水泥基轻质保温材料的研制

王一达，张志国，2，刘玉莹，董文涛，赵风清，2

(1.河北科技大学化工学院，石家庄050018;2.河北省固体废弃物资源化工程技术研究中心，石家庄050000)

近年来，国内高层、超高层建筑陆续涌现。由于各种原因，这类高大建筑多次发生重大的火灾事故，造成严重的人员伤亡和经济财产损失。究其原因，一是违规用火和违规施工操作，二是使用的外墙保温材料易燃存在火灾隐患[1]，三是建筑物高大消防设备难以企及。第二种原因是造成此类事故多发的重要原因。因此，以防火等级高的无机材料取代有机材料进行建筑保温势在必行。无机保温材料主要有岩棉、玻璃棉、加气混凝土、泡沫混凝土、保温砂浆及新型的玻化微珠材料等[2，3]。与有机保温材料相比，水泥基泡沫混凝土具有防火、耐久、隔声、绿色环保等优势，越来越引起人们的重视[4，5]。目前用物理发泡方式生产的保温泡沫混凝土材料强度较低，表观密度为300kg/m3的材料强度在0.2～0.3MPa，有的甚至更低。本文通过对泡沫混凝土影响因素的研究，优化水泥基轻质保温材料的配比，提高制品质量。

1 原材料

原材料包括:P·O 42.5普通硅酸盐水泥;Ⅱ级粉煤灰(0.045mm方孔筛筛余38%，主要组成为 LOI 8.6%、SiO259.2%、Al2O322.4%、SO31.2%);发泡剂:市售，粉状;激发剂:硅酸盐、硫铝酸盐混合物;减水剂:萘系减水剂。纤维:耐碱玻璃纤维，长度6mm。

2 试验方法

分别称取水泥、粉煤灰、激发剂、减水剂、纤维和水等材料，在搅拌机中制成均匀的料浆;发泡剂加水溶解，用发泡机制成泡沫;将泡沫加入到料浆中混合均匀，然后浇筑成型;试块在(20±1)℃条件下养护28d，干燥后测表观密度、抗压强度和导热系数。强度试块尺寸为100mm×100mm×100mm，导热系数试块尺寸为300mm×300mm×20mm。

3 结果与讨论

影响泡沫混凝土性能的主要因素有水料比、泡沫、胶凝材料、矿物掺合料、纤维等[6，7]，本文就以上各影响因素对泡沫混凝土表观密度和强度的影响进行了试验研究。减水剂可增加水泥的分散性，使泡沫混凝土料浆更加均匀，增加其内聚性和黏性，有利于泡沫的稳定[8]，试验中加入固定量的减水剂。

3.1 水料比

试验配比为水泥250kg/m3、泡沫0.9m3/m3、减水剂1kg/m3，水料比在0.4 ～0.6 之间变化，试验结果见表1。

表1 水料比对泡沫混凝土的影响

试验表明，水料比在0.4～0.6范围变化时，试块表观密度基本保持不变，强度呈现先增长后下降的变化趋势，当水料比为0.45时强度达到最大值。水料比小时，水泥料浆稠度大、泡沫损失大，水泥组分易团聚形成球形颗粒，这导致泡沫间壁水泥量减少，从而造成试块强度低。增大水料比，水泥分散均匀，颗粒团聚现象消失，料浆的整体均匀性得到改善，强度提高。水料比过大时，起支撑作用的孔壁微孔增加，造成强度下降，还会引起泡沫离析，甚至导致塌陷。因此，水料比是一个重要的影响因素，存在一个合理的数值，本试验最佳水料比为0.45。

