　泡沫混凝土設(shè)計(jì)絕干密度為r干，單位為kg/m³；

　　基本用水量為y_w，單位為kg/m³。

　　基本水料比為ω，取值見(jiàn)表1。視粉煤灰摻量和泡沫劑質(zhì)量作適當(dāng)調(diào)整；

　　水泥用量為y_C，單位為kg/m³。水泥水化修正系數(shù)k₁，經(jīng)驗(yàn)值取k1=0.10；

　　粉煤灰用量為y_f，單位為kg/m³；粉煤灰水化修正系數(shù)k₂，經(jīng)驗(yàn)值取k1=0.02；

　　粉煤灰摻量為η，單位為%；

表1  ω經(jīng)驗(yàn)值

　　配合比設(shè)計(jì)關(guān)系式見(jiàn)式(1)和式(2)：

k₁y_C+ k₂y_f=ρ_干            (1)

y_f/(y_f +y_C)=h                (2)

　　水泥、粉煤灰和水用量按式(3)、式(4)和式(5)計(jì)算：

y_f=ηρ_干/((1-η)k₁+ηk₂)          (3)

y_C=(1-η)ρ_干/( (1-η)k₁+ηk₂) (4)

y_w=w(y_C+y_f)                      (5)

　　2.2  固定混合料體積法

　　1m³泡沫混凝土中，由水泥、粉煤灰和水組成的漿體總體積為V1，泡沫添加量V2按式(6)計(jì)算。即配制單位體積泡沫混凝土，由水泥、粉煤灰和水組成漿體體積不足部分由泡沫填充。

V₂= k₃(1-V₁)           (6)

　　式中：V_²——泡沫添加量，單位為m³；

　　　　　V₁——加入泡沫前，水泥、粉煤灰和水組成的漿體總體積，單位為m³；

　　　　　k₃——富余填充系數(shù)，k3通常大于1，視泡沫劑質(zhì)量和制泡時(shí)間而定。主要考慮泡沫加入到漿體中再混合時(shí)的損失。

　　2.3  泡沫混凝土漿體密度

　　泡沫混凝土漿體密度r濕按式(7)計(jì)算：

　　ρ_濕= (1+ω)ρ_干/(ηk₂+(1-η)k₁) +V₂/F_v        (7)

　　式中：ρ_濕——泡沫混凝土漿體密度，單位為kg/m³；

　　F_v——泡沫劑水溶液發(fā)泡量，單位為m³/kg。

　　3．泡沫混凝土絕干密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

　　3.1  試驗(yàn)研究

　　3.1.1  原材料

　　水泥：北京琉璃河水泥廠產(chǎn)42.5普通硅酸鹽水泥。

　　粉煤灰：北京石景山發(fā)電廠產(chǎn)Ⅲ級(jí)干排粉煤灰。

　　混凝土泡沫劑：白色粉末，CCW-2008型，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院研制。具有起泡、穩(wěn)泡、增粘、防水功能。

　　3.1.2  試樣制備

　　首先使用高速攪拌機(jī)(轉(zhuǎn)速700轉(zhuǎn)/min)將設(shè)定比例的泡沫劑水溶液制成泡沫，攪拌時(shí)間以泡沫達(dá)到均勻、細(xì)小、穩(wěn)定為準(zhǔn)。再按設(shè)定比例計(jì)量水泥、粉煤灰和水，使用砂漿攪拌機(jī)將其攪拌成均勻漿體，攪拌時(shí)間控制在180s。然后在漿體中加入一定體積的泡沫，繼續(xù)攪拌至均勻?yàn)橹梗A(yù)計(jì)時(shí)間在180s左右。采用固定混合料體積法和原材料重量法來(lái)控制泡沫混凝土混合料密度，進(jìn)而控制泡沫混凝土密度。成型好的試件在室內(nèi)放置，用塑料布覆蓋。2d-5d(時(shí)間長(zhǎng)短視CFC密度而定)后脫模，在室內(nèi)密封條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。

　　3.1.3  性能測(cè)試

　　測(cè)試試件28d齡期的抗壓強(qiáng)度、絕干密度和吸水率，試驗(yàn)方法參照J(rèn)C/T 1062-2007《泡沫混凝土砌塊》進(jìn)行。試件尺寸為100mm×100mm×100mm。

　　3.2  試驗(yàn)結(jié)果

　　泡沫混凝土設(shè)計(jì)絕干密度ρ_干取400kg/m³、500kg/m³、600kg/m³、700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，對(duì)應(yīng)的基本水料比w分別取0.69、0.64、0.60、0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰摻量η取0、10%、20%、30%和40%。測(cè)試28d齡期泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和絕干密度。粉煤灰摻量為0、10%、20%、30%和40%時(shí)，泡沫混凝土絕干密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性回歸曲線見(jiàn)圖1、圖2、圖3、圖4和圖5。回歸結(jié)果列于表2。

