化学发泡陶粒泡沫混凝土力学及热工性能研究

王　康，陈国新

(新疆农业大学水利与土木工程学院， 新疆乌鲁木齐830052)



化学发泡陶粒泡沫混凝土力学及热工性能研究

王康，陈国新

(新疆农业大学水利与土木工程学院， 新疆乌鲁木齐830052)

摘要：为改善泡沫混凝土的抗裂性能和热工性能，利用双氧水、陶粒、玻化微珠、玻璃纤维、水泥等材料，通过化学发泡法制备玻璃纤维增强型陶粒泡沫混凝土砌块，并采用单因素控制变量法进行顺序试验，分析了各因素对材料力学性能和热工性能的影响，通过多元线性回归得出满足劈拉强度在0.80～0.90 MPa、抗压强度在7.0～8.0 MPa的泡沫混凝土砌块最优配合比。结果表明：泡沫混凝土脆性随双氧水、玻化微珠和陶粒用量的增加而显著增大；玻璃纤维既可提高泡沫混凝土强度，又可改善其热工性能。当双氧水、玻璃纤维、玻化微珠和陶粒掺量分别为水泥质量的7.5%、1.0%、8.5%和8.5%时，泡沫混凝土导热系数为0.203 W/(m·k)，劈裂抗拉强度达到0.81 MPa，抗压强度达到7.3 MPa。化学发泡法制备的玻璃纤维增强型陶粒泡沫混凝土拉压比高，保温性能好。

关键词：化学发泡法；泡沫混凝土；力学性能；热工性能；多元线性回归；最优配合比

0引言

泡沫混凝土的制备有两种方法，一种是物理发泡法，另一种是化学发泡法[1-2]。目前，泡沫混凝土的试验研究、生产工艺以及生产设备主要集中在物理发泡法制备的泡沫混凝土上，有关使用化学发泡制备泡沫混凝土的研究还比较少。与物理发泡法相比，化学发泡法制备泡沫混凝土省去了预制泡沫步骤，其强度发展快，操作更为简单、快捷，但化学发泡混凝土在发泡过程中容易形成较大的串孔，料浆稳定性差，使泡沫混凝土脆性大、易开裂[3]。纤维能显著提高泡沫混凝土的拉压比[4-6]，延缓混凝土出现裂缝，并能刺破发泡时产生的较大气泡，从而解决化学发泡法容易形成较大串孔的问题。陶粒和玻化微珠都是保温、隔热性能良好的建筑材料，适量地掺加陶粒能提高泡沫混凝土强度并减少水泥用量[7-8]，而玻化微珠则能有效降低泡沫混凝土容重并且显著降低其导热系数[9-10]。

为改善泡沫混凝土的抗裂性能和热工性能，本文以工业双氧水、陶粒、玻化微珠、玻璃纤维、水泥等材料，通过化学发泡法制备玻璃纤维增强型陶粒泡沫混凝土，并采用单因素控制变量进行顺序试验，分析各因素对材料的力学及热工性能的影响，并通过多元线性回归得到满足一定考察指标的经验公式。

1试验材料与方法

1.1试验材料

玻璃纤维长度8～12 mm，直径15.3 μm，断裂延伸率3.6%，密度2.70 g/cm3，抗拉强度2480.0 MPa，弹性模量80.0 GPa；玻化微珠颗粒粒径0.1～2.0 mm，容重80.0～120.0 kg/m3，导热系数0.028～0.048 W/(m·k)；陶粒堆积密度630～750 kg/m3；水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；工业双氧水浓度为20%；自来水。

1.2试验设计

考虑双氧水、陶粒、玻璃纤维和玻化微珠在不同掺量下对泡沫混凝土的基本力学性能和热工性能的影响进行顺序试验。水泥、水和二氧化锰的质量比为1∶0.53∶0.025[11-12]，双氧水、陶粒、玻璃纤维和玻化微珠掺量均以水泥质量为基准，双氧水取6.5%、7.5%、8.5%、9.5%和10.5%5个水平；陶粒和玻化微珠均取6.5%、8.5%、10.5%、12.5%和14.5%5个水平；玻璃纤维取0.4%、0.6%、0.8%、1.0%和1.2%5个水平。