3.2 泡沫

试验配比为水泥250kg/m3、减水剂1kg/m3、水料比0.45，调整泡沫掺量，试验结果见表2。

表2 泡沫对泡沫混凝土的影响

在泡沫混凝土中，泡沫是主要填充材料。泡沫掺量的多少直接影响泡沫混凝土的孔隙率和材料结构，进而影响其综合性能。试验表明，随着泡沫掺量的增加，泡沫混凝土的气孔量增加、表观密度降低、抗压强度下降。这是因为加入的大量泡沫占据了水泥浆空间，使泡沫间壁变薄、支撑作用降低。泡沫也是影响泡沫混凝土性能的重要因素，根据需要进行调整。

3.3 水泥

试验配比为泡沫0.9m3/m3、减水剂1kg/m3、水料比0.45，调整水泥掺量，试验结果见表3。

表3 水泥对泡沫混凝土的影响

水泥是泡沫混凝土的强度来源，对其力学性能起决定性作用。一般来说，在其它条件不变的情况下，水泥掺量与泡沫混凝土的表观密度和强度呈正相关关系，即水泥掺量越大，泡沫混凝土的表观密度越大、抗压强度越高。泡沫间壁中，水泥水化生成的水化硅酸钙支撑起了泡沫混凝土的蜂窝状多孔结构，水泥掺量越大强度越高。

3.4 粉煤灰

用粉煤灰部分替代水泥，研究粉煤灰掺量对泡沫混凝土的影响。试验泡沫0.9m3/m3、减水剂1kg/m3、水料比0.45，激发剂掺量为粉煤灰量的0.4%，试验结果见表4。

表4 粉煤灰对泡沫混凝土的影响

粉煤灰是具有火山灰活性的工业副产物，价格低廉，在氢氧化钙和激发剂的作用下，能发生缓慢水化反应，生成水化硅酸钙等产物[9]。在试块养护过程中，粉煤灰与水泥水化产生的氢氧化钙发生二次反应生成水化硅酸钙，起到了胶凝作用。粉煤灰发挥了火山灰效应、形态效应和微集料效应作用，可以部分代替水泥使用降低生产成本。当粉煤灰替代水泥量在20%以内时，泡沫混凝土强度略有降低，但变化幅度小;粉煤灰替代量超过30%，强度下降在43%以上。本试验粉煤灰的适宜掺量为20%。

3.5 纤维

保温型泡沫混凝土强度低，搬运、使用不当容易破损，引起高空坠落的安全事故。因此，泡沫混凝土中往往加入一定量的增强纤维。常用的纤维有聚丙烯纤维和耐碱玻璃纤维，本试验选用耐碱玻璃纤维进行试验。试验配比为水泥240kg/m3、粉煤灰60kg/m3、激发剂0.24kg/m3、减水剂 1kg/m3、泡沫 0.9m3/m3、水料比0.45，加入不同量的耐碱玻璃纤维，试验结果见表5。

表5 耐碱玻璃纤维对泡沫混凝土的影响

从试验结果可以看出，在泡沫混凝土中掺入不同量耐碱玻璃纤维，泡沫混凝土的抗压强度没有明显的变化。但是，试块的柔韧性和整体性得到了改善，试块破裂后还能保持基本完整的外形，不致碎裂和掉落碎块，大大提高了施工的安全性。综合成本和其作用，耐碱玻璃纤维的最佳掺量为1.5kg/m3。对表5中第二组泡沫混凝土进行导热系数测定，导热系数为0.067 W/(m·K)。

4 结语

影响泡沫混凝土性能的主要因素有水料比、水泥、泡沫、掺合料和纤维等。合理优化泡沫混凝土的配合比，严格控制生产工艺能制备出高强度的轻质、防火、保温的墙体保温材料，提高建筑的安全性能。

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[3]张泽平，李珠，董彦莉.建筑保温节能墙体的发展现状与展望[J].工程力学，2007(12):121～128

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[5]吴兆春.泡沫混凝土－－未来建筑节能重要的保温材料发展方向[J].砖瓦，2012(1):58 ～60

[6]赵风清，张志国，曹素改等.新型生态发泡混凝土的研制[J].粉煤灰，2007(3):15～17

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