聚羧酸高效减水剂对泡沫混凝土性能影响试验研究

朱俊杰，陶俊林，卢永刚

（1.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院，四川 绵阳 621900）

聚羧酸高效减水剂对泡沫混凝土性能影响试验研究

朱俊杰1，陶俊林1，卢永刚2

（1.西南科技大学 土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010；2.中国工程物理研究院，四川 绵阳 621900）

以普通硅酸盐水泥为胶凝材料，掺入聚羧酸高效减水剂，采用物理发泡技术制备泡沫混凝土，研究了聚羧酸高效减水剂掺量对泡沫混凝土抗压强度、弹性模量、流值、气孔结构的影响。结果表明：在水灰比不变的条件下，泡沫混凝土的流值随着聚羧酸减水剂掺量的增加而增大，较小的掺量即可使泡沫混凝土获得较大的流值；聚羧酸高效减水剂可显著改善泡沫混凝土的气孔结构，使得气孔细小且分布较均匀，孔壁结构完整；随着水灰比的减小，聚羧酸减水剂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度和弹性模量均呈现出先增大后减小的趋势，当水灰比为0.5，聚羧酸减水剂掺量为0.08%，较未掺减水剂试样的抗压强度提高44.1%。

泡沫混凝土；聚羧酸减水剂；抗压强度；弹性模量；流值；气孔结构

泡沫混凝土是由水泥、水、集料和外加剂（可不用）按比例混合形成浆体，然后再与由发泡剂水溶液制成的细小泡沫充分搅拌均匀，在施工现场或工厂浇筑成型、养护而成的一种多孔材料[1]。由于该材料具有质量轻、流动性好、直立性强、施工方便、环境影响小等优点，近些年在土木工程中得到了广泛应用[2-3]。但是，在实际施工中，由于材料、施工和管理等方面的因素，泡沫混凝土在使用性能上表现出一些不足，尤其是强度偏低的问题[4]。而水灰比是影响泡沫混凝土强度的重要因素[5]，水泥完全水化的理论水灰比在0.2左右，实际施工应用中，为了浇筑方便，泡沫混凝土的水灰比多在0.5～0.7，水泥凝结硬化过程中，多余的水分会蒸发掉，形成很多连通孔隙，导致其强度降低。另外，水灰比过大会造成泡沫混凝土的分层离析，也会影响其性能[6]。减水剂作为现代混凝土配比中必不可少的一种外加剂，能够降低水灰比，显著改善混凝土的性能，在普通混凝土中应用技术和理论已经相当成熟[7-8]。但是，关于减水剂对泡沫混凝土性能的影响研究却很少。为此，本文选取应用较广泛的聚羧酸减水剂，研究这种减水剂在同一水灰比条件下，不同掺量对泡沫混凝土流值、气孔结构和无侧限抗压强度的影响，并研究在不同水灰比、相同流值条件下，聚羧酸高效减水剂对泡沫轻质混凝土抗压强度和弹性模量的影响，以期为工程建设提供一定的参考依据。

1 试验

1.1 原材料和主要仪器设备

水泥：P·O42.5水泥，四川拉法基集团；发泡剂：HTW-Ⅰ（普通型）型复合发泡剂，河南华泰开发有限公司，按照与水以1∶60的质量比进行稀释，技术指标见表1；减水剂：HSC聚羧酸高性能减水剂，青岛虹厦高分子材料有限公司，技术指标见表2；水：自来水。

WDW-50型微机控制电子万能试验机，西安力创材料检测技术有限公司；LV-FP-40B水泥发泡机，烟台绿林机械设备制造有限公司；Q1U-FF-160型搅拌机，江苏东成机电工具有限公司；TLD-YH40B型恒温恒湿标准养护箱，泰安市路达公路仪器制造有限公司。

表1 发泡剂的物理性能指标

表2 减水剂的物理性能指标

1.2 试样制备

本试验采用物理发泡技术，预制泡沫的方法制备泡沫混凝土试样。首先配制发泡剂溶液，调试出密度为30 kg/m3的泡沫；按照设计的配合比要求分别称取水泥和水，二者混合后搅拌2 min，然后加入聚羧酸高效减水剂，再充分搅拌2 min，搅拌过程中不能使水泥颗粒粘附在容器侧壁和底面。水泥浆搅拌均匀后，立即加入发泡装置制备好的泡沫，搅拌至要求，然后将泡沫混凝土料浆浇筑到100 mm×100 mm×100 mm的模具中。浇筑完成后，需人工轻轻振捣均匀，使浆液均匀填充到模具的各个角落，并避免浆液中存在过大的气泡，然后将表面覆盖一层塑料薄膜。试件静置于实验室中24 h后脱模，并送入标准养护室养护至规定龄期。