1.3试块制作与试验方法

各因素各水平分别制作6个长宽高均为100 mm的标准立方体试块(其中3个用于测试劈裂抗拉强度，3个用于测试抗压强度)和1个300 mm×300 mm×30 mm平板导热试块。试验开始前先将陶粒浸水10～12 h进行预湿，之后将预先准备好的二氧化锰、陶粒、玻化微珠、玻璃纤维等材料干拌成均匀的混合物；再将准备好的双氧水(稀释后)倒入干拌均匀的混合物中快速搅拌15 s左右；随后快速将拌合好的泡沫混凝土装入模具中，并在模具表面铺盖一层塑料薄膜或保鲜膜，然后将铺好薄膜的试模置于室温下静置24 h以后拆模；最后将脱模后的泡沫混凝土试块置于温度在(20±3) ℃、湿度在95%以上的标准养护室养护28 d即可。

试块制备过程如图1所示。

(a) 拌制过程

立方体试块的基本力学性能参照《蒸压加气混凝土性能试验方法》(GB-T11969-2008)进行测试，抗压和劈裂抗拉试验的荷载加载速度分别为2.0 kN/s和0.2 kN/s。平板导热试块的热工性能参照《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》(GB10294-88)进行测试。试验测试过程如图2所示。

(a) 抗压强度测试

2试验结果与分析

试验结果如表1所示。

表1　试验结果

续表1

变化因素组别名称玻化微珠/%玻璃纤维/%双氧水/%陶粒/%抗压强度/MPa劈拉强度/MPa导热系数/(W·m-1·k-1)玻化微珠3-18.50.86.56.58.11.080.2123-210.50.86.56.58.50.940.1983-312.50.86.56.57.80.830.1813-414.50.86.56.56.40.620.152陶粒4-16.50.86.58.57.91.080.2284-26.50.86.510.58.41.020.2334-36.50.86.512.58.50.930.2564-46.50.86.514.57.50.690.272

2.1双氧水对强度和导热系数的影响

双氧水掺量变化对泡沫混凝土基本力学及热工性能的影响如图3所示。可见，随双氧水掺量的增加，泡沫混凝土试块强度和导热系数呈线性下降趋势。双氧水掺量超过8.5%，混凝土劈拉强度下降了24.1%，降低幅度较大。从试块劈拉破坏面来看，随双氧水掺量的增加，试块内部较大的闭口串孔孔隙增多。

试验结果表明，双氧水掺量过多会导致发泡速率过快，浇筑完成后容易塌模，且混凝土内部容易形成较大的串孔。当试块受到外力作用时串孔孔边由于应力集中易产生微裂缝，且裂缝沿着串孔方向迅速扩展，使混凝土强度显著降低，且呈现脆性破坏。双氧水掺量过少则达不到理想的发泡效果而造成泡沫混凝土容重大、导热系数过高。

(a) 抗压强度

(b) 劈裂抗拉强度

(c) 导热系数

图3双氧水掺量对试块力学性能和热工性能影响

Fig.3Influence of hydrogen peroxide content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.2玻璃纤维对强度和导热系数的影响

玻璃纤维掺量变化对泡沫混凝土基本力学及热工性能性能的影响如图4所示。可见，随玻璃纤维掺量的增加，泡沫混凝土试块导热系数单调递减，试块抗压强度和劈拉强度值在1.0%掺量下分别达到最大，1.0%掺量组别试块相较0.4%掺量组别试块其抗压强度提高了36.8%，劈拉强度提高了56.8%；1.2%掺量组别试块相较0.4%掺量组别试块其导热系数降低了15.0%。玻璃纤维对泡沫混凝土试块的劈裂抗拉强度提高程度最明显，对抗压强度提高和导热系数降低的影响较明显。

玻璃纤维作为增强相，适当的掺量能明显提高泡沫混凝土的劈裂抗拉强度，从而改善混凝土的抗裂性能[13-15]。1.2%掺量组别试块的抗压和劈拉强度均有所降低，原因在于玻璃纤维掺量过多会导致混凝土在短时间快速搅拌的过程中出现严重的纤维成团、成束的现象，玻璃纤维分布不均匀，使得纤维的 “三维约束”效应难以体现，且玻璃纤维与水泥砂浆的结合面是试块受力作用下的比较薄弱的界面，玻璃纤维掺量的增加使弱界面数量增多，进而使空间约束能力减弱，导致泡沫混凝土强度稳定性变差。但泡沫混凝土导热系数随玻璃纤维掺量变化幅度较小，原因在于玻璃纤维掺量的变化水平远小于其他因素，且纤维之间的搭接、牵连阻碍了混凝土发泡，纤维过多会造成混凝土难以发泡，这使得玻璃纤维质轻、隔热的优势在泡沫混凝土中难以体现。

