一种新型保温材料的制备及其力学性能的研究

章锦洋，范黎，范晨，顾成军

(东南大学土木工程学院，江苏南京210000)



一种新型保温材料的制备及其力学性能的研究

章锦洋，范黎，范晨，顾成军

(东南大学土木工程学院，江苏南京210000)

摘要：设计干密度为400 kg/m3的轻质泡沫混凝土用作保温隔热材料时，普遍存在强度偏低的问题。通过实验的方法，根据控制变量的不同配比研究常用掺合料和减水剂的掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响。通过大量的泡沫混凝土试块抗压实验，发现适量加入粉煤灰和聚羧酸减水剂有助于混凝土强度的增长，硅灰的掺入对其强度增长不利，而聚丙烯纤维掺量较少时影响并不明显。通过四因素四水平的正交试验，在综合考虑泡沫混凝土的力学和保温性能后，认为水泥掺量91%、硅灰掺量9%、聚羧酸减水剂用量0.5%时的配比为合理配比。

关键词：泡沫混凝土；抗压强度；正交试验；配合比；掺合料；减水剂

0前言

泡沫混凝土相对于普通混凝土在各项物理性能方面均有很大优势。它的密度仅为普通混凝土的1/15～1/2，可有效减轻建筑物自重[1]；内部的大量封闭空隙使泡沫混凝土的隔音性能比普通混凝土提升5～8倍，导热系数增大了20～30倍[2]，消散地震波冲击能量的能力显著提升[3]。同时，泡沫混凝土在施工工程中可泵性好，特别适用于大体积现场浇筑及地下采空区的填充浇筑工程。除此以外，泡沫混凝土用料环保，可掺入粉煤灰、矿渣微粉等工业废渣，在实现材料循环利用的同时节约施工成本[4]。在绿色、节能、环保的理念逐渐深入人心的今天，泡沫混凝土有了更好的发展机遇和更广阔的市场空间。

泡沫混凝土的原材料有水泥、水、发泡剂等，外加必要的掺合料和外加剂。常用的掺合料有粉煤灰、矿渣粉、碎石、陶粒等，常用的外加剂有减水剂、促凝剂等。制备时常用预制泡混合法，即先将发泡剂按一定比例加水稀释后倒入泡沫制备机打出泡沫，再与用水泥、水、掺合料、外加剂搅拌好的料浆混合均匀后在模具中浇筑成型。现在也有同时进行发泡和拌和料浆的混合制泡法[5-7]。

当泡沫混凝土用作保温隔热材料时，其密度一般为300～600 kg/m3，属于轻质泡沫混凝土[8]。目前，工程领域对其强度和保温性能的要求越来越高，泡沫混凝土中泡沫掺量越多，其质量越轻，保温效果越好，但不可避免地会带来强度下降的问题[9-10]。如何在保证泡沫混凝土保温性能的同时，最大程度地减小强度损失，维持各项性能之间的平衡，是一个值得研究的问题。

1实验方法与内容

本项研究的主要目的是通过实验的方法找到既能保证保温性能又能最大程度地减小强度损失的泡沫混凝土最佳配比。在实验过程中，采用控制变量的方法，不断改变原料的配比来制备不同的试件，通过测试其力学性能和隔热性能找到材料配比的规律，重点研究几种常用掺合料(粉煤灰、硅灰、聚丙烯纤维)及减水剂等对泡沫混凝土抗压强度和导热系数的影响，探寻在满足规范要求的前提下能改善其强度和保温性能的合理配比。

1.1试块制备

本实验所采用的材料有：普通硅酸盐水泥(P.O42.5R)，粉煤灰(二级)，硅灰(硅含量>90%，粒度为0.1～0.2 μm)，聚羧酸减水剂(海森化工，固含量>99%)，动物蛋白发泡剂(pH值为6～7，固含量>40%)，聚丙烯纤维(密度为0.91 g/m3)。在测试材料的力学性能与隔热性能之前，先对材料试块进行制备，具体步骤为：