　　顯然，不論是否摻加粉煤灰，還是粉煤灰摻量有所變化，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度之間具有良好的相關(guān)性。即在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度基本是一一對(duì)應(yīng)。而粉煤灰摻量則對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度值產(chǎn)生影響。

圖1  粉煤灰摻量為0時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

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圖2  粉煤灰摻量為10%時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

圖3  粉煤灰摻量為20%時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性　　

圖4  粉煤灰摻量為30%時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

圖5  粉煤灰摻量為40%時(shí)泡沫混凝土密度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性

表2  泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度的乘冪方程式

　　4  粉煤灰摻量對(duì)泡沫混凝土性能的影響

　　泡沫混凝土設(shè)計(jì)絕干密度ρ_干取700kg/m³、800kg/m³、900kg/m³和1000kg/m³，對(duì)應(yīng)的基本水料比ω分別取0.56、0.54、0.52和0.50，粉煤灰摻量η取0、10%、20%、30%和40%。含有不同摻量粉煤灰的泡沫混凝土，其28d抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果列于圖6。結(jié)果表明，在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，粉煤灰占有適當(dāng)比例，將有助于提高泡沫混凝土強(qiáng)度，而且可降低成本，降低收縮率，提高抗裂性(見(jiàn)圖7)。

　　粉煤灰中含有70%以上的玻璃體，主要成分是SiO₂和Al₂O₃。在強(qiáng)堿激發(fā)作用下將顯現(xiàn)膠凝活性。在泡沫混凝土中，水泥因水化不斷放出強(qiáng)堿Ca(OH)₂，與粉煤灰產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有膠凝性能的水化硅酸鈣、低硫型和高硫型水化硫鋁酸鈣，促進(jìn)泡沫混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)。

　　在早期，粉煤灰?guī)缀醪话l(fā)生火山灰反應(yīng)，因此隨粉煤灰摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低。表現(xiàn)為摻加粉煤灰的泡沫混凝土試塊脫模時(shí)間長(zhǎng)，低絕干密度泡沫混凝土表現(xiàn)極為明顯。隨著泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)齡期增加，粉煤灰火山灰作用和水泥水化反應(yīng)的促進(jìn)作用，以及粉煤灰微集料效應(yīng)，摻加適量粉煤灰的泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到和超過(guò)純水泥泡沫混凝土(也稱泡沫水泥)。在本研究中，粉煤灰適宜摻量為20%。

圖6  粉煤灰摻量與泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度

　　(a) 不摻加粉煤灰泡沫混凝土試塊(b) 摻加50%粉煤灰泡沫混凝土試塊

圖7  泡沫混凝土試塊外觀質(zhì)量

　　5  結(jié)  論

　　(1) 組成是影響泡沫混凝土強(qiáng)度的首要因素，主要包括水泥品種和強(qiáng)度等級(jí)、骨料種類與絕干密度、粉煤灰品質(zhì)、外加劑品種和發(fā)泡倍數(shù)等。

　　(2) 泡沫混凝土配合比設(shè)計(jì)可依據(jù)固定原材料重量法和固體混合料體積法進(jìn)行。即控制單位體積泡沫混凝土漿體中固體組分量和固體組分比例優(yōu)化。

　　(3) 在組成、配比和制備工藝相同的前提下，泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度之間具有良好的相關(guān)性。通過(guò)檢測(cè)泡沫混凝土濕密度，進(jìn)而控制泡沫混凝土絕干密度，從而達(dá)到控制泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的目的。

　　(4) 在水泥-粉煤灰-泡沫-水原料體系泡沫混凝土中，摻加適量粉煤灰將有助于提高泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度，提高抗裂性，同時(shí)可降低生產(chǎn)成本。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[3] 王武祥,劉寧,羅栓定.泡沫混凝土在引黃工程洞穿管回填中應(yīng)用.混凝土與水泥制品.2002,8(4):12-15.

　　[4] 王武祥,謝堯生.泡沫混凝土在建筑物補(bǔ)償?shù)鼗械膽?yīng)用.新型建筑材料.1997.7(7)：40-42.

　　【作者簡(jiǎn)介】 王武祥(1966-),中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院混凝土研究室主任，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事墻體屋面保溫材料、新型墻體材料、泡沫混凝土及制品、特種工程與功能材料的研究與開(kāi)發(fā)。