(a) 抗压强度

(b) 劈裂抗拉强度

(c) 导热系数

图4玻璃纤维掺量对试块力学性能和热工性能影响

Fig.4Influence of the glass fiber content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.3玻化微珠对强度和导热系数的影响

玻化微珠掺量变化对泡沫混凝土基本力学及热工性能性能的影响如图5所示。可见，随玻化微珠掺量的增加，泡沫混凝土试块劈拉强度和导热系数的变化基本呈线性下降趋势；玻化微珠掺量6.5%试块相较掺量14.5%试块其劈拉强度降低了42.6%，导热系数降低了28.3%。玻化微珠明显改善泡沫混凝土的热工性能，但泡沫混凝土的脆性随玻化微珠用量增加而显著变大。

玻化微珠掺量由6.5%增至10.5%，试块抗压强度上升16.4%，劈拉强度下降18.3%，导热系数下降11.2%。原因在于玻化微珠的多孔空腔结构发挥了良好的保温作用，其用量越多则混凝土内部的闭口气孔就越多，使泡沫混凝土导热系数和容重越低。但玻化微珠用量过多会使混凝土内部孔隙率较大，试块承受外荷载作用时应力集中的部位较多，最终导致泡沫混凝土脆性破坏。

(a) 抗压强度

(b) 劈裂抗拉强度

(c) 导热系数

图5玻化微珠掺量对试块力学性能和热工性能影响

Fig.5Influence of the glazed hollow bead content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

2.4陶粒对强度和导热系数的影响

陶粒掺量变化对泡沫混凝土基本力学及热工性能性能的影响如图6所示。可见，随着陶粒掺量的增加，试块劈拉强度基本呈线性下降趋势；导热系数呈上升趋势；陶粒掺量为12.5%试块抗压强度达到最大值8.5 MPa。相较掺量12.5%试块，陶粒掺量14.5%试块抗压强度降低11.7%，劈拉强度降低25.8%，导热系数上升6.3%。

当陶粒掺量为14.5%时，泡沫混凝土的和易性较差，砂浆过剩系数明显降低。砂浆过剩系数过低使砂浆约束陶粒变形的能力变弱，试块受外力作用时陶粒容易产生裂纹而遭破坏。相同掺量的陶粒和玻化微珠相比，试块的导热系数并没有随陶粒掺量增加而有明显变化，原因在于玻化微珠颗粒粒径小，单位体积混凝土中玻化微珠分布范围广且更加均匀，更有利于发挥材料本身的保温隔热作用。

(a) 抗压强度

(b) 劈裂抗拉强度

(c) 导热系数

图6陶粒掺量对试块力学性能和热工性能影响

Fig.6Influence of the ceramsite content on the mechanical properties and thermal performance of blocks

3多元线性回归分析

以玻璃纤维增强型陶粒泡沫混凝土的抗压强度以及劈裂抗拉强度作为考核指标，采用多元线性回归推导玻璃纤维增强型陶粒泡沫混凝土砌块配合比经验公式，以确定强度在7.0～8.0 MPa砌块材料的最优配合比。

对泡沫混凝土试块的抗压强度和劈裂抗拉强度的试验测试结果进行多元线性回归，假设线性回归模型为:

yi=b0-b1xx-b2x2-b3x3-b4x4+e,

(1)

其中，yi为试块的抗压强度或劈拉强度或导热系数；x1为双氧水掺量；x2为玻璃纤维掺量；x3为玻化微珠掺量；x4为陶粒掺量；e为试验误差。

将试验数据代入回归模型(1)中，得到下列回归方程。

试块抗压强度多元线性回归方程为：

y1=10.319-0.013xx+0.027x2+0.001x3+0.002x4,R2=0.848，n=17。

(2)

试块劈拉强度多元线性回归方程为：

y2=2.601-0.003xx+0.01x2-0.001x3-0.001x4，　R2=0.981，n=17。　(3)

1.*为一般显著；***为非常显著。

对多元线性回归方程进行方差分析，结果如表2所示。由表2可知，劈裂抗拉强度线性回归方程检验值非常显著，抗压强度线性回归方程检验值显著程度一般。所以在玻璃纤维增强型陶粒泡沫混凝土配合比的设计过程中应以劈裂抗拉强度为主要参考指标。