1)泡沫制备。取100 mL动物蛋白发泡剂放入1 000 mL的烧杯中，在高速搅拌器下搅拌制成泡沫。

2)混合砂浆制备。将水泥、粉煤灰、硅灰、外加剂及聚丙烯纤维等混合原料在搅拌机内先干拌搅匀，再加水搅拌3 min。

3)泡浆混合搅拌。将泡沫缓慢倒入混合料内继续搅拌5 min，保证泡沫均匀分布在混合料中。

4)浇筑成型。将制得的料浆注模，放入标准养护箱养护，24 h后脱模，再放入标准养护箱中养护，到规定的测试时间后测试其性能。

1.2材料性能测试

选用3种常用掺合料(粉煤灰、硅灰、聚丙烯纤维)和1种常用减水剂(聚羧酸减水剂)，设计了四因素四水平的正交试验，泡沫混凝土试块的设计干密度为400 kg/m3，水胶比为0.5；导热系数测试采用规格为300 mm×300 mm×20 mm的长方体试块，同种配比做2块试件，抗压强度测试采用规格为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，同种配比做6块试件，其中3块用于测定7 d强度，3块用于测定28 d强度。

所制备样品的导热系数通过导热系数测定仪DRCD-3030B进行测试，使用校正过的热流传感器测量通过样品的热流。测量样品厚度、温度梯度与通过样品的热流便可计算出导热系数。样品的力学强度通过抗压强度试验机HD-501-700进行测试，试件抗压强度=试件破坏荷载/ 试件承压面积。材料测试的数据结果见表1。

表1(续)

注：泡沫混凝土试块的设计干密度为400 kg/m3，水胶比为0.5。

2实验数据分析

2.1单一变量影响

为了深入探究各种掺合料和减水剂的掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响，对各种掺合料和减水剂分别单独进行实验，进一步探讨单一变量对泡沫混凝土抗压强度的影响。

2.1.1粉煤灰掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

图1为仅掺入粉煤灰时，不同粉煤灰掺量对泡沫混凝土试块抗压强度的影响情况。通过实验，发现随着粉煤灰掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度先增大后减小，在粉煤灰掺量约为30%时其抗压强度达到最大值。

在粉煤灰掺量较小时，由于粉煤灰的活性较水泥小，水化比纯水泥慢，因此，在用料相同的情况下，早期大部分水泥的水化都能得到充足的水分供应。在实验中还发现对整个浆体的和易性起到良好的作用，有效地避免了粉体团聚的现象，且由于粉煤灰具有活性，其后期强度的增长性较大。但是，随着粉煤灰掺量的增加，水泥掺量的减小，水化反应即使是充分反应，生成的C-S-H依然较少，其强度呈下降趋势。

图1　不同粉煤灰掺量条件下试块7 d和28 d的抗压强度对比图

2.1.2硅灰掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

图2为仅掺硅灰条件下，不同硅灰掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响。通过实验，发现随着硅灰掺量的增加，泡沫混凝土的7 d抗压强度先增大后减小，在硅灰掺量约为4%时其抗压强度达到最大值；28 d抗压强度总体呈下降趋势。

图2　不同硅灰掺量条件下试块7 d和28 d的抗压强度对比图

由于硅灰的表面积较大，在和易性相同的条件下，其需水量较大，水灰比也较大，因此掺杂了硅灰的泡沫混凝土强度总体呈下降趋势。但由于其具有一定的活性，能与水泥水化反应产生的二氧化钙发生二次水化反应，故其后期强度较高。由于硅灰的粒度较小，能有效填补水泥之间的空隙，使水化浆体更致密，因此，掺杂了硅灰的泡沫混凝土强度能在一定程度上获得提升。

2.1.3聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

图3为仅掺聚羧酸减水剂条件下，不同聚羧酸减水剂掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响。通过实验，发现随着聚羧酸减水剂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度先增大后减小，在聚羧酸减水剂掺量约为1.5%时其抗压强度达到最大值。

图3　不同减水剂掺量条件下试块7 d和28 d的抗压强度对比图

随着减水剂掺量的增加，浆体的流动性得到明显改善，有效分散了水泥，避免了在搅拌过程中出现粉体团聚的现象，有利于水化反应的充分进行，因此，在一定范围内减水剂能有效改善泡沫混凝土的抗压强度。但随着减水剂含量的增大，可能会增大泡沫的表面张力，引起泡沫大量破损或集聚上浮，降低整个试块的整体性，从而降低泡沫混凝土的抗压强度。

2.2其他比较分析

通过正交试验，发现在抗压强度方面，第2、5、10、13组的7 d抗压强度较高，其共同特点是粉煤灰掺量较少，硅灰用量适中，减水剂用量减少；第4、7、12组的7 d抗压强度较低，其共同特点是粉煤灰掺量较多。由此可知减少泡沫混凝土中粉煤灰的掺量，适量增加硅灰掺量可提高其抗压强度，聚丙烯纤维因掺量较少，对泡沫混凝土的强度影响不够明显。为尽可能提高泡沫混凝土的抗压强度，可采用的优化配合比为水泥掺量91%、硅灰掺量9%、聚羧酸减水剂用量0.5%。

