外加组分对泡沫混凝土性能影响试验研究

郑秀梅，张皓，李秀凤（黑龙江职业学院 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨　150080）



外加组分对泡沫混凝土性能影响试验研究

郑秀梅，张皓，李秀凤
（黑龙江职业学院 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨150080）

研究分析了水胶比，发泡剂、聚丙烯纤维、膨胀珍珠岩掺量对泡沫混凝土抗压强度、密度及吸水率的影响。结果表明：水胶比为0.45～0.55时，泡沫混凝土的密度较低、抗压强度较高；发泡剂掺量越大，抗压强度与密度越低；聚丙烯纤维掺量为0.8%时，抗压强度最高，密度较低；膨胀珍珠岩能降低泡沫混凝土的强度，但对干密度的影响不大；导热系数随干密度的增大而增大。

泡沫混凝土；抗压强度；发泡剂；聚丙烯纤维

0　前言

由于泡沫混凝土具有密度小、热工性能优越、防火性能好等特点，近年来，被广泛用于墙体与屋面材料，主要用作砌体材料与保温隔热材料，不仅使建筑物的自重减轻，还节约了石材等建筑材料、缩短工程工期及减少整体工程费用，具有广阔的发展前景［1］。

但以往的泡沫混凝土强度都很低，大大制约了泡沫混凝土的发展与应用。本研究通过优化试验配方，试验研究寻找影响泡沫混凝土性能的因素，以利于泡沫混凝土更好地服务于建筑行业。

1　试验

1.1原材料

水泥：P·O42.5水泥与CA50级铝酸盐水泥按90∶10的质量比复合使用。

细骨料：中砂，细度模数2.7，含泥量＜1%。

发泡剂：植物蛋白类ZY-101高效水泥发泡剂。

聚丙烯纤维：直径16～20 μm，长度7～10 mm，抗拉强度为400～750 MPa，弹性模量4～10 GPa。

膨胀珍珠岩：哈尔滨天益珍珠岩厂，粒径1～3 mm，表观密度140 kg/m3，常温导热系数0.0245～0.0480 W/（m·K）。

聚羧酸盐类高效减水剂：减水率25%。

水：自来水。

1.2试验方案

发泡剂与水按1∶20或1∶30质量比稀释，使用高剪切乳化机制泡，转速7000 r/min，将发泡好的均匀、稳定的泡沫倒入搅拌好的水泥浆，每隔1 min人工翻拌1次，约3～5 min制成均匀的泡沫混凝土。将新拌泡沫混凝土制成试验所需尺寸，在（20±5）℃、相对湿度（70±5）%的条件下覆膜自然养护至试验龄期，进行性能测试。

本研究的所有试验均按JG/T 266—2011《泡沫混凝土性》的规定进行。

2　试验结果与分析

2.1水胶比的影响

固定m（复合水泥）∶m（中砂）∶m（发泡剂）∶m（减水剂）∶m（聚丙烯纤维）∶m（膨胀珍珠岩）=100∶220∶1∶1∶0.8∶1，取水胶比分别为0.35、0.40、0.45、0.55、0.60，研究不同水胶比对泡沫混凝土性能的影响，结果见图1。

图1　水胶比对泡沫混凝土性能的影响

由图1（a）可以看出，无论哪种水胶比，泡沫混凝土的抗压强度都随着养护龄期延长而呈增长趋势。当龄期为3 d时，抗压强度随水胶比的增大而减小；7 d与28 d的变化趋势一致，抗压强度分别在水胶比为0.45与0.50时出现转折，当水胶比在0.35～0.45时，抗压强度随水胶比增大而降低，随后上升，水胶比大于0.50以后，抗压强度又随水胶比增加而降低。其中当水胶比为0.45与0.55时，泡沫混凝土的抗压强度几乎相当。

由图1（b）可以看出，除水胶比为0.40以外，其它水胶比下的泡沫混凝土密度都相差不大，均在10%以内。湿密度与干密度随水胶比的变化趋势也相似，变化差相近，因而泡沫混凝土的干湿密度比也变化不大，经计算，本研究中干湿密度比在68%～71%。

由图1（c）可以看出，水胶比小于0.45时，质量吸水率与体积吸水率均随水胶比的增加而增大，水胶比为0.45时达到最大值，其后质量吸水率略有下降，但几乎保持不变。而体积吸水率先降后升，变化也不大。

综上，当泡沫混凝土的水胶比大于0.45，吸水率较大其所对应的混凝土干密度也较小。当水胶比较大时，泡沫混凝土中游离状态的水较多，在硬化过程中，游离水逐渐蒸发而形成较多的通道，导致硬化后的泡沫混凝土内部的连通孔隙率增大［2］，使泡沫混凝土不同龄期的抗压强度均降低。