根据泡沫混凝土试块劈裂抗拉强度多元线性回归方程(3)，初步选取双氧水掺量7.5%，玻璃纤维掺量1.0%，玻化微珠掺量10.5%和陶粒掺量10.5%为泡沫混凝土最优掺量。为验证经验公式的适用性，本研究以该配比实际配置了3组泡沫混凝土试块。将试块的配合比参数代入回归方程(3)中，得到劈裂抗拉强度值为0.83 MPa，抗压强度值为8.0 MPa；而按照初选配合比配置试块的实测劈拉强度为值0.81 MPa，抗压强度值为7.3 MPa，导热系数为0.203 W/(m·k)。结果表明，劈拉强度实测值与计算值吻合较好，回归方程(3)对于配置强度等级在7.0～8.0 MPa的砌块有较大的参考价值和较强的适用性。

4结论

通过研究分析双氧水、玻璃纤维、玻化微珠和陶粒在不同掺量下对泡沫混凝土基本力学性能及热工性能的影响，得到如下结论：

①双氧水掺量超过8.5%，泡沫混凝土抗压强度和劈拉强度值下降幅度较大，其掺量每增加1.0%，泡沫混凝土抗压强度下降约13.6%，劈拉强度下降约19.8%。

②玻璃纤维对泡沫混凝土试块的劈裂抗拉强度提高程度最明显，对抗压强度提高和导热系数降低的影响较明显。相较0.4%掺量组别试块，1.0%掺量组别试块劈拉强度提高53.4%，抗压强度提高17.6%，1.2%掺量组别试块导热系数降低了15.0%。

③玻化微珠显著改善了泡沫混凝土的热工性能，但是其用量过多将导致泡沫混凝土脆性显著变大。其用量由6.5%增至14.5%，导热系数由0.223 W/(m·k)降至0.152 W/(m·k)，下降31.8%。

④陶粒掺量14.5%试块泡沫混凝土和易性差，相较掺量12.5%试块其抗压强度降低11.7%，劈拉强度降低25.8%，导热系数上升6.3%。

⑤采用多元线性回归分析得到的计算强度与实测强度吻合较好，当双氧水掺量7.5%，玻璃纤维掺量1.0%，玻化微珠掺量8.5%，陶粒掺量8.5%，泡沫混凝土劈拉强度为0.81 MPa；抗压强度为7.3 MPa；导热系数为0.203 W/(m·k)。砌块的延性比较好，拉压比为0.11。可见经验公式对于配置砌块劈拉强度在0.80～0.90 MPa、抗压强度在7.0～8.0MPa的砌块有较大的参考价值和较强的适用性。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

Mechanical and thermal properties of ceramsite foamed concrete prepared with chemical foaming method

WANG Kang ,CHEN Guo-xin

(College of Hydraulic and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China)

Abstract：In order to improve crack resistance and thermal properties of foamed concrete, hydrogen peroxide, ceramsite, glazed hollow bead, glass fiber, and cement were used to prepare glass fiber-reinforced ceramsite foamed concrete blocks with the chemical foaming method. A single factor control variate method was used to test the blocks, and the effect of various factors on mechanical and thermal properties of the concrete was analyzed. An optimal mixture ratio was obtained through a multiple linear regression analysis. The splitting tensile strength of the foamed blocks was between 0.80 MPa and 0.90 MPa, and the compressive strength was between 7.0 MPa and 8.0 MPa. Results show that the brittleness of foamed concrete corresponds with the increase of the hydrogen peroxide and glazed hollow bead contents. Glass fiber can improve the splitting tensile strength and thermal performance of foamed concrete. When the hydrogen peroxide, glass fiber and glazed hollow beads are 7.5%, 1.0%, 8.5% and 8.5% of the cement mass content, respectively, the thermal conductivity of foamed concrete is 0.203 W/(m·k), the splitting tensile strength is 0.81 MPa, and the compressive strength is 7.3 MPa. Glass fiber-reinforced ceramsite foamed concrete prepared with the chemical foaming method, have high ratio of tension to compression and good thermal properties.

Key words：chemical foaming method; foamed concrete; mechanical properties; thermal properties; regression analysis; optimum mixture ratio

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-0339-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0339

通讯作者：陈国新(1978-)，男，新疆巴州人，新疆农业大学副教授，博士(后)；E-mail:xjbnchgx@163.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11242007)；新疆维吾尔自治区优秀青年科技创新人才培养项目(2014721012)；中国科学院"西部之光"人才培养计划项目(RCPY201208)

收稿日期：2015-10-18；

修订日期：2016-02-19

引文格式：王康，陈国新.化学发泡陶粒泡沫混凝土力学及热工性能研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：339-345.