碳酸钙晶须增韧泡沫混凝土性能试验研究

段世荣

（贵州省瓮安县住房和城乡建设局，贵州 瓮安 550400）

作为一种新型的建筑保温材料，泡沫混凝土质量轻，具有优良的保温隔热性和防火性能。但泡沫混凝土存在强度偏低[1]、韧性差[2]、收缩大的缺陷[3]，限制了其推广应用。对于密度小于700 kg/m3的泡沫混凝土，当内部存在微小裂纹时便会导致该系列产品出现严重的质量问题[4-6]。

泡沫混凝土更多的是采用纤维素来实现增韧阻裂[7]，而纤维素的种类对泡沫混凝土制品的增韧效果存在较大差异[8]，传统泡沫混凝土增韧制品研究主要是集中于毫米级材料的增韧阻裂等方面[9]，对于微米级和纳米级纤维增韧性研究较少。碳酸钙晶须作为一类纤维状单晶体，其直径处于亚微米和纳米级[10]。将碳酸钙晶须填充到泡沫混凝土中，对泡沫混凝土的增韧效果明显，并且碳酸钙晶须具有价格低廉的特点，较高的耐磨性和保温性，具有很高的实际应用价值[11-13]。基于此，本文对以碳酸钙晶须作为纳米纤维增韧材料的泡沬混凝土的性能进行分析，并进行了机理研究，为泡沫混凝土的推广应用提供理论支持。

1 试验

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，玉山水泥公司生产；发泡剂：SY-F30，山东烟台嘉世建筑公司生产；减水剂：SW-4，高效萘系减水剂，减水率20%，固含量40%，掺量推荐为0.5%～1.5%，大连源泉建筑公司生产；粉煤灰：Ⅱ级，京能热电有限公司产；石英砂：黔南布依族苗族自治州产；膨胀珍珠岩：贵州贵宏盛保温材料有限公司生产；稳泡剂：S-1，廊坊市腾大化工有限公司产；碳酸钙晶须：四川蜀阳化工生产的增强型碳酸钙晶须，具有较强的机械强度和摩擦系数，耐热性能优异，使用寿命长等优点，产品无毒、无污染，其主要化学成分见表1。

表1 碳酸钙晶须的主要化学成分 %

1.2 配合比设计

泡沫混凝土设计密度为800～1100 kg/m3，发泡剂按m（发泡剂）∶m（水）=1∶20的比例稀释。先将干料用搅拌机干搅混合，再将碳酸钙晶须掺入其中，最后混入泡沫。按照少量多次的制备原则，每次泡沫混凝土的制备量较少，为防止飞溅，采用微型搅拌器发泡和混泡。试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。表2为不同密度等级泡沫混凝土的基准配合比，试验时分别掺入占水泥质量1%、3%、5%的碳酸钙晶须。

表2 不同密度等级泡沫混凝土的基准配合比 kg

2 碳酸钙晶须增韧泡沫混凝土的结构

2.1 碳酸钙晶须增韧泡沫混凝土的微观结构

2.1.1 碳酸钙晶须在泡沫中的排布

泡沫的稳定性和泡径尺寸是影响泡沫混凝土的2个主要因素，该因素与表面活性剂和表面张力相关。降低表面能能够获得泡径相对较小且稳定的液态泡沫。纳米尺寸的晶须掺入泡沫混凝土中具有微粉末作用，能够起到稳泡的效果。碳酸钙晶须降低了气泡的表面能，增加了膜的韧性和稳定性。图1为密度等级为800 kg/m3条件下光学显微镜下拍摄的气泡膜，小径气泡均匀分布，从孔径尺寸可以看出，掺3%晶须后气泡的尺寸明显减小。同时，液态泡沫表面覆盖着稳定的碳酸钙晶须，对于成型泡沫混凝土而言，晶须在多孔性方面具有很好的改良效果。事实上，碳酸钙晶须加入到泡沫混凝土中有效提高了泡沫膜的弹性和机械强度，使液膜不易破裂；液膜的排液速度得到延续，泡沫呈现出双电子层的致密结构，更为细小均匀，有效提高了分子间作用力和液膜的自我修复能力。

图1 晶须在泡沫中排布

2.1.2 晶须在基壁的排布

为保证泡沫混凝土基体的孔壁处能够富集碳酸钙晶须，分别将碳酸钙晶须掺入混凝土胶结料和混合制泡过程中，碳酸钙晶须作为矿物微纤维对泡沫混凝土基壁结构具有改良作用，可有效减少气泡的合并和破裂，提高气泡稳定性，同时，作为孔隙充填物，封闭了水泥结构中的部分间隙，晶须与水泥浆体内部的水泥发生水化作用，生成了三维网络状结构形式。图2为碳酸钙晶须在孔壁的整体SEM结构照片。图中柱状结构为碳酸钙晶须，可以看出，在泡沫混凝土孔壁上覆盖了大量晶须成分，从而对孔壁起到支撑稳固作用，形成了较为稳固状态。

图2 晶须在孔壁排布的SEM照片

图3为晶须在基壁排布的扫描电镜照片。

图3 晶须在基壁排布的SEM照片

由图3可见，掺入碳酸钙晶须后，基壁得到了充分水化，整个基体组成相对较为致密，晶须和水泥基体融合在一起，呈三维乱向分布。

2.2 各因素对泡沫混凝土孔结构的影响

2.2.1 减水剂对泡沫混凝土孔结构的影响

图4为密度等级为800 kg/m3条件下，未掺减水剂和掺减水剂下的泡沫混凝土的微观结构。

图4 未掺和掺加减水剂的泡沫混凝土的微观结构

由图4可见，未掺减水剂时，泡沫混凝土孔径大小极不均匀，大孔间夹杂着诸多的小空隙；掺入减水剂后，泡径由混乱的不均匀状转化为均匀状，混凝土孔结构得到了较大改善。2.2.2 晶须对泡沫混凝土孔结构的影响