在导热系数方面，各种配比情况下的导热系数大致相等，在0.085 W/(m·K)上下浮动，可知在试块密度相同时，掺合料和减水剂用量的变化对泡沫混凝土的保温性能影响不大。结合相关文献资料，推测可以采用减小泡沫混凝土密度的手段来减小其导热系数，改善其保温性能。

3结论

1)粉煤灰和聚羧酸减水剂掺量的增加均使泡沫混凝土的抗压强度呈现先增大后减小的趋势。适量掺入粉煤灰能提高混凝土的和易性，利用粉煤灰自身活性促进混凝土后期的强度增长；减水剂的加入有助于混凝土进行水化反应，但掺量过多造成的泡沫大量破损或集聚上浮对混凝土强度增长较为不利。

2)硅灰的掺入总体上会对泡沫混凝土的抗压强度产生不利影响，但因其粒径较小、且能发生二次水化反应，可使混凝土强度稍有增长。聚丙烯纤维掺量较少时对泡沫混凝土抗压强度的影响不明显。

3)对于设计干密度为400 kg/m3的泡沫混凝土来说，较少的粉煤灰掺量、适中的硅灰掺量和较少的减水剂用量利于提升其抗压强度。在保持泡

沫混凝土干密度恒定的条件下，掺合料和减水剂的用量变化对其导热系数的影响不大。综合考虑后的优化配合比为水泥掺量91%、硅灰掺量9%、聚羧酸减水剂用量0.5%。

[参考文献]

[1]LIM Siong Kang,TAN Cher Siang,LIM Ooi Yuan,et al.Fresh and hardened properties of lightweight foamed concrete with palm oil fuel ash as filler[J].Construction and Building Materials,2013,46(3): 39-47.

[2]高公翰.论述建筑工程中泡沫混凝土的优势及应用[J].企业技术开发，2013(15)：144，146.

[3]魏文慧.泡沫混凝土的分析与应用[J].混凝土，2013(2)：136-138，142.

[4]路杰.泡沫混凝土的应用及存在的问题[J].中国资源综合利用，2013(5)：49-51.

[5]程志寅.泡沫混凝土的制备、性能与发展前景[J].粉煤灰，2015(3)：43-46.

[6]谷亚新，王延钊，王小萌.不同工艺泡沫混凝土的研究进展[J].混凝土，2013(12)：148-152.

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[9]单星本，文婧，周运灿，等.泡沫混凝土抗压强度影响因素研究[J].低温建筑技术，2013(6)：6-9.

[10]GUNAWAN Purnawan,SETIONO.Foamed lightweight concrete tech using galvalum Az 150 fiber[J].Procedia Engineering,2014,95(5):433-441.

责任编辑：唐海燕

Preparation and Mechanical Property of a New Type of Thermal Material

ZHANG Jinyang,FAN Li,FAN Chen,GU Chengjun

(School of Civil Engineering,Southeast University,Nanjing 210000)

Abstract：The problem of low strength exists in the design of lightweight foam concrete as a thermal material with dry density of 400 kg/m3.This experiment uses the method of controlling variables to study the effects of content of normal admixture and water reducing agent on the compressive strength of foam concrete.Through a great number of tests on compressive strength of foam concrete testing models,the experiment shows that adding proper amount of fly ash and poly carboxylic water reducing agent contributes to the growth of concrete strength while the addition of silica fume has a negative effect on strength increase,and a small amount of polypropylene fiber has relatively little influence.Through the orthogonal test with four factors and at four levels,while considering mechanical and thermal insulation properties of foam concrete,it can be concluded that when the content of cement is 91%,the content of silica fume is 9%,and the content of poly carboxylic water reducing agent is 0.5%,the ratio of foam concrete is relatively reasonable.

Key words：foam concrete；compressive strength；orthogonal test；proportion；admixture；water reducing agent

doi:10.3969/j.issn.1671- 0436.2016.02.002

收稿日期：2016- 03- 03

作者简介：章锦洋(1995—)，男，本科生。

中图分类号：TU55+1

文献标志码：A

文章编号：1671- 0436(2016)02- 0006- 04