關(guān)于泡沫混凝土強(qiáng)度的探究

一、泡沫混凝土強(qiáng)度的主要來(lái)源  

    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。

    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。

    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。

    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。

    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。

二、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yw，單位為kg/m3。

基本水料比為ω，取值見表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yc，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yf，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1ω經(jīng)驗(yàn)值

泡沫混凝土設(shè)計(jì)絕干密度為ρ干(kg/m3)

400

500

600

700

800

900

1000

ω

0.69

0.64

0.60

0.56

0.54

0.52

0.50

配合比設(shè)計(jì)關(guān)系式見式(1)和式(2)：

k1yc+ k2yf=ρ干(1)

yf/(yf +yc)=h(2)

水泥、粉煤灰和水用量按式(3)、式(4)和式(5)計(jì)算：

yf=ηρ干/((1-η)k1+ηk2)(3)

yc=(1-η)ρ干/( (1-η)k1+ηk2) (4)

yw=w(yc+yf)(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：v2——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/fv(7)

式中：ρ濕——泡沫混凝土漿體密度，單位為kg/m3；

fv——泡沫劑水溶液發(fā)泡量，單位為m3/kg。

三、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：42.5普通硅酸鹽水泥。

粉煤灰：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?，預(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jc/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?；貧w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。

    表2泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度與絕干密度的乘冪方程式

序號(hào)

粉煤灰摻量(%)

乘冪方程式

r2

絕干密度范圍(kg/m3)

備注

1

0

r壓=3′10-8r干2.8661

0.9862

420-1070

r壓為泡沫混凝土28d抗壓強(qiáng)度

2

10

r壓=3′10-8r干2.8432

0.9935

420-1040

3

20

r壓=4′10-9r干3.1678

0.9948

420-1080

4

30

r壓=9′10-10r干3.3786

0.9853

540-1030

5

40

r壓=5′10-10r干3.4503

0.9605

690-1010

四、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。

    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%。

五、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。