2.2发泡剂的影响

固定m（复合水泥）∶m（中砂）∶m（减水剂）∶m（聚丙烯纤维）∶m（膨胀珍珠岩）=100∶220∶1∶0.8∶1，水胶比取0.50，发泡剂掺量分别占复合水泥质量的0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%，研究发泡剂掺量对泡沫混凝土性能的影响，结果见图2。

图2　发泡剂掺量对泡沫混凝土性能的影响

从图2可以看出，随着发泡剂掺量的增加，泡沫混凝土的抗压强度与密度均呈下降趋势，且掺量越多，下降越明显，但掺量在1.0%～1.4%时，仅略有下降。吸水率随发泡剂掺量增加呈上升趋势，其中体积吸水率在发泡剂掺量为1.0%～1.4%时仅略有上升，但变化不大。

形成这种现象的主要原因是，随着发泡剂掺量的增加，混凝土内的密闭气泡数量也增多，使得孔隙率变大，C-S-H凝胶体整体性变差，所以混凝土的密度和抗压强度呈下降趋势［3］，而吸水率则上呈趋势。发泡剂掺量为0.8%时，28 d抗压强度和干密度都约为其它大掺量的2倍左右，在工程应用时，根据情况选择合适掺量。若应用强度要求较高，建议选择0.8%；若强度要求不高，密度要求较低，则建议选择1.0%～1.2%。

2.3聚丙烯纤维的影响

固定m（复合水泥）∶m（中砂）∶m（发泡剂）∶m（减水剂）∶m（膨胀珍珠岩）=100∶220∶1∶1∶1，水胶比取0.50，聚丙烯纤维掺量分别占复合水泥质量的0.4%～1.2%，研究不同聚丙烯纤维掺量对泡沫混凝土性能的影响，结果见图3。

图3　聚丙烯纤维掺量对泡沫混凝土性能的影响

从图3可以看出，泡沫混凝土的抗压强度及密度随聚丙烯纤维掺量的增加呈先增大后减小的变化趋势，而其吸水率则呈现出先减小后增大的变化趋势。聚丙烯纤维掺量为0.8%时，泡沫混凝土28 d抗压强度达最大值，为2.29 MPa。干密度在聚丙烯纤维掺量为0.6%时达到最大值，吸水率则在掺量在0.7%～0.8%时达到最小值。

有研究表明，在泡沫混凝土中掺入聚丙烯纤维能有效提高其抗压强度［4］。但本试验中，当聚丙烯纤维掺量大于0.8%以后，抗压强度反而下降，分析其原因，主要由于聚丙烯纤维掺量过多时，在水泥浆中可能会分布不均匀，发生了部分聚集，在混凝土内部形成了强度的薄弱环节，使得硬化后的泡沫混凝土强度降低。

从泡沫混凝土的综合应用性能来看，建议聚丙烯纤维在泡沫混凝土中的最佳掺量为0.8%左右。

2.4膨胀珍珠岩的影响

固定m（复合水泥）∶m（中砂）∶m（发泡剂）∶m（减水剂）∶m（聚丙烯纤维）∶m（膨胀珍珠岩）=100∶220∶0.8∶1∶0.8，水胶比取0.50，膨胀珍珠岩掺量分别占复合水泥质量的0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、4.0%、5.0%，研究膨胀珍珠岩掺量对泡沫混凝土性能的影响，结果见图4。

图4　膨胀珍珠岩掺量对泡沫混凝土性能的影响

从图4可以看出，掺加0.5%～5.0%膨胀珍珠岩后，泡沫混凝土的抗压强度都较低。泡沫混凝土的抗压强度及密度随膨胀珍珠岩掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，而吸水率则是先减小后增大的趋势，且变化的转折掺量均为1.0%。掺量大于2.0%以后的泡沫混凝土的各种性能均呈均匀缓慢变化。当膨胀珍珠岩掺量较小时，使得珍珠岩颗粒在水泥浆体分布不均匀，与水泥浆之间的界面也比较薄弱。另外，膨胀珍珠岩自身的强度也低于水泥浆体的强度［5］，因此极小掺量下的泡沫混凝土的抗压强度就较低。当膨胀珍珠岩掺量较大时，存在搅拌不均匀而使珍珠岩颗粒出现部分聚集，降低泡沫混凝土强度；同时由于膨胀珍珠岩比面积大，且结构疏松，表面孔隙较多，极易将泡沫表面的水分吸走而破坏泡沫，在珍珠岩颗粒周围形成水膜，大大降低硬化后的泡沫混凝土抗压强度［6］。对于密度而言，无论哪种掺量，泡沫混凝土的密度为400～600kg/m3，符合轻质的要求。

综合考虑，若想既掺入膨胀珍珠岩，又有略高的抗压强度，建议膨胀珍珠岩的合理掺量为1.0%。

2.5导热系数与干密度的关系

目前，泡沫混凝土多用于保温隔热中［7］，因此其导热系数直接关系到泡沫混凝土的应用性能。试验采用水胶比为0.50，聚丙烯纤维掺量为0.8%，膨胀珍珠岩掺量取0.6%、0.8%、1.0%，发泡剂掺量取0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%，其它材料掺量不变。分别测试泡沫混凝土干密度及对应的导热系数，如图5所示。