1.3 试验方法

为了研究在同一水灰比条件下，聚羧酸减水剂不同掺量对泡沫混凝土流值、抗压强度和气孔结构的影响，试验固定水灰比为0.4（水泥用量为400 kg/m3），分别掺入不同掺量的聚羧酸减水剂（折固，按占水泥质量计，下同）。另外，为了研究不同水灰比、相同流值条件下，聚羧酸高效减水剂对泡沫混凝土抗压强度和弹性模量的影响，选取不掺加减水剂水灰比为0.6（水泥用量为400kg/m3）的泡沫混凝土为基准配合比，在保持水泥用量不变的前提下，水灰比依次为0.55、0.50、0.45、0.40、0.30，分别调整减水剂用量，使得泡沫混凝土的流值控制在合适范围内。

泡沫混凝土流值试验参照CECS 249—2008《现浇泡沫轻质土技术规程》，采用内径80 mm，净高80 mm，壁厚2 mm的硬质塑料圆筒测其流值，以3次试验的算术平均值作为测试结果。压缩试验参照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行，采用WDW系列微机控制电子万能试验机分别对其3、7、14、28 d的试样进行单轴压缩试验，每组压缩试验有3个试样，取其平均值作为测试结果。

2 试验结果和分析

2.1 相同水灰比条件下聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土性能的影响

2.1.1 流值（见图1）

图1 聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土流值的影响

由图1可以看出：在水灰比不变的条件下，泡沫混凝土的流值随聚羧酸减水剂掺量的增加而增大。掺量在0～0.1%时，泡沫混凝土的流值增长较缓慢；当掺量大于0.1%时，流值迅速增长；掺量达到0.18%后，流值增长速度有所降低。不掺加聚羧酸减水剂时，泡沫混凝土的流值仅为14.2 cm，流动性很差；掺量为0.15%时，流值可达19.8 cm，比不掺减水剂提高39.4%，此时流动性较好；掺量为0.20%时，流值为27.0 cm，比不掺时提高90.1%。可见，聚羧酸高效减水剂对流值的影响很大，较小的掺量即可使泡沫混凝土获得较大的流值。

实际施工过程中，泡沫混凝土的流值过小，流动性差，会导致浇筑不到位，且容易引起设备堵塞，难以施工，而流值过大，泡沫混凝土易分层离析，也会影响其性能，所以，控制泡沫混凝土的流值在合适的范围内是保证泡沫混凝土性能良好的前提条件，本文在后续不同水灰比试验中，调整聚羧酸减水剂掺量，使得流值控制在（19±1）cm左右。

2.1.2 抗压强度（见图2）

图2 聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

由图2可以看出：（1）在水灰比不变的条件下，无论是否掺加聚羧酸减水剂，泡沫混凝土试样的抗压强度均随着养护龄期的延长而增大，且早期增长速度快，后期增长速度慢。（2）掺加减水剂的试样，其强度随龄期的发展速度明显比未掺加减水剂的试样要快。（3）随着聚羧酸减水剂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度呈现出先增大后减小的趋势，掺量为0.15%，抗压强度达到最大值，此时3 d、28 d抗压强度分别较未掺加减水剂的试样提高257.0%、233.2%。

2.1.3 气孔结构（见图3～图5）

图3 未掺聚羧酸减水剂泡沫混凝土的气孔结构

图4 掺0.15%聚羧酸减水剂泡沫混凝土的气孔结构

图5 掺0.20%聚羧酸减水剂泡沫混凝土的气孔结构

由图3～图5可知，未掺加减水剂的试样气孔大小分布不均匀，孔壁结构不完整，连通孔隙较多，而且有很多未分散的水泥颗粒微团；掺加0.15%聚羧酸减水剂后，泡沫混凝土内部的气孔细小且分布相对较均匀，孔壁结构完整，无未分散的水泥颗粒微团；掺加0.20%聚羧酸减水剂试样的气孔大且孔壁较薄，有很多连通孔隙。

2.2 不同水灰比条件下聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土性能的影响

2.2.1 抗压强度

图6为不同水灰比时聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响。

图6 不同水灰比时聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

由图6可以看出：（1）在相同环境条件下，无论是基准泡沫混凝土试样，还是掺加聚羧酸减水剂的泡沫混凝土试样，其抗压强度均随着养护龄期的延长而增大，且早期增长速度快，后期增幅逐渐降低。（2）随着水灰比的减小，聚羧酸减水剂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度呈现出先提高后降低的趋势。聚羧酸减水剂掺量在0～0.08%时，泡沫混凝土的抗压强度随着掺量的增加而增大，但增长速度逐渐趋缓。当掺量为0.08%，抗压强度达到最大值，此时的3 d、28 d抗压强度分别较未掺加聚羧酸减水剂的试样提高44.1%、20.3%。当掺量超过0.08%时，抗压强度开始降低，掺量为0.08%～0.15%时降低的速度较快，掺量大于0.15%时，降低速度有所减缓，但此时抗压强度已经低于基准泡沫混凝土试样。

