再生微粉制备泡沫混凝土的试验研究

刘香，运喜刚，张君瑞，李莹，李元君（内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头　014010）



再生微粉制备泡沫混凝土的试验研究

刘香，运喜刚，张君瑞，李莹，李元君
（内蒙古科技大学建筑与土木工程学院，内蒙古包头014010）

摘要：主要针对影响再生微粉泡沫混凝土性能的胶凝材料体系进行试验研究。通过不同胶凝材料比例下的干表观密度和吸水率与抗压强度的关系确定泡沫混凝土的基准配合比。实验结果表明：当m（水泥）∶m（再生微粉）∶m（粉煤灰）=70∶15∶15时，可在保证抗压强度和吸水率的同时最大程度利用再生微粉；基于正交试验优化出配合比，并制备了符合GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》中A3.5级要求的再生微粉泡沫混凝土，可用作墙体保温材料，且具有良好的使用效果和经济性。

关键词：再生微粉；泡沫混凝土；胶凝材料体系；正交试验

我国每年产生废弃黏土砖与废弃混凝土为主的建筑垃圾可达15.5亿t［1］，其中大部分处理方式为焚烧、掩埋，这不仅占用大量土地，且对环境造成了相当严重的污染。因此建筑垃圾再生微粉制备泡沫混凝土已成为建筑节能型建材的发展趋势［2］。

1 再生微粉泡沫混凝土中胶凝材料体系的确定

泡沫混凝土对干表观密度有严格的要求，因此在选择胶凝材料时粉煤灰成为必不可少的细集料［3］。再生微粉的主要成分包括大量的水泥浆粉末，部分水泥石颗粒和少量的石灰石细颗粒，具有一定的潜在活性，其活性程度主要取决于废弃混凝土所含未水化的胶凝材料量。

1.1 主要原材料

再生微粉：将内蒙古科技大学土木工程试验室的废弃混凝土用颚式破碎机粉碎到5～15mm的颗粒，然后用球磨机球磨50min后制得。粉煤灰：选用包钢电厂Ⅱ级粉煤灰。水泥：包头产蒙西牌P·O42.5水泥。发泡剂：市售植物源复合蛋白发泡剂，无色至微黄色黏稠液体，推荐稀释比例为1∶60。减水剂：聚羧酸高效减水剂，掺量控制在胶凝材料用量的0.6%～1.5%。稳泡剂：羟丙基甲基纤维素HPMC（掺量以占胶凝材料0.08%为最佳）。生石灰：市售，内蒙古包头产。建筑石膏粉：硬度1.5～2，相对密度2.3，内蒙古包头产。无机盐：碳酸锂［4］、亚硝酸钠，工业级，粉末状。憎水剂：硬脂酸钙，白色粉末；有机硅，无色透明液体。

1.2 胶凝材料性能对比分析

（1）物理性能

水泥、再生微粉、粉煤灰的物理性能见表1。

表1 胶凝材料的主要物理性能

由表1可以看出，再生微粉和粉煤灰二者在宏观上具有相似的物理特性。

（2）化学成分

对胶凝材料进行化学成分分析可以了解其活性物质的种类和含量，更有利于对比分析不同胶凝材料在进行水化反应时的作用机理，是评定其活性大小的重要技术指标［5］。水泥、粉煤灰、再生微粉中的二氧化硅、氧化铝、氧化铁含量高低直观地反映了其质量的优劣，3种胶凝材料主要化学成分见表2。

表2 胶凝材料的主要化学成分　%

由表2可以看出，再生微粉和粉煤灰的氧化硅、氧化铝、氧化镁以及氧化铁的含量均相近，只有氧化钙的含量高于粉煤灰，虽然化学成分会根据原材料产地的不同而略有差异，但可以初步推断再生微粉与粉煤灰化学性质相似。

1.3 胶凝材料体系试验方案

根据GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》中对复合硅酸盐水泥的规定，复合硅酸盐水泥中混合材料总掺加量应＞20%且≤50%，因此，分别固定水泥掺量为50%、60%、70%、80% 4个等级，相应地分别以水泥质量50%、40%、30%、20%的粉煤灰和再生微粉替代部分水泥。在满足再生微粉泡沫混凝土基本性能的基础上最大程度掺入再生微粉，通过调整再生微粉和粉煤灰的掺入比例研究分析不同胶凝材料体系组成对再生微粉泡沫混凝土综合性能的影响［6-8］。试验设计干表观密度600 kg/m3，水胶比为0.24，减水剂掺量为胶凝材料用量的1.2%，试验时根据流动度可以微调减水剂掺量。稳泡剂HPMC以占胶凝材料0.08%的比例掺入，泡沫性能指标参照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》中泡沫混凝土泡沫剂性能试验方法进行测试。