图5　泡沫混凝土干密度与导热系数的关系

由图5可知，泡沫混凝土的导热系数随干密度的增大而呈现增加趋势。干密度在340 kg/m3左右时，导热系数发生突变，由0.071 W/（m·K）增至0.085 W/（m·K），干密度在340～400 kg/m3时，导热系数变化不大，而后，干密度在400～450 kg/ m3时，导热系数又快速增大。

导热系数越小，泡沫混凝土的保温隔热性能越好［8］，因此在实际应用中可根据干密度与导热系数的关系来选择泡沫混凝土合理的配合比。若想单纯取得低密度的保温性泡沫混凝土，可适当加大膨胀珍珠岩及发泡剂的掺量；若想保温同时还有获得较高的强度，则最好不要掺入膨胀珍珠岩，发泡剂掺量为1.0%较适宜。

3　结论

（1）水胶比较小的泡沫混凝土，流动性差，在搅拌过程中会破坏泡沫，使密度增大，同时也获得相对较高的抗压强度。当水胶比在0.45～0.55时，可以得到密度较低、抗压强度较高的泡沫混凝土。

（2）随发泡剂的掺入，泡沫混凝土的性能也发生较大的变化。掺量越大，抗压强度与密度越低，吸水率越高。根据试验结果，若泡沫混凝土强度要求较高，建议选择0.8%掺量；若密度要求较低，而对抗压强度要求也较低时，则建议选择1.0%～1.2%掺量。

（3）聚丙烯纤维可有效地改善泡沫混凝土的抗压强度，0.8%掺量时，抗压强度最高，而密度较低。建议工程掺量为0.8%左右。

（4）掺入0.5%～5.0%膨胀珍珠岩后会降低泡沫混凝土的强度，但对干密度的影响不大。1.0%掺量为抗压强度与密度峰值掺量，均为最高值，综合分析，建议工程掺量为1.0%，此掺量下的泡沫混凝土性能较好。

（5）泡沫混凝土的导热系数随其干密度的增大而呈现增加趋势，干密度在340 kg/m3左右时，导热系数发生突变。当干密度为480 kg/m3时，导热系数达到0.1 W/（m·K），工程应用时，应根据实际需要，选择合理的配合比，取得合适的抗压强度及干密度，达到应用泡沫混凝土的目的与效果。

［1］王朝强，谭克锋，徐秀霞.我国泡沫混凝土的研究现状［J］.混凝土，2013（12）：57-61.

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

［3］雷团结，李浩然，耿飞，等.新型泡沫混凝土发泡剂的制备与性能研究［J］.新型建筑材料，2013（12）：93-96.

［4］王朝强，谭克锋，徐秀霞.纤维对泡沫混凝土性能的影响［J］.西南科技大学学报，2013，28（3）：11-15.

［5］周顺鄂，卢忠远，焦雷，等.泡沫混凝土压缩特性及抗压强度模型［J］.武汉理工大学学报，2010（11）：9-13.

［6］王武祥.泡沫混凝土绝干密度与抗压强度的相关性研究［J］.混凝土世界，2010（6）：50-53.

［7］胡新萍，李翔宇，韩保清，等.泡沫混凝土的导热系数和强度研究［J］.硅酸盐通报，2014（11）：2940-2945.

［8］李翔宇，赵霄龙，郭向勇，等.泡沫混凝土导热系数模型及参数修正［J］.材料导报，2011，25（20）：146-152.

Experimental study on the admixtures of foam concrete performance

ZHENG Xiumei，ZHANG Hao，LI Xiufeng
（School of Building Engineering，Heilongjiang Polytechninc，Harbin 150080，China）

The influence of the different water-binder ratio，different dosage of foaming agent，polypropylene fiber，expanded perlite on compressive strength，the water absorption and the density of foam concrete was studied and analyzed.The results show that foam concrete has lower density and higher compressive strength when water-binder ratio of foam concrete is 0.45～0.55，the density and the compressive of foam concrete is lower with more foaming agent，foam concrete has the highest compressive and lower density when polypropylene fiber is 0.8%，the expanded perlite can reduce the compressive strength of the foam concrete，but the influence on dry density is less.The heat conductivity coefficient increases with augment of dry density.

foam concrete，compressive strength，foaming agent，polypropylene fiber

TU528

A

1001-702X（2016）06-0075-04

黑龙江省教育厅科技项目（12541807）

2015-12-10；

2016-02-03

郑秀梅，女，1976年生，黑龙江兰西人，硕士，副教授，主要从事高性能与智能混凝土的研究。地址：哈尔滨市学府路5号，E-mail：1796769566@qq.com。