图5为密度等级为800 kg/m3条件下，不同晶须掺量的泡沫混凝土的微观形貌。

图5 不同晶须掺量的泡沫混凝土结构

由图5可见，晶须掺量为3%时的孔径大小和分布一致性最优。当晶须掺量较低时，掺入晶须仅仅破坏了部分泡沫结构，并未形成完整的三维网络结构；当晶须掺量达到3%时，浆体内晶须结构与水化水泥共同形成了稳固的三维网络结构，随着晶须掺量的继续提高，则易形成分散性较差的团聚结构，优化效果大幅下降。

3 碳酸钙晶须增韧泡沫混凝土的性能分析

3.1 对吸水率和导热系数的影响

本试验选择了800、900、1100 kg/m3等3个干密度等级泡沫混凝土进行研究，碳酸钙晶须对泡沫混凝土质量吸水率和导热系数的影响见图6、图7。

图6 碳酸钙晶须掺量对泡沫混凝土吸水率的影响

由图6可知，当密度等级为800、900 kg/m3时，随碳酸钙晶须掺量的增加，试件的吸水率基本呈减小的趋势；而密度等级为1100 kg/m3时，随碳酸钙晶须掺量的增加，试件的吸水率逐渐增大。碳酸钙晶须掺量相同时，随泡沫混凝土密度的增大，试件的吸水率逐渐减小，这是因为密度的增大导致试件的孔隙率下降，从而减小了泡沫混凝土的吸水面积。

图7 碳酸钙晶须掺量对泡沫混凝土导热系数的影响

由图7可见，碳酸钙晶须掺量相同时（1%～5%范围内），随泡沫混凝土密度的增大，试件的导热系数逐渐增大；密度等级相同时，掺1%～5%碳酸钙晶须的泡沫混凝土导热系数均低于未掺碳酸钙晶须的泡沫混凝土，可见，碳酸钙晶须掺量在一定范围时，则相应密度等级下的泡沫混凝土仍然可以获得较为优异的保温性能。

3.2 对抗压强度的影响（见图8）

图8 碳酸钙晶须掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响

由图8可见，碳酸钙晶须掺量相同时，随泡沫混凝土密度的增大，试件的抗压强度逐渐提高。密度等级为800、900 kg/m3时，碳酸钙晶须的掺入对试件的抗压强度影响并不明显；密度等级为1100kg/m3时，碳酸钙晶须的掺入对材料的抗压强度影响较明显，当晶须掺量为1%时，试件的抗压强度最高，较未掺晶须的提高了34.0%；当晶须掺量超过1%后对试件抗压强度的提升作用开始下降，当掺量为5%时，试件的抗压强度较未掺晶须的只提高了8.3%。

3.3 对劈裂抗拉强度的影响（见图9）

由图9可见，碳酸钙晶须掺量相同时，随泡沫混凝土密度的增大，试件的劈裂抗拉强度逐渐提高；密度等级为1100kg/m3的试件相对于800 kg/m3的试件，其劈裂抗拉强度提高了近10倍。当密度等级为800 kg/m3时，晶须掺量由1%提高到3%时，试件的劈裂抗拉强度由0.15 MPa提高到0.45 MPa，提升效果显著。不同密度等级下，当晶须掺量小于3%时，对试件的劈裂抗拉强度具有较大的促进作用；但当晶须掺量大于3%后，随晶须掺量的增加，劈裂抗拉强度降低。

图9 碳酸钙晶须掺量对泡沫混凝土劈裂抗拉强度的影响

3.4 对收缩性能的影响（见图10）

图10 碳酸钙晶须掺量对泡沫混凝土收缩性的影响

由图10可见，在不同龄期下，随着密度等级的增大，试件的收缩值逐渐减小；随着龄期的延长，试件的收缩值增大。不同密度等级下56 d龄期相对于7 d龄期下的收缩值增大了100%。随着碳酸钙晶须掺量的增加，试件的收缩值整体呈现减小趋势，当碳酸钙晶须掺量超过3%时，减小趋势渐趋于平缓。由此可知，晶须的掺入可有效阻止泡沫混凝土的收缩。通过分析可知，晶须掺量对密度等级较低的泡沫混凝土的收缩值影响最大。

4 结语

（1）碳酸钙晶须呈三维乱向分布在泡沫混凝土中，降低了泡沫表面张力；碳酸钙晶须的掺入能够降低泡沫混凝土的导热系数，提高保温性能；当碳酸钙晶须量为3%时获得最优的综合物理性能。

（2）掺入碳酸钙晶须能够有效提高泡沫混凝土的抗压强度，当密度等级为1100kg/m3，碳酸钙晶须掺量为1%时，抗压强度较未掺晶须的提高了34%；当碳酸钙晶须掺量为3%时，获得最优的劈裂抗拉强度和收缩率。

（3）综合考虑，碳酸钙晶须的最佳掺量为3%，能有效提高泡沫混凝土的保温性能以及抗压和劈裂抗拉强度，实现增韧、防开裂的效果。

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