可见，泡沫轻质混凝土水灰比较小时，掺加适量的聚羧酸高效减水剂既能保证其流动性，也能提高其抗压强度，但当水灰比小到一定程度，即使添加减水剂使得流值满足要求，也会对其强度产生不利影响。这主要是因为水灰比大幅降低后，减水剂的加入虽然能改善其流动性，但水泥浆的内聚力过大，泡沫在混合过程中会因摩擦力过大而破裂[6]。本试验得出：当泡沫轻质混凝土的水灰比不小于0.4时，随着水灰比的减小，掺加适量的聚羧酸高效减水剂，可显著提高泡沫轻质混凝土的抗压强度。满足实际施工条件（控制泡沫混凝土的流值在19 cm左右）具体掺量如下：水灰比0.55时，减水剂掺量为0.038%；水灰比0.5时，减水剂掺量为0.08%；水灰比0.45时，减水剂掺量为0.12%。

2.2.2 弹性模量

图7为不同水灰比时聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土弹性模量的影响。

图7 不同水灰比时聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土弹性模量的影响

由图7可以看出：（1）在相同环境条件下，无论是基准泡沫混凝土试样，还是掺加聚羧酸减水剂的试样，其弹性模量均随着养护龄期的延长而增大，且早期增长速度快，后期增幅逐渐降低。（2）随着聚羧酸减水剂掺量的增加，各龄期的弹性模量均呈现出先增大后减小的趋势。聚羧酸减水剂掺量为0～0.08%时，泡沫混凝土的弹性模量随着掺量的增加而增大，但增长速度逐渐趋缓。当掺量为0.08%，弹性模量达到最大值，此时的3 d、28 d弹性模量分别较未掺加聚羧酸减水剂的试样提高77.4%、20.5%。当掺量超过0.08%时，弹性模量开始降低，在0.08%～0.15%内降低的速度较快，掺量大于0.15%时，降低速度减缓。

3 结论

（1）在水灰比不变的条件下，泡沫混凝土的流值随着聚羧酸减水剂掺量的增加而增大，且较小的掺量即可使泡沫混凝土获得较大的流值。

（2）水灰比为0.4时，随着聚羧酸减水剂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度呈现出先增大后减小的趋势。抗压强度达到最大值时的掺量为0.15%，此时28 d抗压强度较未掺加减水剂的试样提高233.2%。

（3）掺加适量的聚羧酸高效减水剂可显著改善泡沫混凝土的气孔结构，使得气孔细小且分布相对较均匀，孔壁结构完整。

（4）随着水灰比的减小，聚羧酸减水剂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度和弹性模量均呈现出先增大后减小的趋势。当水灰比为0.5，聚羧酸减水剂掺量为0.08%时，抗压强度和弹性模量达到最大值，3 d抗压强度较未掺加减水剂试样的抗压强度提高44.1%，弹性模量提高77.4%，28 d抗压强度较未掺加减水剂的试样提高20.3%，弹性模量提高20.5%。

[1] 唐明，徐立新.泡沫混凝土材料与工程应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：1-3.

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[5] 何立粮，杨立荣，张宝强.水灰比和外加剂对泡沫混凝土性能的影响[J].混凝土与水泥制品，2015（10）：71-73.

[6] 管文.减水剂对泡沫混凝土性能的影响[J].新型建筑材料，2011，（5）：45-49.

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[8]施惠生，孙振平，邓恺，等.混凝土外加剂技术大全[M].北京：化学工业出版社，2013.

Experimental research on effect of poly carboxylic acid water reducing agent on performance of foamed concrete

ZHU Junjie1，TAO Junlin1，LU Yonggang2
（1.School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Foamed lightweight concrete was prepared by introducing preformed foam into ordinary Portland cement slurry with poly carboxylic acid water reducing agent.The effect of poly carboxylic acid water reducing agent on the compressive strength，elastic modulus，flow value，and pore structure were researched.Test results illustrated that the flow value of foamed lightweight concrete increased with the increment of poly carboxylic acid water reducing agent under the same water cement ratio and foamed lightweight concrete could achieve larger flow value with smaller mixing amount.The poly carboxylic acid water reducing agent had an obvious effect on the pore structure，decreasing the pore diameter，achieving more uniform distribution of air voids and integrating the pore wall.The compressive strength and elastic modulus increased at first then decreased as the decrease of the water cement ratio and increase of poly carboxylic acid water reducing agent.When the water cement ratio was 0.5 and the addition amount of poly carboxylic acid water reducing agent was 0.08%，the compressive strength could be raised by 44.1%.

foamed concrete，poly carboxylic acid water reducing agent，compressive strength，elastic modulus，flow value，pore structure

TU528.2

A

1001-702X（2016）08-0016-04

2016-04-11；

2016-05-16

朱俊杰，女，1991年生，河南驻马店人，硕士研究生。