1.4 胶凝材料体系试验结果与分析

其它组分保持不变，不同胶凝材料配比下泡沫混凝土的抗压强度和干表观密度见图1。

图1 不同胶凝材料配比下再生微粉掺量对泡沫混凝土抗压强度和干表观密度的影响

由图1可知，综合考虑抗压强度与干表观密度的关系，以最大程度利用废弃混凝土为原则，当m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=80∶10∶10、70∶15∶15、60∶20∶20、50∶15∶35时，泡沫混凝土在同水泥量级下具有适宜的干表观密度和较高的抗压强度。

破碎、磨细后获得的再生微粉孔隙率高，导致利用其制备的泡沫混凝土吸水率随之增大，吸水率大是再生微粉泡沫混凝土主要缺点之一，制约了再生微粉泡沫混凝土的推广和应用［9］。通过吸水率试验可以得到胶凝材料组成对吸水率的影响规律，有助于在保证再生微粉泡沫混凝土综合性能的基础上最大程度利用废弃混凝土。

不同胶凝材料配比下泡沫混凝土抗压强度与吸水率的关系见图2。

由图2可知：在相同水泥掺量下，再生微粉泡沫混凝土的吸水率随着再生微粉掺量增多基本呈逐渐降低趋势，在水泥掺量逐渐减少、再生微粉掺量逐渐增加的情况下，吸水率反而又处于上升的状态。在保证抗压强度的基础上，重点考虑吸水率的因素，以最大程度利用再生微粉为原则，当m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=80∶10∶10、70∶15∶15、60∶10∶30、50∶15∶35时，泡沫混凝土在相同水泥用量下具有较高的抗压强度和较小的吸水率。

图2 不同胶凝材料配比下再生微粉掺量对泡沫混凝土抗压强度与吸水率的影响

2 再生微粉泡沫混凝土最佳配合比的确定

为了确定适用于再生微粉泡沫混凝土的最佳配合比，选择胶凝材料体系、憎水剂、无机盐作为影响因素，分别设定3因素3水平正交试验并进行结果分析。

2.1 正交试验设计

本试验设计表干密度为600 kg/m3的再生微粉泡沫混凝土，试验时保持水胶比0.24不变，试验过程中可根据浆体的流动度微量调整减水剂的用量［10］；激发剂选用石膏，掺入比例为胶凝材料用量的25%。正交试验因素水平见表3，正交试验结果见表4。

表3 正交试验因素水平

表4 正交试验结果

2.2 正交试验结果分析

正交试验极差分析见表5。

表5 正交试验极差分析

从表5可以看出：

（1）各因素对再生微粉泡沫混凝土干表观密度影响的主次顺序为：憎水剂＞胶凝材料体系配比＞无机盐，憎水剂是最主要影响因素，胶凝材料体系也起到一定的作用，效果仅次于憎水剂，无机盐是非重要影响因素。当憎水剂掺量为1.5%时，干密度最接近设计值。所以泡沫混凝土干表观密度的最优配比为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=70∶15∶15，憎水剂掺量1.5%，无机盐掺量0.1%。

（2）由于泡沫混凝土块体表面有开口孔存在，直接导致其吸水率较大。再生微粉泡沫混凝土吸水率影响的大小顺序为：无机盐＞憎水剂＞胶凝材料体系配比，吸水率皆控制在20%左右，说明吸水率受外加剂耦合作用较大，控制吸水率要从多种外加剂共同考虑；但无机盐是3种因素中较重要的一种，可能是因为碳酸锂掺入缩短了再生微粉泡沫混凝土的凝结时间，有效地保持了泡沫的稳定性以致其成型试块表面存在较少的开口孔而降低了吸水率。

（3）再生微粉泡沫混凝土28 d抗压强度影响的主次顺序为：胶凝材料体系配比＞无机盐＞憎水剂。无机盐和憎水剂掺量选用较为合理，试验强度受其影响变化不大，胶凝材料体系的组成是影响强度的关键因素，这是由于胶凝材料在再生微粉泡沫混凝土中作为主体骨架，是主要受力部分，当m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=70∶15∶15时，泡沫混凝土抗压强度最优。

JC/T 1062—2007《泡沫混凝土砌块》要求15次冻融循环质量损失不大于5%，强度损失不大于20%。从表4可以看出，当m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=50∶15∶35时，冻融指标均不符合规范要求；当m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=60∶20∶20和70∶15∶15时冻融质量损失符合标准要求，但当m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）=60∶20∶20组成时，冻融后强度损失过大。所以当m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（再生微粉）= 70∶15∶15时，泡沫混凝土的抗冻性最好。

从表4还可以看出，泡沫混凝土的导热系数符合JC/T 1062—2007标准要求。

综合以上指标分析可以得到的最佳配合比见表6。

按此最佳配合比制备的再生微粉泡沫混凝土，密度为625.07 kg/m3，28 d立方体抗压强度为4.7 MPa，吸水率为22.93%，15次冻融循环后质量损失3%、强度损失11%，导热系数为0.131 W/（m·K）。各项性能指标符合GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》中A3.5级的要求。与传统的相同级别泡沫混凝土相比，可节约水泥75 kg/m3。

表6 再生微粉泡沫混凝土的最佳配合比　kg/m3

3 结语

（1）当m（水泥）∶m（再生微粉）∶m（粉煤灰）=70∶15∶15时，可做到在保证抗压强度和吸水率的同时最大程度利用再生微粉。

（2）再生微粉泡沫混凝土各原材料的最佳配比（kg/m3）为：m（P·O42.5水泥）∶m（再生微粉）∶m（粉煤灰）∶m（水）∶m（石膏）∶m（碳酸锂）∶m（聚羧酸高效减水剂）∶m（发泡剂）=350∶75∶75∶120∶18.75∶1.5∶6∶0.515。按此最佳配合比制备的再生微粉泡沫混凝土，密度为625.07 kg/m3，28 d立方体抗压强度为4.7 MPa，吸水率为22.93%，15次冻融循环后质量损失3%、强度损失11%，导热系数为0.131 W/（m·K）。各项性能指标符合GB 50574—2010中A3.5级的要求。与传统的相同级别泡沫混凝土相比，可节约水泥75 kg/m3。

参考文献：

［1］杜素云，刘启顺，操龙玉，等.泡沫混凝土在绍兴软基地段路基工程中的应用［J］.混凝土，2013（4）：147-149.

［2］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）：49-52.

［3］陶有生.泡沫混凝土［J］.新型建筑材料，2011（2）：49，55.

［4］周明杰，王娜娜，赵晓艳.泡沫混凝土的研究和应用最新进展［J］.混凝土，2009（4）：104-108.

［5］陈坚钢，王鹏，徐亦冬.混凝土再生微粉研究进展［J］.山西建筑，2013，39（21）：112-113.

［6］吕雪源，王乐生.混凝土再生微粉活性试验研究［J］.青岛理工大学学报，2009，30（4）：137-139.

［7］李驰，方从启.料浆流动度对双氧水泡沫混凝土浆体稳定性的影响［J］.新型建筑材料，2015（8）：1-4.

［8］孙岩，郭远臣，孙可伟，等.再生微粉制备辅助胶凝材料试验研究［J］.低温建筑技术，2011，33（4）：8-10.

［9］曾亮，夏艺.泡沫混凝土的研究进展与展［J］.上海建材，2012（1）：28-32.

［10］李秋义.建筑垃圾资源化再生利用技术［M］.北京：中国建材工业出版社，2011.

Experimental study on preparation of foam concrete making use of regenerated powder

LIU Xiang，YUN Xigang，ZHANG Junrui，LI Ying，LI Yuanjun
（College of Architecture and Civil Engineering，Inner Mongolia University of Science & Technology，Baotou 014010，China）

Abstract：The article conducted experimental studies on the cementitious material system affecting the properties of recycled powder foam concrete. The benchmark mix ratio of foam concrete can be determined through the relationship between dry apparent density and water absorption on the compressive strength of the different cementitious materials. The experiment results showed that recycled powder can be made use of to the maximum content while ensuring compressive strength and water absorption rate when the cement∶fly Ash∶recycled powder is 70∶15∶15. Optimal mix ratio was obtained by orthogonal experiments and recycled powder foam concrete meeting the A3.5 requirements as specified in standard GB 50574—2010 "Uniform technical code for wall materials" was prepared，which can be used as wall insulation materials，and has good application and economic effect.

Key words：recycled fine powder，foamed concrete，cementitious material system，orthogonal test

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0077-04

基金项目：广东省滨海土木工程耐久性重点实验室开放基金项目（GDDCE12-08）

收稿日期：2015-10-15；

修订日期：2015-11-19

作者简介：刘香，女，1964年生，内蒙古包头人，教授，研究方向为结